数字城市内涵、技术框架与关键技术

数字城市内涵、技术框架与关键技术

美国副总统在《21世纪的美国数字地球仪》的报告中详细介绍了数字地球的概念、目标和支持技术等重要内容。“数字地球仪”的引入不仅是人们了解世界、改造世界的客观需要，也是经济、工业、信息社会发展的不可避免过程。它引起了世界各国的广泛关注，也受到了许多国家各国的高度重视。这座城市是人口、经济、技术、基础设施和信息最密集的地区。城市计算机科学是城市信息的主要目标。先进国家和地区以信息社会和社会计算机化为战略目标，以信息为基础，发展了当地信息技术，形成了数字城市。作为城市信息建设的热点和先锋，“数字城市”是城市信息建设的热点和先锋。这是城市“数字城市”的具体和扩展，也是未来区域发展的必然趋势。“数字城市”将全面改善城市经济和社会发展，特别是人民生活质量和城市管理水平，全面改善城市区域竞争力。这是基于技术和技术的新时代的象征。本文主要研究“数字城市”的内涵、功能体系和技术框架，从数据获取、数据存储和数据处理的角度考察“数字城市”建设的核心内容。1“数字城市”的内涵“数字城市”是对城市发展方向的一种描述,能满足城市信息化建设的多项需求,不仅能给市民的日常生活带来极大的便利,还为城市管理展示了一种全新的规划、建设和管理理念;是传统城市在当今高新技术背景下的功能深化与质的升华,是其发展的新阶段.“数字城市”是一个由多种高新技术支持的计算机网络信息体系,它不仅能在计算机上建立虚拟城市,再现城市资源分布状态,更重要的是在实现城市空间数据和信息资源的共享和互操作方面发挥了重要的作用.据统计,对“数字城市”概念的理解大约有十多种,不同的人从不同的角度会有不同的理解.一种具有代表性的观点认为,“数字城市”是物质城市在数字网络空间的再现和反映.这里的物质城市即是人们生活的现实城市,而数字网络空间则是数字城市的载体.“数字城市”概念在哲学和科学的角度广泛的用于描述整个城市的信息化.对“数字城市”的理解可分为广义和狭义两类:广义的数字城市即城市信息化,是指综合运用GIS、GPS、RS、网络、多媒体及虚拟仿真技术,对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监管和辅助决策服务的技术系统.狭义的数字城市是指:利用“数字地球”理论,基于3S技术等关键技术,建设服务于城市规划、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的信息基础设施和信息系统.笔者认为,“数字城市”是对现实城市及其相关社会、经济、人文等特征的规范化、统一化、数字化重现和再认识,也就是通过现代空间信息科学的技术来管理城市的信息,处理和分析整个城市问题,从而服务于社会,促进城市的科学发展.“数字城市”将真实的城市以地理位置及相关关系为基础,组成数字化信息框架,并嵌入属性信息集合,其本质就是海量城市空间和属性数据与三维城市地理信息系统、时序地理信息系统的融合.2主导地位系的组织结构“数字城市”从功能层面看是一个内容丰富、外延广泛的综合信息体系,它不是城市各个领域信息系统杂乱无章的组合,而是具有比较明确的组织结构;从技术层面看,它是集多学科,多高科技于一身的复杂体系.我们可以从功能和技术两个层面来把握“数字城市”的框架结构.2.1多系数据组成“数字城市”是一个庞大的信息系统,它是以计算机、数据库及通讯网络为主体,以全球定位系统、遥感、地理信息系统以及虚拟现实等现代高科技为研究手段,以城市的地理、资源、生态、环境等自然的以及人文的事物和现象为研究对象的综合体系.其功能体系主要由以下几部分组成:地理数据基础层、专题层和分析层(如图1).其中地理数据基础层由描述自然和人文地理环境等多维时空现象的空间数据和专题属性数据组成,通过GIS进行数据管理并提供GIS的基本功能,是“数字城市”信息的静态形式.专题层和分析层是“数字城市”的应用层.专题层和分析层是“数字城市”静态信息的动态体现,应包含大量的子系统和功能模块,能针对不同的用户,不同的研究领域进行高级应用.“数字城市”服务于社会,可以概括为电子政务、电子商务和电子社区.其中电子政务是指政府部门进行数字管理,包括土地管理、市政管理、交通管理、城市规划、公共安全等方面;电子商务是指企业进行数字经营,包括商业布局、金融保险、物流配送、医疗卫生等;电子社区是指公众进行数字生活,包括智能住宅、智能家电、移动电话等.2.2“数字城市”的技术框架在技术上“数字城市”是在城市数字化基础上建立的一个能够实现城市综合管理与决策支持的、虚拟的、具有开放性的城市模型,因此要综合运用GIS(地理信息系统)、RS(遥感)、GPS(空间定位系统)、数据库、网络、多媒体及虚拟仿真等技术和手段.数据是“数字城市”的“血液”,没有城市的空间和专题属性数据的支持,“数字城市”也就成了纸上谈兵,空中楼阁.以数据为主线,“数字城市”的技术框架如图2所示.3“数字城市”的核心技术建立“数字城市”需要地球科学技术、空间科学技术和信息科学技术等多种科学技术的支撑.下面以数据为主线进行讨论:3.1遥感技术.建设“数字城市”需要大量的城市空间和属性数据,随着空间定位系统、测量学和多传感器集成空间信息获取技术的发展,准确的、实时的、动态的、自动的获取数据成为可能.1)全球定位系统(GPS).20世纪80年代出现的GPS技术,是利用导航卫星的电文,通过电子测距,采用距离交会的算法,对空中、海上和陆地的目标实现全球性、全天候的精确定位的技术,是近年来发展起来的一项重大的空间测量技术.其广泛地渗透到经济建设、国防建设和科学技术的许多领域.2)多分辨率遥感技术.遥感是运用现代光学、电子学探测仪器,不与目标物相接触,从远距离把目标物的电磁波特性记录下来,通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律的技术.当代遥感的发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征.遥感在建设“数字城市”中的作用主要体现在:提供城市的基础地理数据、实时监测城市的动态变化趋势、实现城市环境的动态监测.它是构筑“数字城市”最基本的空间数据来源,也是其他非空间数据的载体和框架.3)数字摄影测量技术.数字摄影测量是摄影测量发展的第三个阶段,能自动快速生成城市的数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)、数字线划矢量图(DLG),并可从DOM上自动或人机交互式提取各种专题信息,然后将这些结果存入GIS数据库中,以实现数据库的自动更新.这种由城市的正射影像、DEM、建筑物的量测数据、房顶与墙面的影像纹理数据虚拟城市三维景观的手段是“数字城市”图形交互的主要形式.4)多传感器集成空间信息获取技术.多传感器集成空间信息获取是指利用多种空间数据采集传感器进行全面高精度空间数据采集,为地理信息系统和三维空间数据的采集提供全面、可靠、高效的方式.通过多传感器集成空间信息获取技术可以获取“数字城市”中需要的大量建筑物的立面几何和纹理数据信息.3.2空间数据共享城市的空间和属性信息都直接或间接与地表位置相关,其具有区域性、多维性和时序特性.庞大的信息资源和昂贵的信息成本,使得人们无法独立生产所需的数据,而必须通过共享来获得资源和必要的信息.“数字城市”囊括了城市的各个部门各个领域的数据,并把这些异构的数据规范化和标准化达到数据共享的目的.目前空间数据共享的方法主要有外部数据交换、空间数据库互操作和空间数据共享平台3种.梅士员通过对几种空间数据共享技术有缺点的分析认为,互操作方法综合了已有的各种方法,是解决地理信息共享的一个重要方向.互操作是能对建立在不同计算机软硬件及网络平台上的、具有不同数据库结构和数据格式的数据进行无障碍的交换与共享的技术.3.3采用宽带网络技术进行数字城市互联网安全建设,有助于实现信息共享、传播“数字城市”的大量数据分布在不同的数据库中,由不同的部门负责构建、管理和维护,要实现数据共享,进行无缝互操作就必须通过计算机宽带网络技术和万维网络技术.通过计算机网络能够实现不同用户对网络资源的共享,把分布在不同区域不同部门的信息有机地结合在一起,形成一个规模巨大、形式统一的网络数据库.要传输海量数据,进行科学计算,宽带网络便成为“数字城市”是否能走向实用的关键.3.4“数字城市”数据的不同时间和空间1)数据库和数据仓库技术.由于“数字城市”中包括多种数据类型,如空间数据、属性数据、静态图像数据、动画数据、声音数据等,所以需要一种能支持空间数据操作和管理的新型数据库技术.近年来,许多数据库已经能支持空间数据的管理和操作,如Oracle,MySQL等.数据仓库技术是面向主题的、集成的、不可更新的(稳定性)、随时间不断变化(不同时间)的数据集合,用以支持经营管理中的决策制定过程、数据仓库中的数据面向主题,与传统数据库面向应用相对应.数据仓库还必须增加对空间数据的存储、管理和分析能力以适应“数字城市”中数据具有空间和时态的特征,也就是在数据仓库的基础上引入对空间数据的管理,建设空间数据仓库.空间数据仓库可以截取从瞬态到区段直到整个城市系统的不同规模时空尺度上的信息,从而为城市某一方面问题的解决提供最好的信息服务.2)海量数据存储技术.“数字城市”的数据是海量的,既有空间的,如各类多光谱、多时相、高分辨率的城市遥感卫星影像、航空影像、大比例尺的电子地图;也有非空间的属性数据,如有关城市人口、经济、社会、资源、发展等方面的数据.因此建设“数字城市”需要海量的存储技术.海量数据存取是通过计算机的并联或改善计算机的性能,采用如基于小波变换算法的高效数据压缩与解压方法来极大地提高海量数据存取效率的技术.另一方面,为了在海量数据中迅速找到需要的数据,元数据(metadata)库的建设是非常必要的,它是关于数据的数据,通过它可以了解有关数据的名称、位置、属性等信息,从而大大减少用户寻找所需数据的时间.3.5“数字城市”的增强特性与应用1)地理信息系统(GIS)技术.GIS是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,对地理空间数据及其相关属性数据进行采集、输入、存储、编辑、查询、分析、显示输出和更新的技术.GIS是管理“数字城市”数据最主要的手段.2)三维可视化与虚拟现实(VirtualReality)技术.三维可视化是实现“数字城市”与人交互的窗口和工具.虚拟现实技术是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉和味觉等的感观世界,用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行观察和操作.通过三维可视化和虚拟现实技术,再现一个逼真的城市地理景观,为分析和查询数据库中数据展现了新的视野,有助于发现隐藏在其中的信息,为决策支持、宏观管理提供更加有力的依据.另一方面,细节层次模型(LOD)大大提高了海量数据的三维漫游速度.他们是实现“数字城市”的一个重要技术手段.3)智能决策与专家系统.“数字城市”为了满足政府的宏观规划、战略决策的需要,提供了智能决策与专家系统,它能为决策者提供实施的具体方案,为城市科学发展提供可靠有力的技术支持.它在城市社会、经济、生活中有着广泛的应用,如城市用地选址、最佳路径选取、资源分配、定位分析等几乎所有的决策领域.3.6信息高速公路集成的必要性“3S”集成,是指将遥感、空间定位系统以及地理信息系统这