>> 《数码城市地理信息系统》—— 虚拟城市环境之三维城市模型初探

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作者：　　朱庆，林珲
出版社：　武汉大学出版社
出版日期：2004年

序 言

　　城市化是一个国家经济发展的重要标志。据联合国《世界城市化展望： 2003年回顾》发布的数字，2003 年世界人口已有48%居住在城市，预计在2007年将达到50%以上，历史上第一次超过农村人口。我国国家统计局最近发布的结果，2003年有40.53%的人口居住在城市，与1990年同项数据18.96%相比，可以看出我国城市化的进程是逐步加快的，发展迅猛。这一方面反映了我国经济的快速增长，另一方面也对我国城市建设及相关的配套设施与政策法规提出了严峻的挑战。面对如此紧迫的形势，加快城市建设信息化的步伐将是解决城市化过程中所出现的各种新老问题的有效办法。

　　城市信息化的通俗解释就是建设“数字城市”。它是要构建一个以城市地理空间（Geospace）数据和专题数据为基础，以网络计算和通信为工具，协助“人”来更有效地认识、规划、建设和管理城市，也为“人”的生存、工作、生活和安全提供保障的科技、人文环境。

　　朱庆、林珲二位教授的《数码城市地理信息系统》一书的出版正是应对城市信息化建设的新形势，解决“数字城市”建设中的理论与技术问题，并预见城市信息化前景的一本非常及时的专著。作者在城市地理信息系统的概念、原理和方法上设置了一个十分确切的解释空间，搭建了一个建立数字城市地理信息系统的认知框架，并将多年来国内外同行们在这一领域所取得的丰硕成果经过分析、评价之后融入其中。为我们提供了一条能直接而便捷地进入领域核心地带的途径。

　　这本书还反映了作者及其团队多年来的科研成果和经验，特别是在数字城市理论方法的深化过程中提出的空间建模、多维分析、数据质量控制等方面的见解，都有很强的启发性和指导意义。

　　“数字城市”既是目标，也是一个过程。最终要达到什么样的境界目前还说不太清楚。但是可以肯定的说它不是一个单纯的技术系统，而是一个“以人为本”，人机结合的大型综合集成体系。本书在这个问题上的描述有明显的特色和亮点，尽管国内外的研究探索只是刚刚起步，但方向是清晰的，应该引起我们的重视。例如，书中提出的构建分布式的虚拟地理环境，开始强调人与虚拟环境的交互与关系；讨论了地理协同（ Geocollaboration）理论在分布式虚拟地理环境中的应用，这必然会引出认知主体和客体，虚拟与实在（ Reality）等跨计算机、心理学和哲学的多种问题，并将引导“数字城市”研究与开发的深化。

　　在全球化的网格（Grid）技术的新环境中，城市信息化建设将有新的思路和新的举措。本书可以为这一即将到来的新变革打下一个稳固的基础。感谢作者多年的工作及在地理信息科学的学术交流方面所做的努力和贡献。

2004年3月25日于郑州

前 言

　　城市在这个星球上的出现已经有了五千多年的历史。然而，大规模城市化是过去一百多年中发生的事情。城市的发展是与创新分不开的，这里不仅是指科技方面的创新，也包括文化方面的创新。例如，云南丽江古城凭借文化创新也迎来了发展的机会。近二十年来，城市信息化似乎成为许多中国城市发展的创新契机，并被冠以“数字城市”建设的美喻。与此同时，我们也应该看到城市本身的发展对于城市信息化也提出了挑战。譬如，珠江三角洲和长江三角洲城市群的协调发展，也呼唤出“城市群地理信息系统”的新思路。

　　近年来，受到“数字地球”（digital earth）概念的影响，“数字城市”（digital city）在不同的认识层次和学科领域得到了不同的理解，因而具有两层明显不同的含义：广义上被用于描述城市信息化的目标，而狭义上则主要指城市空间信息基础设施。不管如何理解，城市地理信息系统都是其重要的核心内容，并正在积极向动态、多维和网络化方向发展。为了突出虚拟现实技术在城市空间信息交流方面的重要意义，“虚拟城市”（virtual city）也被用于描述通常由三维场景组成的城市地区，用户能够在里面移动和交互。

　　城市逼真的三维数字表示由于其在城市基础设施管理、无线通讯网络规划、城市开发决策支持、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等众多领域显现出巨大的应用潜力，从而成为普遍关注的热点问题。如何从二维地理信息系统向城市环境三维描述（三维地理信息系统）转变正日益成为城市数据管理的时髦问题。城市的三维逼真描述——三维城市模型不仅具有传统虚拟现实表现的高度真实感，而且具有三维GIS数据库管理与分析应用等特殊功能并能与其他社会经济信息互联。因此，三维城市模型常被作为CyberCity的代名词，有关其数据获取与管理的研究受到了广泛重视。格林（Gruen）等学者将三维城市模型数据库系统称为“CyberCity Spatial Information System”（CyberCity空间信息系统）。针对城市地理环境应用，笔者认为CyberCity Geographic Information System(CyberCity GIS)的提法更为恰当，并将其翻译为数码城市地理信息系统。我们认为，数码城市地理信息系统是“数字城市”空间数据基础设施的重要组成部分，也是“虚拟城市”的核心内容；同时，也将其作为GIS向“虚拟地理环境”（virtual geographic environment）方向发展的一个初步原型。因此，本书以“数码城市地理信息系统——虚拟城市环境之三维城市模型初探”作为书名。

　　尽管有关三维城市模型的研究与实践在国内外已经十分广泛，但大多数成果由于立足于特定的有限领域而且都还是分散的、不全面的。比如，广泛应用于城市规划设计评价和旅游目的的各种“虚拟城市”往往侧重于其逼真的视觉表现，而忽略了可靠的空间数据获取方法和灵活的海量数据管理与分析能力。本书力图比较全面地论述当今国内外关于数码城市地理信息系统最先进的理念和研究进展，从摄影测量与遥感和地理信息工程的角度着重论述三维城市模型的数据内容与数据快速获取方法，多种类型数据的一体化管理与集成应用，海量数据的动态交互式可视化等关键技术，为我国正在开展的城市数字化工程建设提供必要的理论铺垫和技术支持。相比其他领域，城市问题具有特别的复杂性，其对 GIS技术提出了更高的要求。因此，本书关于数码城市地理信息系统的理论方法和关键技术对数字化国土、数字化战场环境和地下工程等其他相关领域的应用实践也具有一定的适用性。同时，本书集中反应了数码城市地理信息系统平台软件CCGIS4.0（2003年度国产GIS软件测评推荐软件）研发和大量工程应用实践的成果，争取在理论研究及技术应用两方面均获得发展和创新，体现先进性、系统性、实用性和可操作性的时代要求。当然，由于研究工作的局限，有关虚拟城市环境的其他问题如时态、城市人文环境等还有待在今后的版本中予以充实。书中的许多观点也期待进一步更加广泛的争论。

　　本书的完成还得到了许多人直接或间接的无私贡献。有关数码城市地理信息系统的研究与实践一直得到了武汉大学李德仁院士和龚建雅教授的关心与支持。李德仁院士在百忙中审阅了书稿，提出了宝贵的建议并给予了鼓励。解放军信息工程大学高俊院士不顾繁忙的学术活动亲自审阅全书并欣然作序，使本书增色许多，令作者深受鼓舞。要感谢测绘遥感信息工程国家重点实验室（武汉大学）和地球信息科学联合实验室（香港中文大学）有关的教师、博士研究生和硕士研究生们给予的极大支持。在几年前首次策划本书内容时，香港理工大学的李志林教授提出了许多宝贵的意见和建议，它们已经体现在今天的书稿当中。作者要感谢眭海刚博士，吴波、赵杰、黄铎、张霞、胡海棠、王静文、韩李涛、李逢春、龚俊、张叶廷、钟正等博士研究生，高玉荣和周艳等硕士研究生的辛勤付出。同时，作者还要感谢香港裘搓基金会赞助朱庆在香港中文大学地球信息科学联合实验室的访问和学术交流，使其有机会与龚建华研究员、辛晓红博士、沈大勇博士、孔云峰博士、杨育彬博士、李响、赵一斌、施晶晶和王纲胜等博士研究生进行深入讨论，并有颇多收益。本书得到了国家973项目“虚拟现实的基础理论、算法及其实现”（2002CB312101）、 国家863项目“ 虚拟地理环境的研究与开发 ”（ 2001AA135130）和国家自然科学基金项目“多种类型大型空间数据库集成方法”（40001017）的资助。

　　最后，作者要感谢武汉大学出版社责任编辑任翔先生以及参与本书出版编辑工作的所有老师艰苦细致的审编工作，使该书顺利面世。

朱庆、 林珲 　　　　　
2004年2月20日 　　　　
香港中文大学 未圆湖畔

 

目 录

前 言

第一章 概述

1 地理信息的多维表示

1.1.1 地理学语言的演进：从地图到虚拟地理环境

1.1.2 数码城市地理信息系统的概念

1.1.3 数码城市地理信息系统技术发展的时间线索

1.2 数码城市地理信息系统的技术特点

1.3 数码城市地理信息系统的应用范畴

1.4 本书结构

第二章 三维城市模型的多尺度表示

第三章 三维城市模型数据获取方法

第四章 三维城市模型数据的生产工艺与质量控制

第五章 数码城市地理信息系统的一体化数据库管理

第六章 三维城市模型数据压缩方法

第七章 数码城市地理信息系统的三维空间分析方法

第八章 基于海量数据库的三维可视化

第九章 分布式数码城市地理信息系统

第十章 数码城市地理信息系统的典型应用