數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的初步研究

數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的初步研究

1.引言

城市歷來是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的焦點和中心。當前一個以數(shù)字城市為旗幟的城市信息化運動正在全國范圍內(nèi)迅速展開。數(shù)字城市是物質城市在數(shù)字網(wǎng)絡空間的再現(xiàn)和反映，是以信息為核心、以網(wǎng)絡為支撐的城市信息管理與服務體系。數(shù)字城市建設的任務就是利用現(xiàn)代高科技手段，充分采集、整合和挖掘城市各種信息資源，建立面向政府、企業(yè)、社區(qū)和公眾服務的信息平臺、信息應用系統(tǒng)以及政策法規(guī)保障體系等。城市地理空間基礎框架是數(shù)字城市建設的核心任務之一，它為城市發(fā)展和信息化建設提供統(tǒng)一的空間定位與基礎地理信息公共平臺，進而實現(xiàn)城市信息資源按照地理空間位置的整合和共享。城市地理空間基礎框架是“數(shù)字中國”地理空間基礎框架的重要組成部分。應該說，我國城市空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與提供已經(jīng)取得了巨大成績，但總的來講，空間數(shù)據(jù)從內(nèi)容、形式和質量以及提供等方面都難以滿足應用的需求，高質量的空間基礎數(shù)據(jù)一直是城市地理信息系統(tǒng)建設和應用的瓶頸。隨著城市信息化進程的加快和數(shù)字城市建設的推進，城市空間數(shù)據(jù)必將進一步成為關注的焦點。

2.數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的目標與任務

目標

地理空間基礎框架是其它一切地理數(shù)據(jù)的基礎參考框架，它為國民經(jīng)濟和社會信息化提供統(tǒng)一的空間定位與基礎地理信息公共平臺，對于信息資源按照地理空間進行整合和實現(xiàn)信息共享具有十分重要的作用。

城市地理空間基礎框架建設的總體目標為，充分運用遙感、GPS、GIS和計算機網(wǎng)絡等技術，制定相應的政策法規(guī)和標準體系，建設多尺度、多分辨率、多種類的城市空間數(shù)據(jù)體系，構建統(tǒng)一的城市地理空間基礎基礎平臺，從而為城市政府、企業(yè)、社區(qū)和公眾提供高質量的基于空間位置的應用服務。“十五”期間，全國30％以上的城市建立數(shù)字城市地理空間基礎框架，其它城市積極籌劃并開始建設地理空間基礎框架。到2010前后，全國所有城市建立起較為完善的城市地理空間基礎框架，較好地滿足城市規(guī)劃、建設、管理、服務以及未來發(fā)展的需要。

工作重點

為實現(xiàn)上述目標，需要重點完成以下幾方面的工作

隨著我國城市化步伐的加快，城市的數(shù)量及規(guī)模都將有較大的增長，為滿足城市規(guī)劃、建設、管理和信息服務業(yè)發(fā)展的需要，應根據(jù)城市的總體規(guī)劃與發(fā)展布局，進一步擴展和完善城市空間數(shù)據(jù)基準。

建立起有效的城市空間數(shù)據(jù)特別是框架數(shù)據(jù)更新機制，努力完善城市空間數(shù)據(jù)的分級、尺度和內(nèi)容體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)形式的多樣化。

建立健全城市地理空間基礎框架建設的政策法規(guī)和組織機構體系，完成若干城市空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品、技術和服務方面的國家或行業(yè)標準。

建立城市空間數(shù)據(jù)分發(fā)和服務體系，使空間數(shù)據(jù)更好地為數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)建設服務。

發(fā)展先進實用的空間信息獲取、更新、管理與應用服務技術支撐體系，為城市地理空間基礎框架建設提供技術保障。

3.城市地理空間基礎框架建設的內(nèi)容

城市地理空間基礎框架主要包括空間基礎數(shù)據(jù)體系、政策法規(guī)與保障體系、數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系以及技術支撐體系等4個方面。

城市空間基礎數(shù)據(jù)體系

城市空間數(shù)據(jù)基準建設

城市平面基準具有一定的特殊性。由于我國幅員遼闊，使用目前國家統(tǒng)一平面基準在許多城市會產(chǎn)生較大的投影變形，無法滿足城市建設的需要。許多城市都建立了自己的獨立平面控制基準，出現(xiàn)了2種甚至多種平面基準。隨著空間數(shù)據(jù)應用與共享需求的增加，多尺度空間數(shù)據(jù)基準的不統(tǒng)一問題已經(jīng)受到關注。與平面基準相比，在城市統(tǒng)一使用國家高程基準技術上不存在問題。為了滿足工程測量和城市測量的需要，應該逐步建立和精化城市區(qū)域內(nèi)的厘米級大地水準面，為城市GPS高程測量奠定基礎。

隨著國家新一代地心、三維、動態(tài)大地測量基準的規(guī)劃和建立，未來城市空間數(shù)據(jù)基準也將朝著三維、動態(tài)方向發(fā)展?，F(xiàn)有平高分離的、靜態(tài)的城市控制基準將被新一代的三維基準所替代。

數(shù)字城市將以其對城市卓越的管理和服務能力體現(xiàn)其非凡的價值和美好的前景?？臻g數(shù)據(jù)服務在城市領域具有良好的前景。建立城市GPS連續(xù)運行綜合服務系統(tǒng)，是實現(xiàn)城市快速導航、動態(tài)測繪和數(shù)據(jù)服務的重要基礎。目前，我國一些城市已經(jīng)或正在建立該系統(tǒng)。

城市空間框架數(shù)據(jù)建設

城市空間數(shù)據(jù)的外延十分廣泛，它包括地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、建筑物現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、地籍數(shù)據(jù)、房地產(chǎn)數(shù)據(jù)以及相應的屬性數(shù)據(jù)等。就數(shù)據(jù)形式而言，城市空間數(shù)據(jù)最主要的是數(shù)字線劃圖、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。在進行地理空間基礎框架建設中，一般都根據(jù)應用需要和實際數(shù)據(jù)生產(chǎn)與提供的可能確定框架空間數(shù)據(jù)集。對于城市空間基礎框架數(shù)據(jù)，一方面應從數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期、成本和質量的特點上，另一方面從大多數(shù)實際應用的需求上，研究確定基本框架數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、形式和尺度，只有這樣才能使建設的城市地理空間基礎框架真正起到應有的作用。在一個城市，可以根據(jù)地域的不同，針對不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容和形式，分別選用不同的比例尺和分辨率。

城市地理空間基礎框架數(shù)據(jù)集應在大比例尺度下，能完整地描述城市自然和社會形態(tài)的地物地貌信息、管理境界信息以及它們的基本屬性信息。這里不僅包括城市測繪所關心的各種地形信息，同時也應包含有關管理境界等信息以及與它們相對應的基本屬性信息。為了適合不同的應用需求，可以將框架數(shù)據(jù)集進一步劃分為核心框架數(shù)據(jù)和擴展框架數(shù)據(jù)。前者具有一定的普遍性，可以滿足大多數(shù)應用的需要；而后者則可以根據(jù)各城市的自身特點和需要而增加。目前大多數(shù)城市的DLG均是依據(jù)《城市測量規(guī)范》和地形圖圖式進行測繪的所謂“全要素”圖。事實上，這里的“全要素”也是相對的。在城市，大面積地測繪大比例尺“全要素”DLG并保持其現(xiàn)勢性并不是一件容易的事。以框架DLG及其與DOM的疊加來替代“全要素”DLG可能是一種有效的解決方案，這樣的產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、成本低、易于維護，在城市規(guī)劃、建設、管理和服務中具有廣闊的應用前景和顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。同時，框架DLG、DOM還可以與DEM進行集成，形成城市三維景觀模型。

政策法規(guī)與保障體系

政策法規(guī)

城市地理空間基礎框架建設所具有的公益性、基礎性和權威性決定了城市政府應該是其主體投資者。城市政府應該將城市空間數(shù)據(jù)視作如同城市道路、橋梁一樣的城市基礎設施，投入足夠的資金使數(shù)據(jù)生產(chǎn)者能按照市場行為進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，以滿足城市可持續(xù)發(fā)展的需求。使數(shù)據(jù)被充分利用并為城市發(fā)展帶來巨大的間接效益應該是作為投資方的城市政府所得到的回報。目前，數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)更新是我國城市空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理和應用的2大難題。實際上，數(shù)據(jù)不能共享的本質原因除技術、標準化和國家安全因素外，最根本的因素是經(jīng)濟問題。因此，解決數(shù)據(jù)共享問題也必須從經(jīng)濟上入手。數(shù)據(jù)更新除涉及技術問題外，也與政策密切相關。城市空間數(shù)據(jù)從生產(chǎn)到最終使用，涉及一系列主體，如：所有者、投資者、生產(chǎn)者、管理者、分發(fā)者、代理者和使用者等。為了明確界定各主體在城市數(shù)據(jù)獲取與使用過程中的責任、義務，并切實保障他們應得的利益，從而使城市空間數(shù)據(jù)的獲取與使用實現(xiàn)可持續(xù)運轉必須制定有效的適合我國國情的數(shù)據(jù)政策。制定數(shù)據(jù)政策的基本原則是促進城市空間數(shù)據(jù)共享、鼓勵數(shù)據(jù)公開、發(fā)展基于數(shù)據(jù)的服務。

標準化

我國空間數(shù)據(jù)標準化一直難以滿足技術發(fā)展和實際應用的需求。當前急需加大城市空間數(shù)據(jù)標準化工作的力度，在充分采納、吸收、參考已有國家、行業(yè)和地方標準、規(guī)范與規(guī)程以及一些國際組織和國外標準規(guī)范的基礎上，根據(jù)我國城市空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理和應用的特點，制定比較完善的產(chǎn)品標準、工程標準和服務標準，以促進城市空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、更新、管理、分發(fā)與應用服務，加速數(shù)字城市建設和城市地理信息產(chǎn)業(yè)化的進程。

城市空間基礎數(shù)據(jù)產(chǎn)品標準是目前最薄弱的環(huán)節(jié)。我國已制定的一系列測繪類標準規(guī)范，對于最終產(chǎn)品及其質量的定義與確認方面的規(guī)定比較模糊，而對生產(chǎn)這些產(chǎn)品作業(yè)過程的規(guī)定則過于瑣細，這也是造成標準總是落后的重要原因之一?？臻g數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術發(fā)展十分迅速，在未來的標準制定中，應將重點放在產(chǎn)品標準上。產(chǎn)品標準應具有超前性，面向空間數(shù)據(jù)用戶，并在一個較長的時間里保持穩(wěn)定。生產(chǎn)這些產(chǎn)品的工程標準則應盡可能簡化，只規(guī)定若干對最終產(chǎn)品質量起關鍵作用的共性內(nèi)容，而更詳細的作業(yè)規(guī)程應由生產(chǎn)單位自行制定。許多單位都在推行ISO9000系列標準體系認證，可以為此提供保證。數(shù)據(jù)服務標準過去基本上沒有，當前需要重視。

組織保障

城市地理空間基礎框架數(shù)據(jù)是數(shù)字城市建設的重要基礎性工作，其建設的質量和效率對于數(shù)字城市的建設關系重大。為了保障基礎框架建設的順利實施，需要建立必要的組織保障體系。

首先，城市地方政府應給予足夠的重視。許多城市為了建設數(shù)字城市，專門設立了由市長或常務副市長任組長的數(shù)字城市建設領導小組。建議在該領導小組下設立城市地理空間基礎框架建設協(xié)調(diào)機構，吸收涉及城市空間數(shù)據(jù)建設的有關部門參加，進行統(tǒng)一規(guī)劃和組織實施，避免重復和扯皮。

其次，各城市有必要建立相應的空間數(shù)據(jù)管理和分發(fā)機構，統(tǒng)一進行各類空間數(shù)據(jù)資源的管理、維護和應用服務，以最大程度地發(fā)揮框架數(shù)據(jù)的作用。

數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系

數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系是數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的重要組成部分。其目的是最大程度地挖掘和發(fā)揮空間數(shù)據(jù)的效用，為政府、企業(yè)、社區(qū)和公眾提供高質量的基于空間信息的服務。

就數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系建立而言，“面向應用”無疑是其基本出發(fā)點。這里的面向應用指的是根據(jù)不同實際應用的需求來確定數(shù)據(jù)的形式、內(nèi)容和質量指標。城市空間數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系建立的目標和原則應是“快、準、全、廉”。所謂“快”，指的是數(shù)據(jù)獲取的周期要短，信息的現(xiàn)勢性要高：“準”表示適應應用需求的數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征應準確：“全”反映的是為滿足應用需求所獲取和提供使用的數(shù)據(jù)在內(nèi)容上應全面、完整，在時空表現(xiàn)上要真實：“廉”則是指經(jīng)濟性，就是說空間數(shù)據(jù)的獲取與使用的經(jīng)濟代價應盡可能小。

事實上，上述4個原則之間是相互制約的，對于不同的用途，應該有不同的側重。我們可以把城市空間數(shù)據(jù)按用途劃分為3級，它們構成城市空間數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務體系，見表1所示。表中的“面向公眾”主要指為廣大企業(yè)和社會公眾提供空間信息服務，這類服務的面很廣，對信息的動態(tài)變化非常關心，對數(shù)據(jù)的準確性和完整性要求相對低一些，要求能以最低的代價獲得所需要的數(shù)據(jù)：“面向管理”指為政府行業(yè)管理部門工作服務，如城市規(guī)劃管理、土地管理等；而“特殊應用”包括少數(shù)對數(shù)據(jù)準確性和完整性有專門要求的應用，如大比例尺城市工程應用等。

數(shù)字城市可以看成是城市各種信息系統(tǒng)的有機集成和融合，信息的開放與共享顯然是其最重要特征。我們認為，城市空間數(shù)據(jù)管理與應用服務的實現(xiàn)方式是建設一個能為數(shù)字城市各種應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的可視化多元異構空間基礎信息服務的城市空間基礎信息平臺。該平臺的建設以滿足空間數(shù)據(jù)服務和共享為基本出發(fā)點，同時兼顧信息管理和維護的需要。

技術支撐體系

城市地理空間基礎框架建設離不開高新技術的支撐。從框架數(shù)據(jù)的采集、更新、加工、處理，到管理、共享、分發(fā)與應用服務，需要使用和發(fā)展一系列的新技術和新工藝，以為實現(xiàn)“快、準、全、廉”的目標創(chuàng)造條件。

城市空間數(shù)據(jù)采集與更新技術主要包括航空攝影測量技術、高分辨率衛(wèi)星遙感技術、地面測繪技術、GPS測量技術以及激光掃描、近景攝影測量技術等。這些技術近年來發(fā)展十分迅速，作業(yè)效率不斷提高。盡管數(shù)據(jù)管理與表現(xiàn)技術已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但仍然不能很好地滿足城市空間數(shù)據(jù)管理和應用的需求。這里需要進一步發(fā)展和完善多元異構數(shù)據(jù)的挖掘、融合、集成與管理技術，開發(fā)實用的真三維數(shù)據(jù)管理與表現(xiàn)技術。在數(shù)據(jù)分發(fā)與應用服務方面，也需要進一步完善基于Internet的數(shù)據(jù)管理、分發(fā)技術，增強技術的安全度與可靠性。同時，需要積極研究解決實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的一系列技術問題。當前人們普遍將數(shù)據(jù)難以共享的原因歸罪于政策和機制問題，實際上即使這些問題解決了，技術上的許多障礙還會制約數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)。

4.數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的原則與步驟

原則

數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的基本原則是：統(tǒng)一領導、合理分工；統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施；統(tǒng)一標準、資源共享。

數(shù)字城市無疑是數(shù)字中國的重要節(jié)點。未來的數(shù)字中國應該是一個由全部數(shù)字城市以及其它數(shù)字區(qū)域、數(shù)字專題等有機集合而成的一個巨系統(tǒng)。在沒有政府主管部門全局規(guī)劃和引導的狀況下，將目前已建和在建的這些建設目的和目標各不相同、標準和平臺各不兼容的數(shù)字城市集合成數(shù)字中國，其結果將是難以設想的。盡管對于具體城市而言，數(shù)字城市的建設是這個城市經(jīng)濟技術發(fā)展的要求和必然，但如何應對未來全局性的城市間各類的信息交換和共享的需求，如何將分散的系統(tǒng)整合成一個有機的整體，都不可避免地成為難題。因此，數(shù)字城市地理空間基礎框架建設是一項具有整體性、權威性、復雜性的系統(tǒng)工程。這就要求政府主管部門在其中必須起積極的規(guī)劃和指導作用。政府主管部門站在全局高度統(tǒng)一規(guī)劃和指導，必將有利于數(shù)字城市與數(shù)字中國地理空間基礎框架的有機整合，避免相互抵觸和沖突。在城市地理空間基礎框架建設中，各有關部門需要在統(tǒng)一的體系下明確職責，通力合作，共建共享。具體實施時，則必須分清輕重緩急，堅持標準先行，并通過選擇適當?shù)某鞘凶鳛槭痉?，以點帶面，分步實施。

實施步驟

首先，國家有關主管部門應盡快出臺相應的政策法規(guī)，啟動數(shù)字城市地理空間基礎框架建設計劃；

其次，建立有效的運行管理機制，以保障數(shù)字城市地理空間基礎框架建設的順利進行；

第三，加快制定若干核心技術標準，以規(guī)范和約束數(shù)字城市地理空間基礎框架建設實踐；

第四，選擇幾個有較好基礎且具代表性的城市作為示范城市，實施城市地理空間基礎框架建設，檢驗完善標準規(guī)范，積累經(jīng)驗；

第五，在總結示范經(jīng)驗教訓的基礎上，積極穩(wěn)步地在全國范圍內(nèi)推廣實施。

同時，為了保障城市