數(shù)字城市內涵、技術框架與關鍵技術

數(shù)字城市內涵、技術框架與關鍵技術

美國副總統(tǒng)在《21世紀的美國數(shù)字地球儀》的報告中詳細介紹了數(shù)字地球的概念、目標和支持技術等重要內容?！皵?shù)字地球儀”的引入不僅是人們了解世界、改造世界的客觀需要，也是經(jīng)濟、工業(yè)、信息社會發(fā)展的不可避免過程。它引起了世界各國的廣泛關注，也受到了許多國家各國的高度重視。這座城市是人口、經(jīng)濟、技術、基礎設施和信息最密集的地區(qū)。城市計算機科學是城市信息的主要目標。先進國家和地區(qū)以信息社會和社會計算機化為戰(zhàn)略目標，以信息為基礎，發(fā)展了當?shù)匦畔⒓夹g，形成了數(shù)字城市。作為城市信息建設的熱點和先鋒，“數(shù)字城市”是城市信息建設的熱點和先鋒。這是城市“數(shù)字城市”的具體和擴展，也是未來區(qū)域發(fā)展的必然趨勢?！皵?shù)字城市”將全面改善城市經(jīng)濟和社會發(fā)展，特別是人民生活質量和城市管理水平，全面改善城市區(qū)域競爭力。這是基于技術和技術的新時代的象征。本文主要研究“數(shù)字城市”的內涵、功能體系和技術框架，從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理的角度考察“數(shù)字城市”建設的核心內容。1“數(shù)字城市”的內涵“數(shù)字城市”是對城市發(fā)展方向的一種描述,能滿足城市信息化建設的多項需求,不僅能給市民的日常生活帶來極大的便利,還為城市管理展示了一種全新的規(guī)劃、建設和管理理念;是傳統(tǒng)城市在當今高新技術背景下的功能深化與質的升華,是其發(fā)展的新階段.“數(shù)字城市”是一個由多種高新技術支持的計算機網(wǎng)絡信息體系,它不僅能在計算機上建立虛擬城市,再現(xiàn)城市資源分布狀態(tài),更重要的是在實現(xiàn)城市空間數(shù)據(jù)和信息資源的共享和互操作方面發(fā)揮了重要的作用.據(jù)統(tǒng)計,對“數(shù)字城市”概念的理解大約有十多種,不同的人從不同的角度會有不同的理解.一種具有代表性的觀點認為,“數(shù)字城市”是物質城市在數(shù)字網(wǎng)絡空間的再現(xiàn)和反映.這里的物質城市即是人們生活的現(xiàn)實城市,而數(shù)字網(wǎng)絡空間則是數(shù)字城市的載體.“數(shù)字城市”概念在哲學和科學的角度廣泛的用于描述整個城市的信息化.對“數(shù)字城市”的理解可分為廣義和狹義兩類:廣義的數(shù)字城市即城市信息化,是指綜合運用GIS、GPS、RS、網(wǎng)絡、多媒體及虛擬仿真技術,對城市的基礎設施、功能機制進行自動采集、動態(tài)監(jiān)管和輔助決策服務的技術系統(tǒng).狹義的數(shù)字城市是指:利用“數(shù)字地球”理論,基于3S技術等關鍵技術,建設服務于城市規(guī)劃、建設、管理;服務于政府、企業(yè)、公眾;服務于人口、資源環(huán)境、經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展的信息基礎設施和信息系統(tǒng).筆者認為,“數(shù)字城市”是對現(xiàn)實城市及其相關社會、經(jīng)濟、人文等特征的規(guī)范化、統(tǒng)一化、數(shù)字化重現(xiàn)和再認識,也就是通過現(xiàn)代空間信息科學的技術來管理城市的信息,處理和分析整個城市問題,從而服務于社會,促進城市的科學發(fā)展.“數(shù)字城市”將真實的城市以地理位置及相關關系為基礎,組成數(shù)字化信息框架,并嵌入屬性信息集合,其本質就是海量城市空間和屬性數(shù)據(jù)與三維城市地理信息系統(tǒng)、時序地理信息系統(tǒng)的融合.2主導地位系的組織結構“數(shù)字城市”從功能層面看是一個內容豐富、外延廣泛的綜合信息體系,它不是城市各個領域信息系統(tǒng)雜亂無章的組合,而是具有比較明確的組織結構;從技術層面看,它是集多學科,多高科技于一身的復雜體系.我們可以從功能和技術兩個層面來把握“數(shù)字城市”的框架結構.2.1多系數(shù)據(jù)組成“數(shù)字城市”是一個龐大的信息系統(tǒng),它是以計算機、數(shù)據(jù)庫及通訊網(wǎng)絡為主體,以全球定位系統(tǒng)、遙感、地理信息系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代高科技為研究手段,以城市的地理、資源、生態(tài)、環(huán)境等自然的以及人文的事物和現(xiàn)象為研究對象的綜合體系.其功能體系主要由以下幾部分組成:地理數(shù)據(jù)基礎層、專題層和分析層(如圖1).其中地理數(shù)據(jù)基礎層由描述自然和人文地理環(huán)境等多維時空現(xiàn)象的空間數(shù)據(jù)和專題屬性數(shù)據(jù)組成,通過GIS進行數(shù)據(jù)管理并提供GIS的基本功能,是“數(shù)字城市”信息的靜態(tài)形式.專題層和分析層是“數(shù)字城市”的應用層.專題層和分析層是“數(shù)字城市”靜態(tài)信息的動態(tài)體現(xiàn),應包含大量的子系統(tǒng)和功能模塊,能針對不同的用戶,不同的研究領域進行高級應用.“數(shù)字城市”服務于社會,可以概括為電子政務、電子商務和電子社區(qū).其中電子政務是指政府部門進行數(shù)字管理,包括土地管理、市政管理、交通管理、城市規(guī)劃、公共安全等方面;電子商務是指企業(yè)進行數(shù)字經(jīng)營,包括商業(yè)布局、金融保險、物流配送、醫(yī)療衛(wèi)生等;電子社區(qū)是指公眾進行數(shù)字生活,包括智能住宅、智能家電、移動電話等.2.2“數(shù)字城市”的技術框架在技術上“數(shù)字城市”是在城市數(shù)字化基礎上建立的一個能夠實現(xiàn)城市綜合管理與決策支持的、虛擬的、具有開放性的城市模型,因此要綜合運用GIS(地理信息系統(tǒng))、RS(遙感)、GPS(空間定位系統(tǒng))、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡、多媒體及虛擬仿真等技術和手段.數(shù)據(jù)是“數(shù)字城市”的“血液”,沒有城市的空間和專題屬性數(shù)據(jù)的支持,“數(shù)字城市”也就成了紙上談兵,空中樓閣.以數(shù)據(jù)為主線,“數(shù)字城市”的技術框架如圖2所示.3“數(shù)字城市”的核心技術建立“數(shù)字城市”需要地球科學技術、空間科學技術和信息科學技術等多種科學技術的支撐.下面以數(shù)據(jù)為主線進行討論:3.1遙感技術.建設“數(shù)字城市”需要大量的城市空間和屬性數(shù)據(jù),隨著空間定位系統(tǒng)、測量學和多傳感器集成空間信息獲取技術的發(fā)展,準確的、實時的、動態(tài)的、自動的獲取數(shù)據(jù)成為可能.1)全球定位系統(tǒng)(GPS).20世紀80年代出現(xiàn)的GPS技術,是利用導航衛(wèi)星的電文,通過電子測距,采用距離交會的算法,對空中、海上和陸地的目標實現(xiàn)全球性、全天候的精確定位的技術,是近年來發(fā)展起來的一項重大的空間測量技術.其廣泛地滲透到經(jīng)濟建設、國防建設和科學技術的許多領域.2)多分辨率遙感技術.遙感是運用現(xiàn)代光學、電子學探測儀器,不與目標物相接觸,從遠距離把目標物的電磁波特性記錄下來,通過分析、解譯揭示出目標物本身的特征、性質及其變化規(guī)律的技術.當代遙感的發(fā)展主要表現(xiàn)在它的多傳感器、高分辨率和多時相特征.遙感在建設“數(shù)字城市”中的作用主要體現(xiàn)在:提供城市的基礎地理數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測城市的動態(tài)變化趨勢、實現(xiàn)城市環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測.它是構筑“數(shù)字城市”最基本的空間數(shù)據(jù)來源,也是其他非空間數(shù)據(jù)的載體和框架.3)數(shù)字攝影測量技術.數(shù)字攝影測量是攝影測量發(fā)展的第三個階段,能自動快速生成城市的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃矢量圖(DLG),并可從DOM上自動或人機交互式提取各種專題信息,然后將這些結果存入GIS數(shù)據(jù)庫中,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的自動更新.這種由城市的正射影像、DEM、建筑物的量測數(shù)據(jù)、房頂與墻面的影像紋理數(shù)據(jù)虛擬城市三維景觀的手段是“數(shù)字城市”圖形交互的主要形式.4)多傳感器集成空間信息獲取技術.多傳感器集成空間信息獲取是指利用多種空間數(shù)據(jù)采集傳感器進行全面高精度空間數(shù)據(jù)采集,為地理信息系統(tǒng)和三維空間數(shù)據(jù)的采集提供全面、可靠、高效的方式.通過多傳感器集成空間信息獲取技術可以獲取“數(shù)字城市”中需要的大量建筑物的立面幾何和紋理數(shù)據(jù)信息.3.2空間數(shù)據(jù)共享城市的空間和屬性信息都直接或間接與地表位置相關,其具有區(qū)域性、多維性和時序特性.龐大的信息資源和昂貴的信息成本,使得人們無法獨立生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù),而必須通過共享來獲得資源和必要的信息.“數(shù)字城市”囊括了城市的各個部門各個領域的數(shù)據(jù),并把這些異構的數(shù)據(jù)規(guī)范化和標準化達到數(shù)據(jù)共享的目的.目前空間數(shù)據(jù)共享的方法主要有外部數(shù)據(jù)交換、空間數(shù)據(jù)庫互操作和空間數(shù)據(jù)共享平臺3種.梅士員通過對幾種空間數(shù)據(jù)共享技術有缺點的分析認為,互操作方法綜合了已有的各種方法,是解決地理信息共享的一個重要方向.互操作是能對建立在不同計算機軟硬件及網(wǎng)絡平臺上的、具有不同數(shù)據(jù)庫結構和數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)進行無障礙的交換與共享的技術.3.3采用寬帶網(wǎng)絡技術進行數(shù)字城市互聯(lián)網(wǎng)安全建設,有助于實現(xiàn)信息共享、傳播“數(shù)字城市”的大量數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)庫中,由不同的部門負責構建、管理和維護,要實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,進行無縫互操作就必須通過計算機寬帶網(wǎng)絡技術和萬維網(wǎng)絡技術.通過計算機網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)不同用戶對網(wǎng)絡資源的共享,把分布在不同區(qū)域不同部門的信息有機地結合在一起,形成一個規(guī)模巨大、形式統(tǒng)一的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫.要傳輸海量數(shù)據(jù),進行科學計算,寬帶網(wǎng)絡便成為“數(shù)字城市”是否能走向實用的關鍵.3.4“數(shù)字城市”數(shù)據(jù)的不同時間和空間1)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫技術.由于“數(shù)字城市”中包括多種數(shù)據(jù)類型,如空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、動畫數(shù)據(jù)、聲音數(shù)據(jù)等,所以需要一種能支持空間數(shù)據(jù)操作和管理的新型數(shù)據(jù)庫技術.近年來,許多數(shù)據(jù)庫已經(jīng)能支持空間數(shù)據(jù)的管理和操作,如Oracle,MySQL等.數(shù)據(jù)倉庫技術是面向主題的、集成的、不可更新的(穩(wěn)定性)、隨時間不斷變化(不同時間)的數(shù)據(jù)集合,用以支持經(jīng)營管理中的決策制定過程、數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)面向主題,與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫面向應用相對應.數(shù)據(jù)倉庫還必須增加對空間數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析能力以適應“數(shù)字城市”中數(shù)據(jù)具有空間和時態(tài)的特征,也就是在數(shù)據(jù)倉庫的基礎上引入對空間數(shù)據(jù)的管理,建設空間數(shù)據(jù)倉庫.空間數(shù)據(jù)倉庫可以截取從瞬態(tài)到區(qū)段直到整個城市系統(tǒng)的不同規(guī)模時空尺度上的信息,從而為城市某一方面問題的解決提供最好的信息服務.2)海量數(shù)據(jù)存儲技術.“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)是海量的,既有空間的,如各類多光譜、多時相、高分辨率的城市遙感衛(wèi)星影像、航空影像、大比例尺的電子地圖;也有非空間的屬性數(shù)據(jù),如有關城市人口、經(jīng)濟、社會、資源、發(fā)展等方面的數(shù)據(jù).因此建設“數(shù)字城市”需要海量的存儲技術.海量數(shù)據(jù)存取是通過計算機的并聯(lián)或改善計算機的性能,采用如基于小波變換算法的高效數(shù)據(jù)壓縮與解壓方法來極大地提高海量數(shù)據(jù)存取效率的技術.另一方面,為了在海量數(shù)據(jù)中迅速找到需要的數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)(metadata)庫的建設是非常必要的,它是關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),通過它可以了解有關數(shù)據(jù)的名稱、位置、屬性等信息,從而大大減少用戶尋找所需數(shù)據(jù)的時間.3.5“數(shù)字城市”的增強特性與應用1)地理信息系統(tǒng)(GIS)技術.GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎,在計算機軟硬件的支持下,對地理空間數(shù)據(jù)及其相關屬性數(shù)據(jù)進行采集、輸入、存儲、編輯、查詢、分析、顯示輸出和更新的技術.GIS是管理“數(shù)字城市”數(shù)據(jù)最主要的手段.2)三維可視化與虛擬現(xiàn)實(VirtualReality)技術.三維可視化是實現(xiàn)“數(shù)字城市”與人交互的窗口和工具.虛擬現(xiàn)實技術是采用計算機技術生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺和味覺等的感觀世界,用戶可以直接用人的技能和智慧對這個生成的虛擬實體進行觀察和操作.通過三維可視化和虛擬現(xiàn)實技術,再現(xiàn)一個逼真的城市地理景觀,為分析和查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)展現(xiàn)了新的視野,有助于發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的信息,為決策支持、宏觀管理提供更加有力的依據(jù).另一方面,細節(jié)層次模型(LOD)大大提高了海量數(shù)據(jù)的三維漫游速度.他們是實現(xiàn)“數(shù)字城市”的一個重要技術手段.3)智能決策與專家系統(tǒng).“數(shù)字城市”為了滿足政府的宏觀規(guī)劃、戰(zhàn)略決策的需要,提供了智能決策與專家系統(tǒng),它能為決策者提供實施的具體方案,為城市科學發(fā)展提供可靠有力的技術支持.它在城市社會、經(jīng)濟、生活中有著廣泛的應用,如城市用地選址、最佳路徑選取、資源分配、定位分析等幾乎所有的決策領域.3.6信息高速公路集成的必要性“3S”集成,是指將遙感、空間定位系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)這