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1、数字城市关键技术在福州市“三坊七巷古城保护改造中的应用黄登峰福州市勘测院地理信息中心，福州，3 5 0 0 0 3摘要：本文阐述了“数字城市”工程建设中的关键技术。并就“3 s ”技术、数据建库、空间分析等技术在福州市“三坊七巷”古城保护性改造工程中的具体应用进行了介绍，希望能与“数字城市”的有关专家就其中的关键技术及其如何应用这些关键技术进行“数字城市”的信息化建设进行探讨，共同促进“数字城市”的发展与建设。关键宇：数字城市G I SG P SR S 虚拟现实三坊七巷1 前言1 9 9 8 年，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心举行的开放地理信息系统协会上，发表了题为“数字地球：2 l 世纪
2、认识地球的方式”的报告。他在报告中指出，应在三维地球的数字框架上，按照地理坐标集成有关的海量空间数据及相关信息，构建一个数字化的地球，即“数字地球”，为人们认识、改造和保护地球提供一种重要的信息源和新技术手段。作为数字地球的组成部分，“数字城市”是综合运用G I S 、遥感、遥测、宽带网络、多媒体及虚拟仿真等技术，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；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、优化决策支持和可视化表现等强大功能。随着信息技术与空间技术结合应用的快速发展，大量的经济社会信息与传统的地球空间信息
3、进行应用融合，成为派生的空间信息，目前具有地球空间位置相关的信息已占流通信息总量的7 5 8 0 左右。随着近几年的“数字城市”建设的发展，越来越多的社会人士意识到空间信息在现代城市管理与民众生活应用已经成为重要的需求，尤其重要的信息未关联空间信息，从而散失业务发展甚至城市可持续的研究分析价值，甚为可惜。2 “数字城市建设中的关键技术“数字城市”工程涉及到众多的技术和理论体系。主要包括以下内容：2 1 “3 S ”技术“3 S ”技术是英文地理信息系统( G e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nS y s t e mG I S ) 、遥感技术(
4、R e m o t eS e n e s c i n gR S ) 、全球定位系统( G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e mG P S ) 这三种技术名词中最后一个单词字头的统称。地理信息系统( G I S ) 是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。遥感技术( R S ) 就是根据探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。遥
5、感技术可分为卫星遥感技术和航空遥感技术。1 6 3全球定位系统( G P S ) 是由美国国防部研制的一套卫星定位系统，它由处于2 万公里高度的6 个轨道平面中的2 5 颗卫星组成。此系统用于在任何时间，向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息，或给用户提供其邻近者的这种信息。2 2 城市空间数据处理和建库技术在“数字城市”的建设中，“3 s ”技术提供了技术上的支撑，但要更为重要的是城市空间数据的获取、加工、处理和建库，城市空间数据是“数字城市”工程的基础和血液。城市空间数据处理与建库技术包含的内容有：空间数据处理与建库技术理论；城市空间数据获取技术( 包含：G P S 测量技
6、术、全数字内外业一体化成图技术) ；城市空间数据处理技术( 包含：数据交换技术、遥感数据矢量化生产技术、城市地址编码技术、G I S 数据加工处理) ；城市地理空间数据仓库与数据挖掘技术，城市空间数据建库与管理技术( 包含：空间数据库设计原理、多源数据建库技术、城市空间数据管理平台设计) 。2 3 城市空间信息的共享和互操作技术地理信息系统的迅速发展和广泛应用导致了空间数据多源性的产生，为数据综合利用和数据的共享带来不便。对城市空间信息的共享和互操作的研究已经成为目前“数字城市”研究领域的热点。目前，G I S 实现空间数据共享和互操作的方式主要有以下三种：( 1 ) 空间数据的直接转换：空间
7、数据直接转换是实现空间数据共享的主要方法，目前著名G I S 软件提供商的软件产品如I n t e r g r a p h 的G e o m e d i a 提供了非常好的数据互操作性。( 2 ) 空间数据转换标准：空间数据转换标准是一种专门为不同G I S 系统之间实现数据交换而设计的一种中间格式。这种格式要求用户能很好地理解它，各种G I S 软件都应具备将标准格式转换为自己内部格式和将内部格式转换为标准格式的能力。( 3 ) 开放式地理信息系统：开放式地理信息系统( O p e nG I S ) 是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口建立起来的地理信息系统。在这个系统中，不同厂商的
8、G I S 软件以及其他G I S 领域的异构数据库可以通过接口互相操作和交换数据。2 4 数字城市三维G I s 及虚拟现实技术三维G I S 及其虚拟技术是实现数字城市的重要技术，其实现现实世界在计算机环境的真实再现并提供分析与操作功能，这为城市规划、气象、公共安全等领域提供了许多城市重大事件模拟分析的应用。应用三维G I S 及虚拟现实技术，将三维地面模型、正射影像和城市街道、建筑物及市政设施的三维立体模型融合在一起，再现城市建筑及街区景观，用户在显示屏上可以很直观地看到生动逼真的城市街道景观，可以进行诸如查询、量测、漫游、飞行浏览等一系列操作，满足数字城市技术由二维G I S 向三维虚
9、拟现实的可视化发展需要，为城建规划、社区服务、物业管理、消防安全、旅游交通等提供可视化空间地理信息服务。3 “数字城市关键技术在福州古城保护中的应用3 1 福州市“三坊七巷”保护性改造的背景三坊七巷是历史文化名城福州的重要标志之一，至今还保存相当一部分自唐宋以来就已经形成的坊巷。仅仅4 0 2 公顷的地方，深宅云集，大院比肩，拥有二百多座明清时代的古建筑，被誉为“明清古建筑博物馆”。目前，残留下的古街坊也由于年久失修，而破损严重，有的梁架倾斜、墙壁剥落，有的屋面破漏、濒临倒塌，违章搭建随处可见。市民和专家为此都紧急呼吁抢救、修复和保护“三坊七巷”已“迫在眉睫”，省市领导和有关部门对此也高度重视
10、。在此背景下，市政府要求在2 0 0 4 年4 月至5 月内，对三坊七巷进行现状调查，摸清改造区内院落建筑面积权属、居住人口、迁移改造意向、建筑物破损程度及其照片等详细情况，并采用G I S 、数据库技术对调查数据进行快速建库，开发实现“三坊七巷”现状调查地理信息系统。在此项目的建设过程中，采用了G I S 、R S 、空间数据处理和建库等多项关键技术，实现了对“三坊七巷”古城现状多方面信息的管理、查询、分析和再现，为市政府和开发商对“三坊七巷”的下一步改造和保护奠定了坚实的基础。其中，“数字城市”酌关键技术起到了重要的作用。3 2 “数字城市”关键技术在“三坊七巷”保护改造中的应用3 2 1
11、 空间数据处理、建库及分析技术的应用( 1 ) 各种不同格式数据库的访问和关联在本系统的主题数据库中，主要包括三大类型：第一类是M a p i n f o 格式的院落范围线地图数据，属性表中以“院落编号Y a r d l d ”为主关键字。对待此类数据，我们采用M a p X 控件中的L a y e r ( “图层”) 对象及D a t a s e t ( “数据集”)对象分别对地图中的图元数据和属性数据进行访问：提取其中的信息或更新信息。第二类是各院落范围线内的现状属性数据( 包括人口、权属、拆迁意向等) ，属性数据中以“院落编号Y a r d l d ”为主关键字；以“户主编号一H o s
12、 t l d ”为外关键字。对待此类数据，我们采用A D O ( “数据访问对象”) 对现状调查的各关系数据表( A c c e s s 数据格式) 进行操作：提取信息或保存信息。第三类是各院落范围线内的现状照片数据。照片数据以文件方式存放，每个院落的照片均存放在一个单独的文件夹中，并且该文件夹以院落编号命名。以上三种不同类型的数据，都和现状调查的某一院落有关，它们都从不同侧面反映了该院落的现状信息。这三种信息均通过“院落编号Y a r d l d ”这一关键字段进行连接。( 2 ) 灵活方便的信息查询功能G I S 系统的一大特色就是“图文互访”：根据空间位置查询属性信息；或根据属性中的关键
13、字段信息进行相关空间位置的定位( 图1 ) 。在从空间位置查询属性信息时，系统先利用M a p X 控件中的F e a t u r e 对象和R o w V a l u e s对象分析用户找到的图元对象，从中提取“院落编号Y a r d I d ”。从而就可进一步在相关的数据表中找到详细的信息展现给用户。从属性信息定位空间位置的处理与之类似，只是过程正好相反。此外，系统还为提供了多条件组合查询。此功能主要是利用A D O 和S Q L 对“现状调查”A c c e s s 数据表进行信息提取。图1 系统图文互访功能模块界面( 3 ) 多种形式的数据分析工具系统提供了直方图分析和专题图分析两大类
14、的数据分析工具，并配套提供了地图选定分析范围和多条件组合查询过滤选定分析范围等，多种范围选择模式( 图2 ) 。在技术实现上，直方图分析工具采用了V i s u a lB a i s c6 0 中的M s C h a r t 控件( “图表分析控件”) 。M s C h a r t 控件可对统计数据进行“直方图”或“饼图”分析。专题图分析工具则是采用M a p X 控件的T h e m e ( 专题图) 对象。G I S 系统的专题图分析有多种类型：如“直方图”、“点密度”、“独立值”等。本系统中主要采用“独立值”专题分析：包括“历史文化保护等级”、“建筑结构分步专题分析”、“建筑质量分步专题
15、分析”等。图2 多种形式的数据分析工具( 4 ) 用户可定制的报表打印功能应用户的要求，在报表的打印模块设计中，应提供比较灵活的方式，让用户可以对报表的内容和格式进行修改。为一T 达到这个目的，我们以M i c r o s o f tO f f i c e 中的E x c e l 软件为基础，设计不同格式的报表模板，并且在V i s u a lB a s i c 中直接调用E x c e l 的可编程对象和相关的报表模板，将用户需要的数据写入E x c e l 报表中。用户可直接将此报表打印输出或加以修改后再打印输出( 图3 ) 。图3 报表分析工具3 2 2G I S 空间数据管理、分析技术
16、的应用地理信息系统系统( G I S ) 具有拓扑结构分析和强大的空间分析功能，不仅能完成对历史街区现状调查资料的输入、存储、管理和利用现状数据库绘制历史街区保护规划所需要现状分析图，应用与图形关联的属性数据库，实现图形与属性数据的双向查询、检索、分析，而且能够在多源数据集成的基础上，进行综合评价和判断，避免由于认识的局限性所造成的保护规划失误，并给决策者提供多种保护方案，从而提高历史街区保护规划成果的科学性和综合性。( 1 ) 绘制三坊七巷各类现状分析专题G I S 数据在历史街区的保护规划编制过程中，需要绘制大量的现状分析图，传统方法是根据现状内容，在C A D 中绘制，工作量比较大，而应用G I S 数据库的属性数据可方便快捷进行专题图生成，除专题图外，还可生产多个属性的分析图，如不同年代下，建筑的结构类型。而这类分析图，在C A D 中显然是难以完成的( 图4 ) 。通过“三坊七巷”项目改造现状调查及地理信息系统形成名木古树分布专题数据、建筑质量专题数据、建筑结构分布专题数据、历史文化建筑分布专题数据、水井分布专题
