数字城市的框架体系及其关键技术

天津师范大学
数字城市论文
论文题目：数字城市的框架体系及其关键技术
学院：城市与环境科学学院
学生姓名：邓家贵
学号：10508164
专业：地理信息系统
年级：10
完成日期：2013.05.15
指导教师：李佩武
数字城市的框架体系及其关键技术
摘要
数字城市是数字地球应用的重要部分之一, 是指以地理空间坐标为框架以空间信息技术为主要手段对信息资源进行整合的支撑平台或环境。

如今数字城市的建设得到了各个方面的支持，成为城市发展的新的里程碑，要想了解数字城市的建设，首先需要对数字城市的框架体系有一个基本的了解，之后再具体到各个方面，这种从总体到局部的分析方法更容易让人入手。

本文从分析数字城市的基本框架入手, 通过对目前主要的几个模型进行分析，以地理信息系统体系的模型构建为基础，提出一个比较成熟的数字城市的基本框架体系，并基于提出的框架体系对数字城市建设中的所需要的关键技术、内容及应用进行论述, 同时对数字城市中的标准化体系进行一些简单的分析介绍。

关键词:数字城市、框架体系、关键技术、结构模型、标准化体系
引言
数字地球是指一个以地理坐标( 经纬网) 为依据, 具有多分辨率及海量数据的多维显示虚拟系统。

它要求地球上的信息全部实现数字化, 而“数字城市”是“数字地球”的一个组成部分。

可以看作是一个系统工程或发展战略，但不能看作是一个项目或一个系统。

“数字城市”是一个城市发展的战略目标，有一个逐渐发展的过程，而且在发展过程中会对城市建设、市民生活、经济发展带来效益和方便。

“数字城市”是城市规模、建设、管理、服务及数字化工程的最终目标。

一、目前比较成熟的几种基本框架模型
模型一：
1.数字城市的基础设施
数字城市的基础设施包括两部分：通信网络基础设施和信息资源基础设施。

数字城市的建设必须以通信网络为基础，以信息资源为依托。

①通信网络基础设施
数字城市应用范围广泛( 体现在应用领域的广泛性和覆盖地域的广袤性) 、数据量庞大，这对通信网络基础设施的建设提出了较高的要求，具体体现在以下几个方面：提供高速度和低延时;具有较好的安全性、可靠性、灵活性和可扩充性;支持Intranet 结构和分布式数据处理等。

在设计数字城市通信网络时, 可考虑采取三级网络和两级网管中心的结构。

②信息资源基础设施
数字城市信息资源基础建设所涉及的地域面广, 需求精度高, 服务应用范围广、种类多, 数据应用环境差异悬殊; 所以, 有效地采集、组织、存储、更新和发布分布空间数据是数字城市信息资源基础建设的关键环节。

2.数字城市的应用体系
在建设数字城市基础设施的基础上,应该对数字城市应用体系进行研究和开发。

根据各方面应用的要求,根据城市信息化构成体系的要求,对数字城市环境进行广泛的需求分析,对数字城市体系进行功能划分,建立各类信息体系在数字城市中的关联方式,研究制定在数字城市下信息系统开发的规程和约束条件,建立数字城市的信息加工基地,建立数字城市的中心控制平台,选择关键性的项目作为突破口, 建立示范项目。

3.需研究、解决的技术问题
建设数字城市体系涉及的大多数技术今天已经初步具备，只是其综合处理能力还存在某些不平衡，与数字城市体系的宏大应用目标相比，现有的外在环境和综合素质与系统实施目标相比，差距较大。

因此，现有的信息技术对于建设数字城市体系的具体情况而言还存在诸多的不适应，需要创新和研究。

这些研究主要有三个方面的内容：一是空间数据与各种行业性、专业性数据信息的采集、处理和存储技术；二是研究各类数据信息的协调、管理和传输体系；三是整个应用和
运行体系的研究。

模型二：
1.数字城市的基本框架介绍：
数字城市的框架体系涵盖了城市建设的各个方面,是由战略政策层、信息基础层、应用服务层和分析决策层组成的有机整体。

战略政策层包括数字城市的发展战略及总体框架、信息技术标准、政策法规规章制度和技术保障体系等；信息基础层由城市公用信息网络平台、中心骨干网、区域骨干网、通信管线、空间数据、业务标准体系和协调维护机制等组成；应用服务层根据数字城市功能特征分为电子政务、电子商务、城市规划建设及运行、经济运行服务和社会综合服务等五类应用; 决策分析层是跨行业、跨区域的综合性应用系统, 主要包括城市智能交通管理系统、城市环境监测分析系统、城市发展预测决策系统和城市防灾、救灾及应急处理系统等。

模型三：
1.基础层——数字城市基础平台子系统
数字城市基础信息平台子系统是整个数字城市的基础层,它是后两个层次的基础,目的是通过城市基础信息数据库的建立、相应数据库管理与分析平台的研制及三维城市模型的建立,构建一个具有城市基础信息和三维城市模型的数字城市平台,提供城市基础信息的共享和服务。

2. 专题层——城市专题应用子系统
城市由市政、社会和经济等许多政府职能部门组成,它们都有各自相应的专业信息, 并对城市其他信息有专门的需求。

因此, 在城市已有专业信息网络基础上, 按照数字城市的统一信息标准和规范,建设各政府职能部门专业数据库及相应的专业信息管理与办公自动化子系统,同时,根据各部门的具体需求,开发出基于空间数据的仿真分析与决策分析等专业应用模型,并研制相应的专业应用子系统, 为城市政府职能部门的专题应用服务。

3. 综合层——专家支持和领导综合决策子系统
专家支持和领导综合决策子系统是数字城市的综合应用层。

以数字城市基础平台为依托, 建立城市信息资源的综合管理与分析系统,对城市基础地理信息及各专业信息进行综合处理和分析, 运用城市仿真、虚拟现实及决策分析等技术, 建立城市专家论证和领导综合决策规则和模型, 为制定城市整体发展战略、优化城市整体运行等宏观、全局性问题提供专家论证和领导决策的计算机辅助工具。

二、 在综合分析基础上建立的模型
1.城市信息基础设施(MII)
城市信息基础设施( MII) ,
即城市信息高速路。

它是国家信息基础设施( NII) 的组成部分, 主要是宽带光纤网和卫星宽带网, 与我国的“八金工程”和“八纵八横”主要光缆网建设相协调。

形成由城市骨干层网络、支干层网络、接入层网络构成的城域网结构。

骨干层网络 采用千兆路由式以太网交换机或千兆路由器光纤直联方式构成环形或网状网络, 下面直联支干网, 使网络拥有足够的带宽。

链路形或环形网把市与社区中心相连。

并提供多种有效的业务保护手段。

支干层网络 采用千兆以太网交换机光纤直联方式, 实现光纤到社区的要求, 网络结构可为环型或星型, 构成市到社区中心的传输网络。

同时用交换机、视频服务系统、路由器、ATM 交换机、ISP 等多种设备和手段, 为用户提供电话业务、视频点播、Internet 接入、局域网接入、会议电视等多种业务服务。

接入层网络 完成社区光纤到大楼的连接, 采用百兆以太网交换机作为交换平台, 使用综合接入设备为最终用户提供电话, 数据通信, Internet, 会议电视, 可视电话, 电视购物,VOD 和用户专题信息服务业务。

2.空间数据基础设施(MSDI)
空间数据基础设施( MSDI) 是实现数字城市的基础, 可以理解为对获取的空间数据进行整合, 通过广布的网络系统提供人们充分利用与共享所必须的支持基础。

它包括:
空间基础数据集:包括空间定位控制数据、地形框架数据、土地利用覆盖数据、地籍测绘数据、航测与遥感影像数据以及交通、水系、行政境界等与空间位置相关的基本自然人文信息;
空间数据交换网站:是指地理空间数据的生产者、管理者和用户相连接的一个广域的网络工作站, 是MSDI建设的中枢。

空间数据交换标准:包括有关信息共享机制的法规和政策, 以及地理信息技术标准,作为政府和各类专业系统权威的应用,是MSDI 建设的基础;
空间数据协调、管理与分发体系和机构:即权威的空间数据和地理信息协调领导机构,从事空间数据获取和加工的骨干生产组织,专门从事空间数据维护更新和数据分发的单位,提供安全、保密等管理规范进行权威的管理,是MSDI建设的关键。

GPS 综合服务系统:是空间基础设施的重要组成部分,它是获取和采集各类空间信息位置、时间和与此相关的动态变化的一种基础设施。

3.实时数据采集、获取与质量控制体系
数字城市是动态的、复杂的大系统,它所涉及的空间数据、属性数据及其它数据每时每刻都在变化, 系统的所有数据应该相对地处于最新状态;数据是数字城市最基本最重要的组成部分,也是数字城市投资比重相对最大的部分。

由于现实世界的无限复杂性和模糊性,数字城市的数据源来源复杂,其数据质量更是参差不齐, 因此, 实时数据采集、获取与质量控制体系显得尤为重要。

该体系包括城市地表、上空及地下等地理数据的自动获取系统, 城市基础设施数据的实时获取和更新体系, 城市人文、经济、政治等社会数据的变更与监控系统, 数据质量分析与控制系统等。

应用现代信息技术及高科技手法, 从时空维或更高维尺度对整个城市综合体进行监控, 以触发机制解决数据的动态获取和更新,以保证数据质量。

4.国家公用数据通信平台
目前, 我国的国家公用数据通信平台的建设已初具规模, 现已建成的中国互联网( China Net) 、中国公用分组交换数据网( China PAC) 、中国公用数字数据网( China DDN) 、中国教育与科研网( CERNET) 等国家公用数据通讯平台为“数字城市”的建设提供了公共通信网络平台。

中国互联网中国电信经营管理的基于Internet 网络技术的中国公用计算机互联网,有多个国际出口中继线, 实现与国际互联。

中国公用分组交换数据网原邮电部组建,由国家骨干网和各省、市的省内网组成,骨干网覆盖到全国各省会城市与公用电话网互联, 通过电话网可以覆盖已开通电话的所有地区。

中国公用数字数据网利用光纤、数字微波和卫星数字电路和数字交叉连接设备的数字数据网, 主要为用户提供永久、半永久型的出租业务。

中国教育与科研网由教育部和主要高等学校联合建立的网络, 其目的主要是改善教育与科研事业的基础条件, 促进国内外交流。

5.模型、方法、工具及数据存储体系
数据存储体系:“数字城市”系统中信息组织的核心是空间数据仓库及其管理系统, 它反映系统的规模和水平。

数字城市要管理空间数据、属性数据及其它
数据, 数据量大, 一个大中型城市的数据可能以TB计算。

数字城市的数据存贮体系可能是采用邦联数据库、多服务器, 分布式管理, 如何构造空间数据仓库模型, 如何在该模型下存放这些海量信息和处理规则,及用何种手段对这些空间信息进行空间数据的分析以及如何将它们有效连接和协调管理,是“数字城市”建设的关键。

模型库、方法库、工具库: 由于数字城市的应用面相当广泛, 各种平台、应用软件充斥其上, 因此, 数据共享与互操作是数字城市建设需要解决的核心问题, 我国已经颁布了“地球空间数据交换格式标准”，使用该标准可以进行有效的数据转换。

但是这种数据共享方法是低级的,它是间接的延时共享,不是直接的实时共享。

建立“数字城市”应该追求直的实时数据共享,就是说用户可以任意调入“数字城市”各系统的数据,进行查询和分析,实现不同数据类型、不同系统之间的互操作。

可以将互操作分为八个层次：网络、分布计算环境、数据存储、中间件、工具、应用和信息群;每个层面的互操作都有其相应的模型、方法和工具；同时, 数字城市要综合考虑自然资源、经济资源、社会资源、环境资源、知识资源等各种可利用资源, 建立符合可持续发展哲理的环境模型、社会模型、知识模型、资源模型等, 建立决策方法、优化方法、综合评价方法及相应的实现手段。

所有这些模型、方法、工具是数字城市的支撑条件。

建立模型库、方法库和工具库, 这是应用层得以有效发挥的关键所在。

在实际应用中, 针对系统的特殊要求, 也可开发出需要的模型、方法和工具, 如土地评价与规划模型, 城市交通管制模型, 环境预测模型等等。

6 .数据挖掘及信息提取体系
要使数字城市中大量的数据有用,在基本数据分析处理的基础上,还需要采
用现代科学方法进行挖掘,并提取可用的、相关的信息。

这些要借助于数据挖掘及信息提取体系。

数据采掘的任务是从大量数据中发现知识,知识是人类认识的成果与结晶, 包括经验知识和理论知识, 但这些知识大都隐藏在大量的数据背后。

数据仓库提供了容纳大量信息的场所, 信息爆炸要求对这些信息进行实时的和深层次的分析, 只有和数据采掘技术相结合, 才能最终为决策分析提供有效
支持。

作为进行知识提取的数据采掘旨在提高数据库处理与分析的自动化和智能化水平, 解决或缓解数据库激增与数据库分析相对困难之间的矛盾。

在整个数字城市的信息处理过程中起着十分重要的作用。

7.数字城市应用体系
数字城市应用体系包括三个层次：⑴大众服务系统:完成城市网络化、数字化、智能化生活,满足普通市民的各种服务需求；⑵专业应用系统:完成国民经济各行各业的业务, 满足现代化城市各行业的工作需求；⑶综合决策系统:跨领域,跨区域的综合性应用,满足省市高层领导的决策需求。

三、数字城市涉及的关键技术
数字城市涉及地理信息管理系统、3S、虚拟现实、网络、多媒体、数据库和海量存储等多种现代高新技术, 其系统集成是数字城市实现的关键。

1.地理信息管理系统技术城市信息的三维数据库, 对城市地形和地物的几何关系、纹理照片及其他附加信息进行综合管理和分析, 并实现城市各类信息的三维可视化和共享, 即形成三维网络地理信息系统。

2.遥感技术航空和遥感影像是获取城市数字高程模型和数字正射影像、重建三维城市模型最经济、最快捷的方法和途径。

通过对航空和遥感影像进行图像校正、
镶嵌、滤波、增强和分类等处理以及数字影像制图（包括正射影像）和专题制图等分析，自动或半自动地完成。

此外,基于直升飞机的激光扫描仪的采样率达到5个/m²甚至更多,因此,还可以使用航空影像和激光扫描相结合,对城市地形和地物进行自动或半自动重建。

3.虚拟现实技术用数字空间取代传统的城市抽象地图及其相应描述文件, 而以生动的城市模型及相关图片来模拟和显示城市的三维空间现实,以人机互动方式实现城市三维景观的实时漫游。

4．网络和多媒体技术数字城市的主要目的是为城市政府部门和普通公众提供城市的信息服务。

因此,城市各类信息的管理、分发和传输至关重要, 而计算机网络（宽带接入)和多媒体技术是其根本保证。

鉴于目前Internet的传输速率和城市信息化建设的实际现状,数字城市可采取集中式与分布式相结合的网络结构体系。

5.数据仓库与海量存储技术数字城市涉及海量的多元化数据,为了提高海量数据的存储、管理效率和质量,一方面,可以充分应用GIS本身的数据管理和分析功能, 同时还可以采用各种数据库管理软件,建立数字城市的数据中心,对庞杂的城市信息进行有效的存储、管理和分析，并应用面向数据库的GIS技术，通过空间数据库引擎(SDE)，实现它们之间的相互调用。

四、标准化体系
数字城市的建设与应用是一个相当复杂的社会系统工程,数据来源涉及城市全方位、全领域，加工处理与综合要求数据的兼容与代码的同意, 因此必须建立数字城市的标准化体系。

标准化体系建立的原则：⑴组织到位，系统规划。

设立专门组织数字城市现实发展及未来规划角度,全面系统规划并编制各类信息标准，并将标准化体系列入法规；⑵兼容共享、成本最低。

在标准指定中充分考虑到各系统的兼容性,保证信息共享，系统整体成本最低。

尽量采用国际标准、国家标准、行业标准；⑶可扩展性。

保证今后发展的可持续性。

标准化体系内容: 标准整体规划, 标准设立组织及工作程序、基础标准、功能标准、数据标准、属性数据编码体系、数据分层标准、数据文件命名规则、统计单元设立规范、图形数据分类与编码标准、地理数据标准、技术流程与质量控制规范、网络技术标准、安全标准等。

数字城市建设是信息化建设水平的重要标志, 数字城市的关键在确定一个完备安全的体系结构, 充分利用关键技术, 重视信息标准化, 可以最大限度地资源共享、减少浪费和提高应用水平。

【参考文献】
1.汪林林、王劲、吉刘涛数字城市的基本构架体系（重庆邮电学院中韩合作GIS研究所重庆400065）
2.马佩勋、谢海波数字城市的基本框架与关键技术研究（长沙民政职业技术学院湖南长沙 410004)
3.曹蕾数字城市基本框架及关键技术（哈尔滨市勘察测绘研究院黑龙江哈尔滨 150010)
4.刘忻数字城市体系结构及其相关问题研究（哈尔滨开发区管理委员会, 黑龙江哈尔滨 150001）
5.李志刚、刘晓悦数字城市体系结构模型（河北理工学院自动化系河北唐山 063009)
6．百度百科。