数字城市若干理论问题探讨，本文主要内容关键词为：理论论文,数字论文,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。
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-0504(2003)01-0032-05
自美国副总统提出数字地球的概念[1]、第一届数字地球国际研讨会在北京召开、中国提出数字城市概念以来，数字城市已经引起了党和国家的高度重视，正在日益成为国家高科技发展和城市建设关注的重点。科技部在863计划信息获取与处理主题（106主题）设立了多项课题支持数字城市理论、技术与产业化的研究。建设部在全国设立了30多个数字城市示范基地。同时，数字城市也已经成为政府、企业、高校和科研院所学术研究的热点。城市建设领域、3S领域、测绘领域、计算机领域等专家学者，都从不同的角度，对数字城市展开了研究。但是，就什么是数字城市、数字城市的理论框架、数字城市的工程实施框架等基本问题，各领域的专家还在探讨。本文从城市与区域信息化、数字城市工程建设的角度，结合数字城市工程实践，综合城市建设领域、3S领域、测绘科学领域、计算机科学领域专家学者对数字城市的研究成果，对数字城市的基本概念、数字城市的理论框架、数字城市的工程框架等理论问题进行初步研究，提出了数字城市的基本理论框架，供数字城市的理论研究与工程实践参考。
1 数字城市概念
数字城市，在表述上有数码城市(Cyber City)、数字化城市、电子城市、数码港、信息港、数位城市等多种提法。目前，学术界比较趋同于数字城市(DC,Digital City)的统一提法。但是，在数字城市的概念内涵上，与数字城市相关的各个领域都有各自的表述。归纳起来，有以建设部为代表的城市建设系统、以测绘局为代表的测绘系统、以3S企业为代表的3S系统、以信息产业部为代表的IT系统等四种观点。
(1)建设部观点[2]。建设部系统对数字城市的理解是，数字城市就是城市规划、建设、管理与服务的数字化，建设数字城市就是要实施城市规划、建设、管理与服务的数字化工程。建设部组织建设系统的高校、企业等部门的专家学者，历时1 a多，提出了城市数字化工程方案，作为建设部系统“十五”信息化与数字城市建设的纲要。建设部在其“十五”科技攻关项目“城市规划、建设、管理与服务数字化工程专项”的建议书中认为，“数字城市”是综合运用GIS、遥感、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；它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化表现等强大功能。它是由UGIS-WEB UGIS-COM UGIS-VR UGIS-CYBER UGIS发展而成，具有城市地理信息系统的全部功能，但功能更强、更丰富，它与其前身——城市地理信息系统的主要区别在于对城市有关数据能够自动采集、处理分析、传输分发、自动或半自动智能决策，可直接为社会公众提供便利的网络服务。目前，建设部已经按照这种思路在全国确立了30个数字城市示范基地。
(2)测绘系统观点。测绘系统对数字城市的理解是，数字城市就是将真实城市以地理位置及其相关关系为基础而组成数字化的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称，提供快速、准确、充分和完整地了解及利用城市中各方面的信息。数字城市的本质（或者核心）就是海量城市空间数据与三维城市地理信息系统、时序城市地理信息系统的融合。数字城市首先是国家空间数据基础设施在城市尺度的具体化实施，是指城市空间数据基础设施(USDI,Urban Spatial Data Infrastructure)，数字城市工程就是要建立和完善城市空间数据快速高效的获取、共享与应用体系，建设城市基础地理信息系统，完善以城市基础地理数据（4D数字产品）为核心的城市空间信息基础设施建设，在此基础上建立城市的四维时空参考框架，集成多样化的信息应用。目前，已有相当一部分城市在原城市勘测设计院的基础上，相继成立城市地理信息中心，该中心牵头组织数字城市的规划、设计与工程实施。
(3)3S系统观点[3,4]。3S系统对数字城市的定义是，数字城市就是基于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，深入开发和应用空间信息资源，建设服务于城市规划、建设和管理，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的信息基础设施和信息系统。其本质是建设空间信息基础设施，进一步深化和完善城市地理信息系统建设，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。
(4)信息产业部观点。信息产业部较集中的代表了IT领域的观点。IT领域对数字城市的提法是宽带数字城市，即通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源，实现城市经济信息化，建立城市电子政府、电子商务企业、电子社区；并通过发展信息家电、远程教育、网上医疗，建立信息化社区。信息产业部信息化推进司在2001年广州数字城市会议上发表的《国家城市信息化建设指南》集中体现了上述观点。同时，建设部在全国已经确立了北京、广州、江门、成都、杭州、扬州、大庆、南海、桂林、包头、石龙镇（东莞）、张家界、贵阳、武汉等14个信息化建设示范城市。
上述四种观点分别从城市规划建设、城市基础空间数据库建设（城市空间信息基础设施，USII）、城市地理信息系统应用、城市整体信息化四个角度，对数字城市的概念进行了定义。综合以上观点，着眼于我国城市建设发展与国家信息化建设的实践，笔者认为，数字城市定义如下：数字城市是从信息化角度，对信息时代及准信息时代城市状态的形象刻画，表征在花园城市、园林城市、生态城市等工业城市文明基础之上，信息化基础设施完备、信息数据资源丰富、信息化应用与信息产业高度发达、工业化与信息化持续协调发展、人居环境舒适的良性城市状态。数字城市工程就是要在集成化高速宽带城市通讯网络基础设施、城市空间数据基础设施、城市信息安全基础设施建设的基础上，整合城市信息数据资源，连接城市信息化孤岛，开展面向政府、企业、公众的个性化、多样性综合信息应用服务，同时促进城市领域（行业）信息化建设，以信息化带动工业化，促进传统产业结构调整，优化城市产业结构、生态结构与城市空间规划，促进工业化与信息化的持续协调发展。数字城市是城市信息化建设的结果，是工业文明的实体城市在信息社会（及准信息社会）的自然进化。
2 数字城市理论
2.1 数字城市驱动力模型
物质、能量和信息是客观世界的三大特征，也是城市的三大特征。城市是物质、能量和信息的聚集与扩散中心和辐射源。信息是由物质、能量所产生的，并依附于物质和能量而存在，但信息又具有独立性，它可以进行运算和表达，同时信息流还决定了物质流和能量流的流向、流速和流量。信息与信息技术促进了城市物质财富的快速流动，在流动中实现全球化和增值。数字城市驱动力模型如图1所示。
图1 数字城市驱动力模型[4]
Fig.1 The drive force model of Digital City[4]
信息流是城市运行的主要驱动力，它决定了城市的物流、能流、资金流和人才流的流向、流量和流速。信息流是一种数字产品，它可以通过通信网络进行传输，实现IT界常说的“零距离”和“数字产品”，必须要有现代的运输系统将它们送达目的地，因此不仅有明显的空间概念，而且也有时间概念。
2.2 数字城市层次结构模型
数字城市的层次结构模型是数字城市的基础理论，是数字城市工程的直接指导依据。数字城市在总体上，包括基础设施层（包括通讯层、数据层）、资源管理层和应用服务层三个层次（图2）。
图2 数字城市的层次结构模型
Fig.2 The hierarchy architecture of Digital City
通讯层是数字城市的物理基础，也是目前各个城市信息化建设的重点。通讯层的目标是要建立城市的IP宽带城域网。数据层的任务是建立起支撑数字城市运行的基础数据库系统，包括城市基础数据库（城市空间信息基础设施，USII）、城市人口信息库、城市组织机构信息库、城市经济信息库、政府法规信息库、各行业各领域的专业管理信息数据库等。数据层数据库是数字城市的信息化资产和资源。管理层完成对数字城市信息化资源和资产的管理工作，包括信息数据资源的管理、集成与融合。在技术上，主要通过数字分布式元数据系统完成信息数据资源的管理，通过地理编码与地址匹配完成空间数据与非空间数据的集成与融合。服务层在管理层的基础上，整合数据层的信息数据资源，提供电子政务、电子商务、公众信息服务、位置信息服务四个方面应用服务平台，为应用层提供基础的公共应用服务。应用层是数字城市建设的终极目标，在服务层的公共应用服务平台的基础上，为政府、企业、公众、首脑机关提供个性化、多样性的信息数据资源与应用的共享及互操作服务，构建不同层面的城市数字神经系统。
2.3 数字城市技术创新体系
数字城市的建设涉及城市基础数据库建设、城市信息资源的管理、3S集成与应用、数据与应用的共享及互操作等多个层面。作为一种国家战略[5]，数字城市建设将促进以下几个方面的技术创新，增强国家的科技实力[6,7]。
2.3.1 城市基础空间数据生产、管理、更新与服务的实用化、产品化与产业化。城市基础空间数据（城市空间信息基础设施）是数字城市的数据基础和核心。数字城市的建设将促进城市大比例尺空间数据生产、管理、更新与服务技术的实用化、产品化和产业化，促进我国全数字空间数据生产的技术进步，加速技术的实用化、产品化，城市空间数据生产服务的产业化。
2.3.2 城市空间数据基础设施的标准化与规范化。长期以来，城市空间数据存在多头采集、生产、更新体系，测绘、规管、房管、土地、市政等部门重复生产，彼此数据格式、信息编码、精度要求等互不兼容，造成极大的浪费。数字城市的建设，将促进城市空间数据基础设施的标准化与规范化，融合多方资源，完善城市空间数据基础设施的生产与更新体系，从技术、体制两方面保证城市基础空间数据的共享与互操作，减少低层次的重复建设与浪费。
2.3.3 分布式异构数据的管理、共享与互操作。数字城市的数据层包含城市基础空间数据、人口信息数据、组织机构数据、经济信息数据、政策法规数据、各行业各领域的业务数据等多个层面的数据，数据量巨大。这些数据分布在不同的部门，由各自的应用系统更新和维护。为了实现这些数据资源的共享与互操作，必须有一种方法能对这些数据资源进行有效的集中管理。数字城市的建设，将促进以元数据为核心的分布式异构空间数据的管理、共享与互操作方面的技术创新。
2.3.4 异构多源数据的集成与融合。数字城市建设以城市基础空间数据为基础，通过地理编码与地址匹配实现空间数据与非空间数据的集成与融合，赋予非空间数据以地理空间参照概念，以支持非空间数据的空间分析与决策。数字城市的建设，将促进基于地理编码与地址匹配技术的异构多源数据的集成与融合方面的技术创新，促进地理编码与地址匹配技术的实用化。
2.3.5 城市3S技术集成与行业应用。3S技术与应用是数字城市的重要组成部分，数字城市的建设，将进一步促进城市3S技术的一体化集成应用和3S在城市各个行业、各个领域的深入应用。
2.3.6 异构应用系统的集成与互操作。数字城市的终极目标，是要建立城市的快速智能数字神经系统，支持城市的管理与决策。数字城市的建设，将促进基于Web Service和GGG(Global Great Grid)技术的异构应用系统的集成与互操作，促进Web服务技术、网格计算技术的创新与发展。
2.4 数字城市的产业增长点
数字城市的建设，是实现“以信息化带动工业化，促进传统产业改造”的有效途径。数字城市的产品增长点主要包括：1)地理信息产业，如地理空间数据的生产、重新、管理与服务，3S集成应用，城市GIS的深层次应用开发等。2)信息资源开发利用与信息服务产业，如城市经济、社会、服务等领域行业专业数据生产、加工、更新与服务产业，信息资源的集成、融合与专业化服务等。3)软件产业，如3S领域、电子政务、网络安全、信息资源管理、电子商务、信息服务等领域。4)信息电子产品的生产、集成产业，如计算机、服务器、网络产品、安全产品、个人信息终端、家庭信息终端等。
2.5 数字城市的国家主导
数字城市的信息数据是城市和国家的资源和资产，基于数字城市信息数据资源的信息化应用也是城市和国家的资源和资产。因此，数字城市的信息数据资源和信息化应用是国家财富，是国家进行政务管理、实施宏观调控、战略决策的基础，是维护国家和平、稳定与安全的重要保障。发挥国家在数字城市建设中的主导地位，是国家主权的象证。
2.5.1 国家主导的内容。在数字城市的建设中，国家主导内容主要包括：1)信息数据资源的标准化，可用性；2)信息应用的标准化，可用性；3)信息数据资源与应用的安全性。
2.5.2 国家主导的形式。国家对数字城市建设的主导，可以采取以下形式：1)国家技术标准规范，强制性技术手段主导；2)国家政策与法规，强制性法律手段主导；3)信息化监理，深入建设过程，通过管理手段主导；4)国家投资，通过经济手段，以资本控制的方式主导。
3 数字城市工程
3.1 数字城市工程内容框架
数字城市工程内容框架（表1）包括基础设施、资源管理和应用服务三部分。基础设施包括通讯层、数据层、保障层三部分。管理层主要是指对数字城市信息基础设施的管理及信息数据资源的集成与融合、应用的集成与融合的管理。应用服务层包括基础公共服务层、管理应用层、业务应用层、服务应用层。
表1 数字城市工程内容框架[4]
Table 1 The content framework of Digital City[4]
3.2 数字城市工程指导思想
数字城市是国家与区域信息化的核心，关系国家与地区信息化建设的全局与长远利益，数字城市的建设必须全面贯彻和体现国家信息化指导思想，即统筹规划、国家主导、统一标准、联合建设、互通互联、资源共享。
3.3 数字城市工程组织管理
数字城市工程是一项复杂的系统工程，横向涉及城市的各个委办局，纵向涉及市、区、县、开发区等各级政府机关，在工程内容上，涉及网络通讯、空间数据、人口、组织机构、经济、政策法规、各行业各领域业务数据与应用等多种信息化建设内容，在工程实施中，涉及电信运营商、网络运营商、网络集成商、数据生产公司、系统集成公司、软件开发公司、设备供应商、资本投资公司等多个方面。作为政府，在短时间内组织一个机构来全盘管理整个工程，无论从技术支撑、人力保障、管理经验，还是从必要性、有效性考虑，都不是明智的选择。比较有效的组织管理模式如图3所示。
图3 数字城市工程组织管理模式[4]
Fig.3 The organization model of Digital City project[4]
市政府设立专门的数字城市建设领导小组，在市政府层面统筹数字城市的建设。领导小组下设数字城市建设办公室和数字城市建设专家委员会。数字城市建设办公室负责市内数字城市建设的组织、协调和政策、法规的草拟制定。数字城市建设专家委员会负责数字城市建设的总体咨询、方案设计、技术监理以及技术标准、规范的制定。同时，市政府采用多种方式，与数字城市建设运营的专业公司合作，成立专业的数字城市建设运营公司，负责数字城市的整体建设与运营。数字城市建设运营公司，根据市政府的部署、数字城市建设专家委员会的咨询建设以及自己的经验，在数字城市建设办公室的协调下，采用多种灵活的方式，整合数字城市建设的资本方、技术方、设备方、服务方、运营方等多方资源，快速、经济、高质量、可持续的建设数字城市。
3.4 数字城市工程BOT运营模式
数字城市的建设，涉及资金、资源、技术、设备、服务、运营等多方面的利益关系。出于国家安全与主权、国家利益的考虑，国家必须主导数字城市的建设。政府拥有数字城市建设的信息数据资源和数字城市运营的特许权，其它的方面，都必须与外部力量整合。如何筹集到数字城市的巨额资金、整合管理数字城市建设中形形色色的专业技术服务公司，是各个城市在数字城市建设中的一个实际问题。一种比较可行的模式是BOT模式，即Build-Operation-Transfer（建设、运营、移交）模式。政府通过行政、法律手段，协调整合数字城市建设的信息数据资源，出让一定期限内一定范围内数字城市的建设运营特许权。数字城市建设运营公司在数字城市的总体规划下，以BOT模式筹集资金、整合设备供应商、技术服务商等资源，快速实施数字城市的工程建设。按照统筹规划，分步实施的原则，建成一个项目，即投入运营。在保证建设商、运营商利益的前提下，合理确定运营时间。运营到期，即按照协议，移交政府经营。
通过这种方式，政府可以迅速筹集到数字城市建设的资金、简化数字城市建设的工程管理、降低数字城市建设的技术风险和投资风险，有利于充分调度、发挥多方积极性，经济、高效的建设数字城市。
4 结论
(1)数字城市是对信息时代及准信息时代城市状态的形象刻画，表征在花园城市、园林城市、生态城市等工业城市文明基础之上，信息化基础设施完备、信息数据资源丰富、信息化应用与信息产业高度发达、工业化与信息化持续协调发展、人居环境舒适的良性城市状态。数字城市的内涵应该是城市空间信息基础设施、城市规划建设管理的数字化工程、城市3S应用和城市整体信息化的有机综合，最终形成智能、敏捷的城市数字神经系统。
(2)数字城市基本理论包括数字城市的层次结构模型、数字城市的技术创新体系、数字城市的产业增长点以及数字城市建设的国家主导几个方面。数字城市的层次结构宏观上包括数字城市基础设施（通讯网络层、数据资源层、保障层）、资源管理层、应用服务层（服务层、应用层）等三个方面。数字城市的建设将促进我国在空间信息基础设施、地理信息产业、分布式异构多源数据共享与互操作等方面的知识创新和产业化。数字城市的信息数据资源和信息化应用是国家财富，是国家进行政务管理、实施宏观调控、战略决策的基础，是维护国家和平、稳定与安全的重要保障。发挥国家在数字城市建设中的主导地位，是国家主权的象征。
(3)数字城市工程建设包括基础设施、资源管理、应用服务三个方面，通讯层、数据层、保障层、管理层、服务层、管理应用层、业务应用层、服务应用层八个层面。数字城市的建设要贯彻统筹规划、国家主导、统一标准、联合建设、互通互联、资源共享原则。在工程实施过程中，以BOT模式，整合社会多方资源，政府成立领导小组和数字城市建设管理办公室，在数字城市建设专家委员会的辅助下，委托数字城市建设运营公司，总体负责数字城市的建设和运营。
标签：空间数据论文; 数字城市论文; 信息化规划论文; 信息化管理论文; 数据集成论文; 数据整合论文; 工程信息论文; 数据运营论文; 政府信息化论文; 信息集成论文; 数据融合论文; 3s技术论文;