第八章 城市地理信息系统的发展前沿(第二讲) 教学内容： 5.3 数字城市的关键技术 教学时间：2课时 教学方法：讲授法 多媒体教学法 协作学习法 教学目的： 1、让学生熟悉和掌握数字城市的关键技术； 2、让学生理解和掌握数字城市关键技术发展趋势

教学重点： 数字城市的关键技术 教学难点： 海量存储与互操作 虚拟现实技术 本次课教学所涉及的学术前沿： 虚拟现实技术 虚拟仿真技术

5.3数字城市的关键技术 1、高分辨率对地观测技术 “数字城市”的建设 ,需要大比例尺、高精度的数据 ,这些数据将主要来自对地观测技术的发展。目前对地观测技术将逐步实现多时相、多角度和高分辨率化(王宏伟、罗成章、陈燕中等 ,1999) 。

2、海量数据存储和互操作 “数字城市”的数据是海量的 ,因此 ,建设“数字城市”需要海量的存储技术。这些数据存放在不同系统、不同数据库中 ,其数据结构、数据格式也不尽相同。实现这些数据的共享、动态调用需要互操作技术。 互操作包括两层含义:狭义上说 ,它是在保持信息不丢失的前提下 ,从一个系统到另一个系统的信息交换能力;从广义上讲 ,它是指不同应用(包括软、硬件)之间能够动态地相互调用 ,并且不同数据集之间有一个稳定的接口。OGC(Open GIS Consortium) 提出的 OpenGIS是异构系统之间进行互运算、互操作的规范(简逢敏 ,2000) 。

3、计算机宽带网络 通过计算机网络能够实现不同用户对网络资源的共享 ,把分布在广泛区域中的众多信息处理系统有机地连在一起 ,构成一个规模更大、功能更强、可靠性更高的综合信息处理系统。“数字城市”的数据分布在不同的数据库中 ,由不同的部门负责构建和管理 ,只有通过高速网络才能真正实现数据的无缝操作。要传输海量数据 ,进行科学计算 ,宽带网络便成为“数字城市”是否能走向实用的关键。

4、可视化、虚拟现实技术 可视化是实现“数字城市”与人交互的窗口和工具 ,没有可视化技术 ,计算机的一堆数字是无任何意义的(李德仁 ,1999) 。通过数据可视化技术 ,为分析和查询数据库中数据展现了新的视野 ,有助于发现隐藏在其中的信息 ,为决策支持、宏观管理提供更加有力的依据。 虚拟现实技术是近年来出现的高新技术 ,它综合集成了计算机图形学、人机交互技术、传感与测量技术、仿真、人工智能、微电子等科学技术 ,生成一个逼真的 ,具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互的动态世界 ,人们可以对虚拟的实体进行操作 ,它为人类观察自然、欣赏景观、了解实体提供了身临其境的感觉。

5、数据挖掘(Data Mining, DM) 利用数据挖掘技术 ,我们就能更好地认识和分析所观测到的海量数据;对获取的城市空间数据进行处理 ,从中挖掘出城市信息机理知识 ,进而认识城市系统的演化规律。数据挖掘将人工智能、统计、计算机及数据库等技术紧密结合 ,其方法和技术可以分为六大类:1.归纳学习方法;2.仿生物技术;3.公式发现;4.统计分析方法;5.模糊数学方法;6.可视化技术。 空间数据挖掘是指从空间数据库中提取出用户感兴趣的空间模式与特征 ,空间与非空间的普遍关系及其他一些隐含在数据库中的普遍的数据特征(刘宇、曲波、朱仲英等 ,2000) 。利用空间数据挖掘技术 ,提高“数字城市”的智能化水平 ,使“数字城市”真正成为智能化的空间咨询和决策支持系统。

6、地理信息系统 (Geographic Information System, GIS） 地理信息系统技术是“数字城市”数据库管理的基础技术(简逢敏 ,2000) 。另外 ,地理信息系统的空间信息表达和直观表现能力 ,在处理城市复杂系统问题时 ,能帮助人们更好地建立大局观和模拟直接感受 (赖明 , 1999) 。目前 ,地理信息系统正从二维向多维动态以及网络方向发展。

7、决策支持系统(Decision Support System，DSS） “数字城市”的目的之一就是要利用现有的各种数据、信息 ,在综合、全面地分析后 ,为城市的规划管理和可持续发展提供决策支持。决策支持系统利用数据库、人机交互进行多模型的有机组合 ,辅助决策者实现科学决策的综合集成系统(陈文伟 ,2000) 。目前 ,决策支持系统正在向智能决策支持系统、分布决策支持系统、群决策支持系统、高层决策支持系统、以及综合决策支持系统方向发展。与一般决策支持系统不同 ,数字城市所需的决策支持系统是空间决策支持系统。空间决策支持系统是面向空间问题领域的决策支持系统(黄跃进、反伟胜、朱云龙 , 2000) ,它支持复杂的、结构性较差(如半结构化或非结构化)的空间问题并对此进行求解(王桥、吴纪桃 ,1999) 。

8、系统集成(System Integration , SI) “数字城市”的数据、计算和应用具有分布式的特点 ,因此它需要多数据库、多平台、多技术的集成。采用集成平台作为“数字城市”的框架结构具有很多优点:首先集成平台所具有的协调和反馈机制可以使整个系统形成一个有机的整体 ,完成单独部件不能完成的功能 ,从而增强系统的整体性。其次 ,在统一的集成平台的基础上 ,多种信息可以共享 ,信息融合和深层次挖掘可以产生大量新的有用信息。第三 ,减少集成的复杂度。第四 ,减少各子系统的重复部件 ,减少系统冗余 ,保持系统的一致性。第五 ,便于系统的维护和更新(张健挺 ,1998) 。

9、空间一致性匹配 建立“数字城市”是一项庞大的系统工程。不同信息源(跟踪矢量化数据、扫描栅格化数据、遥感栅格图像及GPS数据等)、不同比例尺及不同的投影方式、不规则分幅的空间图，要在数字城市系统中复合显示、叠加查询和综合分析。首先必须系统整合，它是目前最流行的地理坐标匹配法。地理上一个点可以被多种多样的数据结构所描述，反之，再复杂的描述与表达，如对象为同一个地点，它只能有唯一的空间坐标，因此，从需求上看，集成系统应有多种数据结构；但从集成系统逻辑上看，所有空间数据唯一定位基准应是经纬度坐标。各种数据结构对象都应具备某种空间影射关系，因此在系统中应设计空间数据的快速转换算法，以便多源信息可快速按基准拼贴在系统“虚拟空间拼图板”上。在实际工作中还可解决非同域或非邻域图幅的强制拼接整合。

10、城市标准空间统计单元的建立 “数字城市”采用的是一体化的地理数据和社会经济属性数据的管理，建立标准空间统计单元是数字城市的基础。所谓空间统计单元，就是在地图上划出有层次的、互不重叠的、不规则的多边形，每一层次上每个多边形就是一个空间单元，有唯一的代码。空间单元及其编码的标准化是普及城市地理信息系统的基础。

11、“3S”一体化集成技术 全球定位系统、遥感和地理信息系统技术是建立“数字城市”的三大支撑技术。这些技术各具特色，GPS可以实时获取目标位置坐标；遥感技术可快速获取区域面状信息；地理信息系统具有较好的查询检索、空间分析计算和综合处理能力。“数字城市”需要综合运用这三大技术的特长，提供所需的对地观测、信息处理和分析模拟的能力。因此“3S”一体化技术将是建立“数字城市”的核心技术之一。

12、基础地理数据库的建设管理及标准化技术 从内容上，城市基础地理数据库可分为基础地理数据库和专题信息数据库两大类。基础地理数据库的主要内容是城市大比例尺的地形图(1：500，1：1000，1：2000)的数字化数据，如各种不同遥感平台采集和获取的图像数据构成的图像库，辅之以其他基础的社会、经济信息。专题信息数据库可以是空间型数据库及专题信息数据(图形和统计数据)，如规划管理信息数据子库，市政管线信息数据子库。 从数据组织形式上，基础空间数据库包括矢量的地形图和遥感影像。在基础空间数据库建设和管理中，我们要特别重视遥感影像数据库的建设。地形图能够准确具体地表示地物的平面位置和高程；遥感影像(包括航空影像)真实反映了地表综合信息，另外，遥感影像还具有波谱信息、时间信息和综合信息，而这些信息特征正是建立“数字城市”所十分需要的。

要考虑城市之间以及国际间的交流，因此必须有相应的标准。我国在城市空间数据建设方面已经有了一定的标淮和体系，并吸收、引进了其他国家和行业已有的标准、规范与规程，同时结合城市的具体情况编制了分类和编码标准、质量控制标准、语言和数据词典、汇录格式和交换格式等。

重点复习：虚拟现实技术 1、所谓虚拟现实(Viruality Reality——VR)，就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉的感觉世界，使人们可以用人的自然技能对这个生成的虚拟实体进行交互考察。它是当代信息技术高度发展、多种技术综合集成的产物，是一种高度遏真模拟人在现实世界中视、听、动等行为的技术。

虚拟现实技术 虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维遏真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。

图解 一个计算机VR系统，可以分解为三个独立的、但又相互联系的感觉引导子系统：视觉子系统、听觉子系统和触觉动觉子系统。这三个子系统由虚拟环境产生器进行控制、协调。

一个能够真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要素： 1、能够提供给用户以三维立体的虚拟境界，即以三维空间为基础，在其中显示逼真的立体图形，从而给用户一种身临其境的感觉。 2、能够提供给用户以第一人称的感觉，并有实时任意活动的自由。 3、用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变用户所进入的虚拟境界。

根据虚拟现实的实现方式不同，主要分为两类 一是通过虚拟现实建模语言（VRML）在WWW网上实现三维对象的显示和操作； 另一类是基于图形工作站的，给用户提供一种高质量的虚拟环境，有的还采用立体眼镜等外设，提高用户的参与感。

2、虚拟现实建模语言 1）虚拟现实建模语言概述 虚拟现实建模语言（VRML,Virtual Reality Modeling Language)是由马克·皮斯在1993年构想出来的，意在解决WEB上三维图形的标准问题。他和托尼帕里斯编写了一个叫做Labyrinth(迷宫）的浏览器（程序），并于1995年4月首届WWW国际会议上展示，引起了广泛的关注，并发出了为WWW上的三维应用建立正式规范的倡仪。

VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言) VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)是一项和多媒体通信、Internet和虚拟现实等领域密切相关的新技术，其基本目标是创建Internet上的交互式三维多媒体技术和规范。1998年1月VRML被正式批准为国际标准(1SO／IECl4772一I：1997，通常称为VRML97)。 VRML是HTML的三维模型，它使用VRML浏览器能读懂的ASCII文本格式来描述现实世界和链接。通过VRML，我们可以模仿现实世界的特征，生成自己的虚拟现实世界，供别人巡访。VRML浏览器可以带你浏览Web上的三维环境。这样，人们就能在计算机屏幕之前，使用VRML浏览器，通过Internet来参观工厂和实验室，在虚拟电子办公室内会谈。

为了提供具有三维效果的虚拟现实世界，VRML使用了一种可用于描述所有三维世界静态特征结构的场景图，它包括对象的几何关系、材质、纹理、几何变换、光线、观点及嵌套结构。基于Internet的特殊性，VRML总共提供了6十1个自由度：既可以沿着三个方向移动，也可以绕着三个方向旋转；与此同时，还可以建立与其他三维空间和WWW空间的超链接。为了访问基于VRML的三维虚拟世界，需要一种支持VRML的浏览器(Browser)。目前最为流行的WWW浏览器都内含VRML支持，如Netscape公司的Navigator、communications内含的Live3D及Microsoft公司的Internet ExPlorer内含的Active VRML。 这样，我们就可以在WWW浏览器中直接访问VRML文件，或者将三维虚拟世界嵌入主页之中。

VRML语言被称为第二代Web语言，改变了WWW上单调、平面的缺点，将人的扩动作为浏览的主体，所有的表现都将随操作者行为而改变，虚拟现实建模语言(VRML)是一种可以发布3D网页的跨平台语言，可提供一种更自然的体验方式，包括交互性、动态效果、延续性以及用户的参与探索。VRML的设计理念与HTML相近，主要在于与平台无关、具有扩展性，VRML还特别被设计能在低带宽的联机下运作。

第二代WEB

2）VRML的功能 （1）三维物体的建模功能 VRML既可以用来建立真实世界场景的模型，也可以建立虚构的三维世界。VRML2.0标准提供了几种几何节点来刻画三维世界中的空间目标,还提供了一个Transform组节点，可完成移动、旋转几何节点等多种功能。同时，为了使建模更逼真，VRML2.0提供了一些表现质感、质材、特殊效果的节点。

（2）自由浏览功能 由VRML构造的三维景物，可以通过改变用户视点的位置和观察方向来实现自由浏览，以便于从不同的角度来观察物体。 （3）实时操纵及交互功能 实时操纵和交互是根据使用者的动作来改变虚拟现实系统的状态

3.其它虚拟现实方法 虚拟仿真技术(Virtual Simulation technology):实现由真实的人在虚拟环境中操作仿真系统进行仿真的技术。特点是将实物、半实物仿真系统与操作者融合在一个合成的虚拟环境中进行仿真。其中，实物仿真系统可以包括真实的硬件，并由计算机仿真结果来驱动运行。这

虚拟仿真工具包括硬件和软件两方面。仿真硬件中最重要的是具备一定图形显示能力的计算机，特别是高性能的图形显示设备，还包括各种类型的传感器、输入／输出交互设备、多功能的终端显示设备，以及专用的物理仿真器和模拟训练仿真器等。虚拟仿真软件包括图形建模语言、图形程序包、实时渲染程序包以及仿真建模程序等。

虚拟仿真的关键技术： ①图形建模技术。是对虚拟环境中所需描述对象内部固有的几何性质的抽象描述的技术。包括对对象的基本性态与表面属性、对象或基元结构的拓扑特性以及其他一些物理特性的描述。可分为二维建模技术和三维建模技术两类，是构成虚拟环境的几何基础技术。 ②系统物理模型技术。是对真实系统中与所研究问题相关的对象的本质特性描述的技术。主要包括虚拟对象的运动建模、物理建模、对象行为建模以及模型分割等技术，还可包括听觉感知、触觉感知等感知建模技术。 ③实时图形生成技术。是根据图形建模提供的几何数据，结合系统的物理模型，快速生成所需描述系统的图形，并在终端显示设备上实时渲染的技术。

虚拟地理环境视景生成平台 虚拟地理环境视景生成平台的建设是直接为测绘保障和国民经济服务的，因此该平台的建设必须满足当前的需求。根据目前计算机虚拟现实技术的发展，虚拟地理环境视景生成平台应有四部分组成：硬件、建模软件、仿真软件、人在回路中的虚拟设备，其组成如图 。

硬件是地理环境虚拟视景生成平台的关键设备，其性能指标如何直接关系到地理环境虚拟仿真的真实性，同时考虑到不同用户对三维仿真的不同需求，因此仿真硬件的选择应分开档次，能满足不同用户对三维仿真的不同需求。建模软件与仿真软件是地理环境虚拟仿真的关键软件设备，它主要考虑如何生成仿真环境中的实体和逼真性好的大面积的地形、地貌等地理环境及如何提高模型的实时性。虚拟设备辅助观察者“走”入某一地理环境区域，有身临其境的感觉。

课后复习 1、简述数字城市的关键技术 2、名词解释：虚拟现实技术 3、简述虚拟现实建模语言的功能

课后情况记载