数字北海的系统分析与地理空间框架研究

张生德 寇有观 徐祖舰
（张生德 博士 广西桂能软件有限公司 广西南宁 530023
寇有观 国土资源部信息中心研究员 北京中关村 100081
徐祖舰 广西桂能软件有限公司 广西南宁 530023）

【摘　要】　数字北海属于区域信息化，内含领域信息化，二者交叉融合，互联互通。本文从需求分析，数据分析，总体架构和地理空间框架等方面，总体研究数字北海的发展。由于有激光雷达遥感及其软件系统等对地观测先进技术系统的支撑，准备在全国帅先完成最新地籍调查，建设三维国土（包括建筑）数据库，并在此框架上，整合信息资源，实现信息共享，三维规划，四维监测，构筑世界明珠城市。
【关键词】　 数字北海 地理空间框架 信息共享

　　1 需求分析
　　人类社会经历农业社会、工业社会，向信息社会演进。农业社会向工业社会发展的驱动力是工业化，工业社会向信息社会演进的驱动力是信息化；整个发展都伴随着城市化、城镇化；信息化带动工业化，信息化引导城镇化。
　　北海市位于广西南端，历史悠久，新石器时代已有先民生息，历来是我国西南地区对外通商的重要口岸，是古代“海上丝绸之路”始发港，是中国西部地区唯一的具有海、陆、空交通设施的城市，面向“东南亚”，背靠“大西南”，紧邻珠三角”，正在成为中国南部海域的重要交通枢纽。空气中负氧离子含量每立方厘米高达2500—5000个，比内陆城市高出50一100倍，享有“中国最大城市氧吧”的美誉。
　　北海处于中国——东盟自由贸易区中心位置，在西部开发和加强西部地区与东盟各国的交往中越来越显示出其重要的通道作用，“两廊一圈”中重要的城市。北海市只有加快数字城市建设，利用信息化的技术和手段，将城市资源、社会资源、基础设施、人文，经济等城市要素，以数字的形式进行获取、存储、管理和再现，才能为提高北海市城市管理效率、节约资源、保护环境和城市可持续发展提供决策支持和服务。
　　实施信息化带动工业化。集中力量发展临海工业，做强做大园区经济；加速发展旅游业、电子政务、电子商务等第三产业，积极培育现代物流业，坚持可持续发展；信息化带动信息产业发展，信息化带动传统产业改造，尤其是制造业和农业的升级；信息化带动科技创新，带动社会经济全面、协调、可持续发展。
　　实施信息化引导城镇化。统筹区域发展，构建城市新框架，完善中心城区功能，大力加强基础设施建设；信息化提高城镇化水平，更好地配置各种资源和生产要素，增强城市整体实力；发挥城市对经济社会发展的推动作用，提高经济发展的水平和整体竞争力。坚持走中国特色的城镇化道路：循序渐进、节约土地、集约发展、合理布局，努力形成资源节约、环境友好、经济高效、社会和谐的城镇发展新格局。
　　在国家信息化政策的指引下，在北海国民经济快速发展与现代城市管理需求日益迫切的推动下，北海市信息网络建设在党政机关中有了很大的发展，计算机综合布线建成单位局域网的有23个，国土、规划等部门通过多年的数据采集积累，已经具备了一批基础地理信息数据。这些数据与各种管理系统和应用数据库的建设，为“数字北海”的建设打下了良好的基础。但是由于多种数据缺乏统一的数据标准与数据管理和信息共享机制，一个个信息孤岛并存，没有发挥基础地理信息数据服务城市管理、经济发展的优势。通过建设数字城市，我们将基于统一的数据标准、管理更新机制、信息共享服务平台，建立北海市基础地理空间信息框架，全面地维护、更新数据，为城市规划、国土管理、行业发展、公众服务提供空间信息服务。
　　随着北海市经济建设飞速发展，城市化进程不断加快，信息化建设的需求越来越高，迫切需要加快数字城市地理空间框架的建设，实现北海市各级部门间的地理空间数据共享，消除信息孤岛和信息烟囱，减少基础设施的重复建设和重复投入。
　　数字城市地理空间基础框架是一个“信息内容丰富、更新维护及时、共享交换便捷”的公共信息基础平台，是一个以数字化的基础测绘资料为主要内容、以完善的基础地理空间数据管理体系和数据服务体系为主要结构的地理信息数据和管理平台，希望成为北海市自然、社会、经济的空间信息载体和北海市各行业基础空间信息基础设施。建立示范性城市地理信息数据库，构建城市三维、精细化的地理信息框架,集成城市相关类经济社会信息数据,在政府的统一管理下为各部门（国土资源、城市规划、智能交通、电子政务等领域）提供统一的、共享的数据平台。开展电子政务空间辅助决策应用示范。按照国家电子政务的安全和标准要求，基于政府专网，自主开发面向电子政务的数据交换和空间辅助决策软件支撑平台，在相关技术、标准、数据方面，实现政府机关宏观管理中的空间辅助决策示范应用。并在此基础上，实现与有关专业部门的专题数据的整合，丰富和扩展基础地理信息数据内容，建立整合后的示范性数据库，同时建立与专业部门数据资源共享机制。
　　1）为政府宏观决策提供大区域空间信息支持
　　数字城市地理空间基础框架建设，能提高政府，尤其是城市建设部门、国土部门和规划部门的决策能力和管理能力，及时为政府科学决策提供支持，加强政府的宏观调控，减少决策失误，使政府管理从定性化走向定量化，从而提高政府决策的科学性、前瞻性和民主化程度，提高行政管理工作的效率和规范化，提高城市管理的现代化水平。项目建成后，通过政府网络专线，政府领导可以查询到全市土地利用现状信息、城市规划信息、水资源信息、矿产资源信息、房地产等诸多信息；优化北海市的资源配置、城市规划、环境保护，有利于北海市的可持续性发展；开拓视野，加快发展，提高北海市的整体综合实力。
　　2）可以很好地解决基础地理数据共享和跨部门行业应用存在的问题
　　数字城市地理空间基础框架的建设可以很好的解决跨部门数据共享和跨部门行业应用的问题，将实现信息资源的共享和信息服务社会化，为北海市的各项工作提供信息服务，提高城市企业的竞争力，激活城市的经济，从而改善我市的投资环境，有利于招商引资。北海市采集、掌握和应用基础地理空间信息的，主要是各级政府有关部门。长期以来形成的条块分割、部门所有、封闭的管理体制，使得各部门掌握的信息资源不能共享，阻碍了地理空间信息的广泛应用。同时，由于缺乏统一规划和协调，各部门根据各自的需要，重复采集和处理基础地理空间信息，造成重复建设和政府投资的浪费。需要深度整合和挖掘城市各种信息资源（特别是空间信息资源），建立面向政府、企业、社区和公众服务的信息平台、信息应用系统，把数字城市地理空间基础框架建成一个“信息内容丰富，更新维护及时、共享交换便捷”的公共信息基础平台。这个平台将是支撑北海各类管理信息系统的公共服务平台，在信息化建设与应用上必将发挥巨大的作用。
　　3）为北海的招商引资、发展旅游等提供全面的信息服务
　　北海正处于高速发展的阶段，近几年城市建设、支柱产业（高新技术、海洋产业、现代农业、旅游产业等）等都通过自身发展、招商引资等途径，加快了发展步伐，这些都对基础地理信息提出了更高的信息需求。北海市将紧紧抓住数字城市加快空间信息框架的建设，为国民经济的快速发展提供全面的空间信息服务。
　　4）可以为市民提供多种形式的地理信息公众服务
　　数字城市地理空间基础框架的建设可以为市民提供网上地理信息查询服务，数字城市地理空间信息公共平台建设的社会化、全民化，有利于改善人们的思想观念、工作作风、学习途径和生活方式，提高工作效率，最终全面提高市民的综合素质。利用北海地理空间基础框架开发建设的北海市旅游服务系统，开展网上导航和手机导航服务。旅游者可以很方便地查询旅游景点、宾馆、饭店、和购物场所的方位，提高北海作为旅游城市的品位和档次。
　　总之，北海市数字地理空间数据框架的构建，将为北海市信息化提供权威的数字化地理空间基础框架，推动北海市地理空间信息的共建共享，避免重复建设和资源浪费，为北海市政府决策、国民经济和公共信息服务，提供地理空间支撑平台，建立起可持续发展的动态监控系统和决策支持系统，改善北海的城市基础设施，促进城市产业结构的调整，提高城市规划、建设、管理和服务水平，促进资源的合理配置，优化资源、环境、人口与发展的相互关系，辅助政府有效地掌握劳动力、资金、生产、市场的空间分布、动态变化和布局，为北海市政府决策和管理提供依据。
　　2 数据分析
　　数据分析是数字北海建设的核心工作。
　　2.1 城市数据
　　城市数据包括政府机关、事业单位、企业、社团、社区等的经济、政治、社会、资源、环境、自然、公民、人文和地理等方面的众多实体集、主题数据库；涉及土地、矿产、资产、金融、信贷、财经、投资、计划、公文、议案、档案、新闻、会议、器材、网站、领导批示、各种活动、日程安排、图书资料等方面，数字化形式有文本、DOC、PDF、GIS、表格、影像、E-mail、网页、音频、视频等；可以概括成如下主要方面。
　　1）经济方面
　　2）政治方面
　　3）社会发展
　　4）资源环境
　　5）突发公共事件
　　①自然灾害。
　　②事故灾难。
　　③公共卫生事件。
　　④社会安全事件。
　　6）空间数据
　　地形图、土地图、专题图、接图表、航片、卫片、测区平面控制图、行政界线等。
　　信息分为空间信息和非空间信息，由管理与运营、政务与商务、产业与经济、社区与服务、科研与教育等方面的数据组成。通过制定技术标准和法规政策，规范、提升现有的数据库系统、补建关键领域的数据库系统，使之具有向公共信息交换平台提供互连、共享的数据资源。
　　空间信息由地理数据和地质数据组成。地理数据包括控制数据、数字线划图（DLG）、数字栅格地图（DRG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、三维模型数据、综合管线数据以及相关数据。地质数据包括地层数据、地质构造数据、水文地质数据、地震地质数据、环境地质数据和地质资源数据等。
　　2.2 数据库区位
　　城市的数据库系统可以概括为三个区位：
　　①城市各单位、各行业的数据库；
　　②参与城市数据交换和信息共享的各行业、各方面分布式数据库系统；
　　③市数据中心的基础数据库、主题数据库。
　　城市各单位、各行业的数据库是支持全市各个单位和行业信息化的基础，量大面广，建设进度的差异也很大。
　　2.3 数据交换
　　城市是数据交换和资源共享的重要层次，支持公众服务和协同办公。数据交换与共享平台位处用户层和服务器层之间，隶属于应用支撑层；在应用支撑层之上还有应用层（图1）。

图1 数据交换与共享平台

　　数据交换包括空间数据和非空间数据的交换。空间数据通过外部数据交换文件可以达到GIS数据通讯与共享。我国在发展自己的GIS软件，制定空间数据交换标准，通过外部数据交换达到数据共享目的。同时，着手研究制定空间数据互操作规范，逐步过度到共享平台。
　　城市数据中心的数据库系统在行业数据库的基础上设计、建设和运行，实现兼容、共享和更新。我们尊重并研究行业数据库标准，包括国家标准，全国（全省）行业数据库结构、数据库基本表结构、指标体系和数据字典等。
　　3 总体架构
　　数字北海总体上包括：法律环境、道德规范、基础设施、信息资源、支撑平台和应用系统等；涉及政务、商务、居住、工作、旅游和交通等；涵盖城市主体信息化、城市客体数字化、城市事物处理电子化。城市主体信息化包括政府信息化、企业信息化、社区信息化、家庭信息化和公民信息化等。城市客体数字化包括地理、地质、货币、农业、食品、音乐、广播、电视、道路、车辆、建筑、资源、环境等的数字化。城市事物处理电子化包括电子政务、电子商务、电子社区、智能交通等。
　　数字北海的初级阶段重在技术平台建设，鼓励应用；能者先行，急用先上。总体上可以概括为五大平台、五个中心，政策、法规、标准、规范体系和安全、组织、资金、人才保障体系等（图2）。

图2 总体框架

　　技术平台包括网络通讯平台、地理信息平台、公用信息平台、专题信息平台和决策支持平台。系统的中心涉及网络互联、身份认证、网络数据、呼叫救助和应急指挥等。网络数据中心在本城建设容灾数据备份中心，在外地建设远程数据备份中心。建设的保障措施有加强组织体系建设，强化市场运作机制，加强投融资环境建设，加强政策法规体系建设和加强人力资源建设等。组建数字北海建设推进联盟，动员政府、企业、社团、民众，共同努力，量力而行，有序进展，务求实效；谁建设，谁收益，共发展，政府、企业和民众三赢。
　　由于信息资源的开发利用，支撑了数字北海建设的发展。数字北海建设的高级阶段形成面向服务的数据平台，全面开展面向公众、企业和政府的服务与应用。数字北海大力推进地理信息系统、卫星定位系统和遥感技术的应用（图3）。

图3　面向服务的数据平台

　　数据平台具有通过信息资源目录进行检索和调度信息资源的功能，逐步实现对信息资源的联检联查，平台具有对信息资源进行版权保护与付费管理的机制。
　　数据平台包括：
　　数据采集更新系统
　　数据存储管理系统
　　数据传输系统，
　　数据业务应用系统
　　城市各种业务系统是数据获取和更新的基本来源；同时，航空和航天遥感系统、卫星定位系统也是数字城市数据的重要来源。
　　4 地理空间框架
　　4.1 主要目标及规模
　　按照国家测绘局数字城市地理空间框架建设的要求，构建北海数字城市地理空间基础框架，提出北海市信息共享标准，在政府的统一管理下为各部门提供多尺度、多类型的数据平台。在此基础上，实现与有关专业部门的专题数据的整合，集成北海市相关经济社会信息数据，丰富和扩展基础地理信息数据内容，建立整合后的示范性数据库，同时建立与专业部门数据资源共享机制。构建信息管理与共享服务的环境和机制，建设基于政府专网，自主开发，面向政府和公众的信息发布平台，并开展相关的示范应用工程，实现政府机关宏观管理中的空间辅助决策示范应用。建设范围覆盖全市4016平方公里，其中：市中心区比例尺1：500，面积140平方公里，铁山港和涠洲岛比例尺1：1000，面积60平方公里，其余区域比例尺1：2000，面积3816平方公里。建立起全市统一的基础数据库，通过地籍和城市规划系统专题应用系统的建设及应用，带动全市其他专题应用系统的建设及应用。

　　4.2 基本内容
　　1）空间数据获取与数据产品制作：以现有基础地理信息数据为基础，在空间数据技术标准的支持下，通过更新、整合的方式完成基础空间数据的采集和各类专题数据的空间化，建立起统一的基础空间数据库和专题空间数据库，以及这些空间数据的元数据库。采用激光雷达扫描测量系统对北海进行航空摄影测量，获取北海市最新的基础地理空间信息。
　　2）基础空间信息管理服务平台：实现城市多源信息集成、融合与管理。针对空间信息的多样性和分布性，集成空间信息与非空间信息，以城市的空间信息作为关联其它信息资源的桥梁与纽带，整合数字线划、数字航空影像、卫星遥感影像、文字数字属性以及多媒体等信息，建立城市空间信息的一对多的集成与融合关系。在建立城市基本空间信息库的基础上，研究网络环境下空间信息的管理、共享和互操作技术，以提供各种增值的空间信息和服务，实现城市信息共享服务与应用。数字城市的服务层包括接受用户的请求，对用户请求进行分析，信息提供，以及提供各种数据与应用互操作的接口等。
　　3）全三维数字城市系统建设：在基础地理空间信息框架的基础上，采用三维激光雷达扫描测量系统与多相机斜拍数码系统获取城市真三维信息，并进行城区大面积三维建模，逼真再现北海市城市全貌。
　　4）基础网络支撑环境建设：基础网络支撑环境是实现北海数字城市的基础，也是一个重要的载体。数字北海将采用分布式网络结构，实现分布式的数据存储和数据访问，达到信息共享的目的。北海市国土局将建成数字北海的中心节点和数据交换中心，各局和企事业单位将分别建立自己的网络中心，通过城域网、广域网、局域网建立专用网，将计委和各局的局域网连接起来，并与公众电信网连接。
　　5）建立基于基础地理空间信息框架的典型应用：在数据统一管理、信息共享的基础地理空间信息框架与模式下，实现政府、企业和公众多种应用，这些应用建立在信息共享服务平台之上，由数字城市空间信息服务平台提供各类应用所需要的信息。在建设周期内，本项目将进行北海市城市地籍管理系统和城市规划管理系统两个典型应用的建设。
　　4.3 完成时间及安排

　　4.4 保障
　　项目由北海市国土资源局牵头。北海市国土资源局作为市级测绘主管部门对建设成果进行管理，北海市科技局、规划局等部门协助实施，技术支撑单位为广西桂能信息工程有限公司。
　　1）北海市是广西区最大的信息产业基地，是区信息化试点城市之一，具备完善的信息技术产业基础、环境及产业链及相关的上下游企业。北海市具备多尺度的空间信息历史数据和积累，具有了国土、规划、测绘、房管等多个行业和领域的空间信息应用工程系统。
　　2）北海市以建设数字城市为契机，在北海建设以新型空间信息获取技术为核心的面向数字城市建设的空间信息产业基地，提供政策和资金支持，发展上下游企业，逐步形成完善的数字城市产业链。
　　3）本次北海市数字城市建设技术采用新的数字城市建设技术，以基于激光雷达技术和斜拍多镜头相机系统技术等新型空间信息获取技术为核心大规模全三维工业化的数字城市建技术为核心。本项技术系统及流程全面一体化采用先进的空间信息获取技术及数字城市建设技术，进行了自主创新和集成性创新，形成了独特的自主知识产权的业务流程，形成规模化自动化生产力。
　　4）基于上述技术系统的第三代数字城市建设方案，可直接突破传统数字城市建设方案的四大瓶颈：第一，可直接获取地面及各种地物建筑物的精确的高程信息；第二，可快速大规模直接获得城市建筑群的侧面影像及纹理信息，且获得影像具备精确的地理参考，可进行立体量测和定位;第三，可自动化完成三维建模及渲染过程，快速还原成是真实场景；第四，可直接进行城市立体量测和导航定位，完全解决立体量测及基于空间信息的精确计算，是数字城市建设技术方面的革命性突破。
　　5）从应用框架的角度来看，随着数字城市建设体系及理论框架的逐步成熟，数字城市系统框架正向着逐步合理和系统化层次化的角度发展。北海市数字城市建设方案以新型的数字城市建设理论为指导，按照数据资源共享体系，基础应用平台，专项应用工程等三个层次和阶段逐步完善空间信息基础设施，有序的实现数字城市建设目标，扎实的落实数字城市的专项应用工程，务必让数字城市建设成果及公共资源能得到政府、企业及公众三方的充分利用和共享。
　　总之，城市是信息化的最重要层次。数字北海的特色是数据交换和信息共享，支撑公共服务和协同办公。数字北海的发展战略是数据交换、立体规划，构筑和谐、持续共赢，城市发展、人民满意。