面向智慧城市典型应用的3DGIS平台.doc

面向智慧城市典型应用的3DGIS平台研发及应用示范一、项目可行性报告（一）、立项的背景和意义“智慧城市”是以计算机、多媒体和大规模存储技术为基础的大型软件系统。它以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真虚拟等技术，对城市进行多尺度、多时空和多种类的描述，把城市的过去、现在以及未来在网络上进行数字化展现，并提供智能化的信息分析和决策。智慧城市建立在城市的全面数字化基础之上，为城市提供可视化和可测量的管理和运营手段，它包括城市的信息、数据基础设施以及在此基础上建立的网络化信息管理平台与综合决策支撑平台。智慧城市不仅能在计算机上建立虚拟城市，再现各种资源分布，更为重要的是，它可以通过对各类信息进行分析、融合和挖掘，来促进不同部门、不同层次之间的信息共享、交流和整合，进而对信息进行处理和研究，实现资源在空间上的优化配置、在时间上的合理利用。基于该系统，政府可以宏观、全局地制定城市的整体规划和各个时间段的发展战略，实现可持续发展。目前，智慧城市受到了国内外的广泛关注，在理论研究和应用方面都取得了迅速的发展。国外智慧城市的发展要领先于国内，美国、日本、韩国、新加坡、马来西亚等多个国家和组织先后提出了智慧城市的早期发展规划，阿联酋、新加坡、首尔、釜山、仁川、阿姆斯特丹等城市和地区纷纷开始智慧城市的具体建设。以美国的Google公司为例，它在智慧数字地球方面一直处于世界领先水平，开发了Google地球、Google地图等一系列影响广泛的产品。而IBM的智慧城市迄今为止已经在全球多个国家进入应用阶段，从09年正式进入中国以来，已经与超过8个城市达成合作意向，在国内引发了智慧城市研究与应用热潮。在国内，推进“智慧城市”计划与我国“国家信息化”和“国民经济信息化”的战略目标是一致的，因而引起了我国领导人的极大关注。近年来我国大大小小的城市几乎都亮出了智慧城市的发展目标，不仅上海、天津、重庆、广州等城市纷纷规划了智慧数字城市的发展路线图，武汉、南京、深圳、大连、苏州、无锡、成都、杭州、昆明、厦门等城市也积极启动智慧城市蓝图。总的来说，国内智慧城市的热度甚至高于国外，而且基本是大城市率先提出。有的城市甚至提出要到2015年建成智慧城市。由此可见，智慧城市是未来数字城市发展的趋势。智慧城市计划是中国世纪信息产业发展的切入点，是我国实施可持续发展战略的技术保障，在全国推广智慧城市应用是关系到国家未来经济和科技发展战略的一个重大问题。智慧城市的发展给城市的各行各业带来了崭新的发展契机，其典型应用可以具体表现在以下几个方面：l 智慧城市的网络化管理与服务。智慧城市可以更有效地实现城市的网络化管理和服务。以杭州市为例，杭州有200多万个部件设施，870多万人，每年超过60万事件，为了能够更加有效的管理杭州，可以通过智能采集数据、智能分析，将这些部件设施、人口、事件进行有效的管理和服务l 智能交通。城市交通拥堵是城市建设的重要课题之一，智能交通系统通过对传统交通系统的变革，提升交通系统的信息化、智能化、集成化和网络化，智能采集交通信息、流量、噪音、路面、交通事故、天气、温度等，进行智能分析和决策，保障人、车、路与环境之间的相互交流，进而提高交通系统的效率、机动性、安全性、可达性、经济性，达到保护环境，降低能耗的作用。l 基于智慧城市的远程医疗服务。完善和全面的医疗服务是城市建设的另外一个重要建设课题，基于智慧数字城市的远程医疗服务能够实现：视频服务，如远程诊断、培训、视频会议。短信，如即时通信。信息实时取得，如医学研究资料库实时使用。多媒体数据库，如电子病历、影像处理。无线城域网接入，如紧急救护无线通信。无线局域网接入，如医院内部通信。此外，还可以有端到端的系统集成应用。l 智慧城市的数字家庭和个人服务应用。数字家庭以计算机和网络技术为基础，各种家电可以通过不同的连接方式进行通信，实现家用电器和其他家用品之间的“互联互通”。不论在室内还是户外，通过物联网和各种接入终端，每个家庭都能感受到智慧地球的信息化成果。此外，基于智慧城市的户外流媒体服务也是智慧城市的一个典型应用。l 智慧城市的城市公共安全服务。城市公共安全服务也是智慧数字城市的典型应用之一，可以有效实现住宅小区、交通设施、城市工地等的安防监控以及城市应急联动响应。从上述智慧数字城市的发展趋势和上述典型应用来看，未来的智慧城市将能够实现便民利民、减少城乡差距、提升政府效率、促进社会经济发展以及治安安防等方面的全面智能化。智慧城市计划作为中国新世纪信息产业发展的切入点，是我国实施可持续发展战略的技术保障，在全国推广智慧城市应用是关系到国家未来经济和科技发展战略的一个重大科学技术问题。为了有效推进中国的智慧城市构建建设，构建面向智慧城市典型应用的3DGIS平台具有重要战略意义和社会经济价值。然而，从目前国内外现状来看，已有的3DGIS平台在智慧城市构建方面具有很大的不足。这个不足主要是由智慧城市的发展特点决定的，从当前计算机技术和智慧城市典型应用发展过程来看，智慧数字城市的发展呈现出如下一些重要特点：（1）智慧城市的管理和决策发展。目前，数字城市正由传统的信息发布平台转为具有信息搜集、分析及判断的智慧化信息平台，可以说现在的数字城市正在朝智慧数字城市方向快速发展。在“十二五”期间，智慧城市的建设将重点围绕城市智能运转、企业智能运营、生活智能便捷、政府智能服务等若干个方面开展研究和应用构建。为了实现智慧城市，必须将城市的地理、资源、环境、人口、经济、社会社情和各种社会服务等复杂系统进行数字化、网络化、虚拟仿真，提供优化决策支持和可视化，并在城市全面数字化基础之上建立可视化和可量测的智能化城市管理和运营，包括城市的信息、数据基础设施以及在此基础上建立网络化的城市信息管理平台与综合决策支撑平台，从而实现城市的智慧管理及服务。（2）智慧数字城市信息海量化。从目前发展趋势来看，智慧数字城市建设工程的内容需要包括：人口基础数据库的建设和应用，提高人口服务和管理的信息化水平；加快城市电子政务和公共服务平台建设，推广网上办公，实现“零距离”办事和“零跑路”的政务服务；建设和完善新一代城市智能交通系统，着力缓解城市交通拥堵；构建网格化管理服务和社会治安防控体系，推进社会管理和服务的信息化建设；推动信息化和工业化深度融合，加强信息通信高速网络和枢纽建设，加快推进“三网融合”，完善信息的安全保障体系，推动物联网应用实践，实现城市管理精细化、智能化等等。智慧数字城市信息的上述发展要求使得智慧数字城市的应用范围和规模在不断地增大，它所涵盖的城市服务信息种类在不断地增多，因此智慧数字城市所包含的信息量在急剧增大。（3）智慧数字城市信息异构化。智慧数字城市的各种信息是面向社会各个阶层工作生活的信息数据，这些信息大部分是一种结构化或者半结构化的信息数据。例如物联网技术的发展可以把各种物品的智能信息与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化定位、识别、跟踪、监控和管理。物联网技术的飞速发展赋予了数字城市新的应用功能和发展方向，使得数字城市所包含的各种物品智能信息种类也在迅速增加，但是这些不同种类的信息本身是具有复杂的数据结构，它们是由文本，图像，三维模型，数字地图，GPS、电子条形码等多种形式的基本数据按一定的规则组织构成。（4）智慧数字城市三维化。目前，智慧数字城市的很多信息需要由传统的二维平面图像描述转为三维虚拟展示，可以说智慧数字城市已经进入到一个“三维智慧数字城市”时代。例如在智慧数字城市中，可以采用三维模型的方式立体展示各种房屋建筑和各种政务信息等，使得智慧数字城市的能够直观立体的展现在用户面前。（5）基于云计算的智慧数字城市。由于智慧数字城市是一种大型的网络应用系统，它包含了海量异构信息和各种智能服务技术，因此设计和开发有效的智慧数字城市系统首先需要确定智慧数字城市所用的网络系统模型，设计出智慧数字城市海量异构信息的分布式组织存储结构和各种智能计算服务模型。从智慧数字城市的系统架构和功能架构来看，云计算为智慧数字城市的构建提供了一种新的计算机网络应用体系架构，云计算技术作为数字城市的系统架构具有三个方面的优势：首先，云计算技术本身包含了高效的分布式存储技术，与传统的一些网络分布式存储架构技术，如NAS或SAN技术相比，云计算的分布式存储不仅突破了NAS和SAN的性能瓶颈问题，而且可以很容易实现性能与容量的线性扩展；其次，云计算技术包括了并行计算和网格计算，这使得智慧数字城市在云计算环境下可以实现高速并行网格计算；最后，云计算不仅包括了在互联网上以服务形式传递给用户的各种应用，而且也包括了在数据中心中提供这些服务的硬件和软件，这使得智慧数字城市可以在云计算环境下很容易提供按需服务的模式，灵活的为各种用户提供服务。(6) 面向管理与指挥的超大屏幕展示。智慧城市中庞大的数据信息，如地理信息、三维城市模型、政务信息等，需要在同一个显示平台上进行展示，因此必须使用超大尺寸与分辨率的屏幕才能全面直观地展现。使用超大屏幕可以方便城市管理人员对整个城市的方方面面信息一目了然，洞悉于心，在管理与指挥决策时能兼顾全局信息与局部细节对进行调整优化，提高决策的科学性。目前，单个显示器的尺寸与分辨率远远不能满足超大屏幕展示的需求，一般通过多个显示器或者投影仪的阵列来构建超大规模显示平台。从如上所述的智慧数字城市发展特点可以看出，计算机技术的发展和社会发展的需要赋予了智慧数字城市新的要求，智慧数字城市应具备以下几个特征：（1）智慧城市的理念是把传感器装备到城市生活中的各种物体中形成物联网，并通过超级计算机和云计算实现物联网的整合，从而实现智慧数字城市与城市系统整合。（2）智慧数字城市面向各种应用和服务，能为用户提供各种级别的服务智慧城市是数字城市与物联网相结合的产物，它包含了智慧传感网、智慧控制网和智慧安全网、智慧企业等，通过智慧城市，可以实现城市的智慧管理及服务。（3）智慧数字城市与物理城市融为了一体，它能实现自主组网、自维护，大规模场景信息的三维大屏幕显示。智慧数字城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务、基于位置的服务、城市安全应急响应等创造了条件，是信息时代城市和谐发展的重要手段。由此可见，突破目前数字城市GIS平台的局限性，依托云计算技术、物联网技术、三维可视化技术、工作流技术、数据挖掘和可视化分析技术、计算机网络技术、无线通信技术、人工智能技术和面向服务的软件架构等先进技术手段，研究面向智慧城市典型应用的3DGIS平台中关键技术，并以此平台系统为基础，构建智慧数字城市典型应用平台实现城市部件和事件管理的数字化、网络化和可视化，从而为提高城市管理水平，乃至构建和谐社会，提升我省城市品位具有重要意义。课题将构建一个面向智慧城市典型应用的3DGIS平台，该智慧数字城市3DGIS平台将以云计算平台为基础，能够提供基础应用系统和拓展应用系统两部分。其中，该平台的基础应用系统包括智慧数字城市数据管理模块、智慧数字城市地理信息模块、信息采集模块、业务受理模块、智能协同指挥模块、部门业务处理子模块、智能监督指挥模块、智能综合评价模块、数据共享与交换模块（共享平台）和CA子模块等等。拓展应用系统包括视频监控与共享模块、WAP公众网站发布模块、公共信息发布模块、GPS车辆定位监控模块、移动督办系统和业务短信模块等等。同时，以本课题的智慧数字城市3DGIS平台为基础，本课题将以某地级市为示范城市系统平台，完成智慧数字城市的智能交通、智慧数字城市的网格化管理与服务、及智慧城市的城市公共安全服务管理。（二）、国内外研究现状和发展趋势本课题将针对政府对城市“科学、严格、精细、长效”管理的需要，利用物联网、电子政务网、社会公众网、移动通信网、公众电话网等网络资源和技术，研究面向智慧城市典型应用的3DGIS平台及其若干关键技术。2.1 数字城市的现状和发展趋势数字城市是城市地理信息和其他城市信息相结合、并存储在计算机网络上的、能供用户访问的一个将各个城市和城市外的空间连在一起的虚拟空间，是数字地球的一个重要组成部分。数字城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务、基于位置的服务、城市安全应急响应等创造了条件，是信息时代环境下城市和谐发展的重要手段。早在2005 年7 月、2006 年3 月和2007 年4 月, 建设部就先后公布了三批数字城市的试点区域，加上2004 年就开始推广的北京东城区数字城市项目, 目前共有52个市( 区) 被列入全国数字城市项目的试点区域。其中, 浙江、安徽、陕西、云南、山东等省都公布了省级的试点项目。与此同时, 随着数字城市模式的不断推广和普及, 许多地方提出建设数字城市的目标。其在近一两年内，至少还有100多个地区要推行数字城市的城市管理模式，其中包括我省2011年预计建设的19个城市和地区。目前，我省其数字城市试点项目进展很快, 首批5 个试点项目中已有4 个成为全国试点, 另外一个绍兴县的项目也已经确定承建单位。由此可见，国内目前对数字城市管理系统的建设工作正处于一个快速上升期。数字城市发展至今取得了很多成就，这些成就主要有：（1）从二维数字城市到三维数字城市的跨越。数字地图是传统的表达、传输和研究地理信息的方式及载体，数字地球和数字城市的出现打破了这一传统观念，使人类在描述和分析地表空间事物的信息上，获得了从二维到三维的突破性飞跃。三维城市模型是数字城市规划的重要手段，目前已经用于军事、微气候研究、空气污染分析、无线电公司的定位设计、无线电信号传播、噪音传播分析和社会生态研究等各个领域。（2）面向服务的新一代城市数字规划平台。数字城市的一个主要应用就是城市规划和设计，数字规划平台是服务于数字城市的空间数据基础设施。GIS与AutoCAD之间的一体化，可以实现面向服务的新一代城市规划信息共享平台，包括支持城市应急响应的数字规划平台和提供物流配送、房地产销售等支撑的三维规划平台。（3） 基于数字城市的城市网格化管理与服务。网格化管理是指采用网格技术，以单元网格为基本单位，将城市行政区域划分成若干个网格状的单元，单元网格明确各级地域责任人为辖区城市管理责任人，由城市管理监督员对所分管的网格单元实施全时段监控，从而实现对城市的分层、分级、全区域管理。城市网格化管理与服务系统通过综合运用数字城市的各种相关技术，使城市管理无缝化、精细化、人性化、科学化、透明化、高效化和客观公正化。（4）实现了城市实景影像的可视化和可量测。数字地球影像体系要求提供从遥远的太空到地面cm 级的地球感知能力。移动测量系统（MMS）通过在机动车上集成GPS（全球定位系统）、CCD（影像、视频系统）、INS（惯性导航系统）或航位推算系统（电子罗盘/里程计）等先进的传感器和设备，可以在车辆高速行进中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据、属性数据和城市实景影像(Digital Measurable Images)。可视、可量测、可挖掘的实景影像地图所包含的丰富地理、经济和人文信息是聚合用户数据和实现空间信息社会化服务的全新数据源。（5）基于数字城市的空间信息共享与服务。数字城市是城市空间信息集成的平台，基于数字城市的空间信息共享与服务包括利用Web Service 技术对各种空间信息资源进行注册和提供在线服务。对各种服务资源进行组合，可以加工提取更高级的信息，提供更智能化的服务。由此可见，数字城市的研究和应用有力的推动了城市建设，促进了国家的经济和社会的发展。在我国，由于数字城市系统是一个涉及政府管理的公共项目，因此目前涉及此领域的主要是国内的一些公司，其中北京数字政通科技有限公司、上海城市地理信息系统公司、浙江大学快威科技集团有限公司、杭州天夏科技集团有限公司和北京慧点科技开发有限公司是代表性的企业。这些企业都具有自主产权的GIS平台。随着数字城市系统越来越深入到城市管理和社会管理应用中，智慧城市的概念也开始被提出并得到了社会的广泛重视。早在2008 年11 月，在纽约召开的外国关系理事会上，美国IBM公司提出了“智慧的地球”这一理念。所谓“智慧的地球”，实际上就是在各行各业中充分应用新一代的IT 技术，把感应器嵌入和装备到全球各个角落，将生活中的电网、铁路、桥梁、隧道、公路等各种物体通过有线或者无线普遍连接，形成所谓“物联网”，然后再通过“互联网”将“物联网”整合起来，使人们能以更加精细和动态的方式管理生产和生活，实现全球的“智慧”状态。 作为“智慧的地球”的重要组成部分，“智慧城市”无疑是最关系到民生的数字构建内容之一。智慧城市是数字城市与物联网相结合的产物，包含智慧传感网、智慧控制网和智慧安全网。智慧城市与智慧电网、智慧油田、智慧企业等，都是构成智慧地球的重要组成部分。智慧城市的理念是把传感器装备到城市生活中的各种物体中形成“物联网”，并通过超级计算机和云计算实现物联网的整合，从而实现数字城市与城市系统整合。通过智慧城市，可以实现城市的智慧管理及服务。智慧城市是城市全面数字化基础之上建立的可视化和可量测的智能化城市管理和运营，包括城市的信息、数据基础设施以及在此基础上建立网络化的城市信息管理平台与综合决策支撑平台。智慧城市的核心是以一种更智慧的方法通过利用以物联网、云计算等为核心的新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交往的方式，对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出快速、智能的响应，提高城市运行效率，为居民创造更美好的城市生活。从以上论述可见，随着智慧城市的提出和发展，面向智慧城市的3DGIS平台研究和开发具有重要的意义。目前，国内相关公司在智慧城市的3DGIS平台方面进展较小，自主知识产权的智慧城市3DGIS平台目前还是空白，本课题研究和开发具有自主知识产权的智慧城市3DGIS平台将能够填补国内在智慧城市开发平台上的空白，从而能够获得巨大的社会和经济效益。智慧城市3DGIS平台的研究和开发利用了最新的计算机技术，从开发的关键技术来看，开发一个完整的智慧城市3DGIS平台所需要的主要关键技术包括了云计算技术、快速建模技术、及3D绘制和大屏幕拼接技术等，下面我们将对云计算技术、快速建模技术、及3D绘制和大屏幕拼接技术的现状和发展趋势进行展望。2.2 智慧城市的关键技术研究和发展现状（1）快速3D建模技术以往的GIS系统存储的主要是文字、音视频和图片等二维信息，而基于这些信息的定位、查询、演示等服务也停留在2D或2.5D阶段。随着GIS系统的普及和广泛使用，二维数据的局限性逐渐表现出来，它不能表示复杂的城市空间信息，因而使用范围也大大受限。因此如何构建高效的3D GIS系统已经成为现在的首要难题之一，目前国内外很多公司和研究单位对此进行了研究和开发，也设计和开发了一些3D GIS系统，取得了较好的社会和经济效益。要构建3D GIS系统，首先要解决的就是三维模型的快速构建，它是3D GIS系统的重要数据基础。快速建模技术不但在学术界受到广泛重视，在工业界也起着至关重要的作用。二十世纪六十年代至今，人们提出了交互式、描述式、数据驱动式等众多的建模理论，并基于这些理论构建了很多建模软件。和以往的应用需求相比，3D GIS对模型有着更高的要求：首先，3D GIS中需要的模型量很大，需要在短时间内构建海量模型；其次，3D GIS系统的模型变化很快，需要能够方便维护；再次，3D GIS中的三维模型同时和多种信息相关联，因此其模型必须符合所存储信息的特点。而以往的建模技术所处理的一般是单一、不变的三维模型，因此难以用于3D GIS中。现有3D GIS中应用最广的是传统的交互式三维造型软件，如ArchiCAD、3DMAX、MAYA、AutoCAD等。它们通常提供一个三维交互建模平台，用户通过鼠标及键盘交互地操作各类几何元素，进行各类几何编辑，最终形成目标模型。此方法在给予了用户很大灵活性的同时，也带来了操作量大、建模效率不足的问题。特别是对于需要海量模型的3D GIS系统，这种方法的缺点更加凸显出来。对传统交互技术的一种改进是基于草图的建模技术，Google公司开发的Sketchup是其代表软件。该技术对传统的交互方式进行了很大的改进，用户只需画出草图即可生成相应三维模型，大大减少了建模的工作量，降低了建模难度。Google将其用于Google Earth系统三维模型的构建，使得普通用户能够方便构造建筑模型。但是该技术只能用于构建较为简单的模型。交互技术需要人工交互才能建造新的模型，而对于3D GIS而言，构建海量三维模型所需的人工费用是很大的。根据我们对现有一些3D GIS公司及项目的调查发现，构建模型的人工费用一般占了系统开发费用的一半以上，大大提高了3D GIS的开发成本。如果能够自动构造出三维模型无疑会大大提高3D GIS系统的构建效率，扩大其应用范围。在三维模型的自动构造技术方面使用的通常是描述式造型技术。在这方面研究较早的是L-系统，它可以通过一系列的文法规则来自动构建城市及建筑物模型，但是该技术可控性很差，通常用于建造一些游戏或电影中虚拟或随机的城市，而3D GIS中所需的通常是真实的三维模型，因此该技术很难被广泛应用。另外一种三维模型构造技术是形状文法，即通过对三维模型的形状进行分析学习其生成规则，进而用于模型构建，它通常用于结构化设计中的构造和分析上。然而，这种派生过程非常复杂，通常由人手动完成，或者由人来决定使用的规则，再由计算机完成。上述三维模型的自动生成技术并没有被广泛使用，主要是因为此类方法没有交互式造型技术的直观性，使用起来相对困难。虽然其执行的效率很高，且更易精确地描述模型的属性，但是其过程过于繁琐。特别是对于模型进行更多细节控制时，用户需不断改变文法并重新生成结果，直到获得满意的结果为止。近年来有人提出了一些交互式的文法编辑方式，使用户能够通过图形用户界面来编辑文法规则，这些技术使得过程式建模更加易用，但是用户的交互量增加了很多，使用起来依然非常复杂。近年来，人们的研究重点开始转向数据驱动的建模，即放弃全自动的建模方法，利用获取的数据来减轻建模的工作量。数据驱动建模最为直接的方法就是利用三维扫描仪直接获取三维模型，然而现有的三维扫描技术尚未成熟，使用起来还很不方便，扫描一个三维模型所需的工作量通常和建模不相上下。此外，三维扫描仪对于目标物体的材质、光照、大小等通常有着严格的要求，因此在很多情况下不能使用。现在三维扫描通常用于构建一些精细且规模相对较小的模型，比如浙江大学用三维扫描仪来重建敦煌莫高窟已经是很大的工程了，但是和3D GIS中大量城市建筑相比规模还是比较小的。基于图片/视频的建模是最为常见的数据驱动建模技术，主要是因为图片和视频的获取较为简单，工作量较小。随着互联网的发展，如何利用互联网上的海量数据来辅助建模也是现在的研究热点。早期基于图像/视频的建模技术大多是基于计算机视觉的，即利用计算机视觉技术从多幅图片/视频中恢复出场景的深度信息。然而，纯粹利用图片/视频恢复出来的通常只是一些散乱的点，并不能构建出完整的模型，因此需要用户提供一些简单的原型或代理模型，然后通过用户交互指定照片与代理模型的对应关系，从而构建出三维模型。Canoma、PhotoModeler、ImageModeler等国外商业软件以及浙江大学开发的Relievo Picture Modeler都属于此类。这类技术需要手工选择特征点并找出不同图像之间的对应关系，工作量其实也非常大。随着云计算技术的兴起，基于图像的建模和互联网相结合成为现在的热点技术。微软公司所开发的Photosynth技术可以从互联网上搜索大量模型的相关照片，并利用这些照片构建出三维模型的点云信息。遗憾的是该方法尚不能构建出三维模型的结构信息。随着Google街景、微软Street Slide等产品的流行，街景构建技术逐渐为人们所重视，这些街景技术并没有构建真实的三维模型，而是根据用户位置、视角的不同将相应的照片进行变换以达到真实感漫游的目的。对于3D GIS系统而言，有时候需要一些真实的三维模型，因此近年来，利用视觉技术从多幅街景图像中重构出高质量的三维建筑正面模型成为人们的研究热点。另外一种模型自动构建技术是基于合成的。随着3D GIS的逐渐兴起，模型数据也越来越多，比如Google Warehouse上面有大量用户上传的建筑模型。如何利用这些已有的模型生成新的模型就成为了当前的一个研究热点，这类方法与前面方法的不同之处在于，它不是凭空建造一个模型而是对已有的建筑模型进行分析从而生成新的模型。现有方法通常是对已有模型进行结构分析，将其拆分成小的模块，并分析这些模块的组合规则，然后通过对这些小的模块按照规则进行重新组合来生成新的模型。不过，这些基于合成的方法虽然能够快速生成具有特定风格的建筑模型，但是只能用于规则性较强的三维模型。在3D GIS中，三维模型通常是经常变换的，比如城市的拆迁、改造导致建筑的变化，而现有的这些技术对于这种海量三维模型的维护缺乏研究，要对成千上万的模型进行维护也是一件非常耗费人力的工作。（2）智慧城市信息挖掘与决策数字城市是可以在对各类信息进行专题分析的基础上，通过各种信息的交流、融合和挖掘，促进全市不同部门、不同层次之间的信息共享、交流和综合，进而对全市的所有信息进行整体的综合处理和研究，为全市各种资源在空间上的优化配置、在时间上的合理利用宏观、全局地制定城市整体规划和各个时间段的发展战略，实现可持续发展提供科学决策的现代化工具。由此可见，数字城市除完成数字城市日常数字化管理之外，还必须为高层管理人员提供城市管理决策信息，即如何针对数字化城市管理系统运行数据，从多种角度提炼用于城市管理决策的数据。过去大部分数字城市系统只是根据已有的数据进行简单汇总，使用图表的可视化方式加以展现出来，仅有的一些GIS空间挖掘算法也只关注空间对象的地理属性，对GIS地物上其它附加的业务数据则很少关注。这使得数字城市在城市管理运用中功能比较单一，缺乏信息分析和信息决策功能。针对数字城市的智能化发展趋势，目前一些成熟的数据挖掘理论与方法纷纷运用到GIS空间数据中，如关联规则，空间聚类等，从而发展出一些新的理论，并在数字城市中得到了应用。其中，关联规则由于其很适合于挖掘出隐含却未知的知识而得到相当广泛的使用。目前，杭州天夏科技集团等企业将基于GIS的地物信息挖掘及智能决策支持技术运用于数字城市构建中。不过，数字城市的信息挖掘和智能决策虽然取得了进展，但当前研究仍存在几个亟待解决的问题：(1)空间数据结构十分复杂，空间关系繁多且难以描述。(2)现有的算法多数是面向确定空间对象的，对不确定空间信息的挖掘则研究甚少。空间数据的不确定性在空间数据挖掘过程中会不断传播和积累，从而可能导致挖掘出来的知识有较大的误差甚至毫无意义。(3)目前多数GIS空间挖掘算法只关注空间对象的地理属性，对GIS地物上其它附加的业务数据则很少关注，因而很难找出现成的满足基于GIS的数据挖掘算法。导致以上问题(1)、(2)的一个重要因素就是目前GIS技术缺乏智能性和完善的推理机制。目前的解决途径就是把空间数据挖掘技术同定性空间推理技术相结合，并已经取得了一些成果。但问题是，(1)基于命题逻辑的定性空间推理没有清晰的语义模型，从而推理的过程和结果都不具有解释性。(2)推理的规则的运用带有明显的不确定性，因而往往带来结果的不确定性，而且对所挖掘的结果也没法提供机器可识别的评价标准。为此，我们提出以数据立方体来构建海量的多维GIS地物数据库，基于具有语义特征的本体论研究GIS空间地物信息挖掘，以使挖掘具有更高的指导性，可预见性，减少无用或用户不感兴趣的挖掘结果的产生。（3）智慧城市大规模场景3D绘制和多屏幕拼接显示智慧城市的三维城市场景规模一般非常庞大，尽管图形处理器的性能在十几年间迅速提升，但面对智慧城市大规模场景的3D绘制仍然是一项非常具有挑战性的问题。为解决超大规模三维场景的实时绘制问题，目前一般采用的技术有提高硬件平台性能，包括设计专用的图形硬件系统（例如美国Stanford大学的Pomegranate系统和UNC大学的Pixel-planes系统）、利用超级计算机（如SGI公司的Onyx系列和Altix系列）或构建PC集群或云计算平台等进行分布式绘制等。PC集群或者云绘制等分布式绘制的成本较低，且配置灵活，性能更新方便，具有较高的性价比和较好的应用前景。另外一种途径是采用软件绘制加速技术，包括并行绘制算法、可见性剔除、可见集压缩、多分辨率表示、基于图像的绘制、外存绘制、网格压缩、网格简化、网格排布优化等。目前大规模场景3D绘制的研究应用特点是：场景规模（三角面片数）从百万级提高到了千万级以上；从单机绘制转向在并行环境上绘制；从基于内存的绘制转向基于外存的绘制；现有单机高性能图形绘制系统大多综合采用了多种软件加速技术。其中，可见性剔除、多分辨表示和外存绘制是目前普遍采用的三大核心技术。而网格排布优化技术则因数字几何处理技术的发展和模型规模的增大，成为目前提高大规模网格模型处理能力的一个热点。数字城市是一个大型的社会管理软件系统，它有大量的信息需要直观立体的展示给用户，将数字城市充分显示在大屏幕上具有重要的意义。目前，已有的大多数的数字城市系统都是在单屏幕显示器进行展示，少数数字城市系统将数字城市简单的拼接显示在多个屏幕显示器上，这些显示技术降低了数字城市的显示效果。为此，智慧城市的多屏拼接显示技术方面将是数字城市发展的一项重要研究和应用内容。针对智慧城市管理指挥中心监控的多屏拼接显示技术方面，传统的技术方案是利用多个显示器组成的阵列实现高分辨率显示。但其最大的缺点在于整个电视墙中能够看出明显的拼缝。另外一个解决方案是利用多个投影仪的拼接来实现高分辨率图像的显示。此类系统的优势在于能够在较低的成本上实现高分辨率和大的物理尺寸以提高显示细节和用户感官上的享受，但是也存在一个难点，就是如何矫正每台投影仪投射出的图像，使得多台投影仪图像之间看不出拼接的痕迹，从而让所有投影仪的结果形成一个边缘上无缝的、逻辑上单一的画面，普通用户不能够从显示结果中判断出究竟使用了多少台投影仪。本项目采用后一种多投影仪拼接的显示方案，并针对其技术难点，做深入研究。多投影仪拼接需要解决几何矫正和颜色校正两个基本问题。如何矫正每台投影仪使得多台投影仪之间看不出拼接，所有投影仪的结果形成一个边缘上无缝的、逻辑上单一的画面。这一过程称之为几何矫正。几何矫正需要处理两种类型的失真。第一种是单投影仪内的失真，例如，由于投影仪投影时偏离轴心引起的失真。另外一种是各投影仪间的失真，例如，相邻投影仪的边界没有无缝拼接。颜色校正指在多个投影仪显示图像的交叠区域，亮度比单个投影仪显示图像高，造成显示图像的亮度不一致，如何通过对每台投影仪图像的不同区域进行颜色调整，使得最终拼接显示图像在亮度上一致的过程称为颜色校正。几何矫正通常需要使组成多投影显示墙的每台投影仪依次投射某种特征图案，并通过摄像机或者录像机捕获一组样本图像;然后对样本图像分别进行分析和识别来求取对应每个投影仪的一个或者一组几何矫正矩阵；最后将几何矫正矩阵插入到绘制流水线中，通过对投影仪Buffer中图像进行预扭曲来实现显示墙画面的几何匹配与对齐。几何矫正的精确度和鲁棒性决定于所选用特征图案的可区分度、样本采集设备的分辨率以及特征点识别算法的精度等多种因素。颜色校正是通过直接或者间接的方法，计算或者测量组成多投影显示墙的每个投影仪的亮度响应特性，然后根据该响应特性计算显示墙的公共亮度响应区间(Common Achievable Response，CAR)并将所有投影仪的亮度映射到该区间，从而实现多投影显示墙的亮度一致性。对于几何矫正，本项目拟采用数码相机来获取投影仪的位置信息，并建立投影墙画面与投影仪buffer中图像之间的对应关系，然后在相机空间对投影仪位置进行调整得到对应每台投影仪的预扭曲矩阵。对于颜色校正，本项目从提高校正过程的方便性和显示墙视觉效果两方面入手，提出了基于简化模型和广义模型求取投影仪ITF的研究思路，并引入统计的思想来获取折衷的CAR。不但避免了使用昂贵的光学设备，而且大幅度提高了多投影显示墙的整体视觉效果。（4）云计算技术目前，随着云计算技术的飞速发展，将云计算技术运用于数字城市构建成为数字城市研究和开发的一个重要趋势。云计算技术是近十年来产业界与学术界以充分利用计算与存储资源、实现大范围的协作与资源共享、达成高效率低成本的计算为目标，提出了诸如“网格计算”，“按需计算”、“软件即服务”、“效能计算”、“平台即服务”等云计算的概念和模式。云计算技术因其清晰的商业模式而受到国内外的广泛关注，并得到产业界和学术界的普遍认可，成为近年来最受关注的lT技术之一。目前，云计算技术已经在很多领域得到了应用。早在2009年，全球的云计算市场规模就已经达到了160亿美元，并且其增长速度将相当快，据相关统计，2012年云计算方面的全球市场规模将增长至720亿美元，于此同时，基于云计算技术的各种大型软件应用在教育、金融、存储、社会服务等各个领域得到而来飞速的发展。从目前的发展趋势来看，云计算技术已经成为各种大型网络应用的基础网络平台技术。在云计算飞速发展的背景下，各国政府纷纷与其IT企业合作，共同拉动云计算技术的跳跃式发展。例如在美国，美国政府的技术决策者认为云计算的优势远大于风险，美国政府正在大力推行采用云服务或自行构建云服务的计划，云计算在美国政府机构的IT政策和战略中逐渐扮演越来越重要的角色。在2009年5月，在美国华盛顿举行的联邦IT成本节约论坛上，来自美国军方、国防信息系统局(DISA)、总务管理局、宇航局(NASA)、国家标准和技术研究所以及国防部、能源部和内政部的人士，充分讨论了采用或考虑采用云平台和云服务时所面临的安全、法规、互操作性和IT技能发展等问题。同年9月，美国总统贝拉克·奥巴马就宣布将执行一项影响未来的长期性云计一算政策，希望能借云计算的发展解决应用虚拟化带来的美国政府高居不下的IT经济支出问题。该方案的出台无疑成为了云计算发展最好的催化剂，迅速引起了Amazon、Google、IBM等公司的密切关注。云计算技术作为一个从产业界提出的新技术概念，随着其应用的不断推广及价值的日益体现，针对其进行的研究也是日益广泛。在云技术平台方面，目前的云计算平台主要分为商用平台和研究用的开源平台两类。在商用平台方面，目前国内外许多公司都有了自己的实现，如Google、Microsoft以及阿里巴巴等大公司都提出了自己的云计算平台，并在自己开发的平台上提供了各种商务服务。在学术界和开源方面，目前比较成熟的开源云计算平台有 hadoop、Enomalism和Eucalyptus等。这些开源云计算平台为中小公司提供了可靠的高性能的云计算平台。相对于传统的二维数字地图，三维电子地图所携带的信息量更大，因此提供一种能够进行高效访问的有效分布式并行文件系统，对海量空间数据和信息数据的存储具有十分重要的作用。从分布式存储技术的发展过程来看，分布式存储技术经历了网络存储、网格存储、对等存储和云存储这四个发展阶段。网络存储技术是一种将数据存储从服务器转移到网络专用设备的技术，这种技术用来解决以服务器为中心的传统存储方案所带来的问题。从80年代以来，很多研究人员研究了各种网络存储模型，如网络附加存储技术（Network Attached Storage, NAS）和存储区域网络技术（Storage Area Network, SAN）等。这些网络存储模型技术具有存储的网络化、大容量、容错性、高效性优点。不过，随着海量数据服务的复杂化，数据存储在异构性、协同性、透明访问、自主控制以及全生命周期等方面提出了新的需求。针对存储服务的要求，有研究人员研究了网格存储和对等存储技术（Peer-to-Peer Storage System, P2P）