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数字地球的应用于数字城市
2009年11月22日    评论:    分享:

    来源:北京优联威迅科技发展有限责任公司

来源: 北京优联威迅科技发展有限责任公司

作者:北京城市学院理工学部 刘雅丽

摘要:数字城市是数字地球的应用的重要部分之一,也是数字地球的重要层次。本文阐述了数字城市的基本问题。

一、 引言

   1998年1月31日,美国副总统戈尔在洛杉矶加里福尼亚科学中心举行的开放地理信息系统协会年会上,发表了题为“数字地球:21世纪理解我们行星的方式”的报告。戈尔在他的报告中指出:数字地球是指一个以地理坐标(经纬网)为依据的,具有多分辨率的、海量数据的和多维显示的虚拟系统。它要求地球上的信息全部实现数字化。可以说,数字地球的提出是人类社会发展到当代社会的历史必然。戈尔提出了“数字地球”概念之后引起了中外各国政府和科技界的广泛关注。各发达国家相继开展了理论研究和技术实践。江泽民在1998年6月1日接见两院院士时,曾两次提及“数字地球”的概念;中国科学院、科技部进行了数字地球的研讨。数字地球已成为当今信息技术发展的制高点。

   数字地球的应用领域相当广泛,数字城市就是其应用的主要方面之一,也是其最基本的空间层次之一。数字城市产生于数字地球的科学背景和技术背景之下,是数字地球技术体系的集中体现。城市作为地球表面人口、经济、技术、基础设施、信息最密集的地区,数字城市理所当然成为数字地球网络系统最重要的组成部分,也是建设数字地球的关键和难点。戈尔于1998年9月提出了“数字化舒适社区建设”即数字城市的倡议。新加坡、日本等国也相继着手数字城市的建设工作。香港出现“数码港”,上海开始发展“信息港”,而北京、广州等一些城市则提出建设“数字城市”。浙江省杭州市早已推出政府上网工程,实现机关办公自动化、服务窗口电子化。信息技术已渗透到电子民意测验、电子选举、网络会议。在山东滨洲,信息技术用于税收,推出“111”流动服务车、微机流动,无线联网。在广东南海市,信息网络更延伸到城市每一个部门,每一家企业。因此,数字城市是未来城市发展与建设的重要趋势,也是信息化社会发展的必然选择。

二、 数字城市的概念

   城市是社会经济的中心。国民经济产值(GDP)的80%以上集中在城市。在发达国家中,80%左右的人口集中在城市。我国最近也提出了农村城镇化的倡议,城市化已经成为当前的大趋势。

   随着我国城市不断增多,城市化水平逐渐提高。这不仅意味着城市数量的增加,还意味着城市管理质量的提高,对城市规划、建设和管理工作的手段与方式提出了更高、更新与更复杂的要求。开发与实施城市规划、建设、管理与服务的数字化工程势在必行。“数字城市”具有使城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和实现可视化表现等强大功能。它有利于提高政府决策的科学性、规范化和民主化水平,使城市规划具有更高的效率,更高的分析能力和准确性,更具前瞻性、科学性和及时性。

   数字城市又称网络城市,或智能城市,更确切地说是信息城市。它是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带,运用3S技术(遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术)、遥测、仿真—虚拟技术等,对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的多分辨率、多尺度、多时空和多种类的技术系统。通俗地说,数字城市指的是在城市规划建设、运营管理和生产生活中,充分利用数字化信息处理技术和网络通信技术,将城市的各种数字信息及信息资源加以整合并充分利用。

   数字城市为我们描绘了一个体系完善、功能健全、组织有序的数字信息体系。通过这个体系,普通市民坐在家里就能获得世界各地、国内国外的各种信息资源,还可以将自己的信息和需求快速地传达到网络所能触及的每个角落。数字城市是一个理想的城市模型,以交通为例,当你出门坐公交车时,不必携带IC卡,公交车中的智能系统能通过分析你的声音、外形、甚至基因等识别你,能够和你对话,并且根据路程从你的电子银行中扣除交通费用。

   数字城市具有五大特点:空间性、规范性、统一性、增值性和可塑性。其核心技术是5S技术(遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术、空间决策支持技术和管理信息系统技术);主体为数据、软件、硬件、模型、服务;本质是信息系统。


三、 数字城市的时代背景


1.技术背景

(1)世界信息技术发展到崭新的阶段。高分辨率卫星遥感技术突飞猛进,极大地提高了地理信息获取和更新的能力;宽带光纤和卫星通讯为基础的互联网的迅速普及,极大地扩大了信息的通讯交换能力;分布式数据库技术的发展,极大地提高了信息存储和管理能力。

(2)卫星遥感成为城市信息获取的新手段。

(3)互联网成为数字城市的强大的信息通讯平台。

(4)海量数据存储和分布式计算机技术正在成为数字城市的信息存储基础。

2.社会背景

   数字城市概述数字城市不是一个孤立的项目,而是一项整体性、导向性的国家战略。我国已将数字城市的核心技术一GIS平台软件研制列人国家九五和十五的5863计划,并将数字城市项目列人国家“十五”重大科技攻关项目,将地理信息系统软件产业发展作为我国软件产业发展的首要产业。数字城市不仅引起国家的重视和支持,而且得到软件企业和投资企业的广泛认同。


四、 数字城市的关键技术


1.地理信息系统

   地理信息系统是指在计算机软硬件支持下,对空间信息进行输入、存储、查询、运算、分析和表达的技术系统。地理信息系统是数字城市的主要支撑,一方面它给传统信息系统引入了空间概念,使之更生动直观和易于理解;另一方面,它作为高效的空间数据处理工具使得大范围甚至全球性的空间研究成为可能。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。数字城市的突出特点是能够应用数字化的信息掌握城市地域结构在时间与空间域内的变化过程。目前,大多数城市地理信息系统及其应用基于二维笛卡尔坐标系,虽然系统可以产生高质量的图形显示,但缺少管理、分析三维体的功能,难以满足数字城市的三维空间特征要求。因此三维城市地理信息系统的研究与开发将成为数字城市的重要内容。

2.遥感技术

   遥感就是在与目标不直接接触的情况下,利用电磁波等判定、量测并分析目标的技术。遥感可以为数字城市提供全天候、全时域、全空间和定量化的数据。

3.全球定位系统

   全球定位系统泛指利用卫星技术,实时提供全球地理坐标的系统,它可以为数字城市提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数据。

4.数字摄影测量技术

   数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理,并应用计算机技术、数字影像处理、计算机视觉、模式识别等多学科的理论与方法,从遥感影像提取测量对象的数字化几何与物理信息的技术。如利用模式识别代替人工观测、实现框标的自动识别、同名影像的自动配准、人工建筑物的自动识别等,可以最终实现摄影测量与遥感制图的全自动化。利用计算机及相应软件,则可以进行自动化空中三角测量和制图,实现从数字影像自动重建空间物体的三维表面。

5.三维景观虚拟现实技术

   三维景观虚拟现实技术是指利用地表信息重建三维地表景观,并实现实时动态显示的技术,其基础数据为数字遥感影像和数字地面高程模型。将数字地面高程模型作为几何数据,地表影像作为纹理数据,通过数据预处理、参数设置、纹理映射、投影变换和视口变换等就可以构造出地形表面的三维景观模拟图。

6.专家系统和决策支持系统

   专家系统是人工智能应用领域的重要分支,它是一种以知识为基础的计算机程序,能够广泛地应用专门知识、经验进行推理和判断,模拟人类专家做决定的过程,来解决特定领域中复杂的实际问题。决策支持系统则是一个以计算机为基础的人机交互信息处理系统,它能够结合利用各种数据、信息知识、特别是模型技术,辅助各级决策者解决半结构化或非结构化决策问题。专家系统和决策支持系统可用于数字城市的决策过程。

7.数据库技术和网络技术

   元数据、图像数据库、多媒体数据库、超媒体数据库和面向对象数据库技术便于地理信息系统的海量图像数据的解释、分析、识别和检索。网络技术特别是宽带网络促使互联网络地理信息系统应运而生。

8.数字城市的关键技术的侧重

(1)真三维地理信息系统研究。普遍认为真三维地理信息系统是数字城市首先要解决的问题。国际上已经专门成立了真三维地理信息系统研究组织,主要为城市研究服务,已经作了很多工作,并建立了模拟系统,对一些城市进行了研究。

(2)仿真和虚拟技术或虚拟地理信息系统技术已成为公认的数字城市的关键技术。

(3)数字城市的信息模型与体系结构研究。如城市建筑设施、交通设施、能源设施、通信设施、服务设施、文化设施和行政管理设施的信息模型及体系结构和信息组织与管理研究。

(4)数字城市的运行管理技术。如通信网络系统及其管理、数据组织及数据转换、决策模型管理、城市信息安全保障机制的研究。

(5)数字城市的功能系统研究。包括数据交换中心、公用信息平台、专业信息平台等的研究。


五、 数字城市的内容


   数字城市的内容包括数字化、网络化、智能化与可视化等几个方面。

1.城市设施的数字化

   在统一的标准与规范基础上,实现设施的数字化,这些设施包括:

   城市基础设施:建筑设施、管线设施、环境设施;

   交通设施:地面交通、地下交通、空中交通;

   金融业:银行、保险、交易所;

   文教卫生:教育、科研、医疗卫生、博物馆、科技馆、运动场、体育馆,名胜古迹;

   安全保卫:消防、公安、环保;

   政府管理:各级政府、海关税务、户籍管理与房地产;

   城市规划与管理:背景数据(地质、地貌、气象,水文及自然灾害等)、城市监测、城市规划。

2.城市网络化

   三网连接:电话网、有线电视网与Internet,三网实现互联互通;

   通过网络将分散的分布式数据库、信息系统连接起来,建立互操作平台;

   建立数据仓库与交换中心;

   数据处理平台;多种数据的融合与立体表达,方正与虚拟技术;数据共享平台。

3.城市的智能化

   盖茨提出的数字神经系统与网络生活方式的新构想,其原意是指公司的管理方式,但也适用于城市管理与城市行为方式的智能化研究。例如,电子金融,电子商务等也离不开空间分布概念,如人们可以通过网络对虚拟商场和厂家进行网上购物,但货物还不能直接到顾客手中,还要通过运输手段送货上门。送货就有最佳路径问题,就需要采用城市GIS技术。城市智能化方面包括:

   电子商务:网上贸易、虚拟商场、网上市场管理;

   电子金融:网上银行、网上股市、网上期货、网上保险;

   网上教育:虚拟教室、虚拟试验、虚拟图书馆;

   网上医院:网上健康咨询、网上会诊、网上护理;

   网上政务:网上会议等。

   另外,城市规划的虚拟、城市生态建设或改造虚拟实验等,也属于城市智能化的内容。它们不仅可以提高城市规划或城市生态建设的科学性,同时还能缩短设计时间。


六、 数字城市的应用


   数字城市的广泛应用,对城市的繁荣稳定及可持续发展都有着巨大的促进和推动作用。主要表现在以下方面:

   1.城市交通的智能管理与控制;

   2.城市资源的监测与可持续利用;

   3.城市灾害的防治;

   4.城市环境治理与保护;

   5.城市通讯的建设与管理;

   6.城市人口、经济、环境的可持续发展决策制定;

   7.城市生活的网络化和智能化。


七、数字城市有哪些全新的表现


   数字城市对城市规划、建设、管理与服务工作的影响是方方面面的,特别是表现在三个方面:

   1. 城市规划手段的全面革新;

   2. 对突发性城市灾害进行准确的追踪调查、评估及制定应急对策;

   3.城市管理手段的现代化。


八、结束语


   数字城市、信息城市或智能城市是指将城市的部分或大部分的基础设施、功能设施进行数字化,建立数据库,并用计算机高速通信网络相连接,实现网络化管理和调控,并且是高度自动化智能化的技术系统。

   通过信息化,城市能够充分和高效地利用信息,使信息快速流动,不仅提高了对城市的管理效率,而且能大幅度提高生产和贸易效益,扩大生产规模,增加财富收入,提高服务质量,促进社会经济发展。

   数字城市网络化,还可以节约市中心宝贵的土地资源,减少市中心或商业区的交通拥挤。通过网络办公,节省了经费,加快了速度,减少雇员,降低成本,避免交通堵塞。

   数字城市还将推动科教兴国和可持续发展的进程。网络化不仅加快了科教信息的传播,提高了教学与科研水平,有利于实现我国的中长期战略目标。

   从数字家庭到数字大厦,到数字小区、数字城市、数字国家并不是科学幻想,而是活生生的现实,是未来的人类社会的发展模式和人类的生存方式。


参考文献:

[1]刘满仓.《城市发展将面向“数字城市”建设》.太原科技,2004.2

[2]闯少铭、苏义坤.《关于数字化城市的探讨》.情报科学,2003.4

[3]张繁、蔡家楣. 《电子政务系统中的数据交换和共享服务平台设计》.计算机工程与应用,2003.7

[4]程朴、诸葛振荣.《独立的统一数字化城市信息系统》.新技术应用,2003.8

[5]承继成、李琦. 《国家空间信息基础设施与数字地球》.清华大学出版社,1999.10

[6]比尔·盖茨. 《未来时速—数字神经系统与商务新思维》.北京大学出版社,1999,4

 

标签:数字城市数字地球
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