基于3S技术的数字安阳研究.docx

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基于3S技术的数字安阳研究

中文提要

数字城市作为未来城市建设的发展方向，是数字地球的重要组成部分，它的发展在很大程度上将改变人们的生活方式，并创造出巨大的社会财富，为人类社会的发展做出巨大贡献。

安阳市现已建成了规划管理信息系统，包括：

安阳市基础地理信息系统、安阳市规划管理信息系统、安阳市地下管线信息系统。

“数字安阳”是一项复杂宏伟的工程，需要全社会的共同努力。

通过利用3S技术、互联网技术、海量存储等相关技术，可以解决建设“数字安阳”的技术问题，同时，“数字安阳”的建设还需要政府的支持、各行业的协调配合和市民的拥护，才能共同完成建设“数字安阳”的任务。

Abstract

DigitalCity,asthedevelopmenttrendofthecitiesinthefuture,istheimportantpartoftheDigitalEarth,andplaysamajorimportantroleforthedevelopmentofthehumansociety.TheplanningmanagementinformationsystemhasbeenfoundedinAnYanguptonow,includingthefundamentalgeographicinformationsystem,planningmanagementinformationsystem,undergroundpipelineinformationsystem.DigitalAnYangisacomplexandgrandioseproject,whichneedsthecontributionofthewholesociety.Byusingthe3Stechnology,Internet,virtualrealitytechnologyandotherrelevanttechnology,thetechnicalproblemofDigitalAnYangcanbesolved.MeanwhiletheconstructionofDigitalAnYangneedstheassistanceofthegovernment,thecooperationofeverywalkoflifeandthesupportofthecitizens.Inthisway,thetaskofconstructionofDigitalAnYangcanbeaccomplished.

关键词：

数字地球；数字城市；安阳市；3S技术

一、前言

自从进入21世纪以来，一场席卷全球的信息技术革命已迎面而来，正在改变我们人类的生存观念和思维方式，使我们从信息的获取、存储、处理、传输直至信息的显示方式发生翻天覆地的变化。

数字地球使得我们有可能把有关地球及其相关现象的海量的、多分辨率的、三维的、动态的数据按地理坐标表示成可以理解的信息，以充分地利用它们。

不论你在什么地方，借助数字地球，就可以高速地、直观地、完整地了解地球上任何一处任何方面的信息。

数字城市是数字地球的重要组成部分，自从2001年，安阳市城市地理信息中心的“安阳市基础地理信息系统”项目顺利通过市科委课题组专家的立项评审，成为安阳市百余个项目中的一项重大科技项目，揭开了“数字安阳”的序幕。

“数字安阳”包含种类多样的信息，既有自然方面的，如地形、地貌、地质构造、矿藏分布、山脉河流、气候特点等；又有人文方面的，如历史沿革、风土人情、交通、文教、经济、金融、人口等。

它不仅包括安阳市的中、小比例尺的空间数据，也包括大比例尺的空间数据，不仅包括地球的各类多光谱、多时相、高分辨率的遥感卫星影像、航空影像，还包括有关可持续发展、农业、资源、环境、灾害、人口、全球变化、城市建设、教育、军事等等。

可以说是包罗万象，应有尽有。

正是因为“数字安阳”具有上面提到的特点和功能，所以通过建设“数字安阳”，人们可以及时了解安阳市最新、最全面的实时的情况。

“数字安阳”在许多方面具有潜在的广泛的应用前景，如：

生态环境的保护、气候变化的预测、精细农业、减灾、打击犯罪活动等等。

“数字安阳”将使人们对突然发生的灾害做出快速响应，所以必能产生广泛的社会和经济效益。

发展“数字安阳”，从安阳市的长期发展出发考虑，对于实现经济和社会的可持续发展，对于发展科学技术方面的自主创新能力，都是十分现实和迫切的需要。

“数字安阳”并非一个孤立的科技项目或一个孤立的技术目标，而是在信息高速公路和国家空间数据基础设施的基础上，结合安阳市未来发展方向提出的一项整体性、导向性的战略举措。

”数字安阳“在21世纪的发展中，在保持良好的发展环境，实现经济和社会的可持续发展和发展科学技术自主创新能力这三项战略目标中，具有十分重要的意义。

二、建设“数字城市”的关键技术

“数字城市”从广义上说仍属于计算机及网络所支持的系统群集。

因而它具有计算机信息系统的基本特征，有比较严密的逻辑结构。

“数字城市”的一个参考逻辑结构如图所示[1]：

图1“数字城市”结构图

资料来源：

陈倬等.数字城市与城市信息系统建设

因此，“数字城市”的建设需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。

其中主要包括：

[2]

㈠、地理信息系统（GIS）技术

地理信息系统的英文全称为：

GeographicInformationSystem,简称为GIS,它是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

地理信息系统是集计算机科学、地理科学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科。

[3]它的特征有两点：

一方面，它是一个计算机系统；另一方面，它处理的数据是地理空间位置数据及其与之相关的信息。

古往今来，几乎人类的所有活动都是发生在地球之上，都与地球表面位置（即地理空间位置）相关，同时计算机技术也日益发展和普及，所以地理信息系统在人们的生产和生活之中起着越来越重要的作用，它是建设“数字城市”的核心。

[4]

㈡、航空航天遥感（RS）技术

遥感一词来自英语RemoteSensing，广义的遥感是指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波等的探测。

狭义的遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性纪录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。

[5]

遥感平台主要有飞机、人造卫星和载人飞船。

传感器有可见光、红外、紫外摄像机，多谱段扫描仪、侧视雷达等。

遥感技术的特点有以下主要方面：

1、宏观性和综合性。

从航天到航空飞行器所获得的遥感图像，可真实、客观地观察到更加广阔的地域空间和地物，了解其分布特征、相互间联系和规律

2、多波段性。

遥感仪器以可见光到微波的各个不同波段去探测和记录信息，远远超出了人们肉眼所能感受的波谱范围。

3、多时相性。

遥感卫星以比较短的时间间隔，对地球表面进行重复探测，因此可以得到同一地区的多时相信息。

由于遥感具有上述特点，因此在国民经济建设的诸多领域，如土地资源、地质勘探、灾害监测和预测等方面具有重要的作用，所以遥感技术是建设“数字城市”的重要技术之一。

㈢、空间定位（GPS）技术

GPS作为一种全新的现代定位方法，已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。

20世纪90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。

用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用，所以GPS也是数字城市的重要组成部分。

㈣、3S集成技术

数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基本的技术核心是“3S”技术及其集成。

[6]3S集成是指将全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。

3S集成包括空基3S集成与地基3S集成。

　　空基3S集成：

用空——地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点或有少量地面控制点的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等。

　　地基3S集成：

车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。

㈤、信息高速公路和计算机宽带高速网[7]

一个“数字城市”所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同组织来维护。

“数字城市”涉及到大量图形、影像、视频等多媒体数据，数据量非常大，目前的因特网难以胜任，这意味着参与“数字城市”的服务器将需要由高速网络来连接。

在Internet流量爆发性增长的驱动下，城市宽带网技术发展很快，据报道，国内已有城市开始建立每秒10G的宽带网络。

这种宽带网络可以满足“数字城市”的需要。

㈥、城市空间数据基础设施

城市空间数据基础设施的目的是为了协调基础地理空间数据集的收集、管理、分发和共享的基础设施。

空间数据基础设施主要内容有：

空间数据标准，基础空间框架数据，空间数据交换网络以及元数据等等，城市空间数据基础设施是“数字城市”的基础。

[8]空间数据共享机制是使“数字城市”能够运转的关键之一。

只有共享才能发展，共享推动信息化，信息化进一步推动共享。

政府与民间的联合共建是实现共享原则的基本条件，因为任何国家的政府也不可能包揽整个信息化的建设。

在我国，要遵循这一规律就必然要求打破部门之间和地区之间的界限，统一标准，联合行动，相互协调，互谅互让，分工合作，发挥整体优势，力争在国际信息市场的激烈竞争中争取主动。

㈦、大容量数据存贮及元数据

由于卫星每天将产生100GB（即0.1TB）的数据和信息，1米分辨率影像覆盖一个城市，大约有0.1TB的数据，这还只是一个时刻的，多时相的动态数据，其容量就更大了。

所以要建立起中国的“数字城市”，需要海量存储技术。

当前计算机的硬件已经能够满足这些要求，多CPU高性能服务器的价格大幅降低，上千GB的Raid硬盘也相当便宜。

“数字城市”的数据存贮可以采用多服务器，分布式管理，如何将它们有效连接和协调管理是“数字城市”建设的关键技术。

　　另一方面，为了在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据（metadata）库的建设是非常必要的，它是关于数据的数据，通过它可以了解有关数据的名称、位置、属性等信息，从而大大减少用户寻找所需数据的时间。

㈧、科学计算

地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件，变化和过程又十分复杂而呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大。

只有利用高速计算机，我们今日和跨世纪的未来，才有能力来模拟一些不能观测到的现象。

利用数据挖掘（DataMining）技术，我们将能够更好地认识和分析所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。

科学计算将使我们突破实验和理论科学的限制，建模和模拟可以使我们能更加深入地探索所搜集到的有关地球的数据。

㈨、可视化和虚拟现实技术

可视化是实现“数字城市”与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中的一堆数字是无任何意义的。

“数字城市”的一个显著的技术特点是虚拟现实技术。

虚拟现实造型语言（VRML）是一种面向Web、面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。

它不仅支持数据和过程的三维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现“数字城市”的表示，以及通过“数字城市”实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。

三、安阳市目前的信息化建设状况

安阳市现已建成的安阳市规划地理信息系统包括：

安阳市基础地理信息系统、安阳市规划管理信息系统、安阳市地下管线信息系统。

[9]

㈠安阳市基础地理信息系统

城市基础地理信息系统是所有城市专题地理信息系统所需地理数据的基础平台。

2000年以来安阳市城市地理信息中心相继购置了全站仪、GPS接收机、数字化仪、扫描仪、绘图仪、软件平台等大量软、硬设施，抽调专人负责建立安阳市基础地理信息系统。

几年来，安阳市城市地理信息中心的数据更新能力不断提高，同时在对系统、数据的研究和专题图制作等方面取得了一定的成绩，对安阳市的信息化建设起到了积极推动作用。

系统总体目标：

实现对信息资源的实时更新、科学管理和合理高效利用，建成地形图、测量控制、道路、规划、管线、行政区界、地名7个子系统（如下图）；再生新的信息，制作专题图，创造经济效益；利用计算、统计、分析功能，进行辅助设计、辅助决策；为其他行业专题信息系统建设提供数据保障和技术服务。

图2：

安阳市基础地理信息系统的功能示意图

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

系统技术路线如下：

图3：

安阳市基础地理信息系统的技术路线图

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

以下是安阳市基础信息库界面和系统生成的安阳市区划调整图：

图4：

安阳市基础信息库界面

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

图5：

安阳市区划调整图

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

㈡安阳市规划管理信息系统

城市规划管理信息系统是利用计算机技术对城市规划信息进行获取、处理、存储、管理、分析、及辅助决策支持的系统。

安阳市城市规划管理信息系统已经过市政府立项，现即将投入运行。

该系统涉及规划局机关及所有局属二级机构，是一个城域网环境下的专题城市地理信息系统。

功能以辅助审批、辅助分析、WEBGIS为重点，涵盖城市规划的数据采集、图形设计、规划管理、图形审批、分析决策、日常办公等各个环节，为规划、管理提供图、文、表、管一体化服务。

该系统的建成和使用将为城市规划管理工作实行“电子政务”，实施“阳光规划”，实现“规范、科学、高效、廉政”提供有力保障。

系统功能结构图如下：

图6：

安阳市城市规划管理信息系统功能结构图

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

㈢、安阳市地下管线信息系统

城市地下管线信息系统是指用UGIS技术和其它专业技术,采集、管理、更新、综合分析与处理城市地下管线信息的一种技术系统。

城市地下管线是城市的生命线。

随着我国城市建设步伐的加快，作为城市基础设施重要组成部分的地下管线设施发展十分迅速,同时也相应产生许多问题:

地下管线密集程度急剧增大，空间分布急剧扩张，对其资料的管理难度越来越大；由于地下管线现状资料的缺漏和偏差而造成的盲目施工，时常损坏地下管线，导致停水、停电、停气、通讯中断、甚至引起灾害事故；由于地下管线资料的现势性差，有时不得不在施工现场修改设计方案；传统的管线资料管理模式存在图文表格不统一，分类统计、检索速度慢，不利于综合分析等较多弊端。

所以要实现管线管理的现代化，管线设计的科学化，避免或减少施工损失，就必须对城市的地下管线进行普查，实现管线资料的数字化管理，建立城市地下管线信息系统，制定数据的动态更新机制。

安阳市城市规划管理局负责组织实施的安阳市城市地下管线普查工程现已展开,《探测规程》和《监理细则》已经制定，普查内容包括污水、雨水、上水、下水、热力、天然气、电信等多种管线的平面位置、埋深、有关属性等，工程完工将建成安阳市城市地下管线信息系统。

图7：

安阳市地下管线信息系统

资料来源：

张录松.安阳市“数字城市”与城市规划.

四、建设“数字安阳”的实现策略[10]

㈠、协调管理

“数字安阳”是一个庞大的系统工程，搞好组织协凋管理是实现“数字安阳”的关键环节。

组织协调管理的核心问题是网络资源共享和数据资源共享。

“数字安阳”建设不能仅依靠某一个行政部门来组织协调，例如，若仅依靠电信局，至多可以协调网络资源共享问题，依靠规划局，只能解决规划局的信息系统建设，而不能保证其他行业信息系统的健康发展。

为了有效地协调建设“数字安阳”，应在市政府领导下，设立信息化办公室，并由市长或主管副市长任办公室主任，设立行政管理人员和技术人员组成的工作班子，制定“数字安阳”的发展纲要以及资源共享的政策与标准，解决各自为政，互相封锁等问题。

使“数字安阳”在市政府的统一领导下健康发展。

㈡．基础先行

建立“数字安阳”首先要搞好基础设施建设，包括网络建设和基础空间数据的生产，这两项可以齐头并进，因为基础空间数据的生产过程是一个既费钱又费时的过程。

要下大力气尽快完成城市各种比例尺的空间数据的生产，并建立数据更新的机制，保持数据的现时性和权威性。

㈢．企业行为

中国已进入市场经济时代，IT产业又是一个发展非常迅速的产业，只靠政府行为很难保证“数字安阳”快速健康地发展。

所以在筹划建设“数字安阳”时应考虑引入企业行为。

政府需要一定的经费投入，政府的经费可分为两个方面，一个是公共信息平台和公用信息数据，如城市的基础数字地图数据的生产费用，这种数据成本高，生产周期长，属于社会公益数据，需要政府投入，政府投入经费的第二个方面是控股公司，政府作为投资方参股，由公司来运作“数字安阳”涉及到的一些大型工程，这种工程投资大，经济效益也高，例如，建立城市实时交通信息系统，它既是城市发展迫切需要，投资也大。

若城市的每台车都配备有这样的系统，经济效益也是十分可观的。

安阳市在“数字安阳”建设的协调管理和企业运作方面，开始了有益的探索。

“数字安阳”建设由安阳市城市地理信息中心承担，一些工程在管理和技术上都取得了成功，获得了宝贵的经验。

㈣．自我发展

虽然“数字安阳”由政府牵头，但是持续发展要靠企业自身的经济效益支持，就是说要创造一个有效的机制和环境，能让承担建设“数字安阳”的企事业单位从中受益，获得明显的经济效益，使自身不断发展。

既要充分吸收我国网站公司发展的经验教训，又要有效控制不要一哄而上；既要引导企业不要一味花钱，要想法让企业赚到钱。

政府在“数字安阳”的建设中也能从中受益，从而取得良好的社会效益，

㈤．先易后难

“数字安阳”确实是一个复杂的系统工程。

由于它与空间数据有关，数据量又大，比一般的信息系统要复杂得多。

目前许多城市都在地理信息系统建设方面投入了大量经费，但是社会经济效益并不明显。

作为政府部门，要充分估计到“数字安阳”建设的复杂程度和周期。

建设“数字安阳”时要本着先易后难的原则，先建立那些并不复杂、经济效益明显的系统，如安阳市地下管线信息系统、安阳市规划管理信息系统，两个系统虽然都不太复杂，但都一个可以带来巨大的经济效益，为以后建立更加复杂的系统奠定良好的基础。

五、安阳市目前的信息化建设需要采取的措施

㈠、打造好安阳人的“数字观念”

建设“数字安阳”是一项复杂而庞大的系统工程，安阳市正在建设的电子商务、电子政务、制造业信息化等工程，都属于是这个大系统的子系统，它们是支撑“数字安阳”这座大厦的框架。

无疑，在打造“数字安阳”的进程中，我们需要技术、资金、人才的支撑，然而也同样需要安阳人的“数字观念”。

如果将前者比作“硬件”的话，那么后者则是“软件”。

再好的硬件还要软件的支持，有了软件的支持硬件才能发挥作用。

打造“数字安阳”会带来社会变革，人们思想观念、行为方式的变革，组织管理模式的变革等等。

在这里，思想观念的变革十分关键，只有人的思想观念变了，其它的变革才会取得成功。

首先、要打造好领导者的"数字观念”，因为领导者有了“数字观念”，就会积极去推动“数字安阳”的建设，就会主动迎接并推动各种变革，就会勇于去牺牲眼前的、局部的利益，顾全大局，做长远的打算。

其次、要打造好市民的“数字观念”。

建造了美丽的“数字安阳”这座大厦，我们才会在大厦里享受新生活并积极去创造新生活，否则大厦也就徒有虚名了。

建设好安阳人的“数字观念”需要全社会的共同努力，领导者更多了解学习信息技术方面的基本知识，正确把握社会发展的新趋势，切实认识到打造“数字安阳”的重要性和必要性；广大市民要主动适应时代发展的新要求，努力提高科学素质；安阳市政府应当组织教育部门和科研部门在相关媒体上对市民进行“数字安阳”基础知识的普及教育，介绍3S技术、数字地球、数字城市等基本概念，得到市民的拥护和支持。

安阳已提出在全省率先全面实现小康社会的宏伟目标，安阳具有许多条件和优势。

我们有理由相信，一个高效的、充满活力的、现代化的“数字安阳”的到来一定为期不远。

㈡、要引进建设“数字安阳”的人才，更新硬件设备和空间数据

首先、要引进建设“数字安阳”的相关技术人才。

在21世纪，人才是第一生产力，“数字安阳”的建设需要不同学科领域的众多中高级技术人员和管理人员地理学人才，涵盖了3S技术、计算机、测绘学、地理学、测量学等等众多学科的专业人才。

其次、加强引进先进的设备，对现有的陈旧设备进行更新改造。

在科技日新月异发展的今天，原有的陈旧设备已经不能够胜任全部工作了。

安阳市政府应当对“数字安阳”建设进行专项资金拨款，对陈旧设备进行更新改造，购买先进的信息设备，如：

具有高速运算能力的大型电子计算机、大幅彩色扫描仪、容量在一千G以上的存储设备，大型图形工作站等等。

再次、为了解决空间数据的更新问题，应进一步发展“快、准、全、廉”地进行空间数据获取和更新的技术手段。

比如：

高空间分辨率、高光谱的卫星遥感及其信息自动提取技术；卫星导航定位／惯性导航系统支持的大幅面数码航空摄影技术及相应的自动摄影测量技术；基于轻型平台（如轻型飞机、无人驾驶飞机、气球等）的低空、“快反”摄影及其处理技术；基于卫星导航、激光扫描、数码摄影等多传感器的地面测量技术等。

最后、在数据管理上，应大力发展基于增量方式的数据存储和更新方式，避免数据的冗余存储和全局更新，减少更新的工作量。

在现实应用中，用户只需要检查并获取更新后的数据，并在城市GIS及其应用系统中做出相应的变更即可。

后台的数据管理模块负责维护原始数据及变更数据信息，并根据用户的需要提供不同阶段、不同版本的数据信息。

㈢、制定和贯彻信息化发展策略

我国的信息化建设起步较晚，发展较快，但其中也存在不少问题:

由于缺乏统一标准，数据格式各异，给社会化的数据共享、数据交换带来极大不便；由于缺少统一规划，相关软件存在低水平重复开发，总体效率低下，各种系统之间缺少联系，不能集成；城市内部各部门之间各自为政、重复建设，造成了人、财、物的巨大浪费。

1.标准化

当前，尽快实现UGIS的标准化和规范化已成为全国信息化建设的当务之急。

信息化的标准包括信息基础设施标准、信息系统标准、数据标准3个方面。

我国20世纪80年代初期从研究和发展GIS的初级阶段，就吸取国外一些国家忽视标准化的严重教训，对UGIS的标准化和规范化工作组织了长期的研究，先后推出了30多个国家标准。

如“地理格网”、“市用地分类与规划建设用地标准”、“城市地理要素——城市道路、道路交叉口、街坊、市政工程管线编码结构规则”、“国土基础信息数据分类与代码”、“城市地理信息系统设计规范”等。

随着我国信息技术的不断发展，GIS标准体系的有关各种标准将会相继出台。

安阳市在