第八章城市地理信息系統(tǒng)的發(fā)展前沿(第二講)教學內(nèi)容：5.3數(shù)字城市的關鍵技術教學時間：2課時教學方法：講授法多媒體教學法協(xié)作學習法教學目的：1、讓學生熟悉和掌握數(shù)字城市的關鍵技術；2、讓學生理解和掌握數(shù)字城市關鍵技術發(fā)展趨勢教學重點：數(shù)字城市的關鍵技術教學難點：海量存儲與互操作虛擬現(xiàn)實技術本次課教學所涉及的學術前沿：虛擬現(xiàn)實技術虛擬仿真技術5.3數(shù)字城市的關鍵技術

1、高分辨率對地觀測技術“數(shù)字城市”的建設,需要大比例尺、高精度的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)將主要來自對地觀測技術的發(fā)展。目前對地觀測技術將逐步實現(xiàn)多時相、多角度和高分辨率化(王宏偉、羅成章、陳燕中等,1999)。2、海量數(shù)據(jù)存儲和互操作

“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)是海量的,因此,建設“數(shù)字城市”需要海量的存儲技術。這些數(shù)據(jù)存放在不同系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫中,其數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)格式也不盡相同。實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的共享、動態(tài)調(diào)用需要互操作技術。互操作包括兩層含義:狹義上說,它是在保持信息不丟失的前提下,從一個系統(tǒng)到另一個系統(tǒng)的信息交換能力;從廣義上講,它是指不同應用(包括軟、硬件)之間能夠動態(tài)地相互調(diào)用,并且不同數(shù)據(jù)集之間有一個穩(wěn)定的接口。OGC(OpenGISConsortium)提出的OpenGIS是異構系統(tǒng)之間進行互運算、互操作的規(guī)范(簡逢敏,2000)。3、計算機寬帶網(wǎng)絡

通過計算機網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)不同用戶對網(wǎng)絡資源的共享,把分布在廣泛區(qū)域中的眾多信息處理系統(tǒng)有機地連在一起,構成一個規(guī)模更大、功能更強、可靠性更高的綜合信息處理系統(tǒng)?！皵?shù)字城市”的數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)庫中,由不同的部門負責構建和管理,只有通過高速網(wǎng)絡才能真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫操作。要傳輸海量數(shù)據(jù),進行科學計算,寬帶網(wǎng)絡便成為“數(shù)字城市”是否能走向實用的關鍵。4、可視化、虛擬現(xiàn)實技術可視化是實現(xiàn)“數(shù)字城市”與人交互的窗口和工具,沒有可視化技術,計算機的一堆數(shù)字是無任何意義的(李德仁,1999)。通過數(shù)據(jù)可視化技術,為分析和查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)展現(xiàn)了新的視野,有助于發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的信息,為決策支持、宏觀管理提供更加有力的依據(jù)。虛擬現(xiàn)實技術是近年來出現(xiàn)的高新技術,它綜合集成了計算機圖形學、人機交互技術、傳感與測量技術、仿真、人工智能、微電子等科學技術,生成一個逼真的,具有視覺、聽覺、觸覺等效果的可交互的動態(tài)世界,人們可以對虛擬的實體進行操作,它為人類觀察自然、欣賞景觀、了解實體提供了身臨其境的感覺。5、數(shù)據(jù)挖掘(DataMining,DM)

利用數(shù)據(jù)挖掘技術,我們就能更好地認識和分析所觀測到的海量數(shù)據(jù);對獲取的城市空間數(shù)據(jù)進行處理,從中挖掘出城市信息機理知識,進而認識城市系統(tǒng)的演化規(guī)律。數(shù)據(jù)挖掘將人工智能、統(tǒng)計、計算機及數(shù)據(jù)庫等技術緊密結合,其方法和技術可以分為六大類:1.歸納學習方法;2.仿生物技術;3.公式發(fā)現(xiàn);4.統(tǒng)計分析方法;5.模糊數(shù)學方法;6.可視化技術。空間數(shù)據(jù)挖掘是指從空間數(shù)據(jù)庫中提取出用戶感興趣的空間模式與特征,空間與非空間的普遍關系及其他一些隱含在數(shù)據(jù)庫中的普遍的數(shù)據(jù)特征(劉宇、曲波、朱仲英等,2000)。利用空間數(shù)據(jù)挖掘技術,提高“數(shù)字城市”的智能化水平,使“數(shù)字城市”真正成為智能化的空間咨詢和決策支持系統(tǒng)。6、地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS）地理信息系統(tǒng)技術是“數(shù)字城市”數(shù)據(jù)庫管理的基礎技術(簡逢敏,2000)。另外,地理信息系統(tǒng)的空間信息表達和直觀表現(xiàn)能力,在處理城市復雜系統(tǒng)問題時,能幫助人們更好地建立大局觀和模擬直接感受(賴明,1999)。目前,地理信息系統(tǒng)正從二維向多維動態(tài)以及網(wǎng)絡方向發(fā)展。7、決策支持系統(tǒng)(DecisionSupportSystem，DSS）

“數(shù)字城市”的目的之一就是要利用現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)、信息,在綜合、全面地分析后,為城市的規(guī)劃管理和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。決策支持系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫、人機交互進行多模型的有機組合,輔助決策者實現(xiàn)科學決策的綜合集成系統(tǒng)(陳文偉,2000)。目前,決策支持系統(tǒng)正在向智能決策支持系統(tǒng)、分布決策支持系統(tǒng)、群決策支持系統(tǒng)、高層決策支持系統(tǒng)、以及綜合決策支持系統(tǒng)方向發(fā)展。與一般決策支持系統(tǒng)不同,數(shù)字城市所需的決策支持系統(tǒng)是空間決策支持系統(tǒng)?？臻g決策支持系統(tǒng)是面向空間問題領域的決策支持系統(tǒng)(黃躍進、反偉勝、朱云龍,2000),它支持復雜的、結構性較差(如半結構化或非結構化)的空間問題并對此進行求解(王橋、吳紀桃,1999)。8、系統(tǒng)集成(SystemIntegration,SI)

“數(shù)字城市”的數(shù)據(jù)、計算和應用具有分布式的特點,因此它需要多數(shù)據(jù)庫、多平臺、多技術的集成。采用集成平臺作為“數(shù)字城市”的框架結構具有很多優(yōu)點:首先集成平臺所具有的協(xié)調(diào)和反饋機制可以使整個系統(tǒng)形成一個有機的整體,完成單獨部件不能完成的功能,從而增強系統(tǒng)的整體性。其次,在統(tǒng)一的集成平臺的基礎上,多種信息可以共享,信息融合和深層次挖掘可以產(chǎn)生大量新的有用信息。第三,減少集成的復雜度。第四,減少各子系統(tǒng)的重復部件,減少系統(tǒng)冗余,保持系統(tǒng)的一致性。第五,便于系統(tǒng)的維護和更新(張健挺,1998)。9、空間一致性匹配

建立“數(shù)字城市”是一項龐大的系統(tǒng)工程。不同信息源(跟蹤矢量化數(shù)據(jù)、掃描柵格化數(shù)據(jù)、遙感柵格圖像及GPS數(shù)據(jù)等)、不同比例尺及不同的投影方式、不規(guī)則分幅的空間圖，要在數(shù)字城市系統(tǒng)中復合顯示、疊加查詢和綜合分析。首先必須系統(tǒng)整合，它是目前最流行的地理坐標匹配法。地理上一個點可以被多種多樣的數(shù)據(jù)結構所描述，反之，再復雜的描述與表達，如對象為同一個地點，它只能有唯一的空間坐標，因此，從需求上看，集成系統(tǒng)應有多種數(shù)據(jù)結構；但從集成系統(tǒng)邏輯上看，所有空間數(shù)據(jù)唯一定位基準應是經(jīng)緯度坐標。各種數(shù)據(jù)結構對象都應具備某種空間影射關系，因此在系統(tǒng)中應設計空間數(shù)據(jù)的快速轉換算法，以便多源信息可快速按基準拼貼在系統(tǒng)“虛擬空間拼圖板”上。在實際工作中還可解決非同域或非鄰域圖幅的強制拼接整合。10、城市標準空間統(tǒng)計單元的建立

“數(shù)字城市”采用的是一體化的地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟屬性數(shù)據(jù)的管理，建立標準空間統(tǒng)計單元是數(shù)字城市的基礎。所謂空間統(tǒng)計單元，就是在地圖上劃出有層次的、互不重疊的、不規(guī)則的多邊形，每一層次上每個多邊形就是一個空間單元，有唯一的代碼?？臻g單元及其編碼的標準化是普及城市地理信息系統(tǒng)的基礎。11、“3S”一體化集成技術

全球定位系統(tǒng)、遙感和地理信息系統(tǒng)技術是建立“數(shù)字城市”的三大支撐技術。這些技術各具特色，GPS可以實時獲取目標位置坐標；遙感技術可快速獲取區(qū)域面狀信息；地理信息系統(tǒng)具有較好的查詢檢索、空間分析計算和綜合處理能力。“數(shù)字城市”需要綜合運用這三大技術的特長，提供所需的對地觀測、信息處理和分析模擬的能力。因此“3S”一體化技術將是建立“數(shù)字城市”的核心技術之一。12、基礎地理數(shù)據(jù)庫的建設管理及標準化技術

從內(nèi)容上，城市基礎地理數(shù)據(jù)庫可分為基礎地理數(shù)據(jù)庫和專題信息數(shù)據(jù)庫兩大類?；A地理數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容是城市大比例尺的地形圖(1：500，1：1000，1：2000)的數(shù)字化數(shù)據(jù)，如各種不同遙感平臺采集和獲取的圖像數(shù)據(jù)構成的圖像庫，輔之以其他基礎的社會、經(jīng)濟信息。專題信息數(shù)據(jù)庫可以是空間型數(shù)據(jù)庫及專題信息數(shù)據(jù)(圖形和統(tǒng)計數(shù)據(jù))，如規(guī)劃管理信息數(shù)據(jù)子庫，市政管線信息數(shù)據(jù)子庫。從數(shù)據(jù)組織形式上，基礎空間數(shù)據(jù)庫包括矢量的地形圖和遙感影像。在基礎空間數(shù)據(jù)庫建設和管理中，我們要特別重視遙感影像數(shù)據(jù)庫的建設。地形圖能夠準確具體地表示地物的平面位置和高程；遙感影像(包括航空影像)真實反映了地表綜合信息，另外，遙感影像還具有波譜信息、時間信息和綜合信息，而這些信息特征正是建立“數(shù)字城市”所十分需要的。要考慮城市之間以及國際間的交流，因此必須有相應的標準。我國在城市空間數(shù)據(jù)建設方面已經(jīng)有了一定的標淮和體系，并吸收、引進了其他國家和行業(yè)已有的標準、規(guī)范與規(guī)程，同時結合城市的具體情況編制了分類和編碼標準、質量控制標準、語言和數(shù)據(jù)詞典、匯錄格式和交換格式等。重點復習：虛擬現(xiàn)實技術1、所謂虛擬現(xiàn)實(VirualityReality——VR)，就是采用計算機技術生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺的感覺世界，使人們可以用人的自然技能對這個生成的虛擬實體進行交互考察。它是當代信息技術高度發(fā)展、多種技術綜合集成的產(chǎn)物，是一種高度遏真模擬人在現(xiàn)實世界中視、聽、動等行為的技術。虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維遏真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。一個計算機VR系統(tǒng)，可以分解為三個獨立的、但又相互聯(lián)系的感覺引導子系統(tǒng)：視覺子系統(tǒng)、聽覺子系統(tǒng)和觸覺動覺子系統(tǒng)。這三個子系統(tǒng)由虛擬環(huán)境產(chǎn)生器進行控制、協(xié)調(diào)。

圖解一個能夠真正意義上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)應當具有以下三個基本要素：1、能夠提供給用戶以三維立體的虛擬境界，即以三維空間為基礎，在其中顯示逼真的立體圖形，從而給用戶一種身臨其境的感覺。2、能夠提供給用戶以第一人稱的感覺，并有實時任意活動的自由。3、用戶能夠通過一些控制裝置實時地操縱和改變用戶所進入的虛擬境界。2、虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實建模語言)

VRML(VirtualRealityModelingLanguage，虛擬現(xiàn)實建模語言)是一項和多媒體通信、Internet和虛擬現(xiàn)實等領域密切相關的新技術，其基本目標是創(chuàng)建Internet上的交互式三維多媒體技術和規(guī)范。1998年1月VRML被正式批準為國際標準(1SO／IECl4772一I：1997，通常稱為VRML97)。VRML是HTML的三維模型，它使用VRML瀏覽器能讀懂的ASCII文本格式來描述現(xiàn)實世界和鏈接。通過VRML，我們可以模仿現(xiàn)實世界的特征，生成自己的虛擬現(xiàn)實世界，供別人巡訪。VRML瀏覽器可以帶你瀏覽Web上的三維環(huán)境。這樣，人們就能在計算機屏幕之前，使用VRML瀏覽器，通過Internet來參觀工廠和實驗室，在虛擬電子辦公室內(nèi)會談。第二代WEB

2）VRML的功能（1）三維物體的建模功能VRML既可以用來建立真實世界場景的模型，也可以建立虛構的三維世界。VRML2.0標準提供了幾種幾何節(jié)點來刻畫三維世界中的空間目標,還提供了一個Transform組節(jié)點，可完成移動、旋轉幾何節(jié)點等多種功能。同時，為了使建模更逼真，VRML2.0提供了一些表現(xiàn)質感、質材、特殊效果的節(jié)點。（2）自由瀏覽功能由VRML構造的三維景物，可以通過改變用戶視點的位置和觀察方向來實現(xiàn)自由瀏覽，以便于從不同的角度來觀察物體。（3）實時操縱及交互功能實時操縱和交互是根據(jù)使用者的動作來改變虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的狀態(tài)3.其它虛擬現(xiàn)實方法虛擬仿真技術(VirtualSimulationtechnology):實現(xiàn)由真實的人在虛擬環(huán)境中操作仿真系統(tǒng)進行仿真的技術。特點是將實物、半實物仿真系統(tǒng)與操作者融合在一個合成的虛擬環(huán)境中進行仿真。其中，實物仿真系統(tǒng)可以包括真實的硬件，并由計算機仿真結果來驅動運行。這虛擬仿真工具包括硬件和軟件兩方面。仿真硬件中最重要的是具備一定圖形顯示能力的計算機，特別是高性能的圖形顯示設備，還包括各種類型的傳感器、輸入／輸出交互設備、多功能的終端顯示設備，以及專用的物理仿真器和模擬訓練仿真器等。虛擬仿真軟件包括圖形建模語言、圖形程序包、實時渲染程序包以及仿真建模程序等。

虛擬仿真的關鍵技術：

①圖形建模技術。是對虛擬環(huán)境中所需描述對象內(nèi)部固有的幾何性質的抽象描述的技術。包括對對象的基本性態(tài)與表面屬性、對象或基元結構的拓撲特性以及其他一些物理特性的描述?？煞譃槎S建模技術和三維建模技術兩類，是構成虛擬環(huán)境的幾何基礎技術。②系統(tǒng)物理模型技術。是對真實系統(tǒng)中與所研究問題相關的對象的本質特性描述的技術。主要包括虛擬對象的運動建模、物理建模、對象行為建模以及模型分割等技術，還可包括聽覺感知、觸覺感知等感知建模技術。③實時圖形生成技術。是根據(jù)圖形建模提供的幾何數(shù)據(jù)，結合系統(tǒng)的物理模型，快速生成所需描述系統(tǒng)的圖形，并在終端顯示設備上實時渲染的技術。虛擬地理環(huán)境視景生成平臺

虛擬地理環(huán)境視景生成平臺的建設是直接為測繪保障和國民經(jīng)濟服務的，因此該平臺的建設必須滿足當前的需求。根據(jù)目前計算機虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬地理環(huán)境視景生成平臺應有四部分組成：硬件、建模