數(shù)字城市內(nèi)涵、技術(shù)框架與關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字城市內(nèi)涵、技術(shù)框架與關(guān)鍵技術(shù)

美國副總統(tǒng)在《21世紀(jì)的美國數(shù)字地球儀》的報(bào)告中詳細(xì)介紹了數(shù)字地球的概念、目標(biāo)和支持技術(shù)等重要內(nèi)容?！皵?shù)字地球儀”的引入不僅是人們了解世界、改造世界的客觀需要，也是經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、信息社會(huì)發(fā)展的不可避免過程。它引起了世界各國的廣泛關(guān)注，也受到了許多國家各國的高度重視。這座城市是人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和信息最密集的地區(qū)。城市計(jì)算機(jī)科學(xué)是城市信息的主要目標(biāo)。先進(jìn)國家和地區(qū)以信息社會(huì)和社會(huì)計(jì)算機(jī)化為戰(zhàn)略目標(biāo)，以信息為基礎(chǔ)，發(fā)展了當(dāng)?shù)匦畔⒓夹g(shù)，形成了數(shù)字城市。作為城市信息建設(shè)的熱點(diǎn)和先鋒，“數(shù)字城市”是城市信息建設(shè)的熱點(diǎn)和先鋒。這是城市“數(shù)字城市”的具體和擴(kuò)展，也是未來區(qū)域發(fā)展的必然趨勢(shì)?！皵?shù)字城市”將全面改善城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，特別是人民生活質(zhì)量和城市管理水平，全面改善城市區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。這是基于技術(shù)和技術(shù)的新時(shí)代的象征。本文主要研究“數(shù)字城市”的內(nèi)涵、功能體系和技術(shù)框架，從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的角度考察“數(shù)字城市”建設(shè)的核心內(nèi)容。1“數(shù)字城市”的內(nèi)涵“數(shù)字城市”是對(duì)城市發(fā)展方向的一種描述,能滿足城市信息化建設(shè)的多項(xiàng)需求,不僅能給市民的日常生活帶來極大的便利,還為城市管理展示了一種全新的規(guī)劃、建設(shè)和管理理念;是傳統(tǒng)城市在當(dāng)今高新技術(shù)背景下的功能深化與質(zhì)的升華,是其發(fā)展的新階段.“數(shù)字城市”是一個(gè)由多種高新技術(shù)支持的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息體系,它不僅能在計(jì)算機(jī)上建立虛擬城市,再現(xiàn)城市資源分布狀態(tài),更重要的是在實(shí)現(xiàn)城市空間數(shù)據(jù)和信息資源的共享和互操作方面發(fā)揮了重要的作用.據(jù)統(tǒng)計(jì),對(duì)“數(shù)字城市”概念的理解大約有十多種,不同的人從不同的角度會(huì)有不同的理解.一種具有代表性的觀點(diǎn)認(rèn)為,“數(shù)字城市”是物質(zhì)城市在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)空間的再現(xiàn)和反映.這里的物質(zhì)城市即是人們生活的現(xiàn)實(shí)城市,而數(shù)字網(wǎng)絡(luò)空間則是數(shù)字城市的載體.“數(shù)字城市”概念在哲學(xué)和科學(xué)的角度廣泛的用于描述整個(gè)城市的信息化.對(duì)“數(shù)字城市”的理解可分為廣義和狹義兩類:廣義的數(shù)字城市即城市信息化,是指綜合運(yùn)用GIS、GPS、RS、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真技術(shù),對(duì)城市的基礎(chǔ)設(shè)施、功能機(jī)制進(jìn)行自動(dòng)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)管和輔助決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng).狹義的數(shù)字城市是指:利用“數(shù)字地球”理論,基于3S技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),建設(shè)服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理;服務(wù)于政府、企業(yè)、公眾;服務(wù)于人口、資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的信息基礎(chǔ)設(shè)施和信息系統(tǒng).筆者認(rèn)為,“數(shù)字城市”是對(duì)現(xiàn)實(shí)城市及其相關(guān)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文等特征的規(guī)范化、統(tǒng)一化、數(shù)字化重現(xiàn)和再認(rèn)識(shí),也就是通過現(xiàn)代空間信息科學(xué)的技術(shù)來管理城市的信息,處理和分析整個(gè)城市問題,從而服務(wù)于社會(huì),促進(jìn)城市的科學(xué)發(fā)展.“數(shù)字城市”將真實(shí)的城市以地理位置及相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ),組成數(shù)字化信息框架,并嵌入屬性信息集合,其本質(zhì)就是海量城市空間和屬性數(shù)據(jù)與三維城市地理信息系統(tǒng)、時(shí)序地理信息系統(tǒng)的融合.2主導(dǎo)地位系的組織結(jié)構(gòu)“數(shù)字城市”從功能層面看是一個(gè)內(nèi)容豐富、外延廣泛的綜合信息體系,它不是城市各個(gè)領(lǐng)域信息系統(tǒng)雜亂無章的組合,而是具有比較明確的組織結(jié)構(gòu);從技術(shù)層面看,它是集多學(xué)科,多高科技于一身的復(fù)雜體系.我們可以從功能和技術(shù)兩個(gè)層面來把握“數(shù)字城市”的框架結(jié)構(gòu).2.1多系數(shù)據(jù)組成“數(shù)字城市”是一個(gè)龐大的信息系統(tǒng),它是以計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫及通訊網(wǎng)絡(luò)為主體,以全球定位系統(tǒng)、遙感、地理信息系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代高科技為研究手段,以城市的地理、資源、生態(tài)、環(huán)境等自然的以及人文的事物和現(xiàn)象為研究對(duì)象的綜合體系.其功能體系主要由以下幾部分組成:地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層、專題層和分析層(如圖1).其中地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層由描述自然和人文地理環(huán)境等多維時(shí)空現(xiàn)象的空間數(shù)據(jù)和專題屬性數(shù)據(jù)組成,通過GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)管理并提供GIS的基本功能,是“數(shù)字城市”信息的靜態(tài)形式.專題層和分析層是“數(shù)字城市”的應(yīng)用層.專題層和分析層是“數(shù)字城市”靜態(tài)信息的動(dòng)態(tài)體現(xiàn),應(yīng)包含大量的子系統(tǒng)和功能模塊,能針對(duì)不同的用戶,不同的研究領(lǐng)域進(jìn)行高級(jí)應(yīng)用.“數(shù)字城市”服務(wù)于社會(huì),可以概括為電子政務(wù)、電子商務(wù)和電子社區(qū).其中電子政務(wù)是指政府部門進(jìn)行數(shù)字管理,包括土地管理、市政管理、交通管理、城市規(guī)劃、公共安全等方面;電子商務(wù)是指企業(yè)進(jìn)行數(shù)字經(jīng)營,包括商業(yè)布局、金融保險(xiǎn)、物流配送、醫(yī)療衛(wèi)生等;電子社區(qū)是指公眾進(jìn)行數(shù)字生活,包括智能住宅、智能家電、移動(dòng)電話等.2.2“數(shù)字城市”的技術(shù)框架在技術(shù)上“數(shù)字城市”是在城市數(shù)字化基礎(chǔ)上建立的一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)城市綜合管理與決策支持的、虛擬的、具有開放性的城市模型,因此要綜合運(yùn)用GIS(地理信息系統(tǒng))、RS(遙感)、GPS(空間定位系統(tǒng))、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)和手段.數(shù)據(jù)是“數(shù)字城市”的“血液”,沒有城市的空間和專題屬性數(shù)據(jù)的支持,“數(shù)字城市”也就成了紙上談兵,空中樓閣.以數(shù)據(jù)為主線,“數(shù)字城市”的技術(shù)框架如圖2所示.3“數(shù)字城市”的核心技術(shù)建立“數(shù)字城市”需要地球科學(xué)技術(shù)、空間科學(xué)技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)的支撐.下面以數(shù)據(jù)為主線進(jìn)行討論:3.1遙感技術(shù).建設(shè)“數(shù)字城市”需要大量的城市空間和屬性數(shù)據(jù),隨著空間定位系統(tǒng)、測(cè)量學(xué)和多傳感器集成空間信息獲取技術(shù)的發(fā)展,準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、自動(dòng)的獲取數(shù)據(jù)成為可能.1)全球定位系統(tǒng)(GPS).20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的GPS技術(shù),是利用導(dǎo)航衛(wèi)星的電文,通過電子測(cè)距,采用距離交會(huì)的算法,對(duì)空中、海上和陸地的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全球性、全天候的精確定位的技術(shù),是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)重大的空間測(cè)量技術(shù).其廣泛地滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域.2)多分辨率遙感技術(shù).遙感是運(yùn)用現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)探測(cè)儀器,不與目標(biāo)物相接觸,從遠(yuǎn)距離把目標(biāo)物的電磁波特性記錄下來,通過分析、解譯揭示出目標(biāo)物本身的特征、性質(zhì)及其變化規(guī)律的技術(shù).當(dāng)代遙感的發(fā)展主要表現(xiàn)在它的多傳感器、高分辨率和多時(shí)相特征.遙感在建設(shè)“數(shù)字城市”中的作用主要體現(xiàn)在:提供城市的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)、實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).它是構(gòu)筑“數(shù)字城市”最基本的空間數(shù)據(jù)來源,也是其他非空間數(shù)據(jù)的載體和框架.3)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù).數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是攝影測(cè)量發(fā)展的第三個(gè)階段,能自動(dòng)快速生成城市的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃矢量圖(DLG),并可從DOM上自動(dòng)或人機(jī)交互式提取各種專題信息,然后將這些結(jié)果存入GIS數(shù)據(jù)庫中,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)更新.這種由城市的正射影像、DEM、建筑物的量測(cè)數(shù)據(jù)、房頂與墻面的影像紋理數(shù)據(jù)虛擬城市三維景觀的手段是“數(shù)字城市”圖形交互的主要形式.4)多傳感器集成空間信息獲取技術(shù).多傳感器集成空間信息獲取是指利用多種空間數(shù)據(jù)采集傳感器進(jìn)行全面高精度空間數(shù)據(jù)采集,為地理信息系統(tǒng)和三維空間數(shù)據(jù)的采集提供全面、可靠、高效的方式.通過多傳感器集成空間信息獲取技術(shù)可以獲取“數(shù)字城市”中需要的大量建筑物的立面幾何和紋理數(shù)據(jù)信息.3.2空間數(shù)據(jù)共享城市的空間和屬性信息都直接或間接與地表位置相關(guān),其具有區(qū)域性、多維性和時(shí)序特性.龐大的信息資源和昂貴的信息成本,使得人們無法獨(dú)立生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù),而必須通過共享來獲得資源和必要的信息.“數(shù)字城市”囊括了城市的各個(gè)部門各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù),并把這些異構(gòu)的數(shù)據(jù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的.目前空間數(shù)據(jù)共享的方法主要有外部數(shù)據(jù)交換、空間數(shù)據(jù)庫互操作和空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)3種.梅士員通過對(duì)幾種空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)有缺點(diǎn)的分析認(rèn)為,互操作方法綜合了已有的各種方法,是解決地理信息共享的一個(gè)重要方向.互操作是能對(duì)建立在不同計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的、具有不同數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行無障礙的交換與共享的技術(shù).3.3采用寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字城市互聯(lián)網(wǎng)安全建設(shè),有助于實(shí)現(xiàn)信息共享、傳播“數(shù)字城市”的大量數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)庫中,由不同的部門負(fù)責(zé)構(gòu)建、管理和維護(hù),要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,進(jìn)行無縫互操作就必須通過計(jì)算機(jī)寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和萬維網(wǎng)絡(luò)技術(shù).通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)不同用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的共享,把分布在不同區(qū)域不同部門的信息有機(jī)地結(jié)合在一起,形成一個(gè)規(guī)模巨大、形式統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫.要傳輸海量數(shù)據(jù),進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,寬帶網(wǎng)絡(luò)便成為“數(shù)字城市”是否能走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵.3.4“數(shù)字城市”數(shù)據(jù)的不同時(shí)間和空間1)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù).由于“數(shù)字城市”中包括多種數(shù)據(jù)類型,如空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、動(dòng)畫數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)等,所以需要一種能支持空間數(shù)據(jù)操作和管理的新型數(shù)據(jù)庫技術(shù).近年來,許多數(shù)據(jù)庫已經(jīng)能支持空間數(shù)據(jù)的管理和操作,如Oracle,MySQL等.數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)是面向主題的、集成的、不可更新的(穩(wěn)定性)、隨時(shí)間不斷變化(不同時(shí)間)的數(shù)據(jù)集合,用以支持經(jīng)營管理中的決策制定過程、數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)面向主題,與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫面向應(yīng)用相對(duì)應(yīng).數(shù)據(jù)倉庫還必須增加對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析能力以適應(yīng)“數(shù)字城市”中數(shù)據(jù)具有空間和時(shí)態(tài)的特征,也就是在數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)上引入對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理,建設(shè)空間數(shù)據(jù)倉庫.空間數(shù)據(jù)倉庫可以截取從瞬態(tài)到區(qū)段直到整個(gè)城市系統(tǒng)的不同規(guī)模時(shí)空尺度上的信息,從而為城市某一方面問題的解決提供最好的信息服務(wù).2)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù).“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)是海量的,既有空間的,如各類多光譜、多時(shí)相、高分辨率的城市遙感衛(wèi)星影像、航空影像、大比例尺的電子地圖;也有非空間的屬性數(shù)據(jù),如有關(guān)城市人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、發(fā)展等方面的數(shù)據(jù).因此建設(shè)“數(shù)字城市”需要海量的存儲(chǔ)技術(shù).海量數(shù)據(jù)存取是通過計(jì)算機(jī)的并聯(lián)或改善計(jì)算機(jī)的性能,采用如基于小波變換算法的高效數(shù)據(jù)壓縮與解壓方法來極大地提高海量數(shù)據(jù)存取效率的技術(shù).另一方面,為了在海量數(shù)據(jù)中迅速找到需要的數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)(metadata)庫的建設(shè)是非常必要的,它是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),通過它可以了解有關(guān)數(shù)據(jù)的名稱、位置、屬性等信息,從而大大減少用戶尋找所需數(shù)據(jù)的時(shí)間.3.5“數(shù)字城市”的增強(qiáng)特性與應(yīng)用1)地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù).GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下,對(duì)地理空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、存儲(chǔ)、編輯、查詢、分析、顯示輸出和更新的技術(shù).GIS是管理“數(shù)字城市”數(shù)據(jù)最主要的手段.2)三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)技術(shù).三維可視化是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字城市”與人交互的窗口和工具.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的視覺、聽覺、觸覺和味覺等的感觀世界,用戶可以直接用人的技能和智慧對(duì)這個(gè)生成的虛擬實(shí)體進(jìn)行觀察和操作.通過三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),再現(xiàn)一個(gè)逼真的城市地理景觀,為分析和查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)展現(xiàn)了新的視野,有助于發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的信息,為決策支持、宏觀管理提供更加有力的依據(jù).另一方面,細(xì)節(jié)層次模型(LOD)大大提高了海量數(shù)據(jù)的三維漫游速度.他們是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字城市”的一個(gè)重要技術(shù)手段.3)智能決策與專家系統(tǒng).“數(shù)字城市”為了滿足政府的宏觀規(guī)劃、戰(zhàn)略決策的需要,提供了智能決策與專家系統(tǒng),它能為決策者提供實(shí)施的具體方案,為城市科學(xué)發(fā)展提供可靠有力的技術(shù)支持.它在城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活中有著廣泛的應(yīng)用,如城市用地選址、最佳路徑選取、資源分配、定位分析等幾乎所有的決策領(lǐng)域.3.6信息高速公路集成的必要性“3S”集成,是指將遙感、空間定位系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)這