信息技术在城市规划中的应用

1. 信息技术在城市规划中的应用 主讲人：刘英 建筑工程管理系城市规划教研室

2. 第一章 绪论 主要内容： 1、数字地球及数字城市的社会背景、关键技术支撑； 2、数字城市的概念和框架体系。 重 点：数字地球、数字城市的概念和框架体系。 难 点：数字地球、数字城市的概念

3. 第一节 数字城市的社会背景 一、“数字地球”战略 1、提出 戈尔——1998年1月——“数字地球”(digital earth) “数字地球是一个可以嵌入海量数据的、多分辨率的、真实地球的三维表示。”

4. 2、什么是“数字地球”？ 数字地球： 通过数字化的手段嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、三维的描述，以此最大限度地利用地球自然和社会资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得有关地球的信息。

5. 通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。 严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。 通过“数字地球”实现信息的广泛共享，通过各种科学手段整合信息资源，挖掘出潜藏在数据背后的知识，辅助人类更全面地认识世界，改造世界，促进人与自然的协调，保证区域和全球的可持续发展。

6. 3、数字地球三要素： 信息的获取（地球科学、测绘、遥感、统计、调查）； 信息的处理（地球科学和信息科学）； 信息的应用（服务于社会）。 数字地球在不同历史时期又有特定的目标；目前，应当建立多比例尺、多应用层面的数字化地球、数字化地区或数字化城市，从社会经济发展的需要来说，建立数字城市具有更为现实的意义和价值，且操作性更高。

7. 二、“数字城市”的社会背景 1、城市可持续发展的需要 “城市是在空间上的结构，是人类社会经济活动在空间的投影。” 城市是人类集中居住、社会活动的主要场所，是一个国家或地区政治、经济、科技和文化发展的中心。 据统计，2005年，我国城市化水平达到43%，我国现有城区总面积占国土面积的0.43％（600多个城市），却创造了超过70％的国内生产总值。 21世纪是我国城市大发展时期，随着城市化进程的加快，越来越多的人口和财富涌向城市，城市的基础设施和规划管理都面临严峻的挑战，要实现城市的可持续发展，必须更新城市管理手段、提高城市管理质量，必须实施”数字城市“战略。

8. 2、国民经济和社会信息化的需要 20世纪中期以来，信息科学和信息技术的迅猛发展，整个社会出现了“信息化”潮流，如何准确、及时地获取、处理、传输和利用信息逐渐成为解决人类社会可持续发展的重要基础。 信息流成了信息时代城市发展的主要驱动力。城市之间的竞争很大程度上表现为是否能够运用信息理论和信息技术来提高城市对信息的感知、获取、传输、处理和利用的能力。 不同的城市之间，由于信息技术的利用水平和信息化程度的不同，出现了“信息鸿沟”和“信息不对称”现象，最终，由于“信息的不对称”导致了“城市经济发展的不对称”，从而影响了城市的综合发展，出现了跟不上信息化潮流的“边缘城市”。因此，城市要发展，必须紧跟时代“信息化”的步伐。

9. 第二节 数字城市的技术背景 数字城市是一个以空间信息为基础的城市信息系统体系。建立这样的城市信息系统体系，最主要的基础设施建设是信息高速公路（即NII）和国家空间数据基础设施（NSDI），其支撑技术主要是遥感、地理信息系统、全球定位系统、空间决策支持、管理信息系统、虚拟现实以及宽带网络等。 一、RS、GIS和GPS技术的发展

10. 1、RS技术的发展 为了及时获得有关城市的最新空间信息，需要采用现代遥感技术。 在过去的20年里，遥感传感器的空间分辨率和光谱分辨率分别都提高了约100倍。自1957年第一颗人造卫星进入太空以来，世界各国己成功发射了5000余个各类航天器。其中，对地观测卫星（含侦察卫星）占总数的40%左右，居各类航天器之首。目前己经获得分辨率高达lm的影像。成像光谱仪可以达到5-40nm的光谱分辨率。微波遥感的发展可以获取全天候的信息。 美国的NOAA气象卫星每天可覆盖地球两次，欧共体的ERS-1海洋卫星为3天，美国陆地卫星Landsat为16天，法国SPOT卫星为26天。我国己经发射多颗遥感卫星，获取了高分辨率的全景摄影图像，建立了多个遥感卫星和气象卫星地面接收站，能够接收和处理Landsat TM, SPOT、NOAA等卫星图像数据。 目前，遥感已经进入一个多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。

11. 1957 年 10 月 4 日 ，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功， 标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元。

12. 1960 年开始，美国发射了 TIROS-1 和 NOAA-1 太阳同步气象卫星，开始利用航天器对地球进行长期观测. 朝鲜半岛－日本海 (NOAA，2003.8)

13. 1972 年 Landsat-1发射，装有 MSS 传感器，分辨率 79 米 ，标志着遥感进入新阶段. 浙江安徽江苏局部MSS影像（1979）

14. 1982 年 Landsat-4 发射，装有 TM 传感器，分辨率提高到 30 米 .

15. 1986 年法国发射 SPOT-1 ，装有 PAN 和 XS 遥感器，分辨率为 10 米。 SPOT5传回的巴黎卫星影像

16. FY-1-极轨气象卫星 FY-2-地球静止轨道气象卫星 1988 、1990、1999年，中国先后发射了三颗 “FY-1 ”号气象卫星； 1997、2000年又发射了两颗“FY-2 “气象卫星； 风云一号可飞经全球所有地区，观测全球气象变化，可提供长期天气预报信息；地球静止轨道气象卫星风云二号可实时、连续观察本地区的云图和气象变化，两者互相补充，使天气预报更准确。除此之外，还可对台风、海面温度、洪涝灾害、森林火灾进行监测预报。

17. 1999 年美国发射高分辨率商用卫星 IKNOS ，空间分辨率提高到 1 米 ； 2001年该卫星拍摄的上海浦东新区金茂大厦附近地区的1米分辨率的影像。

18. 中巴资源一号卫星(CEBRS) 1999 年 10 月 14 日，中国与巴西合作研制的资源一号(CEBRS)卫星成功发射，它是一颗在太阳同步轨道(极轨)上运行的卫星，也是我国第一颗数据传输型卫星。 它的成功运行，使我国拥有了自主的遥感卫星数据源。到目前资源一号已取得几万幅卫星图像，为全国性资源普查，农作物估产，地形图编修，城市规划，环境污染、自然灾害、河道迁移、土地沙漠化、冰川进退的监测等提供了大量的动态变化资料。

19. 中国卫星遥感影像图

20. QB-0.61米 IKONOS-1米 SPOT5--2.5米 SPOT4-10米

21. CEBRS--20米 ETM--15米

22. 美国西海岸城市旧金山-QB

23. 2、GIS技术的发展 GIS是空间信息系统的核心。RS和GPS发展较晚，依赖的是航空技术和卫星技术，最初的目标是获取地表空间信息和空间定位的，但随着GIS的发展，其应用已经大大拓展了。 GIS萌芽于20世纪60年代初。1962年，Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统（CGI S），以实现专题地图的叠加、面积量算等。近20年来，地理信息系统技术的发展令人瞩目。已经从最初的机助制图、量算分析发展成为构建空间信息基础设施，建设数字城市、数字地球的关键技术。

24. 实用地理信息系统

26. 3、GPS技术的发展 GPS全球定位系统(Global Position System)是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统，耗资近100亿美元，是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后的第三大工程。 卫星定位系统从百米级发展到数米级，进一步发展到分米级、厘米级。目前，卫星定位系统有美国的全球卫星定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统，以及正在发展中的欧洲导航定位卫星系统、日本的多功能卫星增强系统等。 GPS系统自从建立以来，在测量、海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、动态观测、时间传递、速度测量等方面，显示出强大功能及无比的优越性。它具有使用方便，观测简单，定位精度高，经济效益好等优点，目前正深入到测量、导航、移动通讯等各个行业和领域。

27. 全球定位系统

28. 二、空间数据建设 构建数字城市需要数据，城市空间数据建设是数字城市基础层的核心。1994年4月，美国提出国家空间数据基础设施(NSDI )计划。 NSDI的核心是国家基础地理信息数据库的建设，它包含数字线划地形数据（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字栅格数据（DRG）、数字正射影像数据(DOM )以及地名等数据库的建设。国家基础地理信息数据库的比例尺分为国家级的1：100万、1：25万、1：5万以及省级的1：l万。我国也正致力于NSDI的建设，国家测绘局己经组织完成了国家空间数据基础设施建设的大量工作，目前已完成全国1：5万、正在启动和实施各省1：1万数字地球空间数据框架的建设。 目前，我国大多数城市完成了基本地形测绘，地形图件基本上覆盖了城市的建成区、规划市区和主要市郊，数字式数据正在成为地形信息的主导形式。

29. 数字线划地形数据（DLG）

30. 数字高程模型（DEM）

31. 雅鲁藏布大峡谷鸟瞰图 与卫星影象叠合而成

32. 数字栅格数据（DRG）

33. 数字正射影像数据(DOM )

34. 三、信息高速公路和互联网 数字城市的信息是应当为公众共享，共享的基础设施就是信息高速公路。信息高速公路概念源于美国。美国时任总统克林顿于1993年2月正式提出美国决定建设信息高速公路—国家信息基础设施（简称NII）。NII的技术含义为“高速计算机通信网络”。这一概念一经提出，很快得到了许多国家的响应，建设以Internet为核心的信息高速公路的浪潮席卷全球。法国总统希拉克号召在全国中学普及电脑，德国政府推出互联网普及计划，新加坡也正计划建立信息化的现代国家。

35. 1996年10月，美国政府提出了新一代Internet（NGI） 的实施计划， 率先发起研究建设下一代互联网，与现在的互联网相比，下一代互联网将： 　　更快：比现在的网络传输速度提高1000至10000倍。 　　更大：逐渐放弃IPV4，启用IPV6地址协议，这样，IP地址将变得无限丰富，大得可以给地球上的每一颗沙粒配备一个IP地址，家庭中的每一个东西都可以分配一个IP，真正让数字化生活变成现实。 　　更安全：目前困扰计算机网络安全的大量隐患将在下一代互联网中得到有效控制，不会象现在这样束手无策。 　　在下一代互联网，真正的数字化时代将来临，家庭中的每一个物件都将可能分配一个IP地址，都将进入网络世界，所有的一切都可以通过网络来调控，它带给人类的，不仅仅是一种变化，而是一种质变。

36. 中国的信息高速公路经过十多年的建设己经取得了显著的进步。中国的国家信息基础设施CNII，计划到2020年建成，总投入1500～2000亿美元。九五期间，主要建设“八金工程”(金桥、金卡、金关、金企、金税、金农、金智、金宏)。中国目前拥有四大计算机网络，它们都已具备了完善的信息基础平台。中国的信息高速公路经过十多年的建设己经取得了显著的进步。中国的国家信息基础设施CNII，计划到2020年建成，总投入1500～2000亿美元。九五期间，主要建设“八金工程”(金桥、金卡、金关、金企、金税、金农、金智、金宏)。中国目前拥有四大计算机网络，它们都已具备了完善的信息基础平台。 中国互联网(ChinaNet） 中国公用分组交换数据网(CHINAPAC ) 中国公用数字数据网(CHINADDN ) 中国教育和科研网(CERNET) 2006年1月17日，中国互联网络信息中心（CNNIC）在京发布“第17次中国互联网络发展状况统计报告”。报告显示，截至2005年12月31日，我国上网用户总数突破1亿，为1.11亿人，目前，我国网民数和宽带上网人数均位居世界第二。国家顶级域名CN注册量首次突破百万，稳居亚洲第一。上网计算机数达到4950万台，网络国际出口带宽达到136106M，网站数达到69.4万个。IP地址总数达到7439万个，仅次于美国和日本，位居世界第三。

37. 四、全球卫星互联网络 1997年3月，微软公司Bill Gates提出了建立全球通信网络计划，计划建立一个由288颗地球卫星构成的网络，并在地球上99％的地区使用这种通信技术。全球通信网络是比Internet优越得多的全球无线多媒体互联网络，它以卫星通信网络系统为主体，同时也可以与地面光纤为主的Internet相结合，可以做到真正的全球覆盖。 用户可以从任何地方，包括办公室、车上、船上、飞机上，甚至大沙漠或大洋中呼叫或接发电子邮件，也可在Internet上浏览或观看动态图像影像。 Internet的创始人文顿·瑟夫指出，Internet的发展在逐渐超出地球范围，把信息高速公路延伸到外层空间的时代己经到来。

38. 五、虚拟现实技术 虚拟现实(Virtual Reality\|VR)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。 它是由计算机硬件、软件以及各种传感器所构成的三维信息的人工环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用。 虚拟现实技术被认为是数字地球概念提出的依据和关键技术。虚拟现实技术通过系统生成虚拟环境，用户通过计算机进入虚拟的三维环境，可以运用视觉、听觉、嗅觉、触觉感官与人体的自然技能感受逼真的虚拟环境，身临其境地与虚拟世界进行交互作用，乃至操纵虚拟环境中的对象，完成用户需要的各种虚拟过程。虚拟现实技术主要应用于工程设计、数据可视化、飞行模拟、模拟实验、多媒体远程教育、远程医疗、旅游娱乐等方面。 如虚拟战争、虚拟旅游、虚拟灾害、虚拟海港、虚拟学校。

39. 虚拟现实技术

40. SPOT15虚拟地理环境

41. 六、技术标准 技术标准规定了基础数据的技术特征，使它们能够与其它环境、社会、经济数据相一致，空间数据基础设施在大地测量参考系、数据模型、数据词典、数据质量、数据传输和元数据这些领域内都需要有标准。国际标准化组织（ISO）已经把地理信息标准化作为一个活动领域建立了一个技术委员会，称做ISO/TC211,它将为全球、地区、国家的空间数据标准化提供一个框架。 我国在空间数据及GIS标准化方面也做了大量工作。国家质量技术监督局、建设部、国家测绘局等先后组织制定并发布或即将发布一系列标准。1994-1997年，国家有关方面完成并于1998年出版了国家，“八五”课题研究成果《城市地理信息系统标准化指南》。该指南对与城市GIS有关的标准化问题进行了系统的研究，并列出了200余项相关标准。

42. 第三节 “数字城市”概念 一、数字城市的涵义 “数字城市”广义上指城市信息化，是用数字化手段来处理、分析和管理整个城市，促进城市的人流、物流、资金流、信息流、交通流的通畅、协调。 从城市规划、建设与管理的角度看， “数字城市”是指综合运用地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感系统（RS）、网络等关键技术，建设服务于城市规划、建设、管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。 其主要内容是建设空间信息基础设施，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。“数字城市”的核心思想有两点：一是用数字手段统一处理城市信息和管理等多种问题；二是最大限度地利用信息资源。

43. 二、数字城市的功能和应用 数字城市对人类的积极作用超乎想象。 数字城市所提供的数据和信息在农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、新闻媒体、城市建设、教育、资源、环境、人口、海洋以及军事等几十个领域都能产生巨大的社会和经济效益。 例如农作物监测、农作物估产、土地覆盖物的识别和评价、土地和地籍管理、水资源管理、环境监测、资源合理利用、数字天气预报、灾害监测与评估、灾害模拟和预报、渔场预报、智能交通管理、商业选址、市场调查、移动通讯、民用工程、城市管道管理、在线政府公共信息服务等等。

44. 1、在城市规划、管理中的应用： 数字城市为城市规划提供所需的地形、地质、水文、遥感影像、用地类型、园林绿化、地下管线、公共设施等资料。实现城市智能交通系统、城市灾害综合防治系统、交通导航、环境监测、商业选址、市场调查等。 2、网上远程教育 在未来的基于数字城市的虚拟教育方式实现时，每人个都可在家中通过计算机终端或辅助装置接受教育，还可向教师提问，交换意见，完成交互式的教学过程。 3、打击犯罪活动 美国加利福尼亚的盐湖城，通过利用GIS分析犯罪模式和帮派活动，已减少了该市的持枪犯罪活动。 4、全球变化研究 全球变化模拟(包括地表温度场的遥感探测、地表植被覆盖与大气温室气体的动态监测、地-气与海-气相互作用模型研究；区域或全球尺度三维动态大气动力和整体模拟的研究。

45. 三、数字城市的框架体系 由三大部分组成： 1、作为数字城市支撑的关键技术：包括GIS、遥感、GPS、多元数据融合与挖掘、三维信息表现、多种软件一体化、数据库、元数据和宽带网络等技术 2、数字城市本身：包括4个层次： （1）城市综合信息平台、城市空间基础信息平台和城市电信基础设施平台； （2）政府、企业、社区和公众四类应用系统，这是数字城市发挥作用的根本； （3）相应的网站和信息接入终端，直接面向最终用户； （4）政策法规与保障体系，为数字城市建设及应用提供法律、经济和管理等诸 方面的保障，是数字城市体系中不可缺少的部分。 3、数字城市的用户，即服务对象:包括政府、企业、社区和公众4大类。

46. 数字城市的服务对象 数字城市本身 数字城市的关键技术

47. 数字城市核心应用系统（如图） 城市规划管理信息系统 城市房地产管理信息系统 城市综合管网管理信息系统 城市交通管理信息系统 城市可视化电子政务系统 城市其他应用系统 核心应用 系统 数字城市应用系统

48. 习题和思考： 1、数字地球是由何人在何时提出来的？ 2、什么是数字地球？其核心思想是什么？ 3、数字城市的涵义是什么？对我们的生活有什么影响？ 4、数字城市建设的关键技术有哪些？ 5、数字城市的框架体系分为几个层次？各层次具体分别是什么？ 6、提出你对数字地球和数字城市的看法和建议。