三维数字城市建设

三维数字城市建设探讨

“数字城市”（Digital City）源于“数字地球”（Digital Earth）。数字地球最早是由美国前副总统戈尔提出来的。1998年1月31日，戈尔在美国加利福利亚科学中心发表了一篇题为《数字地球：21世纪认识我们的星球》（The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century）的演讲，在各国政府和全球科学界引起了巨大的反响，数字地球和数字城市便成为了一个全新的概念风靡全球，并由此在世界范围内掀起了一场建设数字地球和城市的浪潮。

戈尔在他的文章里指出“我们需要一个‘数字地球’，即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球的表示，可以在其上添上许多与我们的星球有关的数据。”戈尔的“数字地球”是关于整个地球、全方位的地理信息系统与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。由“数字地球”引发了“数字城市”的概念。目前对数字城市的研究风起云涌，虽然对数字城市还没有一个严格准确的定义，但对其都有共性的认识：数字城市以现实城市为基准，是对物质城市的数字模拟和仿真，并以空间信息技术，虚拟现实技术为基础，以地理信息系统为平台，具有智能化、网络化的特点。但是，通过阅读文献，作者发现目前现有的有关数字城市的研究很多都只是在简单地介绍“数字城市”的概念以及功能，并没有分析我国“数字城市”建设中的难点，更是鲜有学者就如何在中国的国情下建设“数字化城市”提出相应的方案。针对这一学术界的空白，本文将从比较中外建设“数字城市”的异同入题，提出建设中国特色的“数字城市”的路径——建立我国三维数字城市统一化信息管理平台，并展望路径下的中国特色的“数字城市”的前景。

二．中外数字化城市建设现状比较

回顾国际上数字城市发展走过的道路，大体经历了四个阶段。第一阶段：网络基础设施的建设阶段。第二阶段：市政府和企业内部信息系统建设。第三阶段：市政府、企业上下游、相互之间借助互联网实现互联互通。第四阶段：是网络社会、网络社区、数字城市的形成。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区，已经完成第一轮到第三阶段的基本任务。而我国仍处于四个阶段并举的局面。相对而言，通讯基础设施的进展速度比较快；政府和企业内部信息系统建设的进展比较缓慢，水平参差不齐；政府、企业互联互通刚刚起步；网络社会、网络社区和数字城市尚未形成。政府、企业信息系统的建设和政府、企业信息系统间的

互联互通工程的建设有待加强。以政府网站为例，比之全国3-4万个市、县、镇的总量来说，现已上网的不足3000个政府网站仅占到10%不到。这与国外还存在很大的差距，本文将就国内外数字城市的地理数据状况，政府网站群状况，信息资源共享状况，规范化、标准化基础的状况进行比较，以找出我国数字化城市建设需要改进的不足之处。

（1）中外数字城市地理数据资源状况比较

城市地理数据是建设数字城市的空间数据基础设施。我国实行国家、省和市的三级管理体系以及特有的地理信息保密制度制约，有别于国外（如美国，加拿大，澳大利亚等国）实行的地理信息管理采用国家和州两级管理：一方面，在我国1：10000以上的小比例的地理数据由国家和省区级生产和管理，1：5000级以下的大比例尺的地理数据由城市的专业部门生产和管理。而在国外各个城市可以方便地共享国家地理信息，各城市没有城市级的测绘部门，但是，有许多的专业地图网站在通过互联网为政府网站提供专业的地理数据。另一方面，国内以地理数据为主要服务内容的网站，在现行分级管理和特有的保密制度的制约下，不但要承担城市空间基础地理数据库建设负担，而且无法达到国外同类网站的内容和服务水平。

（2）中外数字城市政府网站群状况比较

政府网站群是数字城市功能体现的最主要途径。政府网站和业务上网的的数量、质量和水平直接影响数字城市功能发挥的实际效果。一方面，我国政府网站数量巨大，据不完全统计，中央部委、省、市、县、镇各级政府网站总数达到2759个，覆盖全国30个省市区。但是，我国政府网站处在宣传功能的初级阶段。大部分网站是介绍政府机构、政府首脑、政策法规、办事程序、统计结果等，政府网上办公水平普遍较低。总体上看，中央级政府网站刚刚开始政府业务上网，将一些适合网上作业的管理业务移到网上。而国外政府在上网数量庞大的同时，网上办公、网上服务、宣传和征询民意服务开展的也比较广泛。目前，国外比较普及的共性网上办公业务有：城市规划管理、城市档案管理、城市审计管理、城市社区管理、城市经济文化旅游协调和服务、城市财政管理、政府采购管理、市政工程管理（供水、废水、垃圾、绿化、环卫）和城市应急管理（警察、火警、急救）。

与此同时，我国城市政府管理覆盖范围比国外宽泛许多。典型的市级政府无法像国外市政府那样，一个市的网站就囊括本市全部政府部门。我国市级政府一般需要建立30-50个专业级政府网站才能满足城市管理和服务的业务需要。

（3）中外数字城市信息资源共享状况比较

信息资源共享是数字城市成熟度的重要标志。数字城市从某种意义上说，就是信息化城市，如果没有有效的信息资源共享机制、平台，数字城市建设的可能性和时效性便受到极大

的限制。

我国各个城市有强烈的城建信息资源共享的需求，但是目前共享机制平台仍然处在比较低级的发展阶段。从城市建设领域看，我国城市基础地理信息的管理体系与国外具有本质的区别。国外只要国家和省级地理信息资源建设到位，全国的市、县、镇政府都可以免费地得到地理信息的服务，无需自行建设本地的地理信息资源。而我国的城市必须各自独立地建设基础地理信息资源，并且在国家现行的保密制度下，不能实现全国共享，甚至不能实现本市各行业之间的共享。特别是城市所需的大比例尺的信息资源，只能依靠市政府自建。仅就城市地理信息而言，我国各个城市处在一个个信息孤岛状态。

与此同时，数字城市建设所需的社会文化经济信息环境不容乐观。八五、九五期间，我国信息化的重要成果是计划、金融、工商、通讯、统计等行业建设了大量的面向行业主管部门的纵向信息系统。但是，这些系统相互独立、相互屏蔽。各城市之间缺乏基本的共享机制和信息交换平台。而国外几乎每个政府网站都有数量众多的、专业清晰、信息丰富的社会人文、科教文卫和工商经济的行业网站群与政府网站群建立链接。这些行业网站在各自的信息领域激烈竞争、不断更新、不断提高专业的信息质量和服务质量。政府网站通过链接就可以不断得到新鲜、专业和丰富的信息资源的服务和支撑。

三．我国数字化城市的发展战略

通过上述比较和分析得出结论：我国没有条件、没有时间、没有必要照搬国外的发展模式。我国必须根据自己的条件和基础，实现跨越式发展。为此，本文依据上述对中外建设数字化城市的不同背景，提出了以下几个发展中国数字化城市的战略。

（1）跨越式发展战略

我国可以根据国情实行三个阶段并举的跨越式发展策略。在变化如此之快的今天，在知识经济可以有选择地跨越式发展的今天，我国完全可以摆脱按部就班发展的国外模式，针对我国比较落后的通讯基础设施，政府、企业信息系统达国家的差距，大幅提高发展速度。只有如此，我们才有可能赶上和超越欧美发达国家。

（2）集中式发展战略

我国可以根据国情实行重点突破的发展策略。在我国现行管理体制下，涉及城市基础地理信息生产、使用和共享的部门，全部集中在城市。这种资源集中、应用集中、权力集中的条件，为数字城市的重点突破创造了条件。在重点突破策略指导下，我国城市可以集中建设：城市基础地理信息系统、城市规划管理信息系统、城市房管信息系统、城市地下

管线信息系统、城建政府网站群等与城市地理信息关系密切、城市发展急需的领域，暂时放弃全面发展的目标。以便快速展现我国数字城市的面貌，以及在基于空间地理信息的数字城市领域形成局部竞争优势，以达到奠定在国际数字城市竞争中逐渐取得全面优势的技术和应用双重基础的目的。

（3）特色式发展战略

我国数字城市的发展必须独具特色。美国、加拿大、西欧在通讯基础设施，政府、企业信息系统建设，信息系统互联互通，以及网络社会、网络社区四个阶段循序渐进的发展中已经有了相当的积淀。但是当时4D数据融合集成技术、3维GIS技术、VR技术都没有像今天这样成熟和廉价。访遍美国、西欧、加拿大、澳洲的城市政府网站，基于4D数据，三维表现，借助虚拟现实技术的凤毛麟角。针对这一时间和市场的不同所带来的特殊的发展背景，我国必须结合数字城市中三维和VR技术的开发和应用来实施特色化的发展战略。本文认为中国的数字城市特色应该定位在：建设具有4D数据的城市基础地理信息公共平台；建设以3维和VR技术为主的城市规划、建设和管理业务专业应用系统。集中抢占数字城市"43VR"的技术应用战略制高点，形成中国数字城市"43VR"的特色，开拓中国数字城市独特的市场空间。

四．实现中国特色数字化城市的途径——三维数字城市

统一化信息管理平台

基于上述对我国如何发展数字化城市的战略的探讨，本文提出了基于中国背景的实现中国特色的数字化城市的途径——建设三维数字城市统一化信息管理平台。如果我国各个城市都推行该统一化的平台，将能有效抓住我国跨越式发展机会，以城市为突破口，利用先进的技术，走出一条中国式发展道路。本文将就数字城市统一化信息管理平台的原理，功能，技术实现方案，及社会及经济效益分析的角度来展开分析。

1. 三维数字城市统一化信息管理平台的工作原理

三维数字城市（3D City）统一化信息管理平台将通过宽带多媒体信息网络、三维地理信息系统等搭建的支撑平台，整合影像、高程（DEM）、城市楼宇地物模型，城市专题资源，建立电子政务、电子商务、劳动社会保障等信息系统和信息化社区的基础，实现各个省市乃至全国的信息化。其工作原理如下（图1）。在该平台下，客户可以按照自己需求，建立属于自己的专题数字三维城市基础地理信息；支持海量数据，具有管理全球级别的数据负载能

力；平台拥有强大的二次开发能力和接口，不仅可以支撑各类城市应用，还可以充分和现有系统挂接。不仅如此，该统一化信息管理平台将使用先进的数据地图技术集成，并且将兼备三维直观可视化、辅助决策智能化、信息集成共享化、决策快捷网络化、数据集成实时化的特点。其中平台用到的核心技术主要有：模型流技术、海量数据存储、网络服务分建共享、图形图像处理技术、多源实时数据接入技术等。

图1三维数字城市统一化信息管理平台的工作原理

2.三维数字城市统一化信息管理平台功能简介

该平台需要集制作、编辑、生成和发布三维地理信息为一体。可以实现将用户提供的卫星（航空）影像、地理高程经过优化后，处理出一个基于全球地理坐标系的三维地形地貌，并支持导入道路、河流、分类地物等电子地图数据；地面的桥梁、建筑物、花草树木、车船、飞行器等三维模型数据；地下的管道、通讯电力线缆、排污渠等地下管网数据，并最终合成出一个集多种数据源的、全方位立体的该城市（农村）地区真实三维基础地理信息平台（如图2所示）。

该平台在制定一系列的数据标准规范的同时，也要有一套完整的信息化管理规范，大到组织管理小到工作流程，控制要点，以便可持续地运维平台，可持续地提供服务。与此同时，还需要搭建统一的应用框架（如图3所示）和站在使用者的角度来解决如何方便使用的问题，以及实现整个城市一张地图的目标（如图4所示）。

3.数字城市统一化信息管理平台的系统实现方案

1）数字城市统一化信息管理平台整体构成

数字城市统一化信息管理平台整体上由三维支撑平台层、城市应用平台层、城市行业应用层构成（如图5所示）。其中，支撑平台层在数字城市系统中起核心作用，它包括建设相

关的硬件基础设施和操作系统、网络管理、WEB、EMAIL等相关的软件系统，建立健全地理信息、业务数据库等相关的专业数据库及信息资源。应用平台层包括应用集成平台（企业数据集成服务、通用工作流、统一身份认证等）；信息公用平台（公用GIS平台、呼叫中心平台等）。行业应用层包括数字管理、数字经营、数字生活，将数字空间技术渗透到城市建设管理、商业经营、居民生活的方方面面，以其强大的功能、丰富的信息来提高城市的管理效率，增强企业的竞争势力，促进居民的生活质量。

图2 三维数字城市基础地理信息平台结构

2）数字城市统一化信息管理平台的系统工程架构

该平台系统在系统的层面（如图6所示）包括知识、理论系统；社会条件系统；基础设施系统；关键技术系统；专业应用系统；可持续发展系统；决策支持系统。

(1)知识、理论系统：由信息科学、空间科学、计算科学、计算机科学与技术、网络学、通讯学、统计学、虚拟现实、智能化模型、辅助决策支持、地理信息系统、遥感遥测系统、全球空间定位系统；城市学、城市经济学、城市地理学、城市与区域经济学、城市管理与决策学、城市社会学、城市化与现代化、城市信息化、信息社会、系统工程等相关的知识和理论储备组成。

(2)社会条件系统：由知识普及、广泛应用、人才培养、社会需求、法律法规等组成。

(3)基础设施系统：由网络、通讯设施、计算机应用及专业软件、国家空间信息设施（遥感卫星、定位卫星）、空间数据库、属性数据库等组成。

(4)关键技术系统：由空间信息系统技术、虚拟现实技术(Virtual Reality，VR主要实现实时三维模型、实时场景管理和城市仿真应用)与 VR GIS、网络技术与Web GIS等构成。

(5)专业应用系统：由城市规划建设管理信息系统、土地资源管理与动态监测系统、城市地下管网综合管理系统、生态环境保护监测信息系统、人口资源与管理信息系统、城市电子政务系统、电子商务物流信息平台系统、城市交通运输管理系统城市综合防灾与突发事件处置系统、房地产交易系统、旅游资源管理与服务系统、社区服务和社会保障系统、城市公众信息查询系统、城市企业和事业单位管理系统、政府管理与决策支持信息系统等组成。

(6)可持续发展系统：由城市资源子系统、社会环境子系统、社会经济子系统等组成。

(7)决策支持系统工作原理如下图7所示。

图3三维数字城市基础地理信息平台统一的应用框架

图4 三维数字城市基础地理信息平台“一张图”的愿景

图5 数字城市统一化信息管理平台整体架构

4.数字城市统一化信息管理平台的社会及经济效益分析

数字城市统一化的信息管理平台通过城市间、城市内的宽带网实现跨部门、跨平台的数据信息共享共用，将有助于打破各个城市部门间的信息壁垒，消除信息孤岛，实现多领域间

图6 数字城市统一化信息平台系统框架图

图7 数字城市统一化信息平台决策系统

的信息交换与共享，为城市其他部门进行系统建设带来了极大的便利，降低成本，促进了信息成果的社会化应用，社会和经济效益明显。据建设行业的专家预测，"十五"期间数字城市建设将拉动直接经济效益为数百亿，间接经济效益为上千亿，相关经济效益可达到上万亿。

(1)促进了信息集成与信息共享

该平台建设集成了大量的空间数据，包括基准数据、系列比例尺度地形图、遥感影像、数字高程模型、低下管线、地名数据等。这些信息以前只为数据生产等少数部门所拥有。在统一化信息平台下，通过集成建库，连接在政务专网上的用户就可以查询各种库内信息，有效促进城市内的信息共享。同时，这些数据因为有着共同的统一的平台及标准这些信息以前只为数据生产等少数部门所拥有。同时，这些数据因为有着共同的统一的平台及标准，很容易在我国各个城市间实现共享。

(2)提高了应用单位的信息化水平

利用该系统平台，可以为城市各个部门的地理信息系统的建设提供在线网络服务和技术支撑，使得各个相关部门的地理信息系统建设有一个飞速的发展，由起步阶段或一般应用很快跨入高水平的应用，不但节约经费，而且节约时间、提高了工作效率，促进了应用单位整体信息化水平的提高。

（3）减少了重复投入，节约经费

以前各个单位应用系统的开发都是各自为政、独立开发。统一化信息管理平台为应用系统的开发提供了基础的框架。在此基础上进行开发，可极大降低系统开发周期，节约人力物力，减少投入。

（4）为数字城市的全面可持续发展奠定了基础

各个城市通过统一化平台建设，将为我国积累了大量的地理空间数据，建立统一的数据标准，培养信息化人才，同时也将为我国各行各领域的数字化工程建设奠定良好的基础。

五．结语

“数字城市”是在信息社会、知识经济、可持续发展时代背景下，由空间科学、信息科学、地球科学和环境科学等现代科学的互相交融，是科学技术与社会发展需求紧密结合的结晶，是我国城市可持续发展和自主创新的必然依托，是人类组织城市浩如烟海的数据和信息的最佳方式。本文提出的我国三维数字城市建设的统一化信息管理平台，为解决我国数字化城市提供了一套可行的，符合我国国情的解决方案。展望未来，该统一化的信息平台必将会在我国的三维数字城市建设中起到越来越重要的作用。

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