数字城市的关键技术

马晓丽1 刘 锟2
（1.广西地质环境监测总站 广西桂林
2.桂林测绘研究院 广西桂林）

【摘　要】　数字城市的建设离不开现代地球科学和信息技术发展的支持，从技术的角度看，数字城市是一个以空间信息为基础的城市信息系统体系，建立这一体系，其支撑技术主要是遥感、地理信息系统、全球定位系统、空间决策支持、管理信息系统、虚拟现实等。
【关键词】　数字城市 遥感 地理信息系统 全球定位系统 空间信息 元数据 多元数据

　　数字城市的概念来源于数字地球，也是数字地球的重要组成部分。从技术的角度看，数字城市是以空间信息为核心的城市信息系统体系。这里的空间信息是指与空间地理位置相关的数据及对应的人文、社会经济信息，城市信息系统体系则是指相互联系的大量的城市信息系统的有机结合体。所谓有机结合体，是指数字城市中的各个信息系统遵循共同的数据标准、具有共同的基础数据，并在一定程度上相互补充、相互兼容。从实际应用的角度，可以将数字城市视为一个基于网络环境的城市信息特别是空间信息服务体系。数字城市建设的任务就是利用现代高科技手段，充分采集、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、信息应用系统以及政策法规保障体系等。
　　数字城市的核心技术是遥感、地理信息系统、全球定位系统、空间决策支持、管理信息系统、虚拟现实以及宽带网络等技术，主体是数据、软件、硬件、模型和服务，本质是计算机信息系统。
　　1 GIS技术
　　1.1 GIS基本概念
　　GIS是英文Geographical Information system的缩写，中文惯译为地理信息系统。通常泛指用于获取、储存、查询、综合、处理、分析和显示地理空间数据及其与之相关信息的计算机系统。
　　1.2 GIS技术的发展现状
　　GIS技术的每一次重大进步都与计算机技术的发展紧密相关。地理信息系统技术依托的主要工具和平台是计算机，计算机硬件和软件技术的快速发展对地理信息系统技术的发展起着巨大的推动作用。速度更快，性价比更高的微处理器，大型物理存储器以及64位操作系统的出现为GIS技术提供了更大的平台。
　　1.2.1 数据与数据库方面
　　地理数据将演变为一个有各种空间相关信息组成的混合体。各个组织都逐步公开自己的数据格式，制定一系列的数据标准和交互式操作的标准界面，以达到最终建立公共数据格式的目的，方便全球数据共享。随着GPS、GIS、RS三者结合的技术日益成熟，利用GPS、RS实时动态更新空间信息数据库逐步成为可能。
　　目前，成熟的商用数据库产品均是关系型数据库（SDBMS），不能有效地管理图形、图像数据、声频、视频等非规范化数据。为此，几大数据库厂商已开始改造和扩充自己的关系数据库，引入面向对象的概念，并为最终平滑过渡到真正的面向对象数据库而努力发展对象——关系型数据库。为了支持空间数据，Oracle公司加入了Spatial Ware组件，Informix公司的产品Universe Server提供了Data Blade插件，ESRI、MapInfo等都推出了将空间数据集成在关系型数据库中的产品。分布式数据库和数据仓库技术也应用到地理信息系统中，形成了分布式空间数据库和空间数据库仓库。
　　1.2.2 软件方面
　　界面友好，操作简便，面向用户的组件地理信息系统应该是现在发展的趋势。地理信息系统的体系结构将从单机环境完全转变为Client/Server（简称C/S）结构，从而为单用户提供单一的地理信息系统数据访问转变到为大量用户提供并发的实时空间查询服务。Internet和WWW的崛起使信息远距离传输简单易行，基于HTTP协议和HTML文档的WWW在C/S结构的基础上形成了一种新的计算模式，即Brower/Server模式。
　　分布式地理信息（Distributed Geography Information，DGI）是指使用Internet技术，在Internet上以多种形式分布式发布和处理的地理信息，如地图、图像、数据集合、分析操作和报告等。分布式地理信息应用从简单的已绘制好的地图在Web浏览器上显示，到基于Internet的GIS功能综合，远程的GIS用户可以共享普通的GIS数据，并与其他的GIS用户实现实时通讯。
　　2 RS技术
　　2.1 遥感的基本概念
　　遥感是一种不直接接触目标体而获取其他信息的技术手段。遥感技术可以获取并处理地球表面的地物和地貌信息、地表的自然地物和人工地物的分布形态以及自然资源和社会环境等方面的信息。遥感技术主要包括传感器、信息传输、信息处理、目标信息特征的分析与测量等方面的技术，大致有以下几种分类方式：
　　1）按遥感仪器所处高度分为航天遥感、航空遥感和地面遥感。
　　2）按遥感仪器所选用的波谱性质可分为电磁波遥感、声纳遥感、物理场遥感。
　　3）按感测目标的能源作用可分为：主动式遥感和被动式遥感。
　　4）按记录信息的表现形式可分为：图像方式和非图像方式。
　　5）按遥感的应用领域可分为：地球资源遥感技术、环境遥感技术、城市遥感技术、气象遥感技术、海洋遥感技术等。
　　6）按遥感的应用尺度可分为：全球遥感、区域遥感、城市遥感和工程遥感等。
　　2.2 遥感技术在数字城市建设中的应用
　　遥感技术作为重要的信息获取手段，在数字城市建设中具有极大的应用价值，不仅用于数字城市基础数据的获取，包括数字矢量线划数据（DLG），数字正射影像数据（DOM），数字栅格线划数据（DRG）和数字高程模型（DEM），在获取以上“4D产品”的同时，也获取了城市的基础属性数据，可以支持更进一步的应用，如城市空间的形象设计，城市发展的监管，遥感数据与地理信息系统的结合应用等，从而增强了数字城市的服务能力，赢得社会公众在城市建设和发展中参与和支持。
　　3 GPS技术
　　3.1 GPS定义及其特点
　　GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分）等三大部分构成。GPS定位的基本原理是利用测距交会确定点位，由于卫星的位置精确可知，因此测定2颗卫星即可解算出观测点的位置（X、Y、Z三维坐标），但为了进行误差改正提高定位精度，至少需要观测4颗以上的GPS卫星。GPS系统具有全天候、全球覆盖、三维定速定时高精度、快速省时高效率、应用广泛功能多样等特点。
　　3.2 GPS在数字城市建设中的应用
　　3.2.1 数字城市空间参考基准的建立
　　数字城市一切空间数据必须基于一定的空间参考基准，这种基准通常是通过建立城市基本控制网来实现。利用GPS技术的特点改造或建立城市控制网是目前的标准方法，也可以用于建立高质量的施工控制网隧道贯通控制网。
　　3.2.2 城市空间基础信息采集与更新
　　城市空间基础信息采集与更新的技术方法主要是摄影测量和地面测绘。前者一般面向大面积信息采集，在航摄阶段，利用GPS技术对航摄飞行进行导航和定位，提高航测质量，在像片连测阶段利用GPS技术机型像控点连测，可大大降低外业劳动强度，提高作业效率，缩短作业周期；后者一般是面向小面积信息采集或局部更新，利用GPS技术快速建立测图所需的控制网。
　　3.2.3 基于数字城市的GPS导航服务
　　以城市电子地图为基础，以车载GPS快速实时定位技术为支撑。
　　4 多元数据融合与挖掘技术
　　数字地图是多元数据的集中体现。数字地图的种类很多，主要有：数字线划矢量图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）以及数字建筑物模型、数字管线模型和数字专题地图等。多元数据的简单叠加和有限的关联已经将空间信息从符号化、抽象化、专业化的枯燥表现方式中解脱出来，显现出可视化、人性化、自然化的新特征，使不具备专业知识、没有经过专业训练的更广泛人群和更多的行业，对地理空间信息的理解变得容易。
　　目前比较普遍的多元数据融合方式是DLG、DRG、DOM、DEM之间的互相叠加，主要目的是供浏览和图件输出。比较复杂的多元数据融合方式是，除了在地图坐标配准方面各种数字地图建立关系外，部分相关数字地图之间建立起拓扑关系、位置关系和属性关系，不仅满足人们对地理信息的视觉要求，而且实现某些传统GIS系统的管理和分析功能，并奠定三维或多维数据应用基础。
　　多元数据挖掘是将多元数据与2D GIS、3D GIS、Web GIS和VR虚拟现实技术的有机结合，挖掘多元数据的潜在价值促进多元数据挖掘技术应用的快速发展。目前在城市规划管理中，以多元数据表达的真三维数字地图的真三维表现应用研究是多元数据挖掘在数字城市建设中的重点。
　　5 三维信息表现技术
　　以三维GIS建模互动技术和虚拟现实技术为代表的真三维技术和产品的出现，从根本上打破了人类在地理空间信息表达和处理方面的限制。借助真三维技术，人来可以真三维图形人性化的全新方式，表达和处理地理空间信息。这项技术的表现和普及，必将引发传统地理信息系统应用领域的革命性巨变。今后的城市规划管理、城市规划设计、城市基础地理、城市综合管线等行业应用系统的图形的处理对象、处理过程和处理结果都将以真三维和图数互动的形式出现。
　　5.1 三维信息获取
　　5.1.1 数据获取内容
　　主要内容是城市空间地物的三维坐标数据，包括：路网、水系、绿地、建筑、独立地物、地下管线、边界等的X、Y、Z坐标，城市空间地物的表面纹理数据。
　　5.1.2 数据获取手段
　　应用于大尺度的城市空间信息获取的机载三维成像仪；用于获取三维坐标的移动式测绘系统；基于近景扫描获取物体三维景观模型的地面激光扫描系统；采用数字相机进行地面近景摄影，进行信息处理获取目标三维几何和纹理信息的数字摄影系统。
　　5.2 三维建模方法
　　（1）采用造型软件建模；如：3DS MAX、AutoCAD等。
　　（2）三维影像方式建模；将DEM与航空影像叠加，生成三维影像。
　　（3）利用GIS属性建模；利用现有GIS系统中X、Y坐标和作为属性数据的Z坐标值直接生成三维模型。
　　（4）激光扫描方式建模；利用数字相机和激光扫描仪获取的三维数据建模。
　　6 元数据技术
　　6.1 元数据的概念
　　元数据是“关于数据的数据”，是关于数据的内容、质量、状况和其他特性的描述性信息。元数据主要用于描述数据集，也用于描述数据集系列和各个要素及属性。
　　在GIS和数字城市应用系统中，包含有多源、多时相、多尺度、多分辨率和多类型的数据。随着数据量的巨增和数据共享的要求，在数据生产、管理、销售、使用以及更新和维护过程中，运用元数据对数据的内容、质量、状况和其他特征进行描述和说明来组织和管理海量数据，达到快速、全面有效的访问和获得所需的数据。
　　6.2 数字城市中元数据的作用
　　数字城市的核心是数据，本质则是基于网络的数据服务。随着城市GIS技术的应用和发展，广大城市已经或正在建设一批各具特色的数据库或数据集，这些数据既有空间型的，也有非空间型的。数字城市建设的重要任务之一就是充分挖掘和使用这些分布式的多元异构数据库。
　　元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，其基本作用有以下三方面：
　　（1）帮助数据生产和管理者有效地管理、维护和更新数据，建立数据档案，保护数据拥有者地投资。
　　（2）为数据集编目和数据交换网络提供信息，便于用户检索查询数据，评价数据的可用性，并在需要时通过有效渠道获得数据。
　　（3）为分布式数据库和数据仓库应用服务。
　　（4）提供有关信息支持转换。
　　6.3 元数据的获取、管理与发布
　　6.3.1 数据的获取
　　相对于数据集的生产过程，元数据的获取可分为三个阶段：第一阶段数据采集前，元数据是根据要采集的数据集的内容而设计的元数据；第二阶段数据采集中，元数据随数据集采集过程而同步生产；第三阶段数据采集后，根据任务需要生产的。元数据的收集最好随数据集的生产和开发一同进行，可以用多种方法输入，通常使用按照元数据标准设计的元数据操作工具，另一种方法是使用文字处理器，生成元数据文件。
　　6.3.2 元数据的管理
　　（1）纯文件系统
　　通常使用的是ASCⅡ纯文本文件或HTML超文本文件，方法简单，但不能存储数据的语义，除简单的数据输入、更新和提取外，难以进行更多的操作。
　　（2）元数据管理系统
　　系统建在城市空间数据交换中心，采用UNIX平台，与Web GIS服务器等共同参与空间数据交换中心的运作，以实现空间数据共享。元数据管理系统易于配置和管理，能根据元数据浏览器或编辑器的请求对空间数据库服务器进行管理、更新、统计、查询。
　　6.3.3 元数据的发布
　　通常使用元数据浏览器来实现，一般采用通用浏览器，如Internet Explorer。在浏览器端实现对数据交换中心进行浏览、查询等请求的提交。
　　7 结束语
　　以上六点是对数字城市建设关键技术的介绍，数字城市即利用“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，它几乎涵盖了所有信息系统技术，如本文由于篇幅未提到的网络软硬件技术、计算机操作系统等，并且它会随着相关信息技术的发展不断充实。

【参考文献】
[1] 数字城市导论.北京：中国建筑工业出版社，2001
[2] 政府地理信息系统.北京：科学出版社，2003
[3] 地理信息系统GIS数字化城市建设指南.北京：北京希望电子出版社，2001
[4] 地理信息系统导论.北京：科学出版社，1999