GIS 应用于数字城市的理论与实践张超中国地理学会数量地理专业委员会主任全国高校计量地理与 GIS 教学研究会主任华东师范大学终身教授

GIS应用于数字城市的理论与实践 张超中国地理学会数量地理专业委员会主任全国高校计量地理与GIS教学研究会主任华东师范大学终身教授

一、数字地球、数字城市与数字上海二、地理信息系统技术三、数字上海地理信息系统平台建设四、地理信息系统的应用实践五、结 语 GIS应用于数字城市的理论与实践

一、数字地球、数字城市与数字上海 （一）数字地球 1、数字地球的定义 Al Gore在其1998年的报告中指出：数字地球是指一个以地理坐标（经纬网）为依据的、具有多分辨率海量数据的、立体显示地球的技术系统。数字地球的概念，可以归纳为以下三个方面：（1）数字地球指数字化的三维显示的虚拟地球，或指信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化与可视化的地球技术系统。（2）实施数字地球计划，需要有政府、企业和学术界共同齐心协力参加。实施数字地球计划是社会的行为，需要全社会来关心和支持。（3）数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术、经济发展和推动社会的进步。

世界夜间灯光分布图 由美国军用气象卫星图像镶嵌而成。显示城市、人口密集于沿海地带；北美、欧洲、东南亚最为密集；陆地上尚有20%以上属荒芜地区。

2、数字地球产生的背景 （1）科学背景：地球表层系统科学的发展，地球表层系统是复杂巨系统。地理信息的内容是丰富的，数据量是巨大的，地理信息技术已经发展到较高的水平。地理信息科学的发展，地理概念空间表达、地理空间认知、信息时代的地理学的发展，为国家空间信息基础设施和数字地球的诞生奠定了理论基础。（2）技术背景：遥感、遥测、全球定位系统及地理信息系统等空间信息科学技术已成为研究自然、社会、经济的重要手段。（3）社会背景：人类科学技术的发展和社会经济进步除了产生巨大的财富外，也产生了人类面临的社会可持续发展问题。在资源短缺、环境恶化、人口膨胀以及经济的可持续发展和经济全球化背景下，社会发展对于全球信息的需求更加迫切。（4）政治背景

（二）数字城市 1、数字城市的定义数字城市是指城市规划建设与运营管理以及城市生产与生活活动中，利用数字化信息处理技术和网络通信技术，将城市的各种数字信息及各种信息资源加以整合并充分利用。我们认为数字城市是以地理信息系统（GIS）为核心技术，运用全球定位系统（GPS）、遥感系统（RS）等关键技术，深入开发和应用空间信息资源，建设服务与城市规划、建设和管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和利用体系。

美国田纳西州数字地理信息系统

2、数字地球与数字城市的关系 数字城市源于数字地球，城市作为信息产生、应用、辐射最重要的枢纽，又是维系数字地球框架的重要节点。数字城市是一个不断发展和演绎的理念，广义的数字城市是指城市信息化，它涉及城市信息化的方方面面；狭义的数字城市是指空间信息为基础的城市地理信息系统。

（三）数字上海 1、广义上讲，“数字上海”即上海城市信息化，涉及到城市信息化建设的方方面面，不仅包括各种信息化基础设施的建设，还将涉及信息化过程中所产生的社会经济关系和文化伦理观念的变化与调整。如整合城市信息资源，实现城市经济信息化，建立城市电子政府、电子商务企业、电子社区，发展信息家电、远程教育、网上医疗等。都可以作为“数字城市”的组成部分。广义上的“数字城市”着眼于描绘城市信息化的未来。

2、狭义上讲，“数字上海”就是以信息高速公路为基础，采用地理信息系统、遥感、全球定位系统、海量数据存储、虚拟现实、网络、多媒体等技术、对上海市广泛而丰富的信息资源进行统一、有效地管理和整合，通过所提供的虚拟现实界面、便捷的交互、共享以及丰富的辅助决策和管理功能，逐步达到上海现实社会的虚拟再现。2、狭义上讲，“数字上海”就是以信息高速公路为基础，采用地理信息系统、遥感、全球定位系统、海量数据存储、虚拟现实、网络、多媒体等技术、对上海市广泛而丰富的信息资源进行统一、有效地管理和整合，通过所提供的虚拟现实界面、便捷的交互、共享以及丰富的辅助决策和管理功能，逐步达到上海现实社会的虚拟再现。

3、需求和意义 上海是一个现代的国际大都市。城市规划、建设、管理与服务追求的目标是高起点的规划、高标准的建设、高效率的管理和高质量的服务。在城市规划管理、规划设计、市政建设、住宅产业发展、土地监测管理、环境监测评价、地质灾害防治与城市可持续发展战略研究制定的众多方面，都需要完整、准确和全面的关于城市及其周边环境的动态空间信息的支持。同时，城市空间数据所蕴含的丰富信息，可为城市特殊行业和广大企业所利用从而产生积极的社会效益和经济效益。此外，面向社会公众提供开放性的空间信息服务，对于改善和提高人们的生活质量与效率也将具有重要意义。

4、机遇与挑战 21世纪上海城市的发展将为“数字上海”的发展提供十分广阔的舞台，同时也为上海城市空间数据获取、管理和应用带来新的挑战。

二、地理信息系统技术 1、地理信息系统的定义地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。它具有以下特征：a.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；b.以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息；c.由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务，计算机系统的支持是GIS的重要特征，使GIS得到快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。（一）“数字上海”的关键技术——地理信息系统

空间位置：（x,y,z）or (Topo) 时间过程：（t）各种属性：a（x,y,z,t）地理信息地理信息系统数据存储、管理、处理、分析、显示与分发信息系统对于GIS的理解

空间数据 属性数据 name address down St. zip G GIS IS GIS是什么

人员数据软件数据软硬件及网络管理（模型） GIS GIS 标准模型人员硬件 GIS基本构成

2、GIS的重要数据源——遥感信息 遥感是运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波特性记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特性、性质及其变化规律的技术，是地理信息系统的重要数据源。

中国遥感影像图

3、GIS空间定位技术——GPS 全球定位系统是利用导航卫星，通过电子测距，采用距离交会的算法、对空中、海上和陆地的目标实现全球性、全天候的精确定位的技术。 GPS系统由三部分组成：空间部分——GPS卫星星座、地面控制部分——地面监控系统、用户设备部分 ——GPS信号接收机。这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。下图为美国与欧洲的GPS系统组成。

手持GPS接收机 美国与欧洲的GPS系统组成

4、网络地理信息系统 网络地理信息系统是指基于Internet平台、客户端应用软件采用WWW协议运行在互联网上的地理信息系统，是利用互联网技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术，其核心是在地理信息系统中嵌入HTTP和TCP/IP标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信息管理等地理信息系统功能。

5、虚拟现实地理信息系统 虚拟现实地理信息系统是虚拟现实与地理信息系统相结合的技术，是一种用于研究地球科学的、或以地球科学系统为对象的虚拟现实技术，也是近年来一个新兴的地理信息系统的研究分支。

虚拟洛杉矶

虚拟深圳

虚拟漳州

（二）地理信息系统的基本功能 1、数据的采集与编辑数据采集与编辑功能就是保证各层实体的地物要素按顺序转化为x、y坐标及对应的代码输入到计算机中。通常数据采集的方式有以下几种：①通过纸质地图的数字化获取数据；②直接通过数字数据获取数据；③通过GPS采集数据；④直接获取坐标数据。

GIS的数据采集功能

2、数据存储与管理 3、数据处理与变换由于GIS中的数据类型多种多样，同一种类型数据的质量也可能有很大的差异，为了保证系统数据的规范和统一，建立满足用户需求的数据文件，数据处理是GIS的基本功能之一，其任务和操作内容有：数据变换、数据重构和数据抽取。 4、空间统计与分析空间统计与分析主要包括拓扑叠置分析、缓冲区分析、数字地形分析和空间集合分析等。 5、产品制作与显示

空间叠置分析

（三）地理信息系统的的发展

三、“数字上海”地理信息系统平台建设 （一）“数字上海”体系 1、“数字上海”体系框架

上海城市信息资源数字化系统总体框架

2、国外数字城市基础平台建设现状 1994年，美国颁布了12906号总统行政令，实施国家空间数据基础计划（NSDI），正是在美国政府与非政府部门中开展直接协调地理空间数据收集和管理活动。英国政府在认识和分析美国NSDI成功和问题的基础上，提出了国家地理空间数据框架（NGDF）发展计划，以促进和鼓舞地理空间数据的有效链接、综合和广泛应用。澳大利亚联邦空间数据委员会制定了空间管理机构与领导机构的权利与责任、联邦公益空间数据转让等政策。

美国于1995年提出了NDGDF实施计划，开始建立包括大地测量控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水文、行政单元以及共用地块地籍在内的数据框架。美国于1995年提出了NDGDF实施计划，开始建立包括大地测量控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水文、行政单元以及共用地块地籍在内的数据框架。加拿大Geomatics Canada 负责全加拿大国家地形数据库，已经形成1：25万地形数据库和南郊人口稠密地区的1：5万地形数据库。欧洲大多数国家版图较小，数字地理空间数据生产基础较好。英国陆军测量局从20世纪70年开始从事数字化制图，已正式向社会提供全国范围的1：5万、 1：25万以及城市地区 1：1250、农村地区1：2500、山区及荒地1：1000的数字化地图。德、法、荷等国也建立各国的空间数据框架。日本是亚洲地区最早开展地理信息化工作的国家。目前已能向社会提供DEM数字地图等系列产品。

2、国内数字城市基础平台建设现状 北京 2000年初，北京市信息化办公室制定了“数字北京工程总体框架及发展规划”，其中明确提出“十五”期间通过实施“三三四四零工程”，即三项信息基础设施——空间数据基础设施、GPS综合服务体系、信息资源管理体系建设；三项软环境——政策法规、技术标准、安全保密措施的研究与制定；四个示范工程——数字奥运、数字中关村、数字西城区、数字绿化隔离带建设；四十个应用示范项目 ——电子政务、电子商务、科教信息网、社会保障信息系统、信息化社区建设等，最终实现数字北京。

3、数字上海建设现状 （1）上海市完成了所有基本比例尺地形图的数字化上海市至今已完成了上海行政区域范围内所有基本比例尺地形图的数字化。包括市中心区1：500地形图7749幅、城郊1：1000地形图5369幅、覆盖全市1：2000地形图8617幅、1：1万地形图322幅、1：5万地形图30幅、1：2000数字正射影像图2600幅。根据上海城市规划、市政工程建设的要求和上海市测绘院的生产能力，已经确定1：500、1：1000、1：2000、1：1万数字线划地图的更新周期分别为2、3、4、5年，以满足用户对数字线划地图现势性要求。

（2）进行了城市遥感影像系统应用 上海城市遥感影像系统应用起步早、范围广，已在上海地区为城市规划、建设、管理及资源调查等方面，收集了许多时相的卫星遥感影像数据，其中有TM、SPOT、IRS的资料，并利用这些卫星遥感影像数据编制了上海行政挂图、城市发展态势图、热岛效应分布图、土地资源利用分布图等图件。卫星遥感图像在城市规划、环境保护等领域已经得到很好的效果。

（3）探索了数字共享机制和应用标准 早在1994年，为了适应GIS应用需要，已经组织有关单位研究并编制了《上海GIS基础图标准》，而且在实践应用中，逐步加快数据的标准和规范化工作，通过借鉴外国的成功经验，初步形成了“数据管理政策”、“数据描述标准”、“技术标准”等文本，为上海市GIS应用发展起到了良好的指导作用。还完成了《上海市中心城街坊编码》和《上海市中心城道路编码》两个基础信息编码的制定工作，为实现行业间数据交换、共享积累了经验，创造了条件。目前，有不少行业的管理部门正在进行本行业标准信息代码的编制工作，这些信息标准化、规范化的工作将极大地促进上海市GIS的应用。

（4）开发了多领域的地理信息应用系统 上海在城市规划、建设和管理的很多部门建立了GIS应用系统，无论是数量、质量还是应用深度都有很大的进步，如上海市人民政府的综合地理信息系统、上海市市政设施、公路设施管理GIS、上海市铁路设施管理GIS、上海煤气管网信息系统、上海市自来水供水信息系统、上海市土地管理系统、上海市园林管理地理信息系统、上海市区及黄浦江上游洪水风险地理信息系统、上海市工程地质地理信息系统等。GIS的应用已经开始改变传统的管理方式，产生了较好的社会和经济效益。

（5）内容 具体建设内容可分三个层次： • 基础核心层：重点研究城市基础数据库的建设。 • 专业应用层：主要包括城市建设与管理领域的各部门以及其他专业部门，重点研究本部门在空间数据库的基础上建设专业应用信息系统。 • 综合服务层：包括社会和经济各有关部门，企事业单位及科研所，研究海量空间信息与商业化信息、社会化信息等的集成处理，建设基于Web的城市综合服务信息系统。具体内容如下图所示。

（二）“数字上海”空间信息基础数据平台的主要内容（二）“数字上海”空间信息基础数据平台的主要内容 “数字上海”空间信息基础数据平台所涉及的基础设施，主要借助于上海城市信息化基础设施，“数字上海”空间信息基础数据平台的主要内容包括： • 上海地形框架要素库（包括道路、铁路、河流及道路中心线） • 1：5万数字化遥感信息库（600dpi扫描分辨率） • 数字化城市基本地理统计单元信息（包括街道、路段、道路交叉点） • 上海行政区划图库（包括市、县区、街道乡镇） • 人口统计分布信息作为基础数据平台，它覆盖了上海市全部地域的空间信息基础数据，作为地理空间基础框架，它提供了上海城市统一参照的定位标志，基础数据平台的这种功能是其它系统无法替代的。

（三）上海市GIS综合应用体系 1、政府、企业和社会需求分析 2、GIS数据的分类分级体系 3、GIS辅助决策应用体系 4、GIS集成方式 5、上海市GIS综合应用总体框架的构建

6、综合应用规划的依据和原则 ① 规划目标-依据国务院办公厅“关于促进我国国家空间信息基础设施建设和应用的通知”和上海市人民政府“关于上海市‘十五’国民经济和社会信息化重点专项规划的通知”等文件的精神，结合上海市GIS应用发展的实际情况和需求，制定总体的规划目标和分阶段的具体目标。 ② 指导思想-深入贯彻国家和市政府信息化的指导方针，把握我国加入世界贸易组织和举办世博会的机遇，顺应国际GIS应用的发展趋势，在“九五”应用建设的基础上，确立综合应用、全面规划、重点突出、分步实施的指导思想。 ③ 实施原则-统一规划、交流合作、推广应用、发展产业、加强管理、资源共享，实现开创性、坚韧性和操作性的有机统一。 ④ 发展战略-一个工程（GIS综合应用服务工程）、两个体系（空间信息服务体系、实施保障体系）、三个产业（数据产业、GIS软件产业、应用服务产业）。将GIS应用融入各行各业的业务运行系统，推进传统产业的改造进程，同时也壮大GIS产业自身。

7、综合利用实施策略与建设 GIS综合应用的实施包括硬件、软件、应用模型、数据和人五个要素，为保证大规模行业应用的开展，数据产业的形成、一定数量的GIS服务行业的支撑、良好应用环境的营造是十分重要的条件，为此，需对以下几方面内容进行研究： ① 把加强政府引导和发挥市场机制作用结合起来 ② 把GIS系统建设与培育GIS“龙头”产业和软件“拳头”产品结合起来 ③ 把推进政府、企业应用和提高公共服务水平结合起来 ④ 把单位交流合作、信息共享与信息安全结合起来 ⑤ 把全面应用与重点推进结合起来

四、地理信息系统的应用实践 1、“数字农业”空间信息管理平台的建设 “数字农业”平台建设的重点是从“三个平台”入手。“三个平台”是指空间数据平台、网络基础设施平台和应用服务平台。 “数字农业”平台的建设，需要进行“四项工程”，即：①信息标准化制定；②数据库建设；③应用系统建设；④数据的更新和维护。

数字农业综合决策指挥系统 政策法规数据标准人才培养流通部门菜办水产办畜牧办农机办研究所 ………… 生产产地加工企业政府部门涉农研究部门生产加工部门农业信息库（专家系统）数字农业基础数据平台（地理）数字农业信息基础设施平台（网络）数字农业平台建设总体思想框架 “数字农业”平台建设总体思想框架

GIS 应用于数字城市的理论与实践张超中国地理学会数量地理专业委员会主任全国高校计量地理与 GIS 教学研究会主任华东师范大学终身教授