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559 城市地理信息系统的研究现状与发展、进展 城市地理信息系统的研究现状与发展、进展 郭仁安 福建省八闽测绘院 摘 要：本文论述了城市地理信息系统的研究现状与发展、进展，重点探讨城市地理信息系统新的发 展方向数字城市，并结合当前我国城市信息化建设的具体情况，对数字城市的发展作进一步介绍。 关键词：城市地理信息系统；数字城市 一、引言 城市地理信息系统（urban geographic information system，简称 ugis）是融计算机 图形和数据库于一体，存储和处理空间信息的高新技术。它把城市的地理位置和相关属性有 机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、 居民生活对空间信息的要求，同时借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助 决策。 ugis 是超越城市问题传统解决方法的先进手段， 并作为现代城市必不可少的基础设施， 渗透到社会活动的每一细节。当今社会进入信息时代，信息技术深刻地改变着人类生活与城 市面貌。信息流的传输大大减轻了物流、人流、事物流的沉重负担，提高了社会效率。信息 化的社会、信息化的城市、信息化的生活方式使人类回归自然，获得个性自由与解放。数字 化生存是生活质量提高的真正表现。 近年来，在国家信息化浪潮的推动下，我国一些城市已经开始或正在启动各自的数字城 市建设计划，一个以“数字城市”为旗帜的城市信息化运动正在全国范围内展开。城市信息 化既是国家信息化的重要组成部分，也是城市发展的新主题和新动力。人们对数字城市及其 概念的认识尽管尚很不一致，但对于数字城市建设意义的认识则是相同的，即数字城市建设 将有力地推动我国城市信息化向深度和广度发展、进而从全局上促进我国社会和经济的可持 续发展。建设数字城市就是积极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，建立面向政府、企业、社区与公众的信息服务平台、信息应用系统和政策法规保障体 系，从而提升和改善城市的各项机能，为城市的可持续发展以及城市规划、建设、管理与服 务水平的提高提供支撑和保障。下面将对此方面进行论述。 二、城市地理信息系统的研究现状与发展 众所周知，在 gis 众多的应用领域中，城市是应用最早、最为成功和最活跃的领域之一。 目前，gis 在城市规划管理、城市地下管线管理、城市勘测、城市环境保护、城镇地籍管理、 城市供水与地下水资源管理、城市土地管理、电力电信设施管理、有线电视信息管理、城市 公安、城市交通、旅游规划、城市防灾减灾和城市突发事件应急救助等各个方面都有成功的 应用。我国城市 gis 的现状可以简单地概括为：发展迅速，成绩巨大；问题不少，面临挑战。 就成绩而言，仅从如下几个方面便可略见一斑。这就是，城市的各种场合几乎均有 gis 的应 用；在国内目前已建立的 gis 系统中城市系统的数量占绝大多数；城市 gis 或 gis 相关系统 已由过去的“技术驱动”阶段过渡到现在的“应用牵引”和“理论指导”相结合的阶段；各 560 级主管部门及广大用户逐渐成熟，对系统的认识水平不断提高。可以毫不夸张地说，城市领 域是 gis 技术在我国成功应用的典范。当然，城市 gis 的应用与发展也存在不少问题，主要 是：无论是从地区还是从行业上讲城市 gis 的发展都极不平衡，经济发达地区远远优于经济 欠发达地区，规划管理方面的应用优于其它行业的应用；公共基础数据的共享仍然是系统建 设的“瓶颈”；缺乏规范化的运作模式，系统建设中经常碰钉子、走弯路、花冤枉钱；相关 政策法规和技术标准相对滞后；gis 的实际效应往往被过分夸大；应用系统的实用性与可操 作性差、系统集成水平低；低水平重复性建设现象较多；应用系统五花八门，开发各自为阵， 商家各显神通，用户急功近利等等。 城市规划、建设、管理与服务的信息化进程可分为以 mis 为主体结合 gis 的静态的城市 资源管理信息建设；以 ugis 为主体结合 oa 的动态规划管理信息建设；以“数字城市”为长 远目标， 面向城市可持续发展的全数字化信息系统的建设等三个阶段。 目前， 国内外结合 ugis 的城市数字化工作呈现出良好的发展态势，其特点、经验与问题可概括为：ugis 是集规划、 测量、地理、信息、管理、社会、计算机科学和应用对象知识等为一体的综合技术应用领域， 目前发展迅速；ugis 在美国、日本、加拿大、澳大利亚和德国等发达国家已成为较成熟的应 用技术，取得了相当的社会和经济效益；ugis 技术从环境、资源等宏观管理领域逐步向工程 和工业管网等微观管理和生产管理方向发展，与经济发展日益密切结合；ugis 项目建设涉及 面广、信息量大，精度高，要求基础资料完整，因而耗资较大，建设周期较长，一旦建设成 功，社会经济效益巨大；应用开发和服务是 ugis 总收入中的主要部分；各国的 ugis 建设从 长远来说毫无疑问应走国产化道路；我国城市规划、建设与管理的数字化工程基本处于 ugis 与 oa 结合的阶段，在面临城市海量数据综合管理、广泛的社会公众查询需求、智能化、网络 化等实际应用时，急需新的技术途径与发展。 三、数字城市概述 伴随着计算机、gis、rs、gps、通信、城市规划、市政建设管理等理论和技术的进步， ugis 正处在一个快速发展的时期，一方面 ugis 正以前所未有的速度在各个城市取得广泛的 应用，另一方面 ugis 技术日新月异地前进，不断地有新技术产生和实用化，推动着城市信息 化建设和发展。1998 年 1 月 31 日美国前副总统戈尔在开放地理信息系统协会（ogc）发表了 题为“数字地球：21 世纪理解我们行星的方式”的报告，明确提出了“数字地球”的概念及 其目标、支持技术等重要内容。如同“信息高速公路”一样， “数字地球”引起了全球的广泛 关注，美国、加拿大、欧共体国家等纷纷制定了相应的建设数字地球的计划，甚至上升为实 现国家战略的重要手段。我国国家领导人也多次提出要建设我国的数字地球。戈尔在报告中 指出： “数字地球是一个以地理坐标（经纬网）为依据的、具有多分辨率的、海量数据的和多 维现实的虚拟系统。 ”实质上数字地球就是信息化的地球，它是与国家信息化概念相一致的。 “数字城市“是“数字化人居环境“网络系统中最为繁荣的信息中心节点,也是建设“数字 化人居环境“的关键和难点。是综合运用 gis、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术 对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统: 它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟 仿真,优化决策支持和可视化表现等强大功能。“数字城市“具有城市地理信息系统的全部功能, 但功能更强、更丰富。它与城市地理信息系统的主要区别在于对城市有关数据能够自动采集、 561 处理分析、传输分发、自动或半自动智能决策,可直接为社会公众提供便利的网络服务。数字 城市为认识物质城市打开了新的视野,并提供了全新的城市规划、建设和管理的调控手段。城 市规划师在有准确坐标、时间和对象属性的五维虚拟城市环境中,进行规划、决策和管理,就 象走在现实的城市街道上或乘坐直升机上观察规划、设计城市空间布置、组合配置城市资源、 改善交通系统等活动一样。无疑这将为调控城市、预测城市、监管城市提供革命性的手段, 对传统方法是一个巨大的挑战。 四、数字城市基本框架 数字城市的基本框架见图 1 所示。由图 1 可见，数字城市主要由网络基础设施、综合信 息平台、信息应用系统及网站和信息终端、政策法规与保障体系以及技术支撑体系等组成。 在这里， 城市网络基础设施是国家信息基础设施 （nii） 的重要组成部分， 是数字城市的脉搏， 也是数字城市建设和发展的基本条件；综合信息平台由框架数据库、综合信息库和信息管理 与服务系统组成，既为其它信息提供统一的空间定位基准，以实现信息资源按照地理空间位 置进行整合，同时也提供基本的面向信息共享的城市信息应用服务，是数字城市建设的重要 基础；面向政府、企业、社区和公众的各种信息应用系统、网站及信息终端构成城市信息应 用体系，是当前数字城市建设的中心任务；政策法规与保障体系为数字城市规划建设及运行 提供法律、经济、管理和技术保障；技术支撑体系则为空间数据获取、更新、处理、管理、 分发、应用与服务的全过程提供技术支撑。 图 1 数字城市基本框架 在图 1 所示的框架体系中，我们可以非常清楚地看到 gis 在整个数字城市中的作用。gis 562 不仅作为重要的技术支撑手段为数字城市建设提供坚强的技术保障，而且数字城市涉及的信 息管理与服务、信息应用系统建设、信息服务体系建立以及技术集成、政策法规保障等众多 环节也都是城市 gis 建设和发展中曾经拥有并着力发展的业务功能。因此，gis，尤其是城市 gis 将在数字城市建设中大有作为。 五、数字城市的关键技术 数字城市是数字地球在城市区域的具体化，其实现的关键技术与数字地球具有很大的一 致性。根据戈尔的报告和许多学者的研究，数字城市除具有科学计算、海量储存、卫星图象 压缩、宽带网络、互操作、元数据等支持技术外还具有如下关键技术： 地球空间信息技术包括 gis、 gps、 rs 等。 就 gis 而言， 真三维地理信息系统 （3d-gis） 和虚拟地理信息系统（vr-gis）技术是数字城市首先要解决的问题。国际上已经专门成立了 3d-gis 研究组织，主要为城市研究服务。德国的 rostock，stuttgart 大学等研究机构，在 3d-gis 方面已经做了很多工作， 并建立了模拟系统， 对一些城市进行了研究。 1995 年 liggetti 等人运用 vr-gis 技术制成了大比例尺城市模型，1997 年 dodge 等运用 vr-gis 技术对城市环 境设计和规划进行了研究，同时还对土地污染，大气污染进行了深入的仿真研究。还有一些 国家正在进行城市行为仿真技术研究等。目前 gps 采用差分技术，其精度已经可以达到厘米 级，同时其小型化技术也取得了突破性进展，可以集成在手机等移动通讯设备之中，为城市 空间定位提供了极大的便利。特别是美国取消 s/n 政策为 gps 技术民用开辟了广阔的前景。 而 rs 技术则主要向高精度、多分辨率、多尺度融合等方向发展。 仿真与虚拟现实技术已成为公认的数字城市的关键技术。 它是解决数字城市可视化内 容的关键技术。虚拟现实（vr）是指通过数据手套、数据头盔、数据衣等硬件设备，结合 vrml 等软件技术，为用户提供一种模拟现实的操作环境，使用户具有仿佛置身于现实世界一样的 临境感（三维视觉、听觉、触觉等多重感觉） ，这使地理信息的表达突破符号化、水平化、静 止化的电子地图状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的环境中。 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、通讯 设施、服务设施、文化设施和行政设施的信息模型及体系结构（包括逻辑及运行）和信息组 织与管理研究。 数字城市的运行管理技术，如通信网络系统及其管理、资料组织及资料转换、决策模 型管理、城市信息安全保障机制的研究。 数字城市的功能系统研究，包括资料交换中心、公用信息平台、专业信息平台等。 分布式数据库管理技术，指通过分布式数据库系统进行空间、属性及其多媒体等数据 的管理。分布式数据库是一组数据集，逻辑上它们属于同一系统，而物理上它们分散在用计 算机网络连接的多个场所上，并统一由一个分布式数据库管理系统管理。与其它数据库一样， 分布式数据库系统也包含两个重要的成分：分布式数据库和分布式数据库管理系统。 专家系统技术。通过专家系统技术可以利用各个领域的专家经验支持决策。同时在海 量数据里进行数据挖掘和知识发现，以获得人们所需的信息。 六、结语 “数字地球” 是遥感、 遥测、 数据库与地理信息系统、 全球定位系统、 互联网络 （internet） -万维网（web） 、仿真与虚拟技术等现代科技的高度综合集成和升华，是当今科技发展的制 563 高点。 “数字地球”实质上是信息化的地球。 “数字地球”计划与我国的“国家信息化”的战 略目标是一致的，是我国实施可持续发展战略的技术保障。 “数字城市”是对城市发展方向的 一种描述，是由 ugisweb ugiscom ugisvr ugiscyber ugis 发展而成的， 具有 ugis 的全部功能，但功能更强、更丰富，可直接为社会公众提供便利的信息服务。 “数 字城市”为调控城市、预测城市、监管城市提供了革命性的手段。 “数字城市”是城市规划、 建设、管理与服务数字化工程的最终目标。数字城市的研究在国内刚起步,就我国而言,“数 字城市“是城市数字化工程的终极目标。 中国软件业有机会能跨阶段地与美国站在同一起跑线 上发展与互联网相关的空间信息管理平台。 “数字城市”正是这种竞争的具体体现。我们国家 有可能在这场信息技术跨世纪的较量中有所突破,有所创新,在 “数字城市“的发展上赢得胜利, 打破发达国家的垄断,走出民族信息产业发展的新路。我国城市规划、建设与管理行业信息技 术应用已经积累了技术、经验和物质基础,逐步显示出发展的潜势,具备走向产业化的初步条 件。 在 21 世纪的头十几年,我国建设行业信息技术应用将会有更快、 更大的发展,并形成产业, 进入市场,成为城市现代化管理中不可缺少的工具。在这样