关键技术

实现数字城市的关键技术为以下几个方面：高速图形图像宽带网络技术、全球卫星导航定位技术（GNSS）、航空航天遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）、大地水准面精化技术、海量空间数据存储技术、基于因特网的空间数据互操作技术、数据融合与挖掘技术、虚拟现实模型技术。

<一> 高速图形图像宽带网络技术
数字城市所需的数据与信息需要成千上万的不同组织来使用和维护，因此参与数字城市的服务器就需要高速网络来连接。网络技术是确保数字城市的信息畅通和共享的必要条件。由于计算机技术、光纤和无线通信技术的飞速发展，为高速宽带网络技术的快速发展奠定了基础。当前在因特网流量爆发性增长的驱动下，远程通信载体已经使用10G/S的网络，每秒TB级因特网正在研究中。在我国正在对“八横八纵”光缆网进行改造和扩容，并新建十余条光缆干线，将我国的光缆骨干网从格状变成环状，构建成新一代公众传输网。通信终端出现了个人数字助理（PDA）、无线上网（手机上网WAP）等等。因此数字城市建设中的计算机网络技术的发展趋势是：公用骨干电信网向分组化、大容量化发展；移动通信向高码率发展；通信终端向多媒体和移动化方向发展。此外，数字微波技术、卫星数据中继技术和调频副载波技术也在迅速发展，这些都为数字城市信息的实时传播和动态发布创造了必要技术条件。

<二> 全球卫星导航定位技术
全球卫星导航定位技术是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送的某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实现导航、定位测量的一种定位系统。目前国际上卫星导航定位系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及我国的北斗卫星导航广域增强系统。前三者为全球导航定位系统，后者为区域导航定位系统。现在国内外广泛使用的是GPS，这种定位方法的最新进展主要体现在，一是精密单点定位技术（precise point positioning），可以利用国际GPS地球动力学服务局（IGS）预报的GPS卫星精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据，同时利用某种方式得到的精密卫星钟差替代用户GPS定位观测方程中的卫星钟差参数，这样用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千平方千米乃至全球范围内的任意位置，都可以2～4dm级精度进行实时动态定位，或以2～4cm级精度进行快速静态定位。二是网络RTK，它是在较大的区域内建立多个坐标已知的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。在数字城市建设中可以利用网络RTK技术建立城市连续运行卫星定位服务系统（CORS），其主要作用是为所有与地理位置有关的城市各种信息提供一个统一的时空定位基准（坐标系统），以便实现数字城市多源数据无缝无边的拼接和整合，保证地理空间数据的一致性、兼容性和可转换性，同时为“数字城市”战略的实施提供实用的城市治安、城市突发公共事件应用和智能交通等的有力技术支持。

<三> 航空航天遥感技术
航空航天遥感技术是不接触物体本身，用传感器采集目标物的电磁波信息，经处理、分析后，识别目标物，揭示其几何、物理性质和相互联系及其变化规律的现代科学技术。当前多平台多传感器的航空航天遥感数据的获取技术，趋向于高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率。其空间分辨率从1Konos Ⅱ的1m进一步提高到Quick bird的0.61m。高光谱分辨率已达到5nm～6nm。时相分辨率的提高主要依赖于小卫星技术的发展，通过合理分布的小卫星星座和传感器的大角度倾斜可以以1天～3天的周期获得感兴趣地区的遥感影像。利用差分GPS（DGPS）和INS（惯性导航系统）的组合，可形成航空/航天影像传感器的位置与姿态自动测量的稳定装置（POS系统），从而可实现定点摄影和无地面控制的高精度对地直接定位，从而实现实时测图和实时数据库更新。机载激光雷达（LIDAR）是一种集激光、全球定位系统和惯性导航系统于一体的对地观测系统，能直接获取真实地表的高精度三维信息。数码相机的最大优势在于不增加飞行成本的大重叠度（例如80％以上）影像获取能力，能大幅度提高影像匹配及三维重建（或立体测图）的精度和可靠性，并制作真正射影像。在三维数字城市建设中，航空航天技术为实时获取城市基础地理空间数据提供先进的技术支撑。从大比例尺的航空影像可以获取房屋真三维模型，并提供数字高程模型和数字正射影像。目前可以利用低空飞行平台作为传感器载体，将数码相机安装在可以旋转的平台上，分条航带拍摄城区影像，再结合地面车载或手持数码相机拍摄的影像进行整体处理，生成建筑物立面影像拼接图等产品，以满足数字城市和三维场景可视化的需求。多光谱影像可用来区分数字城市的植被和人工设施；分辨率优于1m的卫星遥感影像亦可用于建筑物的三维模型重建；航空影像和激光扫描相结合，屋顶的结构能自动或半自动重建；数码相机和控制点定位结合，可获取建筑物更详细的立面信息。

<四> 地理信息技术
地理信息技术是在计算机软件和硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及其属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析应用的技术系统。它是将计算机技术与地理空间分布数据相结合，通过一系列空间操作和分析方法，为地球科学、环境科学和工程设计，乃至政府职能和企业经营等提供对规划、管理和决策有用的信息，并回答用户提出的有关问题。当代地理信息系统在技术方面有了一系列新进展，主要包括：通过互联网实现了分布式计算、系统互操作和硬、软件资源共享、数据多重应用和跨平台运行的WebGIS；将GIS各大功能模块分为若干组件，通过可视化软件开发工具集成为基础平台和应用系统的ComGIS；含有物体内部信息的体数据的显示和操作的体视化技术支持的三维GIS和描述带有时态变化的四维空间实体及其相互关系的四维GIS；实现在异构环境下，多个地理信息系统之间的相互通信和协作的GIS系统集成平台，允许用户通过互联网实时获得信息，并可分析和自主制作地图的互操作GIS；以空间智能体（GeoAgent）作为主要构成模块，能自动接收用户指令，通过与其他空间智能体的交换，为用户找到所需地理信息的CyberGIS和作为Cyber空间符号系统、对Cyber空间的物理位置和通信量状况等进行可视化描述的Cyber地图。地理信息系统正在从项目型、集中式向基于网络的业务系统和面向公众的社会型发展。地理信息服务（GIS web service）的观念使地理信息系统成为可运行的分布式开放性网络化GIS。信息共享、功能共享使用户不必购买数据库和GIS硬、软件，在任何时间、地点都可以通过Internet在终端设备上找到所需的地理信息服务。地理信息技术的这些发展和实用化，为数字城市战略的实施提供城市海量数据的存储、管理和维护的有效技术手段。GIS正在实现由2维或2.5维向3维数字城市描述转变。作为3D GIS核心的数据库，不仅要存储城市的图形数据、属性数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据，还要储存三维建筑物形状的重建和绘制、表面性质的描述和材质参数等。面向对象的数据库管理系统（DODBMS）或对象关系型数据等管理系统（ORDBMS）正在取代传统的管理模式，支持海量空间数据存储管理、空间数据自适应快速索引和多用户并发访问的海量空间数据库引擎已经出现。专门用于三维数字城市的GIS软件已经问世。

<五> 海量空间数据存储技术
在数字城市建设中，许多业务部门都需要操作海量数据，而且不同的部门有不同类型的数据，如规划部门有规划方面的数据，水利部门有水利方面的数据，气象部门有气象方面的数据，测绘部门有测绘方面的数据，这些部门都可能有几百兆甚至数十千兆的数据，如1m分辨率影像覆盖广东省，大约是1TB的数据，建立数字中国的影像数据就有53TB，这还只是一个时刻的，如果是多时相的动态数据，其容量就更大了。随着信息化程度的提高，数据已超出它原来的范畴，它包含各种空间数据、报表统计数据、文字、声音、图像、超文本等等各种环境和文化数据信息，因此在数字城市建设中的众多信息化设备，则需具备海量数据的存储能力，而且为了在海量数据中迅速找到所需的数据，还要建立元数据库，通过它了解有关数据的名称、位置、属性等信息，以此减少用户寻找所需数据的时间。

<六> 数据融合与挖掘技术
当前城市中的社会与经济活动日益频繁，每时每刻都会产生和积累大量的不同来源和不同尺度的城市空间信息与数据，而在建设数字城市中如何从这大量数据中自动快速有效地提取模式和发现知识，又如何有效地利用这些信息资源，使深层次的、基于城市空间数据的辅助决策能够得到有效实施，则是城市多元空间数据融合与数据挖掘技术所要解决的主要问题。任何来自单一遥感器的信息都只能反映地物目标某一个或几个方面的特征，数据融合技术一方面可有针对性地去除无用的信息，减少数据处理量，提高效率，另一方面又能将海量多源数据中有用信息集中起来，融合在一起，便于各种信息的特征互补，减少识别目标的模糊性和不确定性。而数据挖掘技术则是从数据集中识别出有效的、新颖的、潜在有用的、以及最终可理解的模式的非平凡过程，它是让人们在利用这些大量的数据进行政府决策管理、商业分析和科学研究等等活动时面对庞大的数据库不仅是简单的查询和维护，而是希望能够对这些数据进行较高层次的处理和分析，得到关于数据总体特征和对发展趋势的预测。

<七> 虚拟现实模型技术
可视化是实现数字城市与人交互的窗口和工具。空间信息可视化与虚拟现实模型技术的发展和应用，为实施数字城市建设提供三维描述方式和人机交互的虚拟城市环境。这个由计算机构成的高级人机交互系统是一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境。用户戴上头盔式三维立体显示器、数据手套及立体声耳机等，可以完全沉浸在计算机构造的虚拟图形世界里。用户在这个环境中实现观察、触摸、操作、检测等试验，有身临其境之感。这种空间信息可视化的应用，已经超出了传统城市地图符号及视觉变量表示法的水平，而是进入在动态、时空变化、多维和多时相的交互虚拟环境下探索城市，在提高空间数据的复杂过程和分析的洞察能力、多维和多时相数据的显示等方面，将有效地改善城市地理空间信息的传输时效。在虚拟现实模型技术支持下，数字城市或者说虚拟城市代替了传统的抽象地图和用来解释、分析和讨论城市规划、建设进展等的描述性文件，这种栩栩如生、身临其境的三维城市模型，克服了设计专家和用户之间的空间文化差异。现在虚拟现实模型技术发展很快，例如虚拟现实造型语言（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。近年来数字摄影测量的发展，已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟环境。它是对同一实体拍摄相片，产生视差，构造立体模型。