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中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-0504(2003)06-0016-05
数字城市是指将城市规划与管理过程中涉及的城市空间信息、各部门的专题信息、城 市社会经济统计数据等，以数字的形式进行采集、管理、整合或挖掘，为社会公众提供 快速、准确、充分的信息服务，为政府宏观决策、科学研究和科学管理提供依据的计算 机信息系统[1]。20世纪90年代以来，数字城市已成为城市信息化建设的热点和前沿， 涌现出大量的研究论文和研究报告[2-7]。但就目前的研究现状来看，大都是对数字城 市建设过程中所涉及的各种技术的逐一分析，对于数字城市建设的总体架构及就当前的 各种先进技术之间、城市原有的信息资源之间，特别是二者之间如何集成建设的问题却 少有研究。事实上，数字城市的应用具有分布式的特点，采用系统集成的策略与技术进 行建设是至关重要的，它对于整合城市现有的信息资源，实现功能共享，提高系统的整 体利用率，降低系统复杂性，保持系统一致性具有重要意义[8]。本文拟就数字城市建 设中的网络、应用和数据的集成问题作初步探讨。
1 网络集成
通信网络是数字城市的最基础设施之一。数字城市的应用领域之广泛、跨越空间之广 阔，数据量之大，使其通信网络建设必须考虑到传输速度、灵活性、可扩充性及支持分 布式数据库等因素[9]。目前我国大部分城市建立了城域网，各单位也有独立的局域网 ，如何最大限度地利用网络资源，整合已有的通信设施，建立起符合数字城市应用要求 的通信网络，是数字城市建设中一个很重要的基础性问题。
根据城市目前的网络化水平和数字城市应用的特点，数字城市建设中的网络集成应按 照集中与分布相结合、建设与改造相结合的原则，同时还要有一定的前瞻性。集中与分 布相结合，就是对于一些基础性应用要建立新的信息中心，由信息中心统一管理与维护 ；而对于一些专题性应用，则要由各个职能部门的专业信息中心管理。建设与改造相结 合是指除建设新的通信设施外，还要充分利用现存的通信资源并对其升级、更新、整合 ，使之符合数字城市的应用要求。基于数字城市建设是一个系统工程，建设完成以后具 有相对的稳定性，因此，集成过程中应充分考虑到以后应用的需要并采用先进的网络技 术而保持系统的先进性。根据上述原则，本文分别对数字城市各层网络结构提出了集成 方案(图1)。
图1 数字城市网络集成示意
Fig.1 Integration network of digital city
1.1 骨干网络集成
骨干网络是数字城市网络的主干部分，它连接着数字城市的基础应用(数据中心)与各 个专题应用(土地、规划、交通、环境等市级部门)，承担着大量的数据传输任务。基于 以上特点，骨干网络宜采用ATM(异步传输模式)技术，敷设专用光纤，采用相应的网络 拓扑结构，实现骨干网的网络互联。ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输，一 个数据连接只在有数据传输时才被分配时隙进行传输，而没有数据需要传输时，则不占 用带宽。从本质上，ATM网络提供了一种“点到点”的传输，它传输的数据不是帧，而是 固定长度的信元，其交换的延时较小。在ATM网络中，通信双方可以建立PVC或SVC通道进 行传输，信元中包含的不是目的地址，而是目的路径，因此，ATM网络在传输突发数据方 面具有很好的优势[10]。由于空间分析涉及的数据量大并且具有突发性的特点，因此， 骨干网建设宜采用ATM技术来进行集成。同时它能通过局域网仿真来实现与传统局域网的 互操作，有利于保护城市中已有的通信设施与网络资源。
1.2 数据中心网络集成
数据中心是数字城市的一个最基本层次，它为数字城市应用提供最基本的数据保障。 考虑到数据中心的海量数据存取及管理的特点，数据中心的网络建设要考虑到如下因素 ：1)中心要能提供高带宽、低延时的数据存取服务；2)要考虑到突发事件的影响，中心 应建立容错网络，避免出现应用停止的状况；3)中心要考虑数据备份方案。因此，为使 数据中心的网络建设满足高传输带宽和数据备份的要求，中心数据库集群服务器之间和 应用服务器、Web服务器之间应采用光纤连接，并引进存储区域网络(SAN)来进行集成。 存储区域网络是利用较低的存储成本和高速网络来建造快速、高度可用的系统，用于存 储和检索大量的数据，其应用具有扩充方便、数据可用性高(可利用数据库系统的并发 控制机制让多用户同时使用数据)、降低存储成本等特点。它是为了提高系统I/O的性能 ，把存储设备从数据网中分离出来，使用高速网络技术为存储设备组建一个专用存储网 络，将存储设备作为网络的节点而直接连接到这个网络上。它与传统的存储方式相比， 具有很大的优越性：隔离存储流量，不占用数据网的通信资源，既提高数据网的效率， 又提高存储速度。利用存储区域网络对存储设备进行整合，可以支持更多的应用并且降 低存储管理成本，实现异地备份(与镜像数据中心最远距离可达10km)及多种平台存储器 系统的可用性与功能共享[11-14]。此外，数据中心的网络集成还应考虑建立冗余链路 来实现网络的容错，以防止整个系统突然瘫痪或停止运转。
1.3 区级及其下级部门、企业网络与骨干网的集成
这一层次的用户数据传输量和吞吐量相对较小，可通过其上级部门在数据中心获得的 基础数据缓存获得本区的基础数据，并直接从其上级部门的服务器上获取本领域的专题 数据。同时，这些部门与骨干网各部门相距较远，因此，不宜采用敷设专用光纤或其他 方式进行集成，考虑到其数据量较小的特点，这一层次采用VPN技术，引入VPN通道路由 器来进行集成较为合适。
虚拟专用网(Virtual Private Network,VPN)是通过虚拟专用技术，采用专用的网络加 密和通讯协议，在公共网络上建立虚拟的加密通道，用来构筑用户安全的虚拟专用网络 ，而用户并没有一个专用的物理网络。其原理是：需要进行数据传输的两个端点均连接 在公共通信网上，当需要进行数据传输时，通过端点的VPN设备在公共网上建立一条虚 拟的专用通信通道，并且所有数据均经加密后再在网上传输，只有授权的VPN设备才能 正确解密，以保证数据的安全传输。通过VPN，业务伙伴可以在授权的范围内使用单位 内部的数据，实现数据的安全交换。从本质上讲，VPN是一个逻辑网络，它可以使客户 得到和专用网络所能提供的一样的服务和功能，但实际提供这种服务的承载网却是公共 网络。VPN的核心技术是隧道技术，采用身份认证、通过加密算法对数据进行加密等方 法，来获取相当高的安全性。VPN具有以下优点：1)节省网络建设费用。采用VPN的各个 专用网只需配置一台1～2个端口的低档路由器，大幅度减少了网络设备的购置费用，也 降低了网络的维护、升级费用。2)灵活的接入方式。公共网络提供多种灵活的接入方式 ，VPN的各个专用网可根据信息量、实时性、通信条件等具体情况，分别选取不同速率 、不同线路的接入方式(如PSTN、DDN、X.25、ISDN)接入公共网络，构成一个大型网络 ，获得较高的可靠性与较好的通用性[15，16]。
1.4 各级职能部门内部的局域网建设与集成
对于市级职能部门，其应用的一个重要角色是联网办案办文，其网络需要满足业务过 程中业务数据流转的需要。目前有些单位已建成共享型百兆以太网，但随着应用的日益 扩展，已不能满足要求，因此可在充分利用现有通讯设施的情况下，对现有的网络进行 升级更新，通过引用交换机等网络互联设备建成交换型百兆以太网或千兆以太网，以满 足日益扩展的应用要求。区级职能部门内部局域网可采用双绞线建设百兆共享以太网， 对于要求较高的部门则可以引入交换设备建设百兆交换型以太网。各单位可通过VPN设 备与相应网络连接，亦可将一些有应用需求的企业通过VPN与其互联，通过对其授予相 应的权限实现数据的共享。
1.5 接入端的网络接入方式选择与集成
接入方式的多样化，使各类用户能够根据自身的实际情况和具体要求，采用合适的接 入方式，达到快捷、经济、方便的目的。为此，需发展ADSL、机顶盒、移动IP等接入方 式，使数字城市的应用更普遍，为社会公众提供方便、快捷的城市信息服务[1]。
2 应用集成
应用集成要根据应用的不同，采用COMGIS、WAPGIS、WEBGIS、B/S计算模式等，在数字 城市的集成应用平台的基础上，综合考虑其应用特点而采取不同的应用集成方案。为此 ，针对数字城市的各类应用及其所提供的功能，分别对其进行细化，在此基础上提出各 类应用集成方案。
2.1 数据中心应用集成
数据中心应用集成的指导思想是：将Web服务器、应用服务器与数据库服务器分开，以 平衡服务器负载；其中，空间数据和整个城市的公用基础信息、影像数据由数据库服务 器进行管理和存取控制；在应用服务器上开发数字城市信息集成应用平台，并通过开发 模块、类库、构件等中间件技术，为各类应用提供底层支持。这里，采用集成平台作为 数字城市应用的框架结构，可以增强系统的整体功能，有利于多元数据的融合与数据挖 掘并能减少各子系统的重复部件，实现功能共享，从而提高系统的整体利用率[17]。在 数字城市建设中，设计此应用平台，应该完成如下功能：1)通过数据库服务器对SAN中 的数据进行维护与管理；2)为各类应用提供数据存取支持；3)提供多种应用模型如多源 数据融合和数据挖掘、决策支持模型；4)集成平台作为后端数据库和前端应用的中间件 ，应具有一定的稳定性，不随具体数据库和具体应用而变化，要对一些基本的操作通过 面向对象技术来开发，使其具有良好的封装性。
从实质上讲，数字城市集成应用平台是为各类应用子系统提供基础数据服务的共享平 台，特别是城市空间数据，包括城市大比例尺地形图和影像数据。为实现对这些空间数 据与相应属性数据的集成管理，可以引入空间数据引擎(SDE)和大型关系数据库系统来 完成。通过将数字城市基础数据放入存储区域网络的存储设备节点上，由数据库服务器 (如IBM DB2、Oracle、Informix)对其进行并发存取与访问控制，在数据库服务器上开 发相应的存储过程供集成应用平台调用，并利用空间索引技术，从而实现集成应用平台 提供基础数据服务这一功能。同时，集成应用平台要开发相应的空间操作和空间分析、 统计分析和相应模型库的通用中间件，包括构件、类库等，以供数字城市各应用子系统 调用，实现应用系统和各类数据、通用模型的无缝集成。此外，数据中心的内部还应设 置一定数量的图形工作站，在这些图形工作站上，通过集成应用平台访问多种数据库， 实现对多源数据的管理、更新。
2.2 用户端应用集成
基于数字城市海量数据的特点，为平衡服务器端与客户端负载，同时为数字城市的用 户提供低延时的信息服务，对数字城市的用户群进行细化，针对不同的用户群特点，在 用户端采用不同的集成方式。
(1)决策支持用户需要借助数字城市的支撑来进行宏观决策，他们不仅需要各类数据特 别是空间数据的支持，更需要各类决策模型和各种分析、挖掘模型。对于这类客户端， 要进行客户端的定制开发，从决策的角度，客户端要能调用集成应用平台上的模型库、 方法库，并通过集成应用平台从数据库下载必要的数据，在本地机上完成相应的分析后 ，进行分析结果的可视化表达与输出。这类用户数据吞吐量大，对数据传输延时较为敏 感，可采用光纤直接与数据中心实现互联，以满足应用的要求。
(2)局域网用户应用功能较为专业化，其应用与具体用户组织(如城市规划局、土地局) 的规范化的业务运作程序有机地融为一体，并能处理日常性的重要业务工作。这类用户 的软件集成可引入当前的图文办公信息系统的理论和方法。图文办公信息系统实质上是 一种集GIS、MIS、OA(办公自动化)为一体的集成系统，它通过一定的技术手段实现图形 数据和业务数据的无缝集成，在数据整合的基础上，高效地进行信息提取、图文互查和 图文显示，从而完成日常的办公事务。其设计采用工作流机制，根据各职能部门的业务 流程，设计开发相应的功能模块(包括联网办案办文、审批发证、查询检索、统计分析 、专题制图)，建立简洁、友好的可视化界面，以工作流图的形式形象直观地反映业务 流程和操作环节(图2)，并集成办公自动化技术，实现GIS、MIS、OA的一体化应用系统 ，完成相应的业务任务并进行图、表、证等业务结果生成与输出[18，19]。
图2 土地出租工作流程
Fig.2 The flow chart of land hire
(3)社会公众用户是以查询应用为主，不涉及或较少涉及复杂的空间分析或专业模型应 用，应用方式较为多样化。这类用户的客户端集成方案要依据其应用的不同采用不同的 应用方案。对于普通的个人应用，客户端可利用浏览器，采用不同的接入方式(ADSL、 以太网等)，来进行相应信息的查询与浏览。对于移动应用，考虑到现在的移动设备已 经实现了WAP协议，具备登陆相关网站的功能，可利用WAP协议，采用WAPGIS技术，从I n ternet上为移动用户提供增值地理信息服务[20]，推动数字城市的发展。此外，利用 无 线应用协议，在通用的嵌入式平台(如Windows CE等)为个人PDA开发具备查询、检索 功 能的嵌入式GIS软件，利用GPS等技术，为移动用户提供实时的空间定位服务，必将促 使 数字城市应用的进一步深化。
在数字城市的应用集成中，值得注意的是智能代理模型——Agent技术。在分布式系统 中，Agent能够以主动、机动服务的方式完成一组操作。它可以根据主动获得的环境信 息、特殊的公共消息或用户请求，自主选择合适的方法，并通过在分布式环境中进行迁 移获得多个异构服务器所提供的服务，从而完成特定的任务，最后将完成的结果带回给 环境或请求的发出者。Agent的这种特点特别适合于数字城市中的智能化查询检索和异 构环境分布式数据的挖掘以及复杂的空间分析模型(注：丛升日.基于ORDB的组件化GIS 关键问题研究.北京大学博士研究生学位论文，1999-06.)(注：黄晓斌.基于GeoAgent的 空间信息服务与应用集成研究.北京大学博士研究生学位论文，2002-06.)。在建设数字 城市时，基于元数据与元数据库的GeoAgent技术是一种有效的工具[21]。
3 数据集成
在数字城市的建设、运行周期中，数据占据着核心的地位。数字城市的应用也是以数 据采集与更新、数据的共享与分布式存储、多源数据的融合与挖掘为基础的。数据决定 数字城市建设的成败。而数据集成是数字城市的内在需求和基础，数据集成的水平对数 字城市的功能与性能具有重要的影响。数字城市中数据具有两个特点[19]：1)数据的差 异较大。这主要体现在数据的来源广泛，包括通过测绘获得的数字地图、通过遥感获得 的航空相片和高分辨率卫星影像等空间数据，以及各类专题信息等。该特性决定了数据 的差异性，如数据存在着不同程度的空间和时间尺度差异，各类空间数据存在着空间参 考系统的不一致。2)数据本身具有强整合性。数据间具有强有力的联系：空间联系表现 在不同图层的地理实体之间存在有天然的空间关系，主要体现在位置关系与拓扑关系两 个方面；空间数据与属性数据的联系表现在属性数据作为空间地理实体的特征，与空间 数据共同组成完整的空间实体。
数据的差异性与强整合性决定了数据集成的必要性。我国目前的城市数据具有基础数 据匮乏、数据现势性差、管理无序甚至混乱、数据标准缺乏、忽视元数据、数据互操作 性差等一系列问题[22，23]。针对这些问题，数据集成应从以下几方面考虑。
(1)建立统一的空间参考系统。城市空间数据是与其位置的识别相联系的，它是通过公 共的城市地理基础来实现的。在数字城市应用中，任何空间数据都必须纳入统一的空间 参考系统中；统一的空间参考系统是数据集成的前提条件。我国城市现有的各种基础数 据存在空间参照系不统一的情况。例如，由于投影变形的存在，对于大比例尺地形图难 以采用国家统一的平面参考基准，许多城市建立了独立的平面参考系统，这导致了一些 数据采用国家平面参考基准，而有些数据则采用城市独立坐标系；由于不同年代成图采 用的国家高程系与地方高程系的不同，也会导致这种情况的出现。为此，要编制相应的 转换接口，将数字城市所涉及的数据转换成统一的空间参考系统，为数据集成打下坚实 的基础[19]。
(2)建立元数据标准与元数据库。空间数据的复杂性决定了GIS的空间数据库较普通的 关系数据库复杂得多，仅靠简单的数据字典无法胜任空间数据管理的要求，需要采用专 门的元数据和元数据库管理空间数据。元数据一般包括：数据集标识信息、数据质量、 数据源与处理说明、数据内容摘要、数据空间参照系统、数据分类、数据分发信息以及 与描述数据有关的其他信息[24]。目前由于缺乏规范的元数据和元数据管理系统对数据 的版本、粒度、精度、质量等进行描述，因而无法实现智能化的空间数据交换、共享、 互操作和网络数据的搜索与导航。事实上，元数据与元数据库对于数字城市集成、整合 城市各方面的空间信息与非空间信息，对于用户正确使用各类数据，维持数据的完整性 具有十分重要的意义，制定元数据标准与元数据质量标准已成为数字城市建设的当务之 急。
(3)数据更新机制的建立。我国城市数据的一个特点就是现势性差，这在城市化快速发 展的地区表现得尤为明显。而利用传统技术获取与更新空间数据需要太长的周期和昂贵 的费用，因此发展数字城市的数据更新机制就显得十分重要。这需要从技术与政策两个 方面考虑。在技术方面，要积极发展基于城市应用的对地观测技术，发展机载对地观测 系统和低空平台遥感。高空间分辨率与高光谱分辨率的航空遥感对城市地物目标在形状 与物质结构等方面的识别具有很高的实用价值。它能提供空间与光谱双重信息，利用它 获取的航空影像进行城市用地的计算机辅助分类与地物边界计算机自动或半自动勾画， 与传统的手工清绘相比，能大大缩短工作进程并节省开支。这方面目前技术已基本成熟 ，开始了实际应用[25，26]。在政策法规方面，数据更新要走产业化发展道路，要建立 数据商业化、市场化的政策法规，使数据产品进入市场[22]。
(4)多源数据融合与数据挖掘。数字城市需要解决的一个关键问题是怎样从多源数据中 提取人们感兴趣的数据，发现数据之间的关系，以提供空间分析和决策支持的需要。而 利用多源数据融合与数据挖掘技术，数字城市为用户提供的信息要超过各组成数据信息 的总和，增加的信息派生于各组成数据之间的逻辑与空间关系。同时，通过互补信息与 协同信息的融合、多源遥感数据的融合，将不同来源的数据融合为对空间对象的一致描 述并进行挖掘，从而获得空间对象的全面、准确的信息[1，19]。
(5)空间数据的互操作与开放式地理信息系统(Open GIS)。Open GIS是在计算机和通信 环境下，根据行业标准和接口建立起来的地理信息系统。其目的是促使不同格式的数据 之间具有良好的互操作性，以及在异构分布数据库中共享信息，避免数据的重复输入及 处理。Open GIS的一个主要特点就是互操作性，它为数据集成带来了有力的解决方案， 彻底改变了传统GIS之间通过地理信息的转换和低层次的技术开发来实现数据集成的状 况，而通过解决GIS之间的接口、规范和准入等问题，实现数字城市应用对多源数据的 互操作[2，27]。
4 结语
本文结合城市信息资源的现状，通过对数字城市应用的分析，分别提出了数字城市网 络、应用、数据集成的方案，并对集成过程中应注意的问题进行了阐述。数字城市是城 市信息化建设的重要工程，在数字城市的建设过程中，要充分利用系统集成的观念来指 导建设，这不仅能充分的利用城市已有的信息化资源，保持投资的连续性，而且能大大 增强系统的功能和性能，深化数字城市应用。
收稿日期：2003-05-08
修订日期：2003-07-30
标签：元数据论文; 空间数据论文; 数据集成论文; 数字城市论文; 大数据论文; 网络模型论文; 业务管理论文; 信息集成论文; 网络传输论文; 数据中心论文;