数字技术赋能城市治理

3.3　数据获取技术

数据获取技术，也称为数据采集技术，是“数字城市”建设的基础环节。建设“数字城市”需要大量的城市空间和属性数据，随着遥感技术、GPS技术、数字摄影测量技术、遥测技术等的集成空间信息获取技术的发展，准确的、实时的、动态的、自动的获取数据成为可能。下面就关键技术介绍如下:

3.3.1　遥感技术

1.遥感技术简介

遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性应用技术，包括传感器技术、信息传输技术、信息处理技术、目标特征分析与测量技术等，它是运用现代光学、电子学探测仪器，不与目标物相接触，从远距离把目标物的电磁波、可见光、红外线信息记录下来，通过分析、解译揭示出目标物本身的特征、性质及其变化规律的技术。该技术是利用飞机、飞船、卫星等飞行物上的传感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物。

数字城市的发展必须要有大比例尺航片与高分辨率卫片等遥感数据的智能获取，目前已经获取能够满足不同需要的高、中、低分辨率的卫星遥感影像，遥感影像的智能化获取是研究的重点之一，高分辨率遥感成为重要的数据源。目前应用于城市遥感调查与监测的卫星有: Landsat-7，除了原有的7个波段(30m空间分辨率)外，又增加了一个15m分辨率的全色波段;美国IKONOS的0.8～1.2m分辨率的全色影像，此分辨率意味着城市中的房子、汽车在图像上基本可以看清楚，这一点对使用高精度、大比例尺信息的数字城市来说非常重要，也将成为建造数字城市的主要信息源;美国QuickBird的全色分辨率为0.61m，多光谱分辨率为2.44m(四个波段)，图像幅宽为16.5km;法国SPOT-5的空间分辨率可达2.5m或5m，影像覆盖面积为60km×60km，在双探测器模式下为60km×120km，可制作1∶1万地形图;加拿大于1995年发射了Radarsat遥感卫星，其合成孔径雷达(SAR) e波段，发射和接收极化均为水平(HH)，分辨率从10～100m任选，幅宽为45～500km，能气候成像;德国的MOMS计划，利用三维CCD阵列传感器，卫星影像的空间分辨率可达4～5m;印度有一系列遥感卫星，如IRS-1A、IRS-1B、IRS-1C、IRS-1D，其全色波段分辨率达到5～8m，也有1m分辨率的小卫星;以色列有Fe9-3的2～3m分辨率卫星。中国的卫星目前有尖兵－1、2、3、4侦察卫星(回收型)、资源一号卫星(中巴卫星)对地观测、雷达卫星对地观测和小卫星对地观测等，CCD相机在星下点的空间分辨率为19.5m，扫描带宽为113km，有四个波段(可见光到近红外)和一个全色波段;多光谱扫描仪(IRMSS)，可见光与短波红外波段的空间分辨率为78m，热红外波段为156m;宽视场成像仪(WFI)为可见光与短波红外，星下点的可见光波段的空间分辨率为258m，带宽为890km;在小卫星方面，我国清华大学的清华2号小卫星的遥感分辨率为2m，可以满足数字城市空间数据资源建设的需要。

2.遥感技术在数字城市中的应用

遥感技术作为重要的信息获取手段，是构筑“数字城市”最基本的空间数据来源，也是其他非空间数据的载体和框架，为数字城市数据库的建设与更新提供有力保障。遥感技术在数字城市建设过程中的应用，主要是数据的采集与更新，而应用效果则取决于遥感数据的空间分辨率和影像分辨率，不同的应用对分辨率具有不同的要求，对于数字城市来说主要是利用1m分辨率，甚至更高分辨率的遥感数据。

遥感技术在数字城市中的应用，体现在城市测绘、区域规划、土地利用、市政设施设计、城市绿地、城市交通、环境整治、灾害防治、工程项目监测、生活质量评估，以及专题信息获取等方面发挥着重要的作用。其主要应用包括以下几个方面:

(1)城市基础数据的获取。城市基础数据，主要指“4D产品”和相关属性数据，包括数字矢量线划数据(DLG)、数字正射影像数据(DOM)、数字栅格线划数据(DRG)和数字高程模型(DEM)，以及城市发展的历史资料、建筑物密度和分布、路网形态、土地利用和变迁数据、水资源数据、环境资源数据、绿地数据、污染源及污染程度数据、交通状况及流量数据、城市建筑和用地的功能分区及变化、城市灾害数据等，还有加工派生出的人口密度统计模型、污染扩散模型和灾害致损模型等其他信息资料。传统的测绘制图手段和信息表示方法已无法满足地形图在设计和规划方面的用途及目的，地形图对地形地物的表示重点也有一些新的要求。采用航空遥感手段，可以获得信息量极其丰富的DOM、进行DLG的快速更新和修测;还可以利用航空影像、地面拍摄的纹理影像、DEM和地物构架模型等建立城市或小区三维景观模型，从而极大提升人们在城市规划、项目设计、文物保护、环境治理、工程选址和资源配置等方面的能力。基础属性数据是数字城市的重要基础信息源之一，利用遥感技术获取这类数据的同时也获取了其位置信息。

(2)社会公众参与到城市建设和发展中。社会公众通过遥感影像图，能够了解城市的变化、发展、社会功能的改善、自然和社会环境的改善，享受到城市的发展、进步、提高所带来的精神上的欢愉，更能激发公众对生态环境和生活质量的关注。公众对城市发展的关注、参与和监督将促使城市向着更加完美的方向发展。数字城市是一个开放的系统，它的建设离不开公众的参与和监督，而遥感资料则为公众的参与提供了很好的切入点。

(3)城市环境保护。数字城市的建设使得人们能够掌握城市环境状况，为分析、保护及治理环境服务。利用激光遥感、雷达遥感和卫星遥感可以对大气污染、城市水体、土壤、固体废弃物等进行检测，还可以分析环境变化趋势，为城市的综合治理和保护提供准确的科学依据。

(4)城市发展的动态监管。城市的发展是一个连续渐变的过程，也是一种空间过程，对城市发展的监管也应在时间域和空间域上与之匹配，而利用遥感技术手段则可满足这项要求。城市发展的监管，主要是指对宏观方面的城市发展规模、方向和微观方面的各工程项目的监控，如利用遥感资料和项目报建的审批资料等，可以对在建和新建项目进行监控调查等;还可以利用同一地区不同时相的遥感资料，通过对比分析，直观地了解城市的发展趋势，为城市规划、土地利用调查、政府部分统筹等提供资料。因此，利用遥感资料，可以有效地解决过去城市发展城市建设中的监管盲区问题。

(5)遥感数据与GIS相结合。遥感数据具有丰富的信息，时效性和重复性强等优势，GIS具有空间数据的高效管理、综合分析能力、定量化程度高的特点，二者的结合既提高了遥感信息的定量定性分析水平，又使得GIS不断地获得新的数据资料，实现地理数据库和专题信息数据库的不断更新，使其保持有效的使用价值并具有动态分析功能。

3.3.2　GPS技术

1.GPS技术简介

GPS技术，即全球范围定位系统或导航系统，又称卫星定位系统或导航系统，是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其最初目的是为军事领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等。1995年4月，GPS系统正式投入运行。GPS是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统，只要有相关的接收处理设备，在全球几乎每一个角落随时都可以同时接收到4颗以上的GPS卫星，并能保持良好的定位解算精度，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS系统由GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面监控部分)和GPS接收机(用户部分)等三大部分构成。GPS卫星主要是实时地向用户传送广播星历的信号。GPS地面监控系统是观测卫星、计算其星历，并编辑成电文注入卫星。GPS接收机是用户用于定位、导航的关键设备。据不完全统计，目前世界上有近百家厂商生产了数百种不同型号的GPS接收机。

GPS主要有全天候、全球覆盖、定位精度高以及快速、省时、高效等特点，具有定位、导航、核爆监测、天气预报和应急通信等功能，完全可以满足数字城市对各种实时数据的需求。

目前国际上卫星导航定位系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及我国的北斗卫星导航广域增强系统。前三者为全球导航定位系统，后者为区域导航定位系统。现在国内外广泛使用的是GPS，包括精密单点定位技术和网络RTK，在数字城市建设中可以利用网络RTK技术建立城市连续运行卫星定位服务系统(CORS)，其主要作用是为所有与地理位置有关的城市各种信息提供一个统一的时空定位基准(坐标系统)，以便实现数字城市多源数据无缝无边的拼接和整合，保证地理空间数据的一致性、兼容性和可转换性，同时为“数字城市”战略的实施提供实用的城市治安、城市突发公共事件应用和智能交通等的有力技术支持。

2.GPS技术在数字城市建设中的应用

目前，基于GPS的技术服务已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术产业，GPS技术是数字城市建设中不可或缺的关键技术之一，具有广泛的应用，其主要应用如下:

(1)数字城市空间参考基准的建立。数字城市中的所有空间数据必须基于一定的空间参考基准，这种基准通常是通过建立城市基本控制网来实现。利用GPS技术的特点改造或建立城市控制网是目前公认的标准方法，具有精度高且均匀、无需建标高、费用低、操作方便、劳动强度低、作业效率高等优点。此外，城市大型改造，如桥梁建造、地铁与隧道、大型土建等工程中，就可以应用GPS技术建立高质量的施工控制网、隧道贯通控制网。随着社会经济的发展，原有的城市控制网，或规模过小，或遭到城市建设的破坏，改造或建立城市控制网是一项重要的基础性工作。

(2)城市空间基础信息采集与更新。城市空间基础信息采集与更新的技术方法主要是摄影测量和地面测绘。

摄影测量一般是面向大面积信息采集。在航空摄影测量中，利用GPS技术进行大面积的地理空间信息采集，主要经历航摄、像片联测、像片调绘等几个基本阶段。在航摄阶段，利用GPS技术对航摄飞行进行导航和定位，可以使航线更为准确，航向和旁向重叠技术指标更加符合航摄设计的要求，提高航测质量;在像片联测阶段，利用GPS技术进行像控点连测，可大大降低外业劳动强度，提高作业效率，缩短作业周期;在像片调绘阶段，利用GPS技术可以对遮挡和变更地物进行补测，可以直接进行补测或快速建立补测所需的控制系统。

地面测绘一般是面向小面积信息采集或局部更新，利用GPS技术，直接建立测绘地形图，并且快速建立测图所需的控制网，提高作业效率。同时，RTK技术的发展，使得GPS可直接应用于地面测绘和信息采集，而在城市土地利用动态监测中，利用RTK技术可以提高监测的速度和精度，真正实现实时动态监测，从而能够保证城市土地利用状况调查的实时性。

(3)基于数字城市的GPS导航服务。建立城市多基准站的GPS RTK系统，是实现城市快速导航和动态测绘的重要基础。按照城市的具体地形情况，选择合适地点布设可以覆盖所需服务范围的若干GPS跟踪站和控制中心，GPS跟踪站连续不间断地观测GPS卫星，将观测数据通过传输设备传送到控制中心进行处理，再分发到覆盖范围的每一个车载GPS用户，结合电子地图实现实时导航定位。目前，我国北京、上海、深圳等城市已经或正在建立城市多基准站RTK系统，并且取得了良好的应用效果。

利用GPS定位技术，城市出租车、公共汽车、租车服务、物流配送等行业可以实现对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户各种请求，降低能源消耗，节省运行成本;对于紧急事件处理部门来说，对突发事件可以进行报警、定位等，实现对火警、救护、警察等进行应急调遣，绕开交通堵塞路段选择最优路线以最快的速度到达目的地，提高其对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率，从而将损失降到最低限度。

在我国，城市和城市间的交通体系发展速度很快，但城市和区域的交通图更新往往严重滞后，给人们的生活和工作带来很多不便。利用车载GPS技术，驾车在新修的道路上走一趟，随车测量并记录道路的坐标数据，添加到原有图件上，就可方便实现小比例尺交通路线信息的更新。

(4)改善城市公众的生活质量。对于普通城市居民来说，现在可以应用GPS手表、GPS手机、GPS导航汽车等。GPS应用于民众，依托与数字城市中央控制系统的畅通便捷通讯，以多种人性化的形式和易于掌握的操作方式，发出各种请求，获得各类不同的响应信息以及地点准确的帮助，从而为人们的生活、工作、娱乐等带来极大的方便，改善城市公众的生活质量，产生极为可观的社会和经济效益。

GPS作为先进而精确的导航、定位和测量系统，已经成为新的生产力，融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着现代科学技术的进一步发展GPS技术本身也将不断发展和完善，定位和导航精度将越来越高，应用成本越来越低廉，其应用必将越来越广泛。

3.3.3　数字摄影测量技术

1.数字摄影测量简介

摄影测量学有着较为悠久的历史，19世纪中叶，摄影技术一经问世便应用于测量。它从模拟摄影测量开始，经过解析摄影测量阶段，现已进入数字摄影测量阶段。按照成像距离的远近不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量等。

在数字摄影测量中，不仅其产品是数字的，而且其中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的，所处理的原始资料也是数字影像或数字化的影像。随着计算机技术及其应用的发展以及数字图像处理、模式识别、人工智能、专家系统和计算机视觉等学科的不断发展，数字摄影测量的内涵已远远超过了传统摄影测量的范围，现已被公认为摄影测量的第三个发展阶段，能自动快速生成城市的DEM、DOM、DLG，并可从DOM上自动或人机交互式提取各种专题信息，然后将这些结果存入GIS数据库中，以实现数据库的自动更新。这种由城市的正射影像、DEM、建筑物的量测数据、房顶与墙面的影像纹理数据虚拟城市三维景观的手段是“数字城市”图形交互的主要形式。

近年来，数字摄影测量技术在软、硬件方面的迅速发展，使得航空摄影图像中自动获取数字高程模型并制作数字正射影像已经成为现实。国际上许多数字摄影测量系统，如Leica/Helava公司的DPW、Zeiss公司的PHODIS、Intergraph公司的ImageStation以及武汉适普软件公司开发的VirtuoZo NT等有关数字正射影像自动生成和DEM自动提取的技术已经成熟，这为地形环境虚拟现实研究提供了直观、真实且现势性较强的基础数据。

在城市建设过程中，测绘部门利用航空摄影测量技术已经更新了大量的城市地理信息数据，在数据测制的过程中，通过大量的科学实验，完善了现代航空摄影测量的技术体系，修订了有关国家规范，特别是完善了当今最先进的数字摄影测量技术。数字摄影测量技术由于有计算机视觉技术、图形图像技术、全自动影像匹配技术、影像边缘提取技术等融合，能够快速而精确的更新DLG、DOM、DEM以及它们的叠加产品，信息量更为丰富。

2.数字摄影测量在数字城市建设中的应用

数字城市是以城市的基础空间信息为基础的，其基础空间信息包括数字高程模型、全要素数字地形图以及数字正射影像图等。随着城市规划和建设的发展，数字摄影测量在数字城市建设中得到广泛应用，主要包括以下几个方面:

(1)测绘数字线划矢量图。数字线划矢量图是城市基本图件的最主要形式，是建立各种地理信息系统的基础信息，也是进行规划、设计、管理等的基础。各城市使用的基本地形图比例尺主要有1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000和1∶10000等5种，数字摄影测量系统可以测绘各种相应比例尺的数字线划图。利用数字摄影测量系统提供的自动空中三角测量在内的整体解决方案、影像匹配技术以及多种高效、实用的测图模式，可大大提高作业效率。

(2)建立数字高程模型。数字高程模型是建立数字城市的基础信息之一，是构建城市三维景观和进行各种工程设计的基础信息。目前我国仅有约1/8的城市建立了一定范围的DEM，使用的格网尺寸为5～25m，格网点高程精度为0.25～1.2m。数字摄影测量系统具有自动大规模生产DEM、自动生成等高线等功能，可提高生成等高线的效率。

(3)建立数字正射影像图。数字正射影像图是根据数字高程模型对中心投影的航摄影像进行纠正处理，消除了投影差的垂直投影的影像地图。由于它包含地表的各种原始信息，而且通过纠正处理，比例尺和相关位置是准确的，可用于城市规划、环境保护、资源调查、灾害防治以及军事等多种领域。据统计资料显示，我国城市数字正射影像图相对于线划图无论是数量还是种类均少得多，覆盖范围也很有限。数字正射影像所用片种包括黑白、彩红外和真彩色三种，主要用途是城市规划、土地调查和更新地形图。目前，数字正射影像图在世界范围受到了广泛的重视，特别是随着1m分辨率卫星影像投入使用以及影像识别和单像特征提取技术的进展，它将会得到越来越广泛的应用。数字摄影测量系统可以进行正射影像纠正和镶嵌、影像修补、任意影像的无缝镶嵌，此外将数字正射影像图与数字高程模型叠加，可生成城市的三维景观，如电子沙盘等。

(4)建立城市真实三维景观模型。城市真实三维景观模型是根据建筑物的实际三维地理坐标，构建真实的城市三维景观模型和三维景观动画。城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像通过数字摄影测量方法，精确测得结构物的空间三维坐标，由软件自动生成建筑物的结构模型并贴上相应的纹理建成。数字近景摄影测量在特大比例尺线划图和影像图的生产、考古、医学中发挥作用。

3.3.4　遥测技术

1.遥测技术简介

遥测技术起源于19世纪初，遥测广泛用于飞机、火箭、导弹和航天器的试验，也极大地促进了遥测技术的发展。20世纪50～60年代，随着通信理论、通信技术和半导体技术的发展，遥测技术在调制体制、传输距离、数据容量、测量精度以及设备小型化等方面都取得了很大的进展。60年代以来，遥测技术发展的显著特点是:遥测设备的集成化、固态化、模块化和计算机化，出现了可编程序遥测和自适应遥测。

遥测技术是通过遥测系统进行的，遥测系统由三部分组成:

(1)输入设备，包括传感器和变换器。传感器把被测参数变成电信号，变换器把电信号变换成适合于多路传输设备输入端要求的信号。

(2)传输设备，是一种多路通信设备。它可以是有线通信或无线电通信，既可传输模拟信号也可传输数字信号。目的是把输入设备输入的信号不失真地传到终端。

(3)终端设备，功能是接收信号，对信号进行记录、显示和处理，以获得测量结果。

2.遥测技术应用

(1)噪声检测技术及噪声电子地图。城市噪声包括交通工具运行过程中产生的噪声、工厂生产时产生的噪声和闹市产生的噪声。噪声对城市居民的正常生活产生较大的破坏作用，因此受到广泛的注意。在各种噪声中，有的是稳定的，如工厂发出的噪声，有的则有明显的时间性，如车辆和闹市等。定期对城市噪声进行监测，并绘制成城市噪声的电子地图，是城市环境评估的重要指标之一，同时也是数字城市建设的重要数据来源。将不同时期的城市噪声电子地图进行分析对比，可以用来评估环境噪声的变化。

(2)大气污染遥测技术及大气污染电子地图。汽车尾气污染、工厂废气污染及其他原因造成的大气污染是城市环境质量的重要破坏因素。运用激光探测大气成分技术，并将其测得的数据绘制成污染电子地图是城市环境质量的评估的重要指标之一。将城市每天的污染电子地图进行分析对比，可以用来评估环境污染的变化。

(3)电视检测技术。电视检测技术包括白天与夜视检测技术。在城市的一些重要部分，如交叉路口、高速公路及重要部门进行日夜电视监测，确保实时获得可靠的数据和信息。

3.3.5　卫星遥感数据的智能化获取技术

卫星遥感数据的智能化获取技术，其目标是为数字城市技术系统的数据获取与更新提供高效、稳定、可靠、精确的技术保障，主要包括以下两个方面:

(1)智能化接收技术:包括卫星轨道数据的自动提取，接收轨道的自动计算和自动选择，接收设备所有控制参数的自动调整;多星、多任务时的所有操作过程自动调度，异常情况或事故发生时能自行处理等。

(2)智能化图像处理技术:包括自动完成图像导航，0级、1A级、1B级格式预处理，几何校正、精确匹配、光谱校正及分类自动归档等操作过程的全部自动化，按地图分幅镶嵌处理，或特殊分割处理的自动化和批量生产过程。

3.3.6　多传感器集成空间信息获取技术

多传感器集成技术从20世纪80年代初开始应用于军事领域，后来迅速扩展到军事和非军事的各个领域，如自动目标识别、自主车辆导航、遥感、GIS的空间数据和属性数据的采集与更新、战场监控、自动威胁识别系统、机器人、医疗应用等。

多传感器集成空间信息获取是指利用多种空间数据采集传感器进行全面高精度空间数据采集，为地理信息系统和三维空间数据的采集提供全面、可靠、高效的方式。通过多传感器集成空间信息获取技术可以获取“数字城市”中需要的大量建筑物的立面几何和纹理数据信息。多传感器集成空间信息获取通过多种传感器来实现，不同的传感器组合可以构成不同的传感器集成空间数据采集系统，根据传感器搭载平台的不同，可以分为地面车载、航空机载和航天星载等，其中，车载测图系统主要用于与道路检测等有关的领域，机载系统主要用于以快速获取DEM为主要目标的各个领域。

3.3.7　城市活动空间数据的智能化获取技术

城市活动空间数据是指为数字城市日常活动中可能涉及的所有具备空间属性的数据，如交通通信信息、市政设施信息、地籍信息、行政单元信息、城市环境与市容信息等。城市活动空间数据的智能化获取技术要求数据的获取与更新具有快速、准确、安全的特征。由于其数据来源的多样性和复杂性，获取技术的选取也是多样的，主要包括:

(1)城市地理信息系统(UGIS)。它是地理信息系统的一个分支，是一种运用计算机硬、软件及网络技术，实现对城市各种数据的输入、存储、查询、检索、处理、分析、显示、更新和提供应用，以处理城市各种空间实体及其关系为主的技术系统。其中，数据主要指反映城市现状、规划、变迁的各类空间数据(如地形、地貌、建筑、道路、综合管线等)以及描述这些空间特征的属性数据。它属于城市地理数据的范畴，但它可以为城市活动空间数据服务，特别是在交通通信信息、市政设施信息、地籍信息、行政单元信息等方面，UGIS扮演着越来越重要的角色。它是城市基础设施之一，也是一种城市现代化管理、规划和科学决策的先进工具。目前，它广泛应用在城市政府、部门、企业及市民社会生活等领域。

(2)基于位置的服务(LBS)技术。它是一种综合性的空间管理技术，它强调空间信息和城市各种活动信息的集成与融合，能够极大地拓展了传统空间数据的范畴。它将社会经济领域及商业领域的各种数据与GIS数据相结合，为数字城市的活动空间数据提供自动的采集与处理功能。