数字城市地理空间基础框架建设的初步研究
1.引言
城市历来是国民经济和社会发展的焦点和中心。当前一个以数字城市为旗帜的城市信息化运动正在全国范围内迅速展开。数字城市是物质城市在数字网络空间的再现和反映，是以信息（特别是空间信息）为核心、以网络为支撑的城市信息管理与服务体系。数字城市建设的任务就是利用现代高科技手段，充分采集、整合和挖掘城市各种信息资源（特别是空间信息资源），建立面向政府、企业、社区和公众服务的信息平台、信息应用系统以及政策法规保障体系等。城市地理空间基础框架是数字城市建设的核心任务之一，它为城市发展和信息化建设提供统一的空间定位与基础地理信息公共平台，进而实现城市信息资源按照地理空间位置的整合和共享。城市地理空间基础框架是“数字中国”地理空间基础框架的重要组成部分。应该说，我国城市空间数据生产与提供已经取得了巨大成绩，但总的来讲，空间数据从内容、形式和质量（尤其是现势性）以及提供等方面都难以满足应用的需求，高质量的空间基础数据一直是城市地理信息系统（GIS）建设和应用的瓶颈。随着城市信息化进程的加快和数字城市建设的推进，城市空间数据必将进一步成为关注的焦点。
2.数字城市地理空间基础框架建设的目标与任务
2.1 目标
地理空间基础框架是其它一切地理数据的基础参考框架，它为国民经济和社会信息化提供统一的空间定位与基础地理信息公共平台，对于信息资源按照地理空间进行整合和实现信息共享具有十分重要的作用。
城市地理空间基础框架建设的总体目标为，充分运用遥感、GPS、GIS和计算机网络等技术，制定相应的政策法规和标准体系，建设多尺度、多分辨率、多种类的城市空间数据体系，构建统一的城市地理空间基础基础平台，从而为城市政府、企业、社区和公众提供高质量的基于空间位置的应用服务。“十五”期间，全国30％以上的城市建立数字城市地理空间基础框架，其它城市积极筹划并开始建设地理空间基础框架。到2010前后，全国所有城市建立起较为完善的城市地理空间基础框架，较好地满足城市规划、建设、管理、服务以及未来发展的需要。
2.2 工作重点
为实现上述目标，需要重点完成以下几方面的工作：
（1）随着我国城市化步伐的加快，城市的数量及规模都将有较大的增长，为满足城市规划、建设、管理和信息服务业发展的需要，应根据城市的总体规划与发展布局，进一步扩展和完善城市空间数据基准。
（2）建立起有效的城市空间数据特别是框架数据更新机制，努力完善城市空间数据的分级、尺度和内容体系，实现数据形式的多样化。
（3）建立健全城市地理空间基础框架建设的政策法规和组织机构体系，完成若干城市空间数据产品、技术和服务方面的国家或行业标准。
（4）建立城市空间数据分发和服务体系，使空间数据更好地为数字城市、数字社区建设服务。
（5）发展先进实用的空间信息获取、更新、管理与应用服务技术支撑体系，为城市地理空间基础框架建设提供技术保障。
3.城市地理空间基础框架建设的内容
城市地理空间基础框架主要包括空间基础数据体系、政策法规与保障体系、数据分发与应用服务体系以及技术支撑体系等4个方面。
3.1 城市空间基础数据体系
3.1.1 城市空间数据基准建设
城市平面基准具有一定的特殊性。由于我国幅员辽阔，使用目前国家统一平面基准在许多城市会产生较大的投影变形，无法满足城市建设的需要。许多城市都建立了自己的独立平面控制基准，出现了2种甚至多种平面基准。随着空间数据应用与共享需求的增加，多尺度空间数据基准的不统一问题已经受到关注。与平面基准相比，在城市统一使用国家高程基准技术上不存在问题。为了满足工程测量和城市测量的需要，应该逐步建立和精化城市区域内的厘米级大地水准面，为城市GPS高程测量奠定基础。
随着国家新一代地心、三维、动态大地测量基准的规划和建立，未来城市空间数据基准也将朝着三维、动态方向发展。现有平高分离的、静态的城市控制基准将被新一代的三维基准所替代。
数字城市将以其对城市卓越的管理和服务能力体现其非凡的价值和美好的前景。空间数据服务在城市领域具有良好的前景。建立城市GPS连续运行综合服务系统，是实现城市快速导航、动态测绘和数据服务的重要基础。目前，我国一些城市已经或正在建立该系统。
3.1.2 城市空间框架数据建设
城市空间数据的外延十分广泛，它包括地形数据、土地利用数据、建筑物现状数据、地籍数据、房地产数据以及相应的属性数据等。就数据形式而言，城市空间数据最主要的是数字线划图（DLG）、数字正射影像数据（DOM）和数字高程模型数据（DEM）。在进行地理空间基础框架建设中，一般都根据应用需要和实际数据生产与提供的可能确定框架空间数据集。对于城市空间基础框架数据，一方面应从数据生产周期、成本和质量的特点上，另一方面从大多数实际应用的需求上，研究确定基本框架数据集的内容、形式和尺度，只有这样才能使建设的城市地理空间基础框架真正起到应有的作用。在一个城市，可以根据地域的不同，针对不同的数据内容和形式，分别选用不同的比例尺和分辨率。
城市地理空间基础框架数据集应在大比例尺度下，能完整地描述城市自然和社会形态的地物地貌信息（如建筑物、道路、水系、绿地等）、管理境界信息（各级行政管理单元边界，如市、区、街道办事处和重要单位界域及地理分区等）以及它们的基本属性信息。这里不仅包括城市测绘所关心的各种地形信息，同时也应包含有关管理境界等信息以及与它们相对应的基本属性信息。为了适合不同的应用需求，可以将框架数据集进一步划分为核心框架数据和扩展框架数据。前者具有一定的普遍性，可以满足大多数应用的需要；而后者则可以根据各城市的自身特点和需要而增加。目前大多数城市的DLG均是依据《城市测量规范》和地形图图式进行测绘的所谓“全要素”图。事实上，这里的“全要素”也是相对的。在城市，大面积地测绘大比例尺“全要素”DLG并保持其现势性并不是一件容易的事。以框架DLG及其与DOM的叠加来替代“全要素”DLG可能是一种有效的解决方案，这样的产品生产周期短、成本低、易于维护，在城市规划、建设、管理和服务中具有广阔的应用前景和显著的经济效益与社会效益。同时，框架DLG、DOM还可以与DEM进行集成，形成城市三维景观模型。
3.2 政策法规与保障体系
3.2.1 政策法规
城市地理空间基础框架建设所具有的公益性、基础性和权威性决定了城市政府应该是其主体投资者。城市政府应该将城市空间数据视作如同城市道路、桥梁一样的城市基础设施，投入足够的资金使数据生产者能按照市场行为进行数据生产，以满足城市可持续发展的需求。使数据被充分利用并为城市发展带来巨大的间接效益应该是作为投资方的城市政府所得到的回报。目前，数据共享和数据更新是我国城市空间数据生产、管理和应用的2大难题。实际上，数据不能共享的本质原因除技术、标准化和国家安全因素外，最根本的因素是经济问题。因此，解决数据共享问题也必须从经济上入手。数据更新除涉及技术问题外，也与政策密切相关。城市空间数据从生产到最终使用，涉及一系列主体，如：所有者、投资者、生产者、管理者、分发者、代理者和使用者等。为了明确界定各主体在城市数据获取与使用过程中的责任、义务，并切实保障他们应得的利益，从而使城市空间数据的获取与使用实现可持续运转必须制定有效的适合我国国情的数据政策。制定数据政策的基本原则是促进城市空间数据共享、鼓励数据公开、发展基于数据的服务。
3.2.2 标准化
我国空间数据标准化一直难以满足技术发展和实际应用的需求。当前急需加大城市空间数据标准化工作的力度，在充分采纳、吸收、参考已有国家、行业和地方标准、规范与规程以及一些国际组织和国外标准规范的基础上，根据我国城市空间数据生产、管理和应用的特点，制定比较完善的产品标准、工程标准和服务标准，以促进城市空间数据的生产、更新、管理、分发与应用服务，加速数字城市建设和城市地理信息产业化的进程。
城市空间基础数据产品标准是目前最薄弱的环节。我国已制定的一系列测绘类标准规范，对于最终产品及其质量的定义与确认方面的规定比较模糊，而对生产这些产品作业过程的规定则过于琐细，这也是造成标准总是落后的重要原因之一。空间数据生产技术发展十分迅速，在未来的标准制定中，应将重点放在产品标准上。产品标准应具有超前性，面向空间数据用户，并在一个较长的时间里保持稳定。生产这些产品的工程标准则应尽可能简化，只规定若干对最终产品质量起关键作用的共性内容，而更详细的作业规程应由生产单位自行制定。许多单位都在推行ISO 9000系列标准体系认证，可以为此提供保证。数据服务标准过去基本上没有，当前需要重视。
3.2.3 组织保障
城市地理空间基础框架数据是数字城市建设的重要基础性工作，其建设的质量和效率对于数字城市的建设关系重大。为了保障基础框架建设的顺利实施，需要建立必要的组织保障体系。
首先，城市地方政府应给予足够的重视。许多城市为了建设数字城市，专门设立了由市长或常务副市长任组长的数字城市建设领导小组。建议在该领导小组下设立城市地理空间基础框架建设协调机构，吸收涉及城市空间数据建设的有关部门参加，进行统一规划和组织实施，避免重复和扯皮。
其次，各城市有必要建立相应的空间数据管理和分发机构，统一进行各类空间数据资源的管理、维护和应用服务，以最大程度地发挥框架数据的作用。
3.3 数据分发与应用服务体系
数据分发与应用服务体系是数字城市地理空间基础框架建设的重要组成部分。其目的是最大程度地挖掘和发挥空间数据的效用，为政府、企业、社区和公众提供高质量的基于空间信息的服务。
就数据分发与应用服务体系建立而言，“面向应用”无疑是其基本出发点。这里的面向应用指的是根据不同实际应用的需求来确定数据的形式、内容和质量指标。城市空间数据分发与应用服务体系建立的目标和原则应是“快、准、全、廉”。所谓“快”，指的是数据获取的周期要短，信息的现势性要高：“准”表示适应应用需求的数据的空间特征和属性特征（即数据的几何精度和属性精度）应准确：“全”反映的是为满足应用需求所获取和提供使用的数据在内容上应全面、完整，在时空表现上要真实：“廉”则是指经济性，就是说空间数据的获取与使用的经济代价应尽可能小。
事实上，上述4个原则之间是相互制约的，对于不同的用途，应该有不同的侧重。我们可以把城市空间数据按用途划分为3级，它们构成城市空间数据分发与应用服务体系，见表1所示。表中的“面向公众”主要指为广大企业和社会公众提供空间信息服务，这类服务的面很广，对信息的动态变化非常关心，对数据的准确性和完整性要求相对低一些，要求能以最低的代价获得所需要的数据：“面向管理”指为政府行业管理部门工作服务，如城市规划管理、土地管理等；而“特殊应用”包括少数对数据准确性和完整性有专门要求的应用，如大比例尺城市工程应用等。
数字城市可以看成是城市各种信息系统的有机集成和融合，信息的开放与共享显然是其最重要特征。我们认为，城市空间数据管理与应用服务的实现方式是建设一个能为数字城市各种应用系统提供统一的可视化多元异构（多数据源、多尺度、多分辨率、多时相、多形式、多基准）空间基础信息服务的城市空间基础信息平台。该平台的建设以满足空间数据服务和共享为基本出发点，同时兼顾信息管理和维护的需要。
3.4 技术支撑体系
城市地理空间基础框架建设离不开高新技术的支撑。从框架数据的采集、更新、加工、处理，到管理、共享、分发与应用服务，需要使用和发展一系列的新技术和新工艺，以为实现“快、准、全、廉”的目标创造条件。
城市空间数据采集与更新技术主要包括航空摄影测量技术、高分辨率卫星遥感技术、地面测绘技术、GPS测量技术以及激光扫描、近景摄影测量技术等。这些技术近年来发展十分迅速，作业效率不断提高。尽管数据管理与表现技术已经有了长足的发展，但仍然不能很好地满足城市空间数据管理和应用的需求。这里需要进一步发展和完善多元异构数据的挖掘、融合、集成与管理技术，开发实用的真三维数据管理与表现技术。在数据分发与应用服务方面，也需要进一步完善基于Internet的数据管理、分发技术，增强技术的安全度与可靠性。同时，需要积极研究解决实现数据共享的一系列技术问题。当前人们普遍将数据难以共享的原因归罪于政策和机制问题，实际上即使这些问题解决了，技术上的许多障碍还会制约数据共享的实现。
4.数字城市地理空间基础框架建设的原则与步骤
4.1 原则
数字城市地理空间基础框架建设的基本原则是：统一领导、合理分工；统筹规划、分步实施；统一标准、资源共享。
数字城市无疑是数字中国的重要节点。未来的数字中国应该是一个由全部数字城市以及其它数字区域、数字专题等有机集合而成的一个巨系统。在没有政府主管部门全局规划和引导的状况下，将目前已建和在建的这些建设目的和目标各不相同、标准和平台各不兼容的数字城市集合成数字中国，其结果将是难以设想的。尽管对于具体城市而言，数字城市的建设是这个城市经济技术发展的要求和必然，但如何应对未来全局性的城市间各类的信息交换和共享的需求，如何将分散的系统整合成一个有机的整体，都不可避免地成为难题。因此，数字城市地理空间基础框架建设是一项具有整体性、权威性、复杂性的系统工程。这就要求政府主管部门在其中必须起积极的规划和指导作用。政府主管部门站在全局高度统一规划和指导，必将有利于数字城市与数字中国地理空间基础框架的有机整合，避免相互抵触和冲突。在城市地理空间基础框架建设中，各有关部门需要在统一的体系下明确职责，通力合作，共建共享。具体实施时，则必须分清轻重缓急，坚持标准先行，并通过选择适当的城市作为示范，以点带面，分步实施。
4.2 实施步骤
首先，国家有关主管部门应尽快出台相应的政策法规，启动数字城市地理空间基础框架建设计划；
其次，建立有效的运行管理机制，以保障数字城市地理空间基础框架建设的顺利进行；
第三，加快制定若干核心技术标准，以规范和约束数字城市地理空间基础框架建设实践；
第四，选择几个有较好基础且具代表性的城市作为示范城市，实施城市地理空间基础框架建设，检验完善标准规范，积累经验；
第五，在总结示范经验教训的基础上，积极稳步地在全国范围内推广实施。
同时，为了保障城市地理空间基础框架的顺利建设，特别需要从国家、地方甚至企业等多个层次解决城市地理空间基础框架建设所需资金问题。从某种意义上讲，资金问题可能是决定城市地理空间基础框架建设成败的关键因素。
建设数字城市地理空间基础框架无疑是一项长期的、复杂的任务，需要付出艰苦的努力。数字城市地理空间基础框架建设任重道远、前景光明。
致谢：本文是作者参加的由中国地理信息系统协会承担的国家测绘科技发展基金项目研究成果的一部分。完成过程中，得到北京、上海、天津、重庆、广州、武汉、深圳、宁波、淄博、厦门等城市有关领导和专家的帮助；初稿完成后，承蒙胥燕婴、张辉峰、叶银虎、孙承志、陈军、张清浦、董宝青、张远、施宝湘、孙建中、丁建伟、李宗华、徐晓等先生提出宝贵意见；研究过程中，还得到作者所在单位同事的协助；特此一并致谢。由于水平有限，文中错误之处在所难免，敬请批评指正。
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