赛博空间技术支撑及在城市地理研究中的应用，本文主要内容关键词为：空间技术论文,赛博论文,地理论文,城市论文，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。
文章编号：1000-8462(2002)05-0521-04 中图分类号：F928.5 文献标识码：A
1 引言
赛博空间(Cyberspace)又称多维信息空间或网络空间，是指以计算机技术、现代通讯网络技术、虚拟现实技术综合应用为基础，构成一种人们进行社会交往和交流的新型空间。它是一种人工世界、一种文化、知识和精神交往的虚拟空间[1]。
尽管赛博空间存在的历史还不到20年，但是它以惊人的速度发展，很快遍及因特网，并且每年以成倍的速度向前发展，预计将是未来网络科学发展的又一新范例。
赛博空间有其独特的空间特性，在这里，物理距离已毫无意义，它用一种新的方法如功能距离或心理距离等来表达空间特性。在赛博空间里用户不仅能创建自己喜欢的空间，而且能与其他用户分享有感知的、给人以美感的空间。然而，赛博空间并非人类生存的真实空间，它是一个庞大的充满各种各样信息的数据集合体，是一个全新的计算机空间；是随着科学技术的发展而出现的新的社会经济和技术现象。它是一种特殊的人文景观形式，在一定程度上它是传统地理空间的延伸。随着互联网的不断发展，处在不同地区、不同国家的人们不再受时间和空间的限制，可以在这个空间里相遇和交换意见，赛博空间不仅为用户提供了听觉信息，同时也提供了视觉信息。
2 支撑赛博空间的关键技术
赛博空间是在计算机网络上实现的崭新的人类社会生活和交流的空间，需要有多种学科支撑，特别是信息学的技术支持。支撑赛博空间得以实现的关键技术主要有以下几方面[2]：信息高速公路、遥感技术、地理信息系统技术、数据库管理和虚拟现实技术等。
2.1 信息高速公路
信息高速公路(Information Super-Highway,ISH)是指能给全球广大用户随时提供大量信息的，由国家级、地区级和大企业的数据库、声像设备以及覆盖全国、全球的通讯网络组成的计算机通讯网络系统及个人办公自动化系统，如个人计算机、打印机、绘图仪、声像设备、摄像机、监视器、光盘及驱动器等，是一个通过Internet连接全球的计算机通讯网络[3]。Internet由层次不同、功能各异的计算机网络互联技术构成。目前主要包括三个层次的网络：骨干网——现由跨越全球、数据传输速度为45mbps的NSFNET承担，区域网——覆盖一定区域，数据传输速度为1.5mbps，用户网—主要是各大学、商业网等。其中www的出现使Internet的发展速度大大加快，www是一个信息发布系统，它把Internet上现有的资源统统连接起来，使用户能在Internet上查询www服务器站点提供的超文本／超媒体资源文档，www把各类信息的文体、图像、声音和影像集成起来，通过它为全世界的人们提供查询和共享数据资源。
为了使各地的用户都能访问到区域地理空间数据，各用户网或区域网通过城市各网站连接到Internet，为了保证用户得到实时数据，必须运行在ISH上。据报道，国内已有城市开始建设每秒10G的宽带网络，这种宽带网络可以满足赛博空间的需要。使用户可以瞬间抵达世界的各个角落，获取自己所需的各种信息。
2.2 遥感技术
遥感(Remote Sensing,RS)是以航空摄影技术为基础，于本世纪60年代初发展起来的一门新兴技术，利用RS技术可以为赛博空间提供大范围的空间数据资料，一张普通的陆地卫星图像其覆盖面积可达3万多km[2]；利用遥感技术获取信息的速度快、周期短、受地面自然条件限制少；而且信息量也大，其处理手段是人力难以取代的[4]。目前，RS技术已广泛应用于农业、林业、海洋、气象、水文、军事等。在虚拟城市规划研究中，建筑物的三维重建是一项很重要的工作，航空摄影是建筑物重建的重要数据源，特别是数字摄影测量技术为三维城市数据的获取提供了最经济快捷的方法。在3D城市模型中，航空摄影测量提供了下列重要的数据：建筑物的三维重建模型，数字高程模型和数字正射影像，利用多光谱影像还可以区分数字城市中的植被和人造景观等。
2.3 地理信息系统技术
GIS数据是赛博空间的信息基础，赛博空间技术在城市地理的研究中，GIS提供了2D数码城市的地图和3D模型的信息，同时GIS为庞大的城市数据提供了管理、存储和维护的主要手段。
图1 赛博空间关键技术构成
Fig.1 The key technique composing of cyberspace
赛博空间需要海量的数据和庞大的数据库来支撑。数据是空间实体信息的客观表示，是GIS的“食粮”和载体。GIS能否很好地存储、处理和表示3D空间数据，主要取决于系统的数据模型和数据结构。因此，3D GIS必须要有一个高效的空间数据模型和数据结构来组织、管理海量的数据。传统的GIS利用关系型数据库管理数据，这对数据的维护、更新、空间分析和数据快速恢复是很有效的。然而从“数字地球”或做为赛博空间的支撑技术来看，传统的GIS数据模型则呈现出不能很好地面向对象、数据的语义贫乏以及数据类型少，难以满足用户的需要等问题。尽管有些学者提出了混合数据模型或集成数据模型，以发挥不同数据模型的优点，实现3D空间实体的存储、处理。但是存储的数据类型受到一定的限制、用户不能自定义数据字段、缺乏空间SQL功能等问题仍然无法解决。因此迫切需要新的管理方式代替旧的管理方式。随着面向对象程序设计(Object-Oriented Programming,OOP)的发展，出现了面向对象数据库(OODB)和面向对象数据模型(OODM)。这种模型更符合人们认识事物过程中由一般到特殊的演绎思维和由特殊到一般的归纳思维模式，具有存储复杂对象、支持完整性、有较高查询访问能力和丰富的语义、并发控制较简单有效、直观性和人机交互性良好，便于应用开发和数理建模等优点，是解决空间数据和属性数据结合、图形与图象数据结合、多媒体信息管理的一种较好的3D GIS工程方法。
目前面向对象的数据库管理系统(OODBMS)正在取代旧的管理模式。其中由TIN模型、GRID模型等组成的分层组合模型（杨必胜等）[5]可以快速访问空间数据、支持多用户访问、以重要的绘图格式输出输入、如三维城市模型、空间实体模型等，并且支持传统的空间查询，特别是GIS和CAD等，以此解决赛博空间对复杂数据处理的要求。
2.4 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术是一门由应用驱动的涉及众多学科的新的实用技术，它集计算机技术、遥感和测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体，通过创建一个三维视觉、听觉和触觉等环境，使用户利用系统提供的人机对话工具，同虚拟环境中的物体交互操作，使用户有一种环境虚拟，但感觉真实的效果[6]。
虚拟现实技术的应用很广泛，目前在网络世界中，存在有许多属于有形位置空间的、大小样态复杂程度不一的虚拟环境，如虚拟社群、虚拟城市、虚拟银行等，其中有的已发展成为具有大量的虚拟移民人口、复杂的3D景观和社会经济政治结构。例如，基于因特网的3D虚拟世界(Virtual Worlds)经过多年的发展，目前总用户人数超过100万，正式注册的市民有3万多，每个市民可以在Virtual Worlds里建造属于自己的房屋，可以随心所欲地游览超市和图书馆等。随着网络技术的发展和GIS技术、RS技术及通讯等计算机技术的日趋集成，虚拟环境将会在现实生活中扮演着越来越重要的角色。如建筑物视觉效果的评估，城镇设计、规划和城市信息系统，环境变化模拟等，虚拟现实和三维模拟成为赛博空间在城市地理研究中的主要形式，在虚拟技术支持下，赛博空间代替了原始的抽象地图以及用来解释、分析和讨论设计思想及城市进展的描述性文件，而以生动的图片展现在用户跟前。设计者提供给用户的是设计结果明确的照片纹理信息，在此可以看到设计后栩栩如生的三维城市。赛博空间克服了设计者与观测者之间的空间文化差异，并为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了使人沉浸其中，超越其上，进出自如的交互环境。
赛博空间利用ISH、RS技术、GIS技术和VR技术等为用户提供导航和搜索网络地理空间的信息机制，也为地理空间信息的生产者提供其发布产品的机制。赛博空间除了以上的技术构成外，还包括“用户界面”，这是一个不同尺度下的三维地理空间可视化浏览界面，一个加速增长的网络化地理空间信息世界，以及多源信息的集成和显示技术。
3 赛博空间在城市地理研究中的应用
赛博空间是一个海量数据存储在计算机网络上的虚拟空间，具有其独特的空间特性。1993年著名地理学家Batty在思考关于后现代工业社会和信息城市的地理学时，提出了“赛博空间地理学”(the geography of cyberspace)，在1997年又提出了虚拟地理学，Batty用位置、空间、节点与网络的相互组合解释了现实地理环境与赛博空间的相互关系[7]（如图2），图中的循环表示：现实的地理环境在经过地理理论方法的概括后，从地理位置抽象到地理空间，然后进入到计算机内空间，接着计算机内空间通过网络连接成赛博空间，再由赛博空间对赛博位置及其他相应的现实地理位置产生作用和影响。
图2 位置和空间以节点和网络方式存在的虚拟环境 （据Batty 1997)
Fig.2 Location and space according to node and network mode in the virtual environment Batty 1997
随着赛博空间理论与技术的日趋完善，并为城市地理的研究提供了强有力的武器，人们往往将二者的结合称为数码城市(Cyber city)，数码城市是城市地理信息和其他信息结合并存在于计算机网络上的、能供远程用户访问的一个新的城市空间[2]。它除了描述城市地物、建筑物的纹理和拓扑空间的信息外，还包括诸如金融信息、通讯信息、旅游信息和一些常规的商品信息等。从信息经济的角度来看，数码城市是一个庞大的系统工程，它是城市发展和社会信息化研究的必然趋势，也是城市发展的新的增长点。下面就赛博空间在城市地理研究中的应用进行若干探讨。
3.1 在城市规划中的应用
赛博空间在城市规划中的应用很广，设计者利用GIS、RS技术和CAD工具对城市景观进行设计和建模，然后将产生的数据库变换成一个虚拟城市景观，并将其发布在因特网上，假如大多数公民访问因特网，用户在设计者的引导下通过赛博空间的用户界面进入该城市的3D模型中，在虚拟城市中利用多角度放大、漫游、旋转、任意选定路线飞行或地面行驶效果的动态显示及可见点的判别等手段针对城市规划设计效果图提出修改意见，从而参与城市规划的公共讨论。设计者所做的任何修改都会自动记录在系统的数据库中，而不必重新建模就可以显示出各种修改意见的最终图形。
赛博空间使城市规划变得灵活，在规划的不同阶段可对其进行调整，规划人员将一座城市的道路、居民点、建筑、商业网点等建成数据库，并变换成城市景观模型，通过规划人员的亲身体验、观察以及综合公众的意见，判断不同主导因素作用下各种规划方案的优缺点，并辅助最终决策。如居民点的最佳布局、商业网点的布局与规模、建筑物之间的间距、城市的环境污染等。目前，武汉大学遥感信息工程国家重点实验室的科研人员在CCGIS软件支持下制作了深圳数码小区、数码上海和数码校园（武测校园）等，取得了一定的成果。
3.2 在城市交通中的应用
城市交通网在城市发展中有至关重要的地位，它不仅是城市的重要组成部分，同时也决定了城市居民的生活方式，长期以来，交通问题已成为困扰城市的重要问题。如交通拥挤、车辆行驶缓慢、交通事故频繁以及交通堵塞造成的空气污染等，由此而带来的大量的经济损失和人员伤亡等。很多发达国家认识到要解决这些问题，仅依靠道路建设，扩大路网规模是远远不够的，交通问题的解决必须依赖现代信息技术与管理技术的有机结合。
随着研究的不断深入，许多国家研制出集GIS技术、数据传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术于一体的智能交通信息系统(Intelligent Transportation System，ITS)[8]，运用这个地面运输管理系统建立一种大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合运输管理系统，特别是将赛博空间与ITS相结合，使用户可以在网上了解三维城市交通网络的现状，虚拟城市各交通路口的适当形式，即平交式还是立体交叉，平交式是采用环岛式还是十字交叉、立体交叉又应采用全方向式还是其他形式，红绿灯在各个方向上的时间分配如何达到最优等，决策者可以直观、逼真地在Internet上“观察”交通流情况，在现有状况下制定更加合理的交通规则。另外，对可能出现的险情及堵塞进行模拟并预先提出警告，帮助交通管理部门对车辆进行有效的实时疏导，减少城市阻塞，从而使路网上的交通流运行处于最佳状态。
3.3 在商业布局中的应用
商业是城市最重要的职能之一，也是城市经济、社会生活体系的最基本内容。商业中心是城市内部零售业最重要的空间形态[9]，从职能上看，只要是为外界提供商品和服务，无论是空间形态上的商业中心、商业带还是专门化商业区，都可以说是城市内的商业中心地。不同规模的商业中心具有不同的服务范围。在一座城市应如何合理布局商业中心是城市地理学者研究的重要课题，商业中心布局过多，特别是市、区级商业中心，容易形成规模不经济，造成零售业的恶性竞争；商业中心布局过少，又不利于居民的日常生活。另外，商品的种类、结构以及消费者的喜好等也对商业中心的布局产生一定的影响。
随着信息技术的发展，发达国家如美国、日本、加拿大等逐渐将赛博空间技术应用到商业布局中，在已建立的城市三维模型中，决策者根据中心地理论以及相关区位论原理，在城市范围内布局相应规模和数量的商业中心，其布局效果则在赛博空间中一目了然，同时利用Internet可以征求公众的意见，并利用GIS空间分析功能及专家系统综合评价商业中心布局的合理性。
另外，发达国家和我国有些城市如北京、深圳等正在赛博空间环境中建立3D动态商场。3D动态商场是将商场中的所有商品以图片、图像等形式存储在虚拟现实系统中，用户可以在Internet中漫游任何一家商场，可以“走进”商场并参观商场内的空间布局和“琳琅满目”的商品，点击相应商品类可继续详细“浏览”，鉴赏商品的颜色、大小、款式等，直到找到用户满意的商品，让用户感到有身临其境逛商场的感觉，真正为客户提供足不出户，便可购物的服务。
3.4 在城市旅游中的应用
赛博空间在旅游中的应用目前已在有些网站出现，虽然还不完善，但已有较高的交互程度和一定的经济价值。用户可以根据自己的需要点击自己感兴趣的城市，通过用户界面进入该城市，了解该城市的历史古迹、风景名胜、民俗民风、交通概况、风味小吃、宾馆旅店等；按照不同的旅游线路，用户还可以从虚拟环境中“饱览”美丽的山水风光和人文景观，给虚拟旅游者以美的享受。在一些更详细的赛博空间中游客可以“参观”宾馆的房间以及旅游购物商场等。
在城市旅游的研究中，通过对现有旅游景观的虚拟显示，可以起到预先宣传、扩大影响力和吸引游客的作用。还能够在一定程度上满足一些没有到过该旅游景点的游客的游览和审美要求。例如故宫虚拟旅游、异国风情游等。虚拟旅游还能够再现已不存在或即将不复存在的旅游景观，满足一些人的好奇心理和给人们怀旧心理上的抚慰均有作用。例如对原三峡风景区的虚拟旅游等。
4 结语
赛博空间是一种崭新的人类生活和交往空间，是一种电脑化、网络化、虚拟化、适人化的多维信息空间，为人们提供了全新的经济活动场所，一经面世便显示出强大的生命力。然而在赛博空间特别是数码城市的建设中，存在着一些急需解决的问题，如三维建筑物表面纹理的逼真性和内部空间结构可视化问题，旅游景点真三维模型的构建、商场商品的数字化以及海量数据的维护和管理等问题还没有完全解决，目前有些旅游景点、商场商品等在网上多以照片形式展示，因此这种虚拟空间不是严格意义上的赛博空间。进入21世纪，随着世界各国对“数字地球”的重视和建设，赛博空间将得到全面的发展，并且随着赛博空间的日益扩大以及在各行各业中的渗透和应用，它必将导致未来人类社会、经济、文化等发生深刻的变化。
收稿日期：2001-07-10；修回日期：2001-12-30
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