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数字城市规划关键技术综述
2010年1月5日    评论:    分享:

来源:资源网 作者:刘浩

前言

    随着数字地球和数字城市等概念的提出,传统的城市规划与管理面临着巨大的挑战。如何在未来的城市规划设计与建设管理中应用好新理念、新技术,不断提高城市规划管理的科技含量,以适应现代城市建设与发展的需要,这是一个值得探讨的问题。数字城市规划理念正是在这一背景下提出的,研究数字城市规划关键技术有很强的现实意义。

    一、数字城市数字城市规划

    (一)数字城市     Al.Gore在提出“数字地球”概念之后,又于1998年9月提出了“数字化舒适社区建设”,即“数字城市”建设的建议。[1]目前各类有关数字城市的叫法名目众多,有“数码城市”、“信息城市”、“信息港”等等,这些名称从不同的着眼点和侧重点对“数字城市”进行认识和理解,侧重点有所不同。就目前的发展形势来看,数字城市仍然还是一个正在发展和演变的概念。数字城市的建立,使城市规划所需要的一切信息通过数字技术表现出来,通过数字城市提供的多种分析手段和模型,对城市现象进行更多的定量分析,从而进一步提高规划的科学性、可操作性和前瞻性。

    (二)数字城市规划

    数字城市规划(Digital Urban Planning)是传统城市规划理论与方法和现代信息技术发展相结合的必然产物,是在实际应用中逐步形成的城市规划理论和方法,以及在此基础上形成的计算机应用系统,是数字城市中的一个重要的组成部分。[2]数字城市规划使得以前的单一目标的静态规划模式向多目标动态规划模式方向发展成为现实,实现物质、社会与环境空间一体化的整体优化规划目标,提高了城市规划中的城市居民参与程度、规划与管理的科学化程度,从而达到理论与实际的最佳吻合点,不是城市规划要素、城市规划理论与方法、城市规划过程的简单数字化,而是它们之间的有机结合。数字城市规划的发展还依赖于城市规划理论与方法的不断革新和其支撑技术体系的逐步完善,而且城市规划理论方法与关键技术体系相互促进、相互影响,见图1-1。

    二、数字城市规划信息获取关键技术

    数字城市规划可以利用网络技术和数据库技术,从各种各样的信息提供方那里获取到丰富的信息,同时,所得到的信息将具有很强的技术性,对于这些信息的有效获取,需要建立在对其相应的技术有一定的了解的基础上。

    (一)遥感技术

    遥感技术不仅可以获取有形的信息,例如房屋建筑道路绿地等人工地物,而且可以获取无形的信息,例如城市热岛效应、交通流量等等。[3]遥感技术所获取的信息具有宏观性、综合性、动态性和多源性等特性。目前,遥感技术正走向集多种传感器、多级分辨率、多谱段和多时相为一体并形成以获取信息为主,可以进行信息处理和信息应用的综合信息流程,具有信息获取的瞬时性、信息的丰富性和信息的周期性等特点,遥感技术也是获取和更新城市地理信息的一种重要手段。

    (二)GPS技术

    卫星定位技术由于其自动化程度高、全天候全天时作业、定位快速而精确等特点,已经给测绘技术带来了革命性的变化,在数字城市规划中将发挥巨大的作用。首先,大量城市遥感信息的精确定标工作、城市地籍信息的测量工作、城市数字摄影测量工作,都离不开卫星定位技术,数字城市空间数据基础设施的建设必须应用GPS技术。在数字城市规划的信息获取过程中,也直接利用GPS技术。GPS技术在数字城市规划空间信息获取中的应用价值,主要表现在:

    1.建立城市空间参考基准
    2.应用于航空摄影测量中
    3.应用于地面测绘中
    4.GPS与RS结合应用

    (三)地面数字测量技术

    与遥感技术相比较,地面数字测量(Ground Digital Measurement)技术可以获取精度更高的平面信息和三维信息,与传统测量技术相比,地面数字测量技术具有测量所得为数字化信息、工作效率高等特点,本文重点介绍三维激光扫描技术与全站仪测量技术,这些技术相应的仪器可以像GPS接收机一样,成为数字城市规划获取信息的有效工具,辅助数字城市规划完成必要的实地信息收集。

    1.三维激光扫描技术

    三维激光扫描可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,并直接将各种大型的、复杂的实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据,同时,它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作,它是各种面向工程工具的对称应用工具,即:逆向工程工具。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。

    2.全站仪测量技术

    全站仪(Electronic Total Station),即全站型电子速测仪,是一种地面测绘仪器,利用它可以同时测定某一点的平面位置和高程,可用于地形图测绘等工作。全站型电子速测仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储系统等组成,它本身就是一个带有特殊功能的计算机控制系统。

    (四)历史数据数字化处理技术

    以传统方法测绘的各种比例尺的地形图、公用设施分布图等必须经过数字化处理,进行分类编码、制作成矢量图,然后通过整饰,编制现状专题图等。这种数字化处理可以采用键盘输入数字化、手扶跟踪数字化和扫描数字化等方式。

    1.键盘输入数字化

    键盘输入数字化建立在对空间信息的坐标定位上,需要明确知道空间信息的每一个特征点的坐标信息。这种方法精度高、成本低,但是劳动密集程度高、工作量大、效率低。因此只适用于较小局部范围空间信息的数字化。

    2.手扶跟踪数字化

    手扶跟踪数字化,可以直接获取矢量数据。用数字化仪跟踪纸介质图形中的点、线等信息,通过数字化软件实现图形信息向数字化信息的转换。

    3.扫描数字化

    扫描数字化是通过扫描仪对纸介质图形的扫描、识别,而获得信息并存入计算机数据库,工作效率是目前此类数字化方式中最快捷的一种,但是难以解决特殊地物的识别和文字的识别以及对不同属性信息进行分层处理。因此,这种方法的应用受到限制,需要进一步探讨解决。

    (五)物联网与RFID技术

    物联网是指把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中,将通过感应器获得的信息实时地与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合,是具有标识、感知和智能处理能力的物体基于通信技术相互连接形成的网络,这些物体可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动,目的在于为人们提供智慧和集约的服务。[4,5] 其中RFID是构成物联网的关键技术之一。基于RFID技术的物联网应用主要有三个层次,一是数据的感知层,即以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”的识别,以获取相关信息;二是数据的传输层,通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输与计算;三是应用层,可借助现有的计算机平台及相关软件实现。就数字城市规划来说,利用RFID技术组建物联网,可以将有关城市发展的各种信息通过Internet实现整合,为数字城市规划及管理提供更为科学、更加有效的数据支持。

    三、数字城市规划信息处理关键技术

    (一)地理信息系统技术

    地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是管理和分析空间数据的计算机系统。它有两个关键词,其一为计算机系统,其二为空间数据。[6]间数据的管理可以视为空间数据分析的基础,GIS的空间数据分析功能对于数字城市规划意义重大,也是本文将GIS技术列入数字城市规划信息处理的技术方法的原因。对于数字城市规划而言,可以将GIS技术作为整个数字城市规划的信息平台,其他技术通过与GIS技术有效集成,进而共同构成数字城市规划的技术方法体系。

    (二)三维可视化及虚拟现实技术

    空间信息三维可视化(3D Visualization)是信息与人交互的窗口和工具,通过空间信息可视化技术,为分析和查询数据库中的数据展现了新的视野,也有助于发现隐藏在其中的信息,实现城市空间信息可视化的关键在于虚拟现实技术。虚拟现实(Virtual Reality)技术是近年来十分活跃的一个研究领域,它集成了计算机图形学、人机交互技术、传感与测量技术、仿真、人工智能、电子等科学技术,来营造一个使人感觉置身于真正的现实世界中的环境,可以作为实现数字城市规划与人交互的窗口和工具。虚拟现实技术具有立体感的视觉效果,给人以存在感,可以通过视觉、听觉、触觉、形体、手势或口令等进行多重感知,还可以动态显示。

    (三)CAD技术

    目前为止,在城市规划与设计领域,不会使用CAD软件的人可以说是寥寥无几。CAD作为规划图纸绘制的重要技术手段而存在,同时,有大量电子的图纸资料也是以CAD文件的形式存在的。[7]由于CAD技术被广泛的掌握,在今后的城市规划中,它将继续得到普遍的应用。

    (四)空间数据库技术

    数字城市规划在从数字城市各数据库获取信息的同时,也需要建立自己的数据库,对所获取的各种信息进行有效的管理,同时也对各种处理方法所得过程信息和成果信息进行管理,在进行各种信息获取和处理的时候就应该同时考虑建立数据库的问题。对于数字城市规划而言,获取和处理的数据多为空间数据,因此需要建立的数据库以空间数据库(Spatial Database)为主。空间数据库具有数据量庞大、访问性可靠、空间数据模型复杂等特点,符合数字城市规划中对数据处理及存储的要求。

    四、数字城市规划信息表达关键技术

    (一)电子文档技术

    为了与传统城市规划进行必要的衔接,数字城市规划的成果也需要包括规划文本、规划附件等内容。为了便于成果应用、便于数字城市文档数据库的扩展,上述文档不应该仅仅保持目前的纸介质的文档形式,而应该以电子文档(Digital Document)为主。电子文档的格式可以根据所规划城市的数字城市文档数据库的结构与类型进行确定,通常可能包括目前比较流行的超媒体文档形式html、兼容性文档格式PDF、MS通用文档形式DOC或RTF、MS报告文档形式PPT、以及最为简单的纯文本形式TXT等。

    (二)数字地图技术

    规划图纸是非常直观的规划成果表现形式,如果说规划文本与说明书只是规划思想与方案的概念描述的话,规划图纸则是规划思想与方案在空间上的具体布局。在数字城市的背景下,基于数字城市信息基础设施与空间数据基础设规划图纸是非常直观的规划成果表现形式,如果说规划文本与说明书只是规划思想与方案的概念描述的话,规划图纸则是规划思想与方案在空间上的具体布局。

    (三)三维可视化模型技术

    虚拟现实技术、3D-GIS技术、虚拟GIS技术都属于数字城市规划三维可视化模型(3D Visual Model)技术的范畴。[8]利用虚拟现实技术生成一个在视觉、听觉、触觉等多方面都比较逼真的城市三维空间,为操作者提供一种身临其境的感觉,以便于进行城市规划方案合理性的评价、建筑物视觉效果的鉴赏等,这无疑对数字城市规划规划成果的表达是非常有意义的。同时,3D-GIS技术也可以建立三维可视化模型,而且,虚拟GIS也是GIS的一个重要发展方向,也就是说,GIS和虚拟现实技术也有结合应用、趋同发展的趋势。

    五、数字城市规划技术方法发展展望

    目前对于数字城市规划的技术方法的探讨可以说是刚刚起步,还是非常有限的,关于数字城市规划的技术方法的研究有待进一步深入是毫无疑问的。多种技术方法在本论文中都仅仅是点到为止,技术方法综合应用的实践也非常有限,所建立的技术方法体系也可以进一步讨论。数字城市规划的技术方法的深入研究是与多个方面都密切相关的,从以下几个方面做出努力都是有利于技术方法的深入发展。

    一、技术方法的深入研究需要尽可能的结合规划实践。规划实践可以为技术研究提供基础数据、提出明确目标、甚至激发无限灵感,结合规划实践进行技术方法的研究可以避免就技术论技术的空洞,也可以提高技术方法的实践价值,技术方法在规划实践中真正发挥作用是进行技术方法研究的根本目的,技术研究的成果需要经得起实践的检验才能得到认可和推广。

    二、技术方法的深入研究需要致力于提高技术方法所能产生的信息量,信息量是信息论的一个重要概念,信息论规定“信息是减少可能事件出现的不确定性的量度,信息量等于消除的不确定性的数量。对于认识主体来说,如果他(它)在接受信息后,一点不确定性都消除不了,那么信息量就最小(等于零),如果他(它)在接受信息后,所有的不确定性都消除了,则信息量为最大。”对于数字城市规划而言,信息获取、信息处理和信息表达的过程都是减少不确定性的过程,都涉及信息量的问题。通过信息获取,可以减少对现状的不确定性,通过信息处理,可以产生新信息、提高信息管理的不确定性,通过信息表达,可以将规划成果提交给规划管理等部门,从而减少实践中的不确定性。[9]

    三、技术方法的深入研究需要立足于数字城市规划的深入研究。数字城市规划的研究包括理论研究、技术方法研究和规划实践等,技术方法作为其中一个组成部分与其他方面密切相关、相辅相成,数字城市规划的深入研究为技术方法的深入研究提供方向指引、理论指导和实践舞台,将技术方法置于数字城市规划的大前提下进行研究也是将技术方法融入到城市规划中的必由之路。  

    参考文献

    [1] 吴威龙.基于3S技术的数字城市规划[J].安徽农业科学,2007,35(25):8035-8037
    [2] 黄小兵.试论数字城市规划及其实践策略[J].新西部,2007(16):253-254
    [3] 徐虹,杨力行,方志祥.试论数字城市规划的支撑技术体系[J].武汉大学学报(工学版),2002,35(5):43-46
    [4] 王文洋.基于RFID技术的物联网探析[J].科技信息,2009(26):587
    [5] 吴磊.物联网-RFID技术是物联网重要支撑[N].通信产业报,2009-11-30(26)
    [6] 李忠.基于GIS数字城市规划的应用研究[J].湖南省环境生物职业技术学院学报,2007,13(2):19-22
    [7] 戴逢,陈顺清,丁建伟.试论数字城市规划[J].数字城市,2002,26(1):26-27
    [8] 史慧珍.数字城市规划的技术方法研究[D].北京:清华大学,2004
    [9] 党安荣,毛其智,史慧珍.数字城市规划中空间信息技术集成研究背景与内容分析[J].上海城市规划,2007(76):49-53

标签:数字城市
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