一项可持续发展的基础设施，往往能够通过它的设计、建造和运行，实现对物质材料及其使用方法的整合，从而达到既满足当代社会需求，又避免对子孙后代的生存造成重大影响，而这些材料和方法通常与环境质量、资源利用效率、经济活力和公共安全的提升息息相关。本文重点介绍了地理空间技术在基础设施生命周期中的运用及其相应的挑战。
可持续使用的基础设施与社会、经济、环境的关系图 (3sNews配图)
概述
在这个气候变迁和全球变暖的时代，保护环境，造福后代是人类必须优先考虑的头等大事。这就牵涉到了地理空间技术。我们十分清楚，地理空间技术能够在保护环境，维持可持续发展中发挥至关重要的作用。那么，他们是如何进行保护的呢?
我们有一套实际可行的方法来采集数据，此方法对于我们实现上述目的是不可或缺的;我们也有一套自己的工具来处理和分析数据。这些工具得到了决策者们的认可，并被广泛地应用于众多领域，比如农业，以监测自然环境的变化和管理灾害的应急响应。但是，仍有一些领域对地理空间技术的优势与好处知之甚少，致使这项技术有时无法得到那些掌握开支的决策者们的赏识与认可。
地理空间技术的一个非常重要组成部分是空间数据基础设施(Spatial Data Infrastructure，SDI)，它对于确保众多组织与机构能够有效地访问数据信息是非常必要的。本文的目的是将一些热点争议与优秀实践的信息汇集在一起，让大家能通过这些信息，全面、综合地了解到地理空间技术在基础设施的建设与管理中所起的作用。
数据问题
目前，有很多讨论是关于建立一个智慧星球来解决人类面临的众多挑战的。这些挑战包括日渐增加的人口、城市移民，以及由于购买力日渐提高导致日渐增大的资源消耗。建立智慧星球与政治局势紧密相关：发达经济体、新兴经济体和发展中经济体的碰撞、地球南北分立气候变化、资源衰竭等等。
位置信息显然是地理空间信息(Geospatial Information，GI)行业能够提供的主要服务。GI可以为发展中国家所面临的众多紧迫问题提供解决方案，如设施选址，包括发电厂选址、废物处理厂选址和医疗设施选址等。在这些领域里，GI工具能够帮助规划人员获得最佳的选址方案。除此之外，在基础设施的整个生命周期，包括规划、建设、运行与维护在内的各个阶段，地理空间技术都能发挥重要的作用。除了能够提供位置信息，地理空间专业人员还能帮助我们理解数据集的处理与合并，尤其是数据精度的处理。不同的组织和机构会用到不同来源的数据，从而促使基础设施以一种渐变的方式得到不断地发展;从整体上管理好基础设施的发展，还需要一些详细的信息，这些信息是从区域到社区等不同规模级别上的。
在基础设施的建立和维护工作中，关键的一部分是做好记录，这对管理好一项基础设施来说非常必要。以城市基础设施为例，这包括建筑物从里到外的详细信息、交通信息、井下设施信息，这些数据信息可能是经过编辑从不同数据来源整合而得到的，这些来源可能是传统测量、摄影测量、激光扫描、现存的数字化或硬拷贝记录等。使用数据在了解和减少空气污染、噪音污染等等之前，我们必须弄清数据的隐藏信息，以评估数据的质量，这一点是非常重要的。
另外一个热点问题是关于政府和国家测绘机构(National Mapping Organizations，NMOs)的责任与作用。处于对社会效益方面的考虑，政府可以利用权威机构来管理“绿色设施”。英国国家政府颁布的几项指示就要求当地在制定规划和决策前，将绿色基础设施的概念考虑在内。NMOs可以为城市和农村基础设施的管理提供基础数据，不过一般不直接参与到管理工作中。
地理空间行业的参与
在最近召开的Hexagon(瑞士公司)用户大会上，其主题一直围绕着建立一个以绿色基础设施和绿色能源为重点的智慧星球，这表明一个地理空间公司已经把许多全球性的问题与其业务重点结合起来了。还有一些公司，如Esri(美国公司)和Autodesk(美国公司)，以及其他的GIS软件公司正在协助一些从事定位技术的公司在基础设施领域进行发展，如Trimble(美国公司)，Topcon(日本公司)，和Leica(瑞士公司)，这些公司正在大力投资基础实施，并将此作为公司一个重要的业务部分。
Bentley(英国公司)开发了用于管理三维城市的应用软件，并着重将三维建模、质量控制、管理、三维分析与设计作为这个软件的重要组成部分。对于这种类型的应用，质量和互操作性当然成为地理空间数据的首要衡量元素。Bentley认为地形、建筑物、交通运输网络、水体、城市设施、电气、电力线和植被对象是城市基础设施的组成部分。
Esri公司提供处理地理空间数据和管理城市设施的软件，并且这个软件已在多项应用中，处理空间数据。这里有一个很好的例子：在阿拉伯联合酋长国，Esri的软件不仅能够为城市建材提供最佳位置，还可以通过可视化软件的显示，让马斯达尔市的居民能够清楚地了解到该市能源和水源的使用情况。
Merrick & Co公司通过其产品展示了，地理空间技术是如何在电力线项目的整个生命周期的每个阶段发挥促进作用，并证明了在项目实施的各个阶段里，尤其是后期的持续运营和维护阶段，这两个阶段在运用地理空间技术后的工作效率有所提高，这对于确保电力能源的持续供给是非常重要的。
SDI
SDI的一个最好例证是欧洲的INSPIRE。INSPIRE使得公共部门组织之间共享环境空间信息成为可能，并且使公众能够更容易地获取整个欧洲范围内的空间信息。它将会在跨越边境的行政决策中发挥促进作用。在INSPIRE法令考虑范围内的空间信息非常广泛，包含大量的时事和技术主题。INSPIRE与欧洲的全球环境与安全监测(Global Monitoring of Environment and Security，GMES)有关。他们之间存在很多共性，例如：他们的重点都是环境决策支持，他们关于系统性质的判别标准，他们对地球测量和地理信息的使用，他们的欧洲维或世界维，以及他们对于那些对其实施而言——必不可少的国际标准和先进SDI的依赖。
关于GMES这里有一个例子。GMES提供的服务之一是“空间规划服务”，这项服务提供统一的、高度精确且基于信息产品和工具的地球观测，并用其来描述、解释和预测城市土地利用的变化情况，从而辅助和支持从地区级别到整个欧洲级别的空间规划。GMES的这项服务以欧洲大陆GMES土地监测核心服务机构的核心土地覆盖、土地利用测绘数据的适用性为基础，这份地图数据描述了城市地区的范围、发展情况、密度和城市的周边地貌。随后，这份地图数据和一些辅助的地理空间数据以及统计数据一起集成到地理信息程序、工具集和模型中。由此生产出的信息产品打开了人口统计学发展、土地利用的变化情况及对环境造成影响的研究之路。空间规划局的支持和连续基于信息产品与工具的地球观测对城市土地利用变化情况的描述、解释和预测，被认为是GMES带来的最大好处;这些也表明了地理空间数据的使用，是如何从观察监测走到了决策评估的应用层面上。
在印度尼西亚， SDI服务于许多中央政府和地方政府部门以及私营部门。这个例子强调，印尼的SDI不仅仅服务于国家测绘局和国家地政局，还服务于国家航空和航空协会，中央政府内阁——包括林业、公共工程、交通运输、农业、海运业、渔业各个部门，以及服务于私营部门和地方政府。
非洲SDI的缺失阻碍了非洲的发展。虽然这方面的不足如今已有所认识，但非洲正通过许多工程项目的实施对这项缺失进行补救，如非洲大陆参考框架(AfREF)工程的建立，其设计目的是建立非洲大陆的大参考系统，以简化非洲不同国家众多组织机构之间的数据交换。但是，由这种缺失带来的影响仍不可忽视。
可持续发展的城市
在目前的发展实践中，一个关键的主题是可持续发展城市，更确切地说，是生态城市。这个理念旨在让我们的城市更清洁、更环保、更高效节能，地理空间信息对于实现这个目标非常重要。一个最好的例证是，阿布达比酋长国的马斯达尔市，已经正式宣布将成为“世界的首个无碳、零废物城市”。在马斯达尔市，GIS在一个项目中起着非常重要的作用已得到公认，一个GIS团队负责管理项目的整体空间信息需求，这一点已经得到了公认。GIS需要提供基本的地理空间信息工具，如基础地图和可视化的工具，以便让用户能够很好地了解环境。
规划人员利用GIS来确定关键设施的选址，如马斯达尔市的水净化和污水处理厂、物资回收中心、太阳能发电厂、地热试验站、太阳能电池板试验场及混凝土配料厂——城市边界内所有的便利设施选址几乎都会用到GIS。马斯达尔工程项目的实践者们认为“GIS是一个有利的决策工具”。GIS还被直接用于马斯达尔市重要基础设施特征的建模中。用GIS来模拟城市范围内的个人快速运输系统(Personal Rapid Transport System，PRTS)也是一个特殊的例子。
另外一个实例来自美国。费城计划在未来25年内投资20亿美元，用于建设绿色基础设施，以净化城市水体。来自美国公共工程署(Public Works Department，PWD)网站的消息表明，GIS正在这项伟大的举措中发挥着重要的作用。该部门正使用GIS对费城的水域信息进行分析和可视化。GIS软件使用户以叠加的二维图层的方式查看单个或多个物理特征，这些图层组成了精确的地图和图表。GIS软件还包含许多其他的数据分析功能，例如，GIS可以用来追踪水道路线，弄清一个分水岭地区包含有哪些确定的土地利用类型，或是确定哪一个地块与小河毗邻。
关于使用地理空间信息技术提升环境质量，提高活动效率，有很多类似于上述的例子为大家所熟知。还有包括三维城市模型(空气和噪音污染)和应急服务的使用(GNSS用户有效的路由选择，交通工具和设施的定位及设施的使用)。还有大家并不是很熟悉的例子就是可以利用图像和激光扫描的复合信息，结合环境信息来完成树木的绘制和描述。
在显示树木所在的同时，可以根据树木的整体影响做一份评估，以了解树木的根对最近区域内与之毗邻的建筑物所造成的影响，包括水径流影响，光照效果，物种需求信息，树木郁闭度和高度方面的影响。保险公司认为这些信息在评估建筑物和服务的风险时期非常有用。住宅物业里智能电表的位置可以提供一些信息，是关于能源如何传送和使用的，这些信息有助于我们规划出更加有效的能源交付路径。
交通运输
交通运输是地理空间信息发挥重要作用的又一领域。使用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)进行路由选择已经是一项非常成熟的技术，可以因此缩短旅程、节省燃料;但是这项应用却非常复杂。Hexagon公司的Ola Rollen举了一个关于使用GI进行公交车站选址的例子，在这其中考虑到了道路斜坡的位置：如果公交车在一个上行的斜坡上启动，会耗费更多的燃料。因此，将公交车站设置在下行的斜坡上将非常节省燃料。
目前，许多国家都在修建高速铁路网，并且在铁路网的规划、建设和管理各个阶段都用到了基础地理信息技术。铁路系统的一个重要因素是安全性，虽然GNSS可以提供定位，但是如果将这种定位信息用于发射信号，就必须确保其100%的可靠。例如，右图显示了一幅航空影像上绘制出的一个GPS接收器的轨道，这些轨道数表明了用于定位变化的人造卫星的数量。目前的研究正在确定，如何使用现有的GNSS系统来获得完全可靠的信息，以解决安全问题。
另外一个有趣的例子来自葡萄牙。Ferbritas SA是一家工程咨询公司，专门从事交通运输。该公司在其项目工程的整个生命周期中运用GIS技术，他们强调：“从本质上来讲，对于相关干预措施提出的那些要求，技术性都非常的强，涉及到多种专业和技术。只有当一个复杂问题的各个组成部分都相互兼容，并能适当地结合在一起时，我们才能对最终结果做出保证”。在复杂问题的处理上，GIS是一个非常重要的工具。该公司还开发了地籍信息系统，以满足铁路部门和其他部门的需求。这个系统适用于活动实体或组织机构，对他们来讲，该系统对于确保他们对地籍和地产的动态控制非常重要。
GI测量技术可用于测量道路表面柏油碎石的厚度，以确保材料的最佳用量。在摩纳哥一级方程式大奖赛的赛道上就使用了类似的技术，来精确地规定轨道的准确地形。
来自美国的例子，在美国的国家交通(Transportation for the Nation，TFTN)战略计划中已经清楚地认识到，数据集的冗余会花费掉纳税人数百万美元。因此，生产出一致的、通用的、高质量的道路中心线路数据能带来显著的效益。和使用现有的数据集一样，既定可行的方法预想是投入资金来保证社会上涌现出的志愿地理信息(来源广泛)的质量，同时提供一种用户反馈机制，了解用户对志愿地理信息的使用情况。一个完整、综合、全面的道路数据集，能传递出美国的道路网络信息，从而促进创新、繁荣贸易、扩大公众知情度、推动基础研究，以及加大开放性的兴趣型社区间的信息共享。关于道路中心线路数据，存在一些较为普遍的应用，包括：车载车辆导航、紧急车辆调度及路径选择、人口普查计算、邮递服务、灾难应急响应与救灾工作、税收、事故绘图、资产库存管理、智能手机上的地图指南，和其他基于位置的系统。除了这些普遍的应用之外，交通运输领域的专业人员还广泛地使用道路中心线路数据，以明确地开展交通运输规划与治理工作。这些工作包括：公路安全问题，如道路的几何形状和护栏布置、智能交通系统的规划和拥堵管理等;环境问题，如沿着通行线路的湿地和空气质量;公路性能问题，这涉及到交通运输系统的健壮程度和可用性的测量评估。
挑战
在面对挑战时，上面所阐述的例子似乎都提供了一种双赢的局面：在基础设施工程中使用GI，这样既可以提升效率，又可以节省资金。GI软件公司、仪器供应商和最终的基础设施管理者都认识到了这一点，并认清了各自要生产出的产品是什么。但关键的问题是，如此庞大和多样化的数据集能否得到有效的管理，能否被不同的部门所共享，换言之：空间数据基础设施能否应付得了来自社会各方面的强大需求?由此产生的潜在问题包含软件包之间的互操作性和确保数据平稳传输的标准两个方面。地理空间机构有责任确保其数据可以被地方权威机构和政府在各种系统上有效地使用。NMOs和商业化的测绘公司是否可以提供在复杂系统中使用的数据?数据供应商和软件供应商是否还需要担任起系统分析员的角色，以确保数据和软件的全面兼容?这是否是GI专业人员除了供应数据之外，进一步拓展其专业知识和影响力的一次机会?
另一方面，决策者必须相信，地理空间信息能为其所用，把钱花在综合型基础设施的发展与管理上是会有回报的。或许这种回报就是带来新的发展，就像马斯达尔市那样，但是这样一种体制和要求能否在现有的、多部门构成的组织机构中实施呢?对决策者和公众来说，另外一个帮助他们了解信息的重要手段是地理空间行业开发的可视化工具，但是这必须与智能显示配合使用。
结论
毫无疑问，地理空间信息对基础设施的发展和管理是必不可少的。一个得到良好规划和管理的系统可以得到持续的发展，但是也存在一些前提条件：所有潜在的用户都应该认清这个系统涉及到了哪些东西，带来的效益是什么。多选择几个案例进行分析和研究是非常有益的，能进一步证明地理空间信息在效率和成本效益方面带来的收益。从通过路径选择和紧急服务的定位简单地提供一个静态位置，到设备选址中对数据进行的地理空间分析，存在许许多多关于使用地理空间信息的直观例子。GI能提供给我们的东西远不止于此，涉及到一个工程整个生命周期的各个阶段，尤其是设备的维护阶段。了解精度的要求和精度的实现是至关重要的，因为这是在向决策者和观众介绍一个系统性能信息。(编译 杜会)
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