一、数字城市背景

（一）数字城市的社会背景

1.数字地球的提出

数字城市的概念来源于数字地球，数字城市也是数字地球的重要组成部分。人类经过数十年的努力，在空间科学技术以及遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GIS）等领域取得了巨大成就。特别是随着全球范围内对地观测系统（EOS）、国家信息基础设施（NII）、国家空间数据基础设施（NSDI）等重大计划的实施，人类对地球不同层面、不同现象的综合观测能力以及信息的处理、传输和应用能力达到了空前的水平。1998年1月，美国时任副总统戈尔顺应历史发展潮流，提出了数字地球的概念。

数字地球是一个全局性长远的战略思维，其核心在于：（1）用数字化手段统一性地处理地球问题。（2）最大限度地利用信息资源。具体地说，就是在全球、国家和区域的层次上，长远地规划地球表层和浅表层数字信息的获取、处理、应用等方面的相关工作，从系统论和一体化的角度来整合已有的或者正在发展的与数字地球相关的理论、技术、数据、能力和应用。

2.国民经济和社会信息化

国民经济和社会信息化是当今世界范围的一项战略任务，已成为当今世界科技、经济与社会发展的重要趋势。表现在：信息技术已广泛渗透到经济和社会的各个领域，推动社会生产力达到一个崭新的高度；信息化关系到经济、社会、文化、政治和国家安全的全局，已成为未来发展的战略制高点；信息化水平是衡量一个国家和地区的国际竞争力、现代化程度、综合实力和经济增长能力的重要标志。在我国，大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措，政府十分重视信息化工作，每年定期召开“全国信息化工作会议”，制定我国信息化建设的目标和行动，并采取一系列措施来积极推进信息化进程。

3.城市可持续发展

根据世界上各个国家城市化发展的一般规律，城市化现象的发展将会伴随经济的发展分为初期、加速和后期三个阶段，每个阶段都会有不同的表现形式和特征。其中，第二阶段的主要特征是人口快速向城市聚集；以第二产业为主导，第三产业比重快速上升，城市数量增加和地域拓展等。

2000年底，我国设市城市数为663个，建制镇为2万多个，城镇化水平为36.1%。我国城市化发展的总体水平进入了第二阶段。由于我国地域宽广，经济发展极不平衡，各地区的城市化水平也不相同。但在发展期间，人口和财富将进一步向城市集中，城市的数量将会增加，城市的基础设施建设和管理愈加重要。特大城市、大城市、城市群和城市带等新的城市空间组织形式将会不断涌现。我国的行政管理体制也将向以城市为中心的管理体制转变。

城市是社会全面发展的关键，21世纪的城市必将有巨大的发展，同时也会面临着严峻的挑战，城市可持续发展问题日益突出。所谓城市可持续发展，是指在一定的时空尺度上，以长期持续的城市增长及其结构演进，实现高度发展的城市化和现代化，从而既满足当代城市发展的现实需要，又满足未来城市的发展需求。城市可持续发展是城市的数量、规模和结构由小到大、由低级到高级、由不协调到协调、由非可持续到可持续的变化过程。

（二）数字城市的技术背景

数字城市的提出，除了上述社会背景外，也离不开现代地球科学和信息技术发展的支持。从技术的角度，可以将数字城市看作是一个以空间信息为基础的城市信息系统体系。这里的空间信息是指与地理位置相关的数据以及相应的人文和社会经济信息。城市信息系统体系则是指相互联系的各种城市信息系统的有机结合体。建立这样的城市信息系统体系，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。

1.RS、GIS和GPS技术发展

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（RS）技术。遥感技术的迅猛发展，使得人们从空间或空中对城市进行观测的能力空前提高。在过去的二十年里，空间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，世界各国已成功发射了5000余个各类航天器。其中，对地观测卫星（含侦察卫星）占了总数的40%左右，居各类航天器之首。

自1976年“联合国注册发射外层空间物体的协议”生效至今，已经有超过4000个空间物体被签约国发射。利用CCD阵列传感器，已经获得分辨率高达1m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，EOS系统重复周期为1—3天，欧共体的ERS1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，印度遥感卫星IRS1为22天，日本的JERS1为44天。我国已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地面接收站，能够接收和处理Landsat、TM、SPOT和加拿大的Radarsat等卫星图像数据。我国还建立了许多气象卫星接收台站，接收和处理NOAA气象卫星等数据，并建立中、低空高效机载对地观测组合平台和大量的地面观测台站。

GIS萌芽于20世纪60年代初。1962年，Tomlinson提出了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（CCGIS），以实现专题地图的叠加、面积量算等。这对当今GIS的发展有重要的影响。近二十年来，地理信息系统技术的发展令人瞩目。据国际高科技企业分析公司1994年的年报分析，全球GIS软件及相关服务的产值从1994年的12亿美元上升到1999年的38亿美元。

卫星定位系统采用测定三维坐标的方法，使定位从静态扩展到动态，从后处理扩展到实时定位与导航，其观测精度达到各种要求的精度，如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、俄罗斯的全球性卫星导航系统，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。

作为现代城市地理信息产业的基础，测绘已经从传统的地面大地测量转移到基于卫星导航系统的卫星大地测量，从航空摄影测量转向基于遥感的航空航数字摄影测量，从单一的地图制图转向电子地图数据库、地理信息系统的建设，而且技术结构也从单一技术向“3S”集成技术、基于网络环境的“3S”运行体系发展。

2.空间数据建设

构建数字城市需要数据。1994年4月，由美国三十多所著名大学、美国自然科学基金会和国家高科技项目署联合提出了国家空间数据基础设施（NSDI）计划作为国家信息基础设施即信息高速公路的补充，并立刻得到美国政府批准。该计划认为具有空间坐标的地球科学数据包括各种专题地图及遥感影像等数据，在Internet上高保真传输有较大难度，但意义重大，因此要专门研究。这项计划得到了世界一些主要国家的支持，尤其是欧洲及发达国家的支持。

我国也正致力于NSDI的建设。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1:1000000、1:250000、1:50000以及省级的1:10000。国家测绘局已经组织完成了国家空间数据基础设施建设的大量工作，目前正在启动和实施全国1:50000、各省1:10000数字地球空间数据框架的建设。国家基础地理信息系统数据库的建设为我国省级空间数据库的建设以及数字中国战略的实施和数字城市建设奠定了基础。

3.信息高速公路

在一定条件下，数字城市的信息是可以并应当为公众所共享的。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月以《国情咨文》形式在国会发表报告，正式提出美国决定建设信息高速公路——国家信息基础设施（National Information Infrastructure，简称NII），以此作为产业发展的基础，带动新学科和交叉学科发展，形成高新企业群，提高生产效率，增强国际竞争能力，促进经济腾飞。NII的技术含义为“高速计算机通信网络”。信息高速公路的实施，将改变人类的生产、生活和交往方式。这一概念一经提出，很快得到了许多国家的响应，一个建设以Internet为核心的信息高速公路的浪潮席卷全球。

我国互联网络信息中心（CNNIC）最近发布了第十八次“中国互联网络发展状况统计报告”。调查结果显示，中国互联网又进入一个快速发展期。其中网民人数、上网计算机数分别达到了12300万人、5450万台，与去年同期相比分别增长了19.4%和19.5%；中国域名总数为2950500个，其中CN下注册的域名达到1190617个，与去年同期相比，增长了91.3%；中国网站总数达到了788400个；网络国际出口带宽总量达到214175M；中国内地的IPv4地址数达到了84786688个。

4.互联网

美国成立了国际地球科学信息网络（CIFSIN）并将与世界各国联网，欧共体国家制订了连接有关国家的信息高速公路，并通过Internet与世界各国联网。亚洲国家也正在筹建联结各国的信息高速公路，并专门设一个协调机构。

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。中国目前拥有四大计算机网络（互联网、公用分组交换数据网、公用数字数据网、教育和科研网），它们都已具备了完善的信息基础平台。

5.全球卫星互联网络

全球卫星通信网络或卫星互联网络，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，做到真正的全球覆盖。

全球卫星通信网络或卫星互联网络由288颗低地球轨道卫星组成，环绕地球运行，构成了一个对地球全覆盖的网络，这是一个能处理各种通信方式的卫星系统，包括呼叫、浏览互联网络、图形图像和交互式多媒体。卫星互联网在低轨道外层空间布设了一个全球网络，卫星在轨道空间运行的速度为1.674万m/h，平均使用寿命为10年。可同时容纳2000万个用户（同时操作），费用与Internet的相同。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浏览或观看动态图像影像。用户可用点心盘大小的大线接通卫星互联网络，拨号的方式与使用便携式移动电话的方式大致相同。用户也可将天线与PC机或便携式计算机相连接，通过拨通提供互联网络服务机构的电话，便可以进入互联网络。

6.技术标准

在建设数字城市所涉及的政策、机构、技术、标准、机制、财力和人力资源等要素方面，人们已经做了大量工作。技术标准规定了基础数据的技术特征，使它们能够与其他环境、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，称作ISO/TC211。ISO/TC211的工作将为全球、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“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。