第2章 空间信息技术在数字城市中的应用
2.1 数字地球与数字城市概述
21世纪初始，信息化的浪潮席卷全球，信息化的脚步正以它前所未有的渗透力深入到社会生活的每个角落。在各种社会信息化建设一浪高过一浪的浪潮中，以数字化、网络化为主要特征的城市信息化建设浪潮也悄然向我们走来。随着因特网（Internet）的普及，3S技术的迅猛发展，人类从整体上已经进入信息社会。在信息社会里，最大的资源就是信息资源，谁掌握了信息，谁就掌握了主动权。“数字地球”概念的产生、地理信息系统的发展，极大地推动了“数字城市”的兴起。
2.1.1 “数字地球”及其意义
20世纪90年代以来，由于信息采集技术和信息量的突飞猛进，人们面临信息爆炸的问题。为了解决海量空间信息的泛滥问题并有效地组织和利用信息，1998年1月，美国副总统戈尔（A. Gore）提出了“数字地球”的概念，即信息化的地球，是把地球上的每一点信息按地球坐标加以整理，使之数字化、可视化，构成一个完整的地球信息模型，并同信息高速公路、知识经济等全新概念紧密结合，给人类勾画出一个重新认识地球、管理地球、合理有效地利用地球资源的美好前景。“数字地球”以空间数据（空间信息）为基础，以网络为依托，以虚拟现实技术为特征。它是一个三维、多分辨率、具有海量存储、面向公众的开放系统。“数字地球”的目标是建设以1 m地面分辨率为基础的全球空间数据库或空间数据仓库，将地球上的地图、影像、人文和社会经济信息组织起来，构成多分辨率、多类型、多时相的三维地球数据库，利用新一代 Internet 高速、海量的数据吞吐能力和虚拟现实技术，将地理信息传递到地球的每个角落，表达人类对赖以生存的地球从过去到现在，一直到将来的发展趋势的认识。概括地讲，“数字地球”就是在地理空间坐标框架内收集、组织、处理、分析、共享和利用全球各种高分辨率信息资源，是人类信息社会发展的高级阶段。“数字地球”的提出，是世界信息化发展的重要里程碑，具有十分重要的意义，主要体现在以下几个方面：
（1）“数字地球”是人类社会发展的共同需求。人类已经进入经济全球化和知识经济时代。人类的视野必须从一个社区、乡村聚落，拓展到一个国家，并使人类能过跨越国界的局限，关注世界每一角落、每天发生的事件，并思考其是否具有全球影响。“数字地球”正适应了这种要求。“数字地球”是人类搭建的一座“通天塔”，她将激励生活在地球上不同角落中的人们，在新的千年里朝着美好的未来共同努力。
（2）“数字地球”是人类准确认识地球、认识人地关系的重要工具。人类对地球环境的影响已经扩展到了全球，环境污染、温室效应、气候异常、水资源短缺、植被破坏、土地荒漠化等构成了人类正面临着的、前所未有的、重大而紧迫的全球环境问题，影响到地球上生活着的每一个人。“数字地球”将发展以虚拟现实为特色的计算技术，对地球上正在发生的过程，及其未来趋势进行三维展示，因而，将在解决诸多环境问题方面发挥重要的作用。
（3）“数字地球”是国家政治、经济、社会和文化发展战略的基础。以高分辨率、海量数据为基础的地理信息已经成为一个国家重要的战略资源。地理信息同时也是一把双刃剑，既可以服务于社会，为实现社会经济的可持续发展提供决策依据，也可以变成为战争的利器。发展“数字地球”，首先就是要为自己的国家利益服务，要为在21世纪继续保持一个国家在政治、经济、国防和科学技术等领域不断发展的重大战略目标服务。为了实现中国的可持续发展，促进知识经济的发展，积极迎接信息时代的挑战，并在区域和全球事物上发挥影响力，争取我国在国际上应有的权益，中国必须发展“数字地球”事业。
（4）“数字地球”的发展也是国家科学技术发展的一个战略性目标。“数字地球”的发展关系到信息技术、空间技术、控制技术、管理科学等的方方面面，本身就是一个综合性的科学技术体系，它的发展既依赖于一个国家整体的科学技术水平，反过来也将极大地推动整个科学技术的进步。国外已经把“数字化”当成21世纪新的竞争制高点。
（5）“数字地球”是信息技术在国家信息基础设施建设之上的深入发展。信息技术发展至今，计算机硬件、软件上的问题被相继克服，而人类面临的最大问题是数据和信息资源的相对短缺，其中地理信息更是人类社会生产生活不可或缺的重要资源。现代社会的发展节奏加快，城市化的日益提高，使几年前采集的地理数据很快过时。客观上要求人们在地理信息采集、处理、传输、存储等环节发展快速响应机制。“数字地球”的发展可以更好地解决信息高速公路上“人”、“路”、“车”和“货”之间关系的问题。人们已经通过各种手段收集到极其丰富的地球信息，但还需要有更好的手段和运行机制对这些数据进行及时的研究和处理，以满足对地理空间信息的广泛需求。“数字地球”以海量的地球空间信息为主要处理和分析的对象，其中既包含各种普通地图、专题地图所涵盖的信息，也包括海量卫星遥感影像数据；既包括公众通用的空间信息，也包括商业化专门信息，这些空间信息又是多分辨率、遍及全球的。
2.1.2 空间信息资源开发
国家（地球）空间数据基础设施是随着国家信息基础设施的发展而形成的。国家空间数据基础设施主要包括4个部分：地球空间数据框架（包括大地控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水系、行政境界、公共地籍等空间基础数据等），空间数据协调、管理与分发的体系和机构，空间数据交换标准以及空间数据交换中心（Clearing House）。它的发生和发展如同工业经济时代所形成的当时新的基础设施一样，如航运基础设施、能源基础设施等。国家地球空间数据基础设施是信息时代连接信息高速公路和“数字地球”的桥梁。“数字地球”是以信息基础设施和空间数据基础设施为依托的一个广泛的概念。发展和形成“数字地球”必须首先发展国家的信息基础设施和国家的空间数据基础设施。没有中国的信息基础设施和中国的空间数据基础设施也就不可能有中国的“数字地球”。
“数字地球”的核心就是多时相、高分辨率的空间信息资源的获取、开发和利用。它以支持海量空间遥感影像信息与多源地球信息集成和实时网络应用的全球信息基础设施为运行环境，网络用户能够对分布在世界任何地点的多源地球信息和影像信息进行提取和网络空间集成。而产生于20世纪60年代的地理信息系统（GIS）、后来的遥感（Remote Sensing）和全球定位系统（GPS），是获取、集成、分析、处理空间信息的核心技术和工具。它们已经成长为信息产业和信息技术当中一个十分重要的分支领域，创造了巨大的社会效益和经济效益，同时也在为研究和解决当今人类社会发展所面临的资源、环境、人口等诸多领域的问题方面发挥着重要的作用。
世界各国对空间信息资源的开发利用给予极大的关注。美国总统克林顿1993年签署了行政令投入四千亿美圆，将信息技术推进到人们的日常生活。1994年美国通过发布总统令，开始将地球空间数据的获取、处理、存储、分发、以及改进应用效果所必需的各种技术、政策、标准和人力资源开发作为“国家空间数据基础设施（National Spatial Data Infrastructure，NSDI）”的组成部分纳入国家信息基础设施，并建立了支撑NSDI运行的网络系统——“国家地球空间数据交换网络（NGDC）”。此后已有60多个国家有 NSDI计划或类似 NSDI 的计划，还有一些国家正在考虑、规划和着手本国的 NSDI 的建设。美国地质调查所（USGS）下属的国家测绘部（NIMA）已经完成覆盖全美的1∶200万全要素地形数据库、1∶10万地形数据库、1∶25万土地利用数据库，正在建立全国1∶2.4万地形数据库和1∶2万正射影像数据库，并无偿提供社会使用。在国际上，已经有十多个国际组织正致力于全球空间数据基础设施（Global Spatial Data Infrastructure，GSDI）的发展工作。我国已建成的国家1∶100万和1∶25万数字化地图数据库是我国法定的空间数据框架。但是这两个已建成的空间数据框架的比例尺不够大，因此急需国家和省市两级建立以航天和航空遥感影像为基础的国家级1∶5万和省级1∶1万数字空间数据库，从而可获得直至1 m分辨率的我国地面图像。这两类比例尺的地面图像可以作为我国整个国家空间数据基础设施的框架，是国家空间数据基础设施的基础和先行，是国家空间数据基础设施的一个重要组成部分。国家地球空间数据基础设施具有重大意义，是我国在发展知识经济中的一项支柱性产业；数字化地图是国家空间基础数据、基础设施的框架和骨干，是我国“数字地球”战略的根基。
2.1.3 “数字城市”及其意义
城市具有人口密集、交通便利、信息量大、经济发达、文化繁荣等重要特征，是人类文明的辐射源和聚集地，是社会全面及可持续发展的核心和枢纽。因而，21世纪又有“城市的世纪”之称。对我国西部来说，城市的火车头作用更加突出和重要，只有城市健康全面地发展，才能带动西部乡村的全面发展，但城市发展面临诸多挑战，包括交通拥挤、环境污染、安全保障、规划管理、社区建设等。因而，比尔·盖次认为，“在当今世界，一座城市不跟踪最新社会，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座衰落的城市”。世界城市化进程正在促使全球的城市和区域结构发生深刻的变化。未来新型的大型城市必将是高度信息化的城市。城市信息化必将成为21世纪城市发展的新主题、新动力。面对这一新的时代潮流，能否做到顺势应变和把握先机，成为未来城市兴衰的先决条件。因而，启动“数字城市”是竞争的需要。
数字城市（Digital City）又称网络城市，或智能城市，更确切地说是信息城市，它是数字地球的主要组成部分。具体地说，数字城市就是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用3S技术（遥感RS、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS）、遥测、仿真—虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述。它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真及优化决策支持和可视化表现等强大功能。数字城市能够将现代城市每一个角落的信息都收集、整理、归纳，并按照地理坐标建立完整的信息模型，再用网络联结起来，从而使每个人都能快速、完整、形象地了解城市过去、现状和未来的宏观和微观的各种情况。并充分发挥这些数据的作用从而实现跨行业综合基础数据共享。数字城市是“数字中国”的组成部分和开发研制示范工程项目。数字城市的建设是推进城市建设发展的全新工具，同时，也将全面、技术地对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。从而便于为城市的管理决策服务、为城市的可持续发展服务、为城市人民服务，以及为城市与城市之间的信息交流服务。数字城市建设将从各个方面体现信息消费对人类的重要性并促进人类的信息需求从而使信息产业的发展成为一个新的经济增长点实现数字城市的关键技术。
数字城市是当今信息社会的集中体现，是整个“数字地球”的核心部分。数字化已经无处不在，成为时代的标志。所谓“数字城市”与“园林城市”、“生态城市”、“山水城市”一样，是对城市发展方向的一种描述，是指数字技术、信息技术、网络技术要渗透到城市生活的各个方面。这将是世纪之交最重要的技术革命，将深刻改变人们习惯的工作方式、生活方式，甚至风俗习惯和思维方法。一些发达国家已经开始了智能大厦、数字家庭、数字社区和数字城市建设的实验。例如，新加坡首先提出了智能城市的设想，并在积极进行中；美国与日本等已分别建成了一批智能化生活小区的示范工程；美国约有50个城市正在打算建设“数字城市”等。
随着城市化进程加快，城市群落形成，环境。交通等日趋紧张，对网络化管理和动态调控的需求也日趋增加。遥感系统、全球定位系统、数据自动采集系统和因特网和高速宽带网络技术的结合应用，使城市持续发展等方面都产生了飞跃。与发达国家相比，我国城市数字化工程起步晚而起点高，是城市化、数字化同步推进，有高新科技作后盾，完全可能后来居上。正如媒体所描述的那样：信息技术造就了当代最先进的生产力，对于城市来说，管理经济等诸多方面都面临着新经济变革带来的挑战。城市建设面临着向数字化、网络化、信息化方面迈进的重大转变。
“数字城市”是城市信息化发展的必然方向和最终目标，也是人类进步和文明发展的重要标志，是城市现代化的重要载体，是实施城市可持续发展和实现社会生产力跨越式发展的重要手段，为发挥后发优势提供了千载难逢的机遇；是21世纪社会、经济、文化生活发展最主要的推动力，也是一个城市融入全球化发展、提高综合竞争力的迫切要求和必然选择；“数字城市”建设将极大地改善环境、提升城市服务功能，改变思维、工作和生活方式、改善生活质量；是加强城市管理的关键、核心和基础，为城市规划、建设和管理提供了全新的强有力的工具。
2.2 数字城市的发展历程与趋势
纵观国内外“数字城市”的发展历程和趋势，大致可划分为起步、发展、成熟三个阶段。就目前总体状况而言，除美国、英国、加拿大等发达国家正在逐步迈向成熟阶段外，大部分国家处于起步和发展阶段。
1）起步阶段——以信息基础设施建设为重点
20世纪90年代初期，各国信息化建设以信息基础设施建设为重点。1993年，美国政府全力推进“信息高速公路”，即国家信息基础设施建设，可视为“数字城市”建设的开始。1994年，美国政府在《国情咨文》中明确提出，要把美国的每一间教室、每一个图书馆、每一家医院，乃至企业、商店、银行、新闻机构、电视台、会议厅、娱乐场所的计算机数据都联系起来，形成覆盖全国的“信息高速公路”网。与此同时，英国伦敦也在积极推进“数字伦敦”计划，到2001年，已有40%左右的市民家庭使用互联网。
从总体上看，我国在信息化起步阶段也取得长足进展，信息基础设施逐步完善，信息网络成为支撑经济社会发展的重要基础设施。2008年中国互联网用户数量已居世界第一，广播电视网络基本覆盖了全国的行政村。目前，国内已有100多个城市不同程度地开展了“数字城市”建设工作，制定“数字城市”发展规划，加快信息基础设施建设，开展相关信息系统开发应用。但同时我们也看到，各个地区、各系统之间缺乏资源和信息的整合共享，信息孤岛现象严重，导致大部分系统应用层次不高。
2）发展阶段——以电子政务、电子商务和社区信息化建设为中心
发达国家开始通过大力发展电子政务、电子商务和社区信息化建设，有效地推动经济社会的全面信息化。信息通信技术（ICT）与地理信息技术（GIS）已经成为覆盖全社会各个领域、广泛应用的基本工具。到该阶段发展后期，面向市民的在线公共服务，越来越受到各国政府的高度重视，以市民为中心已经成为发达国家电子政务建设的核心理念。1998年，美国约有60个城市同时进行数字化建设，已建成一批“智能化生活小区（数字社区）”示范工程。目前，美国电子政务已进入全面发展阶段，全美已建政府网站2.2万多个，可搜索到的分站点超过5100万个，形成了“网站多、内容全、应用广”的特点。
其他发达国家电子政务的发展也非常迅速。1999年，欧盟提出“电子欧洲”，并发布欧洲信息社会的建设战略——《电子欧洲：所有人的信息社会》。该战略在电子政务建设方面，明确了互联网对于政务信息公开的重要意义。为落实“电子欧洲”战略的总体目标，2005年，欧盟又提出信息化“i2010”计划，并于次年发布《i2010电子政务行动计划》，以指导公共服务领域更好地运用信息技术。2002年，澳大利亚联邦政府提出以“更优的服务、更好的政府”为目标的电子政务发展战略，整合政府和部门之间的网上服务，促进信息在不同层级政府及部门之间共享，面向公众提供“一站式”服务。2006年，日本正式出台《IT 新改革战略》，提出通过在行政领域灵活应用信息通信技术，提高国民生活的便利程度，简化行政环节，提高行政效率及增加行政行为的透明度，建成世界上最便利、高效的电子政府。新加坡制定了建设东南亚“智慧岛”的知识经济发展战略，是最早推行“政府信息化”并取得显著成效的国家之一，其“电子公民中心”是该国电子政务最有特色的部分。它将不同政府部门的服务职能巧妙地联系在一起，并以“一揽子”方式提供给全体公民。
电子商务也得到了快速发展。2003年，德国电子商务业务量首次突破1000亿欧圆，成为欧洲最重要的电子商务市场。2005年，德国50%以上的工业生产和80%以上的出口依靠最先进的信息与通信系统。在其制造业中，约50%的增加值和新增就业机会及50%以上的出口业务，都与信息通信技术创新联系在一起。
北京、上海等城市的“数字城市”建设走在全国前列。北京市以“数字奥运”建设为契机，以服务政务、服务公众、服务奥运为目标，进行“数字北京”建设，成为国内数字城市建设的领跑者。北京市信息基础设施较为完善，空间地理信息平台、政务信息资源共享交换平台对城市管理的支撑作用不断增强。特别是信息资源中心的建立与有效运行，在支撑政府可视化决策指挥、协同办公、行政管理，提高政府公共管理和服务水平等方面发挥出了重要作用。上海把优先发展城市信息化确立为未来发展的基本战略之一，把城市信息化作为增强城市综合竞争力的重要途径和步骤。很多城市的政府信息系统、社会保障信息系统、交通管理信息系统、电子商务交易系统、远程教育系统，以及智能化社区等也都取得了较好地应用效果。按照Web 2.0理念，政务网站的建设正由以政府为中心转变为以用户为中心，成为政府与公众联系的渠道，在政府信息公开、公众参与互动、在线事务处理和网上便民服务四个方面为公众提供及时、便捷、高效、易用的“一站式”信息服务。
3）成熟阶段——以信息化高度支撑经济社会的全面发展为趋势
成熟阶段的“数字城市”将面向知识处理，成为集知识创造、存储、加工和传播为一体的综合性知识管理系统。应用数据挖掘技术，从海量数据和信息中挖掘出潜在的知识，形成可共享的“知识库”是“数字城市”走向成熟的关键。“数字城市”发展成熟阶段，人人可以创造、获取、使用与分享信息和知识，个人、企业、社会组织和国家均能充分发挥各自的潜力，促进实现可持续发展并提高生活质量。每个人无论身在何处，均有机会参与到这个信息社会中来。信息化全面支撑经济社会发展，信息技术广泛应用，促进了人们生产方式、生活方式、行为方式的重大变革。
成熟阶段的“数字城市”应是一个知识搜集、分析和应用的智能决策支持系统。是将知识管理与经济社会的运转过程紧密结合起来，能够为经济社会各主体的科学决策提供强大的信息支持和知识支持，从而提高整个社会的管理水平和运行效率；是将知识管理和政府决策过程紧密结合起来，实现政府决策过程的自动化、智能化，从而提高政府的决策品质。目前，只有少数发达国家的“数字城市”建设正在迈向成熟期。
国内一些信息化发展较快的城市大都结合自身的具体情况，纷纷进行“数字城市”的规划和建设，并取得了一定的经验。主要表现为以下几点：
1）科学规划，确保“数字城市”建设有序进行
高标准、高起点制定发展规划是“数字城市”建设的前提条件，国内一些城市的实践已经得到证明。北京市制定实施《“十一五”时期国民经济和社会信息化发展规划》、《电子政务信息资源共享交换体系规划》、《十一五期间城市减灾应急体系建设规划》等专项规划，将信息化作为首都现代化建设的基本战略，全面建设“数字北京”，以信息化带动城市服务和管理水平的提高，带动经济结构调整和发展方式转变，为服务奥运、构建和谐北京提供了有力保障。青岛市及时抓住电子政务发展的先机，早在2001年年初，在全国率先组织开展了电子政务战略与技术研究，编发了《青岛市电子政务工程2002—2005年规划》，奠定了进入全国电子政务先进城市行列的基础。而扬州市早已制定了“数字扬州”建设规划，强化信息基础设施建设，在取得阶段性成果的基础上，2008年又提出了“‘数字扬州’2010行动计划”，启动新一轮的信息化重点应用工程建设。
2）优化配置，强调电子政务建设“四统一”
北京、南京、苏州、合肥等先进城市积极推行电子政务建设“四统一”，收到良好的效果。
统一的电子政务网络。按照“纵向到底、横向到边、纵横互联”的目标，建设统一的电子政务城域网和宽带无线网，为电子政务的深入应用提供了优质网络支撑，为不同的应用对象提供网络服务，实现市级五套班子、市直部门和市、县、乡的统一接入，节约了资源和费用，提高了管理效能。
统一的信息资源管理机构。政务信息资源开发利用已成为电子政务建设的重要课题。为有效解决“条块分割”、“信息孤岛”等困扰信息化工作的突出问题，各地都纷纷成立信息资源管理中心，建立信息资源开发利用协调机制，制定技术标准和管理规范，推进信息资源交换、共享、整合与增值服务，统筹数据资源管理，对沉淀政务数据进行信息挖掘、分析，并通过可视化、场景式展示，为信息资源开发利用、辅助政府科学决策奠定良好基础。
统一的电子政务协同办公平台。为避免重复建设，按照“一套软件、一个平台，多级应用”的思路，依托统一的电子政务网络，统一建设电子政务协同办公平台，将党委、人大、政府、政协、纪检，以及县市区、部门等系统有机地联系起来，通过CA(7)认证，实现机关工作人员同台、分级、授权办公，各基础业务数据资源的有效共享和交换。
统一的市级政务机房。统一建设市级政务机房，实行基础网络、硬件设备、应用软件、安全保障等的统一管理，为电子政务网络设备、服务器集群，以及各级各部门托管服务器提供机房环境，实现信息基础设施和公共平台的统一运维，降低了建设运维成本，提高了工作效率，保证了信息和网络安全。
“四统一”的体制既有效地防止和克服了各自为政、分散建设、重复浪费的问题，又充分考虑各级各部门业务特点和建设基础，调动了各级各部门的积极性，实现分级负责、协同推进。
3）积极探索，建立有效的信息化推进机制
行之有效的信息化推进机制对于信息化发展将会起到有力的促进作用。国内先进城市信息化推进机制各具特色，主要做法是：将信息化建设作为“一把手”工程，重视信息化政策法规建设，建立信息化建设投入机制和信息化绩效考核制度，在各级机关和企、事业单位实行首席信息主管（CIO）制度等。合肥市建立信息化绩效考核制度，将信息化建设与应用列为对部门、县市区行政执行力考核的三大指标之一，主要考核核心业务的信息化建设和应用水平；南京市探索建立督查激励机制，利用信息化手段监督审批权、执法权，促进行政权力“阳光”运行；苏州市在全国率先建立起了市级党政机关首席信息主管（CIO）制度，为信息化工作的全面推进提供了强有力的组织保障。青岛市在市、县市区、乡镇三级机关组织建设统一的电子政务网络系统，确定了统一机构、统一规划、统一网络、统一软件、分级管理的“四统一分”管理体制，从体制上保证了电子政务健康发展。
综上所述，随着信息通信技术的快速发展，信息化已渗透到经济社会发展的各个领域，“数字城市”在当今时代已成为信息化发展的新的表现形式，进入了深入发展、广泛应用阶段。就国内外“数字城市”建设的基本经验看，信息基础设施的建设完善是基础，信息技术的深入应用是核心，提高政府行政效能、推动经济社会发展、满足人民群众日益增长的物质文化需求是“数字城市”建设的根本目的。电子政务也从政府内部办公转向服务于各级各部门资源共享下的全面业务协同，政务网站从信息发布窗口向以信息公开、在线办事、公众参与为主要内容的“网上政府”门户转变，通过场景式、人性化的界面，为公众提供及时、便捷、高效的信息服务。随着信息化与工业化的不断融合，“数字城市”建设对于城市的未来发展越来越显示出它的巨大作用。就国内情况看，北京、上海等大城市起步较早，特别是北京以“数字奥运”为契机，大力推进信息化建设，取得了显著成绩，信息化水平有了大幅提高。但就全国而言，“数字城市”发展很不均衡，基本处于起步阶段。