数字城市实现的技术体系研究，本文主要内容关键词为：体系论文,数字论文,城市论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
数字地球是一个全局性的长远的战略思维，其核心是用数字化手段统一性地处理地球问题 并最大限度地利用信息资源。数字地球在不同历史时期有特定的目标。目前，建立多比例尺 、多应用层面的数字城市，可以更广泛深入地为社会可持续发展提供服务，这是数字地球实 现的一个重要步骤与缩影，也是GIS领域研究的热点问题之一。数字城市的研究，不仅是单 纯的各项技术的研究，而且是数据共享和系统互操作技术以及管理、政策和经济因素等诸多 技术因素和人文因素的集成研究。数字城市体现了以人为本的全新理念，在数字城市中，每 个人都可以随时获取所需要的具有相应权限的有关城市的数字化信息，利用它来协助处理日 常事务、从事科学研究、进行企业的有效管理和各种决策，可见，数字城市将在很大程度上 改变人们的生活和工作方式。
在发达国家，城市管理部门的计算机系统大致经历了三个发展阶段，即早期的管理信息系 统MIS、中期的城市地理信息系统(UGIS)及目前正迅速发展的数字城市系统。以数字城市为 长远目标面向城市可持续发展的全数字化信息建设系统目前正处在探索阶段。在我国，GIS 技术作为城市规划、建设和管理的有力支持工具已成为共识。但是城市部门的专业系统多， 这些系统互不开放，资源难以共享，没有充分地发挥地理信息系统按照统一的地理坐标对不 同层次的空间数据和多媒体属性数据进行综合集成能力，也不能有效地解决涉及多个部门、 需要行业间协同工作才能解决的许多城市问题。在面临城市海量数据综合管理、广泛的社会 公众查询需求、智能化与网络化等实际问题时，急需新的技术途径，可见数字城市的研究势 在必行。
2 数字城市的研究内容
数字城市是综合地运用GIS、RS、GPS、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术对城市的基 础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。具体来讲 ，数字城市就是指将城市的部分或大部分的基础设施、功能设施数字化，建立数据库，并用 计算机高速通信网络相连接，实现网络化管理和调控，并具有高度自动化、智能化的技术系 统。它具有对城市复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化表现等强 大功能，可直接为政府及社会公众提供便利的网络服务，并且可以改造传统产业，推进技术 进步，保证城市经济、社会和环境的协调发展。数字城市的研究内容不仅包括建立数字城市 所需要的技术体系研究，还包括了数字城市的基础理论研究以及数字城市应用的科学工程研 究。可见，数字城市研究的内容体系概括地由基础研究、技术研究和应用研究3部分构成（图 1）。
2.1 数字城市的基础研究
数字城市的基础研究是建立在3S研究的基础上，吸收了科学计算、计算机图形学以及虚拟 现实等理论研究的内容，并涉及到城市中的政府与百姓、各类产业、各种用地以及各种城市 环境等城市组成要素。数字城市的基础研究着眼于城市各组成要素间的相互联系、相互作用 的规律，进而建立城市现象发生与发展的物理模型、数学模型、信息模型和计算机模型。它 涉及到的最主要的领域和理论有可持续发展理论、城市发展理论、3S技术与理论以及相关标 准规范等。数字城市的基础研究包括：1)数据采集与编辑。系统将现有的地图、外业观测成 果、航空像片、遥感数据、社会经济文本资料等转换成计算机兼容的数字形式，并将其编辑 成相应标准的数据格式。2)信息的存储与管理。利用系统的海量存储功能对政府中城市规划 各分部门的日常业务工作所需的各种信息，如城市规划、土地红线、市政管线、基础测绘、 道路交通、城建档案和政策法规等按历史、现势和将来的不同时态，进行多维结构的存储和 在系统中进行有效的管理。3)信息的动态查询与分析。系统可对存储的信息快速进行单要素 或多要素的动态查询和统计分析。同时系统以空间数据和非空间数据为依托，进行建设项目 投资分析、城市选址用地分析和项目跟踪监督，进而实现计算机化的规划管理、用地管理、 建筑设计管理、市政管理、档案管理，完成城市管网和路网的网络分析、城市用地适宜性评 价、城市建设用地开发顺序评价、城市环境质量评价、旧城改造、城市变迁监测和资源合理 利用。4)网上发布以及多种形式的信息输出。利用最新计算机网络技术，将公共信息资源通 过Internet向社会发布。同时利用打印机、绘图仪、硬拷贝机等设备，快速输出各种查询检 索、统计和分析结果，包括各种比例尺地形图、管线图、规划图、红线图、路网图、各种专 题统计图以及各种图表、报表有关文字报告，利用磁带机等软拷贝设备快速输出各种形式的 数字结果[1]。
2.2 数字城市实现技术研究
数字城市的技术支撑体系由数据采集、存储、传输处理和显示等技术组成（图2）。它涉及到的一些最主要的、最直接的技术有：遥感对地观测技术、地理信息系统技术、 网络技术、计算机图形学技术、虚拟现实技术等。具体来讲，包括城市数据的获取与更新， 分布式网络服务，数据互操作技术与GIS互操作技术，多比例尺多时相多源数据集成技术与 空间数据的无级缩放，空间数据仓库，交互式的三维可视化技术等。
2.3 数字城市的工程研究
数字城市工程是在数字城市的基础研究和技术支撑系统的共同支持下，在某一特定城市地 域 中，通过数据的采集、存储、传输处理和显示等技术，把软件开发和硬件集成起来，建立可 运行的、分布式的和开放的城市网络信息系统。即利用有关的计算机软/硬件，通过城市数 据的获取及计算机输入，建立城市数据模型及数字表达并进行城市数据的数据库存储及处理 ，通过城市数据的共享、分析与应用，达到进行城市数据的数字化、可视化与网络化的目的 ，这也是数字城市系统建设的相关步骤。数字城市的工程研究除了包括软件开发、硬件集成 、系统建立以外，还包括数字城市工程的实施管理以及维护等的研究。
3 数字城市实现的关键技术
当前有关数字城市研究的热点问题主要是海量数据的管理、数据共享与互操作以及三维可 视化系统的研究等，这些技术也是数字城市实现的关键。数字城市是真实的城市数字化、网 络化和虚拟表现，是一个复杂的、巨大的网络化空间信息系统，利用“数字地球”理论，基 于3S（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感系统RS）等关键技术，在网络信息基础设施 和空间数据基础设施之上建设空间数据中心和应用服务平台，集成网络化、空间定位的数据 、知识、功能、服务、应用和模型，通过信息门户和应用门户，服务于城市规划、建设、管 理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展。
3.1 空间数据存储与管理
遥感、全球定位系统以及其他各种信息源不断给人类提供大量的信息，如何存储、管理、 使用好这些宝贵的信息，是一个重要的问题。20世纪90年代发展的数据仓库技术，是将来自 各个数据库的信息进行集成，从事物的历史和发展的角度来组织和存储数据，供用户进行数 据分析。数据仓库是支持管理决策过程的、面向主题的、集成的、稳定的、不同时间的数据 集合，它是伴随着C/S技术和并行数据库的发展孕育而生的，它不是多个数据库的简单堆砌 ，而是对源数据进行抽取、净化、转换的过程，数字城市中的空间数据仓库体系，与一般的 大型GIS空间数据库体系一样，是由GIS源数据、数据处理、空间数据仓库、仓库管理及数据 分析工具5大部分组成（图3）[2]。
空间数据仓库作为数字城市的信息源管理 者与逻辑提供者，能对数字城市中的海量空间数据及其属性数据进行有效的组织管理，并综 合运用多学科领域的思想、方法和技术，对这些数据进行标准化、精化、分类、聚集等空间 数据挖掘操作，得到无缝集成的空间数据源，以满足数字城市的应用与服务对信息源的需求 。城市空间数据的特点之一是比例尺大、分辨率高，城市中各个部门间的任务是相互依赖的 ，部门之间的沟通是实现各项管理目标的保证。在这个多层次的复杂系统中，对于同一事件 或行为，不同层次的子系统对信息的内容和详细程度有不同的要求。所以多级比例尺的实现 ，可以保证不同层次的子系统对信息不同详细程度的要求（图4）[3]。
3.2 互操作
城市是一个巨大的、多成分、多层次、多功能的开放式复杂系统，城市系统的这种特性自 然反映到对其抽象的城市地理信息系统中来，计算机内的“数字城市”亦具有开放性的系统 结构和开放性的平台层次结构。城市系统的顺利运行依赖于其中各层次子系统间的信息交换 ，系统中的任何一项典型的行为都会牵涉到多层次、多部门的信息交换。所以，解决了多种 数据的互操作技术，便可保证各个部门之间的沟通。互操作是指两个或多个系统交换信息并 相互使用已交换信息的能力，即一个系统接收和处理另一个系统发送信息的能力，反映该系 统 是否易于与另一个软件系统快速接口。指导构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现 的语言、执行的环境和基于的模型不同，但是可以相互通讯和协作，以完成某一特定任务。 可见，互操作性强调具有不同数据结构和数据格式的软件系统能否集成在一起共同工作。OG DI(Open Geospatial Datastore Interface)是一种地理空间数据的标准读取和转换技术， 它采用客户/服务器结构，支持空间数据在Internet上的分发和操作，实质上是一种API，图 5为在此基础上提出的GIS互操作的体系结构。数据互操作模式是OpenGIS Consortium(OGC)制定的数据共享规范。UGIS互操作是指在异构数据库和分布计算的情况下，UGIS用户在相互 理解的基础上，能透明地获取所需的信息。根据OGC颁布的规范，可以把提供数据源的软件 称为数据服务器，把使用数据的软件称为数据客户，数据客户使用某种数据的过程就是发 出数据请求，由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使数据客户能读取任意数据服务 器提供的空间数据。数字城市面临UGIS的互操作性问题，UGIS的互操作性是指已存在的城市 地理信息系统及应用系统之间自下而上的结合，不仅指不同系统之间的信息共享交换，即不 同UGIS之间的数据共享交换，又指不同系统之间在没有数据交换情况下的功能互操作，而传 统的UGIS之间缺乏通讯和协调能力。数字城市中UGIS互操作性不仅可以回答普遍存在的城市 地理信息不能互操作的问题，提出解决共享、交换、互操作等问题的方法，解决城市地理信 息不能互操作给工业界、政府和科研机构带来的负面影响；而且有效使用已有的城市地理信 息系统资源，如城市地理信息处理功能、方法等，为各城市的用户乃至全球用户提供城市地 理信息，为数字城市的实现奠定基础。
3.3 可视化
数字城市的交互式三维可视化技术致力于将不同地区、不同部门的各种信息通过互联网技 术组织起来，借助于二维/三维互补的城市地理信息模型，获得地理坐标所描述的三维空间 位置上每一点的全部信息，并提供有效、方便和直观的检索、显示与分析手段，最终实现三 维空间位置及属性信息的可视化框架。可视化技术使人能够在三维虚拟世界中对具有形体的 信息进行操作和分析，它包括色彩处理、纹理映射、动画、雾化效果、透明处理。在三维地 理信息系统中，纹理映射的方法常用于描述具有真实感的物体。比如绘制一面砖墙，可以用 一幅砖墙的照片作为纹理贴到一个矩形上，这样一面逼真的砖墙就显示出来了。此外，如果 拥有反映某个地区地貌的数字高程模型数据和航空摄影照片，也可以用纹理映射的方法将该 区的航空照片贴到DEM上，再现出真实生动的地貌景观。城市地理信息的三维可视化还具备 了三维真实景观的显示与查询功能，但其仍基于二维GIS数据结构。在三维可视化窗口中， 如用鼠标点取窗口中某一对象，若要知道鼠标点在三维空间中的哪一个对象，则需要将二维 鼠标位置反算到三维空间中建筑物表面的坐标，并从二维GIS数据结构中获取相关的属性信 息。将三维城市地理信息与二维数据库链接起来，可进行一系列的空间分析和查询操作，如 三维坐标查询、建筑物属性查询、断面绘制及图形和属性的编辑等功能。城市三维可视化GI S的数据流程如图6所示。
在21世纪信息化社会中，数字城市的发展和建设，必须依赖空间信息技术及3S技术、数据 仓库技术、计算机网络技术以及三维可视化技术的有机结合，并与其最终服务目标统一起来 才能真正发挥作用，这些技术与服务目标的结合使得数字城市中的各种子系统之间真正地实 现无缝集成与连接，最终实现数字城市。
标签：空间数据论文; gis论文; 大数据论文; 数字城市论文; 数据集成论文; 信息存储论文; 信息集成论文; 数字地球论文; gis技术论文; gis系统论文;