1、“数字上海”空间信息基础数据平台建设规划研究一、 “数字城市” 及其应用的现状分析1、国外“数字城市”基础平台建设的现状分析1） 空间数据生产、使用的协调和管理1994 年 4 月 13 日，美国颁布了 12906 号总统行政令，实施国家空间数据基础设施（National Spatial Data Infrustructure ，NSDI）计划，正式在美国政府和非政府部门中开展直接协调地理空间数据收集和管理的活动。英国政府在认识和分析美国 NSDI 成功和问题的基础上，提出了国家地理空间数据框架（NGDF）发展计划。澳大利亚联邦空间数据委员会制定了空间数据管理机构与领导机构的权利与责任、联邦公
2、益空间数据转让等政策。2） 空间数据框架建设美国 FGDC 于 1995 年 4 月提出了 NDGDF 实施计划，开始建立包括大地测量控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水文、行政单元以及公用地块地籍数据在内的数据框架。加拿大 Geomatics Canada 负责全加拿大国家地形数据库（NTDB） ，已经完成1：25 万地形数据库和南部人口稠密地区的 1：5 万地形数据库。欧洲大多数国家版图较小，数字地理空间数据生产基础较好。英国陆军测量局从 1970 年开始从事数字化制图，已正式向社会提供数字化地图。法国地理院从 1985 年起建立 1：5 万全国地形数据库（BDTOPO） ，x、y
3、精度为 2.5m，z 精度为 1.0m。德国内务部原大地测量研究所（IFAG）负责完成全国 1：20 万 DLM 和 1：100万 DKM，各州测量局负责完成 1:2.5 万 DLM 和 1:2.5 万 DKM，其地物精度要求为 3m。荷兰于 1990 年建立了地籍信息（非图形）的联网查询，有 2500 注册用户，1997 年完成全国地籍图数字化。日本是亚洲地区最早开展地理信息化工作的国家。目前已能向社会提供 DEM 数字地图等系列产品。3） 空间数据标准建设发达国家的地理信息管理采用国家和地方两级管理体系，在“数字城市”空间数据基础平台的建设中,通常采用自上而下的组织形式，即由中央政府组织相
4、关机构共同推动全国范围统一数据平台的建设。政府在其中主要起到协调政策性事务、组织研究发展、统一数据标准和行业规范等作用。2、国内“数字城市”基础平台建设的现状分析我国“十五 ”计划明确提出：“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。以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”。作为推进信息化工作的一个重要方面，党和政府的各级领导对“数字地球” 给予了高度重视。1999 年 11 月在首届“数字地球”国际会议上，北京市市长刘淇正式提出了启动“数字北京工程” 。2000 年初，北京市信息化办公室制定了“数字北京 工程总体框架及发展规划”，这份规划对数字北京的
5、概念、内容、目标、重点项目等作了详细的阐述。山西正处在经济结构调整的重要时期，为加快国民经济和社会信息化，抓住“数字地球”带来的历史性机遇，充分利用现有的信息化基础和优势，确立建设“数字山西”战略目标，建设空间数据基础设施。2000 年 12 月在太原市召开“可持续发展研讨暨空间数据基础设施项目论证会”，通过了“数字山西”空间数据基础设施项目建议书及其总体设计方案。2001 年 2 月陕西省第九届人民代表大会第四次会议审议通过的陕西省国民经济和社会发展第十个五年计划纲要明确提出，要加强基础测绘工作，基本建成“数字陕西 ”地理空间基础框架。福建省国民经济和社会发展“十五”计划纲要把建设“数字福建
6、”作为“十五”的重点建设项目，并成立了以省长习近平为组长的“数字福建”建设领导小组。湖南省发展计划委员会于 2000 年 11 月，在长沙召开了“数字湖南”框架工程专家论证会，与会专家和代表提出将“数字湖南”基础框架工程纳入省国民经济和社会发展“十五” 计划，以利尽快实施。吉林省计委于 2001 年 4 月邀请国内 30 位专家、学者在长春就 “数字吉林”建设问题召开了研讨论证会，专家一致建议政府尽快立项实施。海南省、湖北省、浙江省、河南省、重庆市、厦门市等地区也通过了数字区域的论证，开展了“数字区域”、 “数字城市” 空间信息基础设施建设。3、上海在国内外 “数字城市”建设中所处的水平综述1
7、）上海在“数字城市”领域中相关工作的现状形成了全国领先的信息化基础设施规模和能力；完成了所有基本比例尺地形图的数字化；进行了城市遥感影像系统应用；探索了数据共享机制和应用标准；开发了多领域的地理信息应用系统。2）上海在 “数字地球”、 “数字城市”领域中的优势和差距主要优势：一是城市信息化基础设施的规模和能力处于全国领先的地位。二是信息技术普及程度比较高。三是具备比较优厚的经济基础和综合实力。四是具有丰富的人才和技术资源。主要差距：一是作为“数字城市”核心技术的地理信息系统应用面过窄。二是信息共享困难、行业基础数据库之间互访性差。三是具有“上海特点”的自主技术研发实力尚不突出。二、 “数字上海
8、” 空间信息基础数据平台的界定1、关于“数字城市”概念的定义广义“数字城市” 概念：“数字城市” 即城市信息化，涉及到城市信息化建设的方方面面，不仅包括各种信息化基础设施的建设，还将涉及信息化过程中所产生的社会经济关系和文化伦理观念的变化与调整。狭义“数字城市” 概念：“数字城市” 工程是指利用“数字城市 ”概念，基于地理信息系统 GIS、全球定位系统 GPS、遥感系统 RS 等关键技术，深入开发和应用空间信息资源，建设服务于城市规划、建设和管理，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应用体系。其本质就是建设空间信息基础设施并在此基础上深度开发、整合
9、、应用、交流和共享城市的各种信息资源。2、关于“数字上海”空间信息基础数据平台研究范围的界定1） “数字上海”空间信息基础数据平台的定义“数字上海” 空间信息基础数据平台，是指在上海开展信息化进程中，用以满足各个行业进行与地理空间相关信息的采集、应用、交互、共享，并能提供标准参照数据及运行环境的集合。2） “数字上海”空间信息基础数据平台的主要内容“数字上海” 空间信息基础数据平台所涉及的基础设施，主要将借助于上海城市信息化基础设施，因此，未列为本课题研究的内容。根据在地理信息系统、遥感信息系统等方面的应用实践。三、空间信息基础数据平台在“数字上海” 中的关系和地位“数字上海” 所涉及的内容、
10、覆盖的领域及对信息交互、共享的要求，比起现有任何信息应用系统都有过之而无不及。空间信息基础数据平台作为“数字上海”的核心数据内容，同其它部分的关系可用下图来描述：图中：信息化基础设施就是构架宽带、多媒体信息网络的硬件环境。上海信息网络硬件环境是上海地区信息化公共基础设施，是各类信息应用所依赖的基础运行环境，也是支撑“数字上海”空间信息基础数据平台的基础设施。支撑软件主要包括网络操作系统、开发工具、专业软件等，这里的开发工具和专业软件都与所运行的信息系统有关，相对于其他现有的应用系统， “数字上海”空间信息基础数据平台有其特殊的要求，如地理信息系统、遥感信息系统、分布式数据库系统等。空间信息基础
11、数据是构筑在信息化基础设施、支撑软件环境之上的空间框架性基础数据，它主要包括多种比例尺的数字化地形图、数字化遥感影像图、城市基本地理统计单元、行政区划图以及反映人口状况等数据，是“数字上海”的核心内容之一。政府、企业、公众等应用系统是建立在公共信息基础设施和运行环境上的信息系统，就应用对象来看可分为两大类，一是建立在空间信息基础数据平台之上，为满足各类应用需求的专业信息应用系统，如房地产信息系统、规划管理系统等，以及要求与地理位置相关的其他信息系统；二是建立在空间信息基础数据和各类专业数据基础之上的综合性应用系统，如指标统计、资料整合、预测分析等，是比前一类层次更高的、可为政府管理部门、咨询服
12、务机构等提供科学依据和辅助决策的信息系统。空间信息基础数据平台在“数字上海 ”建设中的作用和地位主要表现在 3 个方面：（1） 空间信息基础数据平台是数字城市的空间参照体系，作为定位参考基准，可供各类用户添加其他与空间位置有关的专题信息。更由于平台是一个统一的、独立的、开放的运行系统，能为各类城市应用系统提供所需的公共基础信息，因此，它是实现全市空间信息共享的地理空间框架公共平台。（2）以平台中空间基础数据为背景建立的各类专业信息应用系统，在地理位置上不会存在人为的差异，因此，它是行业、专业间应用系统进行数据交换的具有高效率、高精度特点的公共的交换平台，可成为全市基于空间框架的信息交换枢纽。（
13、3）由于空间基础数据平台既具有“数字上海”的空间地理参照体系，又包含了与城市空间地理相关的基础数据，因此，建立在这同一基础数据源之上的各类专业应用系统，在进行相关的专业统计分析时，其结果将比较公正，可比性也较强，信息的应用价值也会由此得到提高。如今，上海信息化基础设施的建设已经取得了很大成绩，面向公众的社会信息服务的“中国上海” 门户网站已经建成并投入使用，连接上海市各级政府机关的公务网络工程也在建设中，应该说，在硬件设施、网络环境上的建设已经走在了全国的前面。另一方面，经过“八五”和“九五” ，管理部门、企事业机构也相继建成了一批具有 GIS 和 RS 特点的应用系统，推进了全市信息化、数字
14、化的发展。上海已到了需要建立一个全市统一的空间信息基础数据平台，来解决公共数据重复建设、行业间数据不能交互、共享这一当前突出问题的关键时刻，我们认为，加紧建立地理空间框架性基础数据平台，是“数字上海”的重要核心内容，是全面启动“数字上海”的突破口。有了这个数据平台，信息化应用能力必然会获得大幅度的提升， “数字上海”才会真正深入到政府、企业、公众的日常工作和生活中，更好地为其服务。四、 “数字上海” 空间信息基础数据平台建设的目标和指导原则从进一步提高上海城市信息化水平来实现跨世纪发展的大目标出发，提出实施“数字上海” 空间信息基础数据平台建设的目标和原则。1、 “数字上海”空间信息基础数据平
15、台建设的基本目标作为上海城市信息化重要组成部分的“数字上海”空间信息基础数据平台，要建成一个“信息内容丰富、更新维护及时、共享交换便捷”的公共基础平台，这个平台将是支撑上海各类管理信息系统的公共服务平台。“信息内容丰富” 是指该平台数据丰富，具有较强的信息承载能力。“更新维护及时” 是指平台的信息资源具有明确的时效范围、切实的更新、维护周期，以保证其现势意义。“共享交换便捷” 是指数据的共享和交换简单易行。平台具有丰富的应用功能、友好的人机界面和有效的提交、分发服务。2、 “数字上海”空间信息基础数据平台建设的指导原则遵循国家空间信息基础设施建设“加强统筹规划，促进综合利用，避免盲目发展”的指
16、导思想， “数字上海” 空间信息基础数据平台的建设的指导原则是“统一、通用、科学、标准、共享”。“统一” 就是必须在统一领导的前提下，以政府主导来规划、实施、推进，避免低水平盲目重复开发，提高运行环境、信息资源等方面的综合利用率。“通用” 就是在建设、运行、应用“数字上海”空间信息基础数据平台中，尽可能采用比较常用的、普通的操作系统、工具软件，促进成熟技术的普及应用，同时坚持不断创新，开发通用性强的技术，以满足不同需求。“科学” 就是面对空间技术、信息技术的快速发展和应用领域的不断扩大的趋势，平台的建设要适应可持续发展的要求，与上海的经济建设和信息产业的发展保持同步。“标准” 就是在国内外已有
17、标准、规范的基础上，兼顾各种数据格式和技术特征，建立“数字上海” 空间信息数据格式、编码、协议等标准体系。“共享” 就是在标准体系框架的条件下，实现不同系统的数据交换、共享和各项功能的使用。五、 “数字上海” 空间信息基础数据平台建设的主要任务根据“数字上海” 空间信息基础数据平台的建设目标，着眼基础数据平台的共享应用，提出如图所示的“数字上海”空间信息基础数据平台框架模型和由此构成的主要建设任务。整个框架由四个部分组成：空间数据交换网络、空间数据框架、空间数据服务体系及空间数据平台运行环境（标准、政策、法规等） 。1、 空间信息基础数据框架建设空间信息基础数据框架是“数字上海”空间信息数据基
18、础平台的核心。空间信息基础数据框架包括地理空间基础数据和专题基础数据，对每一种数据又可以是多比例尺和多时相。地理空间基础数据是具有普遍应用意义的基础数据，美国对地理空间数据的应用研究结果表明：大多数用户所需要的基础空间数据有 7 种，即大地测量控制、正射影像、数字高程交通、水文、行政单元和地籍数据。大地测量控制数据-大地测量控制点坐标是获得其它地理特征的精确空间位置的基础，大地测量控制数据包括大地测量控制点的名称、标识码、经纬度和高程。数字正射影像数据-经过几何校正和正射处理后的数字遥感影像（包括航空和航天影像） ，数字正射影像是信息提取和制作影像地图的基础。高程数据-包括陆地高程数据和水深数
19、据。交通数据-包括各级公路、铁路、水运中心线、机场、港口、桥梁和隧道。水文数据-包括河流、湖泊和海岸线数据。行政单元-包括国家、省和县以及乡的行政边界和代码。地籍数据-土地利用、地籍管理数据。应用部门在地理空间数据基础上开发专业信息，附加和编辑属性信息。一个部门可以把本部门专题基础数据提供给平台，作为平台的一个专题基础信息，还可从平台中获得其它部门提供的专题基础信息。专题基础数据将包括城市规划数据、环保数据、市政建设数据、人口数据等。空间信息基础数据平台是建立在分布式网络基础上，空间信息基础数据交换网络把各机构的地理空间数据库连接成松耦合系统，即在物理上是分散的，而在逻辑上是一个整体。空间信息
20、基础数据可以在网络中心节点存储，而各种专题数据可以在远程节点存储，如城市规划数据存放在规划局，环保数据存放在环保局，市政建设数据存放在市政局等，各节点地理空间信息的融合是以共同的几何参照系统、数据模型和标准接口为基础的（图） 。“数字上海” 空间信息基础数据基础平台近期将重点建立：上海地形框架要素库、1：5 万数字化遥感信息库、上海行政区划图库、数字化城市基本地理统计单元信息、人口统计分布信息。2、 空间信息基础数据交换网络建设空间信息基础数据交换网络是“数字上海”空间信息数据基础平台的物质基础，它由客户端、通信网络和服务器节点组成，是一个由网络上服务器组成的、连接地理空间数据生产者、管理者和
21、用户的、非集中的分布式网络数据系统。上海已经建成的 ATM 宽带信息主干网和骨干网络由 8 个核心节点、90 个边缘节点组成的宽带、高速 ATM+IP 城域网，覆盖全市 90%以上的大楼和小区，已具备“千兆到社区、百兆到大楼、十兆到用户”的服务能力，国际出口带宽从几十兆提高到 1000 兆以上，国内出口带宽已形成两个 2500 兆的高速通道，实现了大量信息资源的同城异构交互，由此形成了一个在国际也称得上先进的宽带、高速率、大容量的信息网网络平台。上海互联网交换中心（SHNAP）实现了各类 ISP 和 ICP 的本地交换，并采用动态路由战略消除了网络传输瓶颈，大大提高了资源的使用效率，为“数字上
22、海”提供了良好的网络环境。此外，作为我国商用计算速度最快的神威计算机在上海超级计算中心的应用更是为“数字上海”提供了更为便利的条件。最近，上海市公务网正在紧张实施，主干千兆、局端百兆、桌面十兆的网络能力，将是空间信息基础数据交换网络的又一途径。我们认为“数字上海” 的建设应当而且必须利用上海现有的网络资源，并在此基础上建立具有大容量存储、强交换能力的“数字上海”空间信息基础数据交互中心（IDC） ，提高数据的互访性和共享性。同时，应研究如何充分发挥超级计算机在“数字上海 ”建设过程中海量数据的处理过程的作用。3、空间信息基础数据服务体系建设空间信息基础数据的服务体系包括：空间数据协调管理、更新
23、与应用保障、提交与处理服务。空间数据服务体系需要设立专门的机构来执行。空间信息基础数据的协调包括：建立空间数据框架开发的计划、建立优先次序、开发协议和应用实践、协调数据访问方法、标准上的一致性以及提供拓展和教育。空间数据管理是为了保证框架数据的可靠性、完整性和安全性；因此，需要开发和演进数据的定义、设计模型以及其它的技术规范，提供数据档案、备份、检索和灾害恢复。空间框架基础数据需要保持数据的现势性。数据的更新一般是由数据提供者来完成，但空间数据服务机构要根据城市的实际情况和有效需求确定数据更新的周期，更新的方法（必要时也可以组织力量采集） ，最终建立起合理、健全、符合市场经济规则的数据更新机制
24、，并对数据生产进行监理和督促。空间信息基础数据的服务包括：地理空间领域的访问服务、地理空间坐标转换服务、地理注记服务、图像操作处理服务、地理特征操作处理服务、图像开发服务、地理特征分析服务、特征综合服务、影像地图生成服务、地理信息提取服务、图像解析服务等。空间信息基础数据平台的服务体系如图所示。4、空间信息基础数据运行环境空间信息基础数据运行软环境包括：标准、政策、法规等，是“数字上海” 空间信息基础数据平台运作的外部保障。1）标准空间信息基础数据标准的制订有利于实现空间数据的共享和互操作，在“数字上海”空间信息数据基础平台建设中，需要调研已有的和正在制定的与城市空间信息基础数据平台有关的国家
25、标准、行业标准、地方标准以及国际标准。作为“数字上海”的空间信息基础数据平台标准，目前主要内容应包括地理要素分类系统和编码、数据格式、空间坐标系统、元数据等。（1）地理要素分类系统和编码标准， 国家测绘局以及其它相关部门建立并已发布实施的分类系统与编码标准包括：GB 12409-90 地理格网 、GB 14804-93 1：500、1：1000 、1：2000 地形要素分类与代码 、GB 2260-1995 中华人民共和国行政区划代码 、GBJ 137-90 城市用地分类与规划建设用地标准 、GB/T 16831-1997 地理点位置纬度、经度和高度的标准表示方法 、GB/T 13923-92
26、 国土基础信息数据分类与代码 、GB/T 14395-93 城市地理要素-城市道路、道路交叉口、街坊、市政工程管线编码结构规则等等。上海市也根据城市地理要素编码的国家标准编制了全市道路和街坊的编码。建议近期尽快制定、发布“上海城市地理信息系统标准编码体系结构”、 “上海城市地理信息系统行业分类编码标准”等文件。（2）数据格式标准，就 “数字上海”空间信息基础数据平台来讲，涉及的数据类型、格式有许多种，最主要的是关于地理空间框架的图形和属性数据，而图形数据是其中的关键。目前上海常用的地理空间图形数据的类型和格式如：ESRI公司的 Coverage 和 Shapefile、Intergraph 公
27、司的 DGN、Autodesk 公司的DWG/DXF，可以作为“ 数字上海” 空间信息基础数据中图形数据的标准格式。由于不同的 GIS 软件往往都不能直接操纵其它 GIS 软件的数据，从实现地理空间基础数据共享出发，数据格式可以通过三种方式：数据格式转换、制定空间互操作协议、建立地理空间基础数据共享平台来实现图形数据格式标准的一致。数据格式转换。为了规范和统一起见，许多国家和行业部门制定了自己的数据格式和文件交换标准，要求在一个国家或一个部门采用公共的数据交换格式。空间数据格式转换需要耗费大量人力物力，据统计，发达国家 GIS 空间数据转换的费用已达 30%，即使如此，通过数据转换还是难以做到
28、空间数据的实时更新，保持数据的一致性。建议近期尽快组织制定基于基础数据平台的图形、影像、文字、数字等数据的数据格式标准文件及实施办法。建立开放性空间数据互操作协议（OGIS） 。它的主要目的是制定出一套各方能接受的空间数据操纵函数 API。遵循这一标准，各厂商提供一个与这一 API 函数一致的驱动软件，不同的软件就可以操纵对方的数据，这种协议类似于关系数据库的 ODBC。如 Intergraph 公司推出的 GeoMedia 可以直接调用ARC/INFO 的数据。 虽然这种方式比数据转换方式方便得多，但也存在一些问题。一是由于各种 GIS 软件存储的空间信息不尽相同，所定义 API 函数提供的
29、信息可能是最小的；二是各种软件之间虽然可以相互操纵数据，但各个软件都是以它自己的方式进行管理，这样仍然会出现数据的不一致性和影响现势性的问题。建议组织有关管理部门尽快研究制定基于共享的包括方式、协议等内容的数据交换规范性指导文件和实施办法。建立地理空间基础数据共享平台。即采用 Client/Server 体系结构，所有的数据都存在 Server 上，各个应用软件都是一个 Client 端的程序，通过这一平台向Server 中存、取数据。这种结构的优点是：任何一个应用系统所做的数据更新都能及时地反映在数据库中，避免了数据的不一致性问题。这种方式目前实现起来比较困难。只有发展到底层的 Server
30、 绝对优于其它系统，而这一 Server又管理着大量的基础地理数据时才有可能做到共享平台。（3）空间坐标系统标准，地球上的任何一点都有其相应的空间坐标。空间坐标有两种，一是大地坐标（也称地理坐标） ，用经纬度坐标进行定位；二是投影坐标，即地球表面上的点投影到平面后的直角坐标（X、Y） 。一个国家或地区在建立大地坐标系时，为使地球椭球面更切合本国或本地区的自然地球表面，往往需要选择合适的椭球参数、确定一个大地原点的起始数据，并进行椭球的定位和定向。我国采用了两种不同的大地坐标系，即 1954 年北京坐标系和 1980年国家大地坐标系。美国国防部在 1984 年建立了世界大地测量坐标系统（Worl
31、d Geodetic System，WGS-84） ，目前 GPS 定位所得出的结果都属于WGS-84 坐标系统。工程中实用的大多是国家坐标系，因此要建立 WGS-84 和国家坐标系之间的转换模型，目前已有坐标转换模型可求得 WGS-84 和国家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。在我国，地形图系列的比例尺为 1:100 万、1:50 万、1:25 万、1:10 万、1:5 万、1:2.5 万、1:1 万，城市图（及地籍图）系列比例尺为 1:500 至 1:5000。其中大于 1:5000 的可视情况采用城市局域平面投影（矩形分幅）或城市局部坐标系的高斯-克吕格投影，1:1 万至 1
32、:50 万均采用全球统一分带的高斯 -克吕格投影，1:100 万地图则采用了与国际 1:100 万地图相一致的正轴等角割圆锥投影（Lambert 投影） 。美国数字制图数据标准特别工作组（DCDSTF）于 1988 年发表的美国国家数字制图数据标准中规定，美国的各种地理信息系统和数字制图系统所允许的地理定位系统是在美国应用最广泛的三种系统中的任何一种：经纬度坐标系统、通用横轴墨卡托投影（即 UTM 投影）系统和州平面坐标系统（SPCS） 。不同于地理坐标系统和 UTM 投影坐标系统，州平面坐标系统属于区域坐标系统，美国的 50 个州各自都拥有自己的一个或多个州平面坐标系统。建议：经纬度坐标系统、高斯-克吕格投影坐标系统和上海地方平面坐标系统均为“数字上海 ” 空间信息基础数据平台的标准坐标系统，以上海地方平面坐标系统作为平台应用主要的坐标系统，其他坐标系统与上海地方平面坐标系统的转换由平台统一处理。2）政策为了更好地实现地理信息共享，必须建立相关的政策，大致需以下几种类型：（1）鼓励提供地理信息并保护数据拥有者数据拥有权的政策；（2）确保元数据集信息完整性和精确性的政策；
