数码城市（CyberCity）的概念、技术支撑和典型应用 李德仁院士 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室
摘要
本文介绍了有关数码城市CyberCity的概念、技术支撑和典型应用。论文从CyberSpace的概念出发，引出CyberCity的概念，随后从建立数码城市的需要出发，简要介绍了其六大支撑技术，即信息高速公路与计算机网络技术、航空航天遥感技术、三维数码城市GIS技术、差分GPS技术、城市差分GPS服务系统技术和数据库管理技术。文章第三部分重点介绍了数码城市的主要应用。文章的主要结论认为：数码城市作为信息时代城市发展的一面旗帜，应当高高举起。
关键词
赛博空间，数码城市，GIS，虚拟现实技术，航空航天遥感技术，差分GPS技术，联邦数据库与互操作，三维城市规划，智能交通。 （一）从赛博空间到数码城市
1.1 赛博空间（CyberSpace湖南电梯门事件）
赛博空间的概念是美国小说家Wiliam Ginson最早提出的，他在1984年出版的著名科幻小说《精神人》中，将赛博空间定义为由计算机生成的景观，是连接世界上所有人、计算机和各种信息源的全球计算机网络的虚拟空间。
赛博空间提出的时间不长，由于Cyber本身有虚拟、计算机化、数字化、网络化及多维等含义，关于它的概念尚未有一个明确、统一的中文定义，但是我们可以这样理解：赛博空间是一个多维虚拟空间，它的数据信息存储在计算机网络上，任何一个虚拟空间的产生都依赖于存储在因特网内的电子数据。尽管赛博空间存在的历史还不到二十年，但是它以惊人的速度发展，很快就遍及世界上最大的计算机网络——因特网。如今它仍旧以每年翻倍的速度继续向前发展，估计它将是21世纪网络科学发展的又一个新标志。
赛博空间有其独特的空间特性。在这里，物理距离已无意义，我们必须设想一个方法来表达距离。第一个是有效距离，这是一种功能距离，如用时间或成本来表达的距离。第二种是心理距离，即们们从认知上感到与对象多么靠近的主观度量。第三种是整体距离，在此每条链有单位长度。另外，大多数赛博空间不考虑地球引力。事实上，地球引力的方向和
大小或时间因果关系可以任意定义，容易修改。再有，描述赛博空间的三维矢量的单位长度和方向随着位置变换。从这种意义上来说，单个建筑物和街道的大小或是形状不受空间条件的约束。保持空间形状的唯一要素是拓扑关系。用自己心理的缩放比例来替换原始的地球引力、系统时间、颜配置和空间尺寸的设置，我们不仅能创建自己喜欢的空间而且能与其他用户分享有感知的、给人以美感的空间。
很明显，赛博空间不是我们生存的空间，它是一个庞大的、塞满各种各样信息的数据集合体，是一个全新的计算机网络空间。用户可以对其进行访问和修改；可以在这个空间里“自由翱翔”；可以设计自己风格的社会生活；创建梦中的理想的生活环境；只要你拥有一台跟服务器连接的计算机，你不出家门就可以实现你漫游世界的梦想；你跟一个与你不同区域、不同国度的用户进行联系，不再受时间和空间的限制，你们在这里相遇、交谈和相互交换意见。赛博空间不仅提供了听觉信息同时也提供了视觉信息。在这里用户能享受他自己设计环境的乐趣。在这里每个人都能设计和创建梦中的城市。最主要，在这里我们彼此相遇不受实际空间约束。尽管赛博空间不可能给出关于生存环境问题的最终答案，但是它给我们更多机会用不同的手段去探测和沟通。
1.2 数码城市（CyberCity）
由于城市在现代社会中的重要地位，赛博空间的一个最主要子集就是Cyber City，目前译作数码城市。
不象真实的城市，数码城市由电子信息数据组成并保存在因特网上。描述地球表面、建筑物的纹理和扑关系的信息通过当地服务器上载到网络上。数码城市除了城市三维模型以外还包括其他一些信息比如金融信息、市政、城市规划信息、通讯信息、房地产信息、环保与城市绿化信息、旅游信息和一些常规商品信息等等，他们与用户一起组成了一个新的有用空间。我们可以这样理解数码城市，它是城市地理信息和其他城市信息结合并存储地计算机网络上的能供远程用户访问的一个新的城市空间。在空间描述语言如VRML（虚拟现实模型语言）和软件的帮助下，能访问到网络的人都能创建自己的空间，而且能容易地维护和更新内容。另一方面，通过连接IP地址，不同的城市可以连接起来。
因特网上的数码城市大致可以为三种。第一种以文本形式提供的信息源。与数码城市相关的文档数据是一个HTML主页或者是一个站点。由于难于领会行踪和连接的结构，不能提供给用户一个城市的概念，这种数码城市更象是一个目录。第二种是二维站点，它包括城市地图和风景画。大部分的站点采用了整个城市的地图作为主页，用户通过单击相应部分
北洋海军兴亡史就能进入特定的站点。地图和风景画一起提供了城市空间次序很好的浏览。但在可见影象的数量上的访问的速度上大打折扣。随着影象的增多和细节的增加，到这些影象将是件很费时间的事。再有城市的内容和连接是设计者预先给定的，不管用户喜欢还是不喜欢，都必须接受它。第三种是三维数码城市空间，在这个三维的世界里，空间次序的视觉理解变得非常容易。通常用象VRML的空间描述语言来介绍这些空间。三维数码城市意在模拟实际世界，减少处理速度，提供了一个生动的城市空间，是目前全世界正在热点中的话题。
三维数码城市的产生可以追述到二十世纪八十年代初，Skidmore Owens 和Merrill(SOM)在三维城市模拟上有所表现。SOM的芝加哥电信结构模型激发了这个领域的早期工作。这个私人公司使用虚拟技术建立了电信框架模型从而留给顾客很深的印象并赢得了更多的工程。许多公司继续他们的先例在城市的这一方面发展作了大量开发。利用建筑绘图和野外估计技术组建的墨尔本城市。1990年利用测量信息创建的英格兰，Bath城市模型，它是由CASA研究组创建的。1991年，英国伦敦城市大学用航测和地面摄影方法构建三维城市模型，用于新建房屋报批审查，同时，Strathclyde大学的UCLA和ABACUS以及墨而本大学等，也在这方面作了研究。多伦多城市规划局在这方面的研究已经有了十几年的历史。瑞
士苏黎士理工大学Gruen教授对西欧各国的欧式风格的城市正在建立三维城市模型，包括苏黎士、汉堡、伯尔尼等。美国大中城市三维建筑物模型数据采集工作大部分由我国航测生产单位承担。随着万维网技术、虚拟技术及空间信息技术的发展，三维数码城市将会得到很快的发展。
（二）建设数码城市技术支撑
数码城市是在计算机网络上实现的，需要有多种学科支持，特别是信息学的技术支持。建设数码城市所需的关键技术主要包括以下几个方面：信息高速公路和计算机网络、遥感技术、地理信息系统（GIS）、差分GPS技术、数据库管理技术、虚拟现实技术等等。
2.1 信息高速公路和计算机网络（城市信息基础实施）技术
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网络和通信技术在近几十年取得了令人鼓舞的飞速发展，特别是宽带网络技术、IP技术、WAP技术以及数字微波技术、卫星数据中继技术和调频副载波技术的发展为数字地球和数码城市的建立创造了必要的基础。其发展趋势可以从以下几个方面进行概括。
中学数学教学参考
1） 公用骨干电信网向分组化、大容量化发展
为了更加便宜有效地处理和传送数据、语音和视频信息，电信网正由传统的电路交换网向基于IP的分组网转移，基于IP的分组网采用TCP/IP协议使得不同网络间的连接大大简化，而宽带IP网巨大的网络带宽和流量使信息流量大大增加，可以满足不同业务和大量用户的要求，这一点为大数据量的空间数据（特别是影像）的网上传送提供了可能。宽带IP网推动了高速路由技术的发展。高速路由器的出现省去了ATM，直接在SDH网上运行IP数据包，这就是IP over SDH。将G位T位线速路由交换技术与密集波分复用（DWDM）技术结合，就可以完全抛开ATM和SDH，在光纤上直接传送IP数据包，这就是IP over WDM。就IP业务而言，采用IP over WDM省去了ATM层的处理，传输效率比有ATM时提高了许多，实施简单，价格也便宜。采用密集波分复用技术后，省去了 SDH设备，每个通信不再是SDH的分复用一个通信道，而是独占密集波分复用的一个通道，进一步提高了网络的效率，降低了网络的造价。
另外，卫星通信开始向宽带化、移动化发展，满足卫星广播电视和数据直播业务的地球同步轨道卫星、用于定位系统和移动电话系统的中低轨道卫星已经商用化，满足大数据量的多媒体交互业务的低轨道宽带卫星正在积极研制中，这些都是使得空间信息技术与通信技术的集成成为可能。
2） 接入技术向宽带化、无线化发展
接入网是目前通信网的瓶颈，首先要解决宽带化问题，以满足多媒体通信和高速Internet数据下载的需要。一方面，为用户提供宽带业务的接入网技术和光纤到家庭（FTTH）、XDSL和HFC已经成熟并开始应用于通信工程；另一方面，基于宽带与无线接入技术的多点分配系统（LMDS）、移动宽带系统（MBS）、无线局域网和无线ATM的应用研究日益广泛。支持快速连接、高速率数据下载业务的接入技术为空间数据的网上发布、浏览和分析处理提供技术保障。
3） 移动通信向高码率发展
无锡市机关幼儿园随着通信业务向大数据量和实时化方面发展，2MB/S的码率越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要。目前国外开始研究第四代移动通信系统，第一步目标是10MB/S的码率。高码率移动通信系统的发展，可以提高数码城市空间信息技术中要求进行适时、大数据量传送的应用系统的效率。
4） 通信终端向多媒体和移动化方向发展
如何结合各自的技术优势，不受信息资源的限制和用户访问时的位置限制，以统一的标准向用户提供无处不在、多种多样的信息网络服务，成为网络界和电信业界共同关注的一个焦点，即通信终端的多媒体化和移动化。会议电视、PSTN可视终端、IP电话、WAP手机、呼叫中心和家庭信息终端都是为适应通信终端的多媒体化和移动化发展。值得一提的是，基于Internet中广泛应用的标准（如HTTP，TCP/IP，SSL，XML等），提供一个空中接口和无线设备独立的无线Internet全面解决方案，同时支持未来的开放标准的WAP协议，旨在通过定义一个开放的全球无线应用框架和网络协议标准，将Internet和高级数据业务以智能信息传递的方式引入数字移动电话、寻呼机、PDA（个人数字助理）等无线终端，并实现兼容和互操作。多媒体和移动化的通信终端为数码城市数据的适时、交互处理提供了基础平台。
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取得了迅速发展。这些都为数码城市信息的实时传播和动态发布创造了必要的技术条件。
即使如此要将数码城市的海量影象、纹理、几何和属性数据在网上快速传输，仍需要解决数据压缩、传输和解压等问题。
2.2 航空航天遥感技术
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在数码城市中，建筑物是最重要的部分。因此，在三维数码城市中，建筑物的三维重建是一项很重要的工作。航空影象是建筑物重建的主要数据源，特别是数字摄影测量技术为三维城市数据的获取提供了最经济快捷的方法。在三维城市模型中，航空摄影测量提供了下列重要数据：建筑物的三维重建模型、数字高程模型和数字正射影象。多光谱影象还可用来区分数码城市中的植被和人造物体等。优于1m分辨率卫星遥感图象，为IKONOSⅡ等也可以用来重建建筑物的三维模型。
直接使用激光扫描器来测量表面几何关系，特别是在密集的城市区域，它是获取高精度数字表面模型的最佳选择。有一些激光扫描仪可用来测量表面反射比，从而提供了密集区域数据，使物体的获取变得容易。精确的地形获取受到激光扫描仪横向分辨率的限制，通常的激光扫描仪每平方米只有一个采样。然而，基于直升飞机的激光扫描仪达到每平方米5个甚至更多采样的高分率，已经用在建筑物场景的获取中。使用航空影象和激光扫描，屋顶的结构（通常也就是建筑物的结构）能进行自动或半自动的三维重建。激光扫描对获取建筑物正面也是一种很强的工具。
为了提供更详细建筑物正立面信息以供重建，可以采用地形测量获取正面结构，但是大多数情况下，摄影测量（特别是数码相机的应用）和使用地形测量中的控制点定位位相结合是一种有效的方法。数字近景摄影测量软件包越来越完善并能得到精确纹理绘制的3D模型。车载三S集成系统也可以用来进行这项工作。
2.3 Cyber City GIS技术
GIS数据是数码城市空间信息的基础。GIS提供了二维数码城市中的地图和三维城市模型的信息，同是GIS为庞大的城市数据提供了管理、存储和维护的有效手段。
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