（城市规划与设计专业论文）地理信息系统及其在城市规划中的应用.pdf

摘要 y 4 g s s 6 0 本文通过对地理信息系统起源、原理以及实质的介绍分析，论述( 3 i s 方法对城市规划 与设计带来的影响，并对地理信息系统可能在城市规划与设计领域中的应用提出构想。 论文以对城市规划与设计实际工作中存在问题的感性分析入手，分析了问题的根源，表 现，并将问题分成体制原因和技术原因两个大类，提出用地理信息系统方法解决技术问题， 然后通过对地理信息系统原理和在地理信息系统思想指导下建立的模型程序和城市节点模 型两方面的介绍，提出地理信息系统和城市规划与设计结合的具体方法。 关键词： 、 1 地理信息系 2 g i s 3 系统y 4 信息f 5 模型 6 城市规划v a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s s o m e t h i n g a b o u tt h e o r i g i n a n dt h e p r m e i p l e o fg l st o s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s et h ep o t e n t i a lc h a n g i n si nc i t yp l a na n du r b a nd e s i g n ，a n dp u tf o r w a r da c o n c e p t i o nf o ru s i n gg i s i nt h i sd o m a i n a tf i r s t , t h et h e s i sp r e s e n t ss o m ep r o b l e m se x i s t i n gi np r a c t i c a lw o r k ，a n a l y s et h eo r i g i na n d t l mc k t s s i f i c a t i o no fa i lt h e s ep r o b l e m s a n dt h t mp r e s i m t st w ok i n d so fs u c hp r o b l e m s s e c o n d l y , i t i n t r o d u c e st h es y s t e mo f g i sa n dt h em o d e l l d 日山ed i r e c t i o no f t h et h e o r ya n dp u tf o r w a r dt h e c o n c r e t em e t h o do f g i su s i n gi nc i t yp 1 a l l k e y w o r d s ： 1 g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( ( 、l s ) 2 s y s t e m 3 i n f o r m a t i o n 4 m o d e l 5 c i t v p l a n 掘蹴同牌 分新f 避麓 ， 6 模型分析，各类数据分析 3 7 行业发展前景 第四部分对论文的反思： 引言： 从2 0 世纪4 0 年代第一台计算机的出现以来，计算机经历了数个飞速发展的时期，其应用已经渗透到 社会生活的各个领域。以计算机技术的发展为依托，各类科学得到飞速地发展，并在各自发展的过程中相 互融合渗透。逐渐形成三大主要的现代基础理论：系统论、信息论和控制论。这三大理论成为其他各现代 学科发展的理沦基础。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，在信息科学、计算机科学、管理科学、决策科学、系统科学、认知科学c o g m t i v e s c i e n c e ) 以及人工智能等多门学科相互渗透的理论背景下诞生了一门新兴学科信息系统。信息系统 的出行，使计算机从荤纯的数据处理上升到进行信息处理的新阶段。在信息系统飞速发展的同时，实际应 用中出行了用信息系统处理空问数据的需要，- f l 新兴的学科地理信息系统出行了。它的出行，极大的促 进r 信息系统理论和技术的发展，为人类认识地球提供了强有力的工具。城市地理信息系统就是在这样的 大背景下发展起来它主要处理与城市相关的一些信息是走向数字地球的重要一步。它属于信息系统的 一部分，是地理信息系统理论的分支，是- f 3 非常重要的学科，它的发展将给每一个人的生活带来重大的 影响。 城市规划与城市管理是城市科学的部分，是相对古老的学科。城市地理信息系统的发展，必须依托 城市规划和城市管理的基础理论研究。在当今飞速发展的信息时代，从很大程度上讲，是信息及信息传递 与反馈调节的动态分析处理技术的飞速发展。在这方面，传统的建筑和机械领域与其他学科( 如航空航天、 电子工业等) 相比，已经相对落后。城市地理信息系统的出行，可能会给城市规划与城市管理基础理论的 发展带来个新的契机。对于城市地理信息的系统分析将成为城市规划的重要方法，系统论方法、控制论 方法论将成为城市建设管理的重要手段。 我撰写此论文的目的，是想通过系统论的方法分析城市和城市规划工作的某些现状一方面是将地理 信息系统这一种新兴的空间数据处理技术介绍到城市规划与管理领域中来；另一方面是在将地理信息系统 这样实质性的技术引入城市规划与城市管理工作的同时，引入其内在的核心精神系统论、信息论、控 制论等现代方法论，将其与城市科学相结合，推进城市信息分析的理性化和定量化进程：同时，我通过对 一些问题的总结分析和研究，应用地理信息系统的概念，编制了个对我们目前工作具有一定实际意义的 实验性软件，通过这软件和这一软件所组织的数据来形象地说明地理信息系统在城市规划与管理中的应 用。引发业内人士对城市地理信息系统的研究，推动地理信息系统在城市规划与城市管理领域的发展。 1 1 现实工作状态： 如果我们是从事城市规划文件编制的专业人员，在我们工作的过程中，也许时常在考虑着这样一些问 题：怎样才能减少大量不必要的，但又是无法避免的重复性工作? 怎样才能摆脱大量技术含量低，但又是 别人无法代替的工作? 怎样才能真正有效地利用已经得到的数据，而不仅仅将其作为一种唬人的摆设? 我 们也许时时在为一份用地或者建筑平衡表而苦恼，为了得到一份平衡表，我们往往要花费大量的时间和精 力。我们也时常淹没在文件的汪洋中，总是找不到所需要的材料，最终因为处理的信息量过于庞大，而使 我们精疲力竭最后导致的结果是大量的而且难以查找的错误。 就目前的情况丽言，城市规划文件编制的确是一份繁重的工作。主要表现有这样几个方面。 1 工作量大 一方面是工作所直接面对的研究和处理对象数量庞大。不仅仅是信息的种类多，可以从自然、地理相 3 盯耵钉 关知识到历史、文化相关知识，也可以从实体的土地、建筑信息到虚体的政治、经济信息等等；而且每一 类信息所包含的绝对数量极其庞大。仅就建筑物的坐标而言，对于一个城市的建筑所包含的坐标信息其数 量就是一个极为庞大的天文数字。面对这样大量的数据，无论是数据的采集，还是数据的记录、存储、分 类、研究都是一项极为困难的工作。 另一方面，是重复的工作量多。城市规划工作本身是一个根据城市的反馈信息不断反复的动态过程。 同时城市规划文件是一个完整的体系，对其中任一数据的修改，都要涉及到大量的相关数据。数据之间往 往具有一定的逻辑关系，如地块面积、容积率和建筑面积就是一组具有相互关系的数据组，涉及到这些具 有相互关系的数据组的修改，工作量更是巨大。 这个问题一方面是因为所面对数据过于庞大的直接后果，另一方面是因为数据之间缺少组织上的逻辑 关联所造成的。计算机的使用，虽然极大地提高7 工作效率，但是面对如此巨大的数据量，如果缺乏有效 的组织，计算机同样陷入困境。 2 错误率高 处理这样巨大的工作量所带来的直接问题就是错误率高。错误率的问题主要有这样两个方面： 一方面通过人为的操作很难保证在如此繁复的工作中不出一点错误。对于有逻辑关系的数据，一旦出 错，就是连锁反应，一个很小的误差可能导致大数量的数据出错。 另一方面，是错误很难查找。面对这样庞大的数据。如果没有系统的方法，对于错误的查找工作我们 根本无法入手；即使有系统的方法，其工作量也是可想而知的。只能通过反复的检查，才有可能将错误率 降到最低。这个问题是前一问题的直接结果。 3 分析困难 对于城市规划所处理的数据对象而言，有其区别于其他专业所研究数据的专业特性。不仅包括没有空 间性质的普通数据( 称为非空间数据) ；例如人口组成，经济结构，消费结构，收入状况等等。而且还包 括有空间性质的数据( 称为空间数据) ( 有关空间数据和非空间数据的具体概念将在下文中详细叙述) ； 例如建筑物的位置，建筑物的高度，城市的道路走向，城市的河流分布等等( 为叙述方便，我暂且将空间 数据和非空间数据所公共反映的信息称为城市地理信息) 。而且在城市规划与设计领域，所研究的重点正 是前者与后者之间的关系。这是城市规划学科的特点。但是，面对这样的研究，我们在进行定量的理性分 析时往往无能为力。模型或者图纸虽然能反映现状的建筑高度、建筑密度甚至建筑的新旧程度等，但是却 很难反映城市的经济状况，文化情况等信息。但是我们的研究很大程度上是建立在各种信息交叉分析的基 础上的，而且最为普遍的是非空间信息与空间信息的交叉分析。我们往往将非空间数据叠置到城市空间上， 了解这些数据在空间上的分布状况，分析造成数据的这种空间分布状态的原因，研究城市空间结构对于这 些非空间数据的影响，但是这样的工作就目前的情况而言，因为工作量异常大，我们根本无法大范围的进 行定量化的分析。很多分析是建立在非理性的经验基础上数据的时效性更加大了数据处理的难度。数据 分析困难是城市规划专业所面临的最大问题。这个问题从很大程度上讲是由城市规划所处理的地理空间数 据的特点所造成的，地理空间数据具有其他数据所没有的特点，造成分析处理此类数据的困难。 这是对于我们在实际工作中遇到问题最为感性化的认识，是每一个从事城市规划文件编制的工作人员 面i 临的最一般化问题。对于这些问题，我们大家心里或多或少都对解决这些问题有自己的想法，这些想法 虽然不一定很系统或者很科学，但是绝对能反映我们心中工作的理想状态 1 2 理想工作状态l 我们虽然一时还无法解决这些问题，但是对于理想的工作状态，或多或少都会有一些自己的想法。我 们希望所有的信息都能够收录在一个专门的窖积中，这个容器就可以随时的提供给我们所需要的一切信 息，比如： 1 可以针对当前处理的数据对象即时得到数据统计表( 图) 。 4 - 数据统计表是我们进行分析研究的重要工具。它能够反映某空间范围内各种组成要素的量的关系，是 我们进行定性定量分析的基础。图纸或者模型所反映的是空间要素之间的关系，而数据统计表所反映的是 与空间要素相关的各种非空间要素之间的相互关系。每份数据统计表都是建立在对所研究空间各种要素 充分统计的基础上，数据项越多，统计的工作量越大，出错的概率也越高。但同时，统计的数据项越多， 表的意义也越大。 如果我们正在分析该地区的住宅情况。想得到的有各层住宅的情况：4 层以下的住宅有多少，7 层以 下的有多少，8 层到11 层的有多少，l 】层以上的有多少等等，包括占地面积、建筑面积以及建筑栋数等， 甚至包括各数据占总统计量的百分比。还想得到住宅新旧程度的情况：7 0 年代以前的住宅有多少，7 0 年 代与8 0 年代之间的有多少，8 0 年代与9 0 年代之间的有多少，9 0 年代以后的有多少，也包括占地面积、 建筑面积和建筑栋数等能够反映数量情况的一些参数。甚至还想知道住宅的结构情况：砖木结构的住宅有 多少，砖结构的多少，砖混结构的有多少，框架结构的有多少等等 这样的信息要求可以说是无限的，对于数据统计表的要求与当时研究的对象有关，但是具体要求哪一 些数据，事先都是无法预先确定的。目前我们都是通过人工统计的方法得到我们所需要的数据，并且制成 相应的统计表。也有一些软件能够提供一些专项信息的查询，但是，因为对于数据项信息的查询是无限的， 对于数据信息的要求不少于数据项的数量。这样，仅仅提供某几项常用的统计表是远远不能满足城市规划 工作的要求。我们真正要求的，是能够根据我们的要求，提供我们所 9 苷要的信息。 2 对任何空问物体都可以即时得到相应属性信息，对于任何数据也可以在空间上找到相应的实体。 这些信息不仅包括建筑物的一般空间信息而且包括与该建筑相关的切已记录在案的其他信息( 称 为非空间信息或属性信息) ，如该建筑的名称、用途建筑的建造时间，甚至与该建筑相关的人的信息， 经济状况等等。用超文本的方式将所有有关系的数据联结起来。 同样，对于我们已经查找到的一般性的非空间信息也可以很快提供其相应的空间位置，使工作人员能 够很快得到该数据的空阋印象。 3 可以对即时提取到的数据进行统计分析。 仅仅得到这些数据是不够的，还应该能够对这些数据进行专门的统计。不仅有普通的和、差、积、余 等数学运算，还可以根据专业需要，进行专门的数据分析。对于空问数据的查询结果也是一样，能够进行 需要的统计运算。 比如想知道现状中二十世纪八十年代以前的剖屋顶住宅总建筑面积，以及涉及到的居住人口总和等， 或者提供与这些人相关的详细情况等等。 4 可以即时的将分析得到的数据在空间上表现出来。 在城市规划学科朝着综合性发展的过程中，对于从事城市规划与设计的专业人员，最关心的是城市空 间形态与其他因素之间的关系。这些关系可能是商业在城市空间中的分布，或者城市空间对于商业分布的 影响。最终是研究城市空间形态与入的活动方式之间的关系。通过研究城市空间与其他因素之间的关系， 实现通过城市空间的理性塑造来影响人的行为方式，或者根据人的理想生活方式来理性的宦u 造城市空间形 态。总之我们在研究过程中，非常关，c i i ：空间数据在空间中的分布状况，常常将非空间数据放到空间中 来研究。因此，模型和色块图是我们经常使用的工具。我们常用不同的颜色来表示不同的用地性质，然后 用规划前反映现状用地的色块图与规划后反映城市发展的用地色块图进行比较，研究规划方案的合理性。 5 对于城市规划工作，有很多分析是建立在对非空间数据的分析上。比如分析一个地区的经济状况，一 般是通过分析各地块的数据统计表，来了解我们所需要的信息。同时这样的分析不能离开空间关系，我们 真正关心的是这些数据的空间表现形式，分析空问对于经济的影响。能够很快了解数据与空间之问的关系 是我们进行分析研究最常见到要求之一。 对于经过查询和统计的数据用空间的形式表现出来。对于城市规划工作，很多数据最后都是要在空间 上实现的，离开的空间关系，这些数据对我们来说是没有专业意义。 5 减少不必要的工作量，提高工作的准确性，回复到城市规划工作的实质状态。 对于从事城市规划与设计工作的专业人员而言，城市规划和设计是既是一门科学，也是一种艺术，同 时是项政治努力，它致力于创造和引导与城市的社会、经济需要相一致的城市物质空间的发展和秩序。 我们象科学研究那样从事城市规划，是为了探求对城市结构、城市公用服务事业以及它们各部分之间的关 系和交通运行的认识；象艺术创造那样的探求规划，是为了确保土地调整、土地利用和道路网络以及建筑 设计等方面在有序、健康和经济的方针下顺利进行；作为政治努力，则是为了使我们的方针能够有效地贯 彻。对于城市规划师而言，真正核心的工作是研究城市空间因素的逻辑关系，并且从各种关系中理出一条 轴脉，并制定实施的方法。至于如何表达我们的思想( 或者通过空间的形式，或者通过数字的形式) 是非 核心的工作。我们现在在提取我们所需要信息的过程中以及在表达我们思想的过程中花费过多的时间，同 时又缺少理性的方法进行我们所面对的实质性工作。非理性的因素依然在城市规划的过程中占据重要地 位。 这是当前工作实际状态的部分表现和我们对工作的理想状态。在理想与现实不断冲突的过程中，问题 就产生了。所谓问题，是现实的情形与理想情况之间的差距。当一个事物发展的进程与人们原来的要求、 设想不符，使人们感到不能满意，不能容忍的时候，就可说是出现了问题。因此我首先描述了当前工作的 现实状况，又描述了我们对于工作的理想，而我的论文所要研究的，就是如何改变现状，缩小现实和理想 之间的差距。从而减少问题最终解决问题。 1 3 问题的分类： 以上仅为在规划文件编制的过程中所遇到的大量问题中最直接的一部分。对这些问题稍作理性的分 类，大致有这样一些： 1 3 ，从闯廖的表现症状来看； 1 由于信息量过于庞大而造成的问题 属于这类问题大致有：在数据采集的过程中遇到的问题，因为数据量的巨大在原始数据采集的过程 中要花费大量的时间，人力和财力。同样在数据记录、数据分类以及存储的过程中都存在着大量的问题。 无论是将原始数据用传统都方式如纸、照片等记录下来，还是输入计算机，都要花赞大量的时间，对于传 统的数据记录方式，媒体的存放也是一个严峻的问题，随着记录数据的不断扩充，需要用来存放这些信息 载体的空间越来越多；而且很难保证媒体在长期的存放过程中不出现什么问题。对于信息查询所需要的时 问也变得越来越长。计算机应用虽然解决了一些有关数据存储和查询的问题，但是对于原始数据的采集录 入工作依然是一个极待解决的问题。资料的输入方法还处于半自动化状态，其效率不高，成为最大的障碍。 地图数字化作业，其加工准备要花费全部工量的1 2 2 3 ，数字化又要占去其余的1 2 时间，因此极待攻破 这一难关；其次是编辑和数据库更新的作业，仍然是十分麻烦的工作，只能部分地实现自动化。 2 由于信息载体种类过多所带来的问题 在城市规划中涉及到的信息载体种类呈多样化趋势，传统的记录城市地理信息的方式有图纸、照片、 数据袭、文字等。随着计算机技术应用的不断深入，计算机能够处理的信息越来越多，源数据载体形式己 6 经不仅仅局限于传统的数种形式，既可以是传统的图形和文本，也可以是新型的三维动画，声音，超媒体 等等。这些载体形式可以称为信息的符号载体信息符号载体的多样化必然导致信息物理介质载体的多样 化，不仅有传统的纸质、胶片、磁带等，还有硬盘光盘等新型的物理介质载体。 产生这么多的信息载体种类一方面是地理信息的自身特点所决定的。如对于同一空间实体，包含地理 位置、海拔高度、气候、地貌、土壤等自然地理特征；同时也包括行政区界限、人口、产量等经济社会信 息。另一方面是获取信息的手段多样性造成的。不仅用传统的统计调查，实地测量得到原始数据，也运用 航测，遥感，g p s 等现代化手段得到数据。另外，在数据等记录过程中，因为人为的原因，造成存储格式 的多样化。 再者是在城市管理过程中，因为条块分割，使各部门对于信息的要求不同，对于同物体的信息处理 方式也不同，产生的信息种类当然多样化。 另外由于学科研究上的分类。各学科从不同的角度去描述同一个物体。导致研究层次过多。成果信息 过于分散，需要进行综合的研究。 这一切导致所处理的信息载体种类多样化( 这种信息载体不仅仅指信息的记录方式，也指信息的表现 方式) ，它们最终都是为反映同一个对象服务，但是因为信息载体种类的过多，不但造成数据统一存储的 困难，而且很难将所有信息集中表现出来，造成信息查找的困难。用计算机提供了存储多种类信息的最好 方法，但是将这样多种类的信息联系起来表现同一个主题。在城市规划领域还没有这样的方法。 3 信息变化带来的问题 城市地理信息与城市的动态性一致。城市在不断发展与变化的过程中，其相关信息也必然是随时间变 化的。在我们研究的过程中，必须保证能掌握最新最准确的第一手信息，也就是我们所掌握的数据能够反 映城市当前的情况，这样的要求对于城市这样一个研究对象而言是极为困难的。如果无法保证我们当前掌 握信息与城市当前情况的一致性，那么对于我们所得到的研究结果本身的科学性也是值得怀疑的。但是用 传统的信息收集方法，很难在短时间内保证所收集信息与城市当前情况的一致性。信息的变化带来了研究 的难度。 4 信息记录无联系带来的问题 前武有很多问题都是由信息记录的无联系带来的。信息虽然在逻辑上有联系，但是因为传统的数据存 储方式无法实现信息记录上的逻辑性，数据在各种媒体的存储中总是呈散状分布的，以这种方式存储的数 据缺少关联性、整体性，不是一个不可分割的整体。这种情况的直接后果就是加大了工作强度，并使在工 作中出现的错误率大大的上升。因为数据在逻辑上虽然存在着联系，我们知道数据之间的函数关系，或者 通过人为标注的方式指明了数据之间的存储联系，但是当一个数据需要修改时，我们必须根据记录的信息 关联路径人工查找与这一数据相关的所有记录，以完成这一数据组的修改。这样的情况在城市规划文件编 制的过程中的经常遇到的。我们要变更某一地块的用地性质，那么，不仅要在图纸上改变这一地块的用地 性质标注，而且要在相关的统计表中，变更这一地块的用地性质，或者可能还涉及到文字说明部分这 样的工作强度是可想而知的。如果能够建立数据的存储逻辑关系，当某一数据修改后，所有与此数据有逻 辑关系的数据都自动更新，将极大地缩小城市规划工作人员的工作量。计算机关系型数据库管理系统虽然 能够解决非空间数据的关联性问题，但是对于城市规划所涉及到的信息，不仅有非空间数据，而且有反映 空间状况的图形符号，对于这些空问数据，普通的关系型数据库就无法解决数据的关联性问题。 1 3 2 从信息流程来看： 如果将城市规划理解成对城市外部激励作出相应信息反馈的信息系统，对于原始参数的分析是信息的 输入，规划设计方案的成型是信息的输出。那么城市规划就是一个输入无序信息流，并将其转换输出有序 信息漉的信息的动态流动过程。从信息在城市规划系统中的流程来看，主要有这样一些问题： 7 - a 信息收集的阶段 信息收集是指为了更好地掌握和使用信息，而对其进行的聚合和集中e 城市地理信息的广泛分布以及 动态变化，造成信息收集的困难，随着时间的发展，更侧重于快速收集的困难。 b 信息加工的阶段 信息加工是指把收集来的大量的原始信息进行筛选和判别、分类和排序、计算和研究、著录和标引、 编目和组织而使之成为二次信息的活动。信息的加工要遵循标准性、系统性、准确性、及时性等基本原则。 准确性和及时性对于城市规划工作而言是至关重要的。但是因为城市地理信息种类的多样化以及存储形式 的多样化给信息加工带来麻烦。 c 信息存储的阶段 信息存储是指把经过加工处理后的信息，按照一定的规定，记录在相应的信息载体上，并且把这些载 体按照一定特征和内容形状组织成为系统的、有机体系的、可供人们检索的集合体的过程。以纸为媒介的 地图是按“专题”来组织地理信息的。道路、行政区域、土地使用、房屋、地下管线、自然地形等，在地 图上用不同颜色的符号、线条、色块，不同类型的线宽、线型以及注记字符等各自制图要素来表示。当一 张图上表达的内容太多是，还要分成几张。地图既是储存信息的载体，又是表达信息的形式。同时纸质地 图，空间范围的表达受到图纸大小的限制。地图的比例尺越大，覆盖的地理范围越广，就越是要分成一幅 幅的图纸。这样造成大量的图纸数量。给存放和查询开来问题。对于计算机信息存储而言，虽然将存储信 息和表达信息的双重功能分开，前者以数据方式储存，后者用图形等方式显示，能够解决一定的问题，但 是如果不是系统理性的应用计算机技术，计算机所带来的损失可能比传统的纸质媒体大得多。 d 信息检索的阶段 信息检索是指对信息的寻找和调取工作。包括两个过程，一是对信息资料的寻觅过程，二是对信息资 料的调取过程。它要求迅速、全面、准确。但是我们现在对于所需信息的查询远远还不能达到这样的要求。 e 信息传递和反馈阶段 信息传递是指通过某种载体和方式，把信息从信息发生源传送到信息接收源( 信息使用者) 的活动和 过程。城市规划工作是对城市地理信息进行受激反应的信息系统，其实质是输入无序城市地理信息，输入 有序城市地理信息的信息流动过程，而对于城市建设管理而言是输入前者输出的有序城市地理信息，并输 出城市的过程。从城市规划文件经过审批成为法规或法律交由相应的职能部门实施，最后转换成空间实体 的过程中，也就是信息从城市规划部门向城市建设管理部门传递的过程中，要保证信息的不变性，这样才 能保证城市按照规划的方向理性发展。当城市的建设情况返回城市规划的信息收集阶段，从而对前一阶段 的城市规划工作进行评价时，对于城市规划工作这样一个信息处理系统丽亩，就是反馈阶段。它可以调整 自身的组织结构，使其对信息的处理更具合理性。但是因为前面所述的问题不仅在城市规划阶段存在，在 城市建设和城市管理的过程中同样存在，那么就很难保证信息在流动的过程中，保持原状不发生变化。 这仅仅是对于目前在城市规划文件编制工作过程巾，所遇到实际问题的一部分。并对其一定的分类。 那么是什么原因造成在现实中有这么多问题存在呢? 这所有的问题是否存在着内在的联系昵? 有没有方 法可以一次解决这所有的问题昵? 我们首先要对这些问题作进一步的深入分析。 8 2 1 城市、城市问题及解决办法 为什么会在城市规划与设计领域产生这么多的问题昵? 我将从城市规划的研究对象( 城市) 和城市规 划的研究方法( 规划过程) 两个方面来分析问题，并从中找到解决问题的方法。 1 城市 要研究在第一部分提及的问题产生的原因，并将问题类型化，最后由此类问题上升到认识的理性高度， 应该从分析城市规划工作本身所研究的对象一一城市开始。 城市是一个以人为主体，以空间与环境利用为基础，以聚集经济效益为特点，以人类社会进步为目的 的一个集约人口、集约经济、集约科学文化的空间地域系统。城市概念是对于城市本质属性的高度概括， 充分反映出城市的特点，从总体而言，现代城市趋向于三个方面： a 高度聚集 b 日趋社会化 c 产生高效益 具体而言，现代城市的特点有这样一些： ( j ) 城市要素的集聚性。集聚性也称为“集中性”、“密集性”，它是城市的基本特点之一。这既是城 市存在和发展的基本条件，也是城市发挥各项功能的基础。 这样的一种聚集并不是机械的量的堆积，而是在城市要素聚集的过程中，加强了要素之间的联系，也 就是城市在不断趋于集中的同时，城市的社会化趋势也得到加强。 城市组成要素的聚集，必然导致在城市研究的范围内，其相关信息的密集程度急剧上升，是信息量大 相关问题产生的根本原因。信息的集聚是城市发展的趋势，无论城市的未来如何，人口、建筑密度是先集 中后分散，还是不断集中；但是有一个趋势是必然的，那就是信息的高度集中。 ( 2 ) 城市功能的综合性。城市功能的综合性导致在城市范围内，信息种类的多样化，是产生因信息的多 样化而带来问题的根本原因。 ( 3 ) 城市活动的开放性。城市不是个与世隔绝的封闭系统，而是每时每刻都与外界进行着物质、能量、 信息的交换，其自身也在不断地变化发展过程中。因此必然导致反映城市的信息具有动态性，城市信息是 随时阋变化的动态变量。城市规划所需要的信息来源于城市，是城市信息组成的个部分，同样具有城市 信息动态变化的特征 ( 4 ) 城市生产的智能化。也可以称为现代城市生产的高效性。城市的高度聚集产生了高效益，而且分工 越细，协作越强，社会化程度越高，效益就越好。高效益是城市的最本质特点。 ( 5 ) 城市建设的整体性 用系统的观点来看，。现代城市是一个由各种自然因素和社会因素构成的复杂的、多层次的有机整体。 它好象一架异常复杂的现代化机器。城市中的各种因索、各个环节互相依赖、互相制约达到了很高的程度， 一旦某个因素、某一环节出了问题，往往会影响整个城市社会经济生活的正常运转。甚至瘫痪。因此，现 代城市在规划、建设和管理上必须坚持整体性。 规划整体性。 建设整体性。 ( 6 ) 城市管理信息化。信息是城市活动的表征。经济增长一倍，信息则以平方倍数增长。内外交流特别 频繁，使城市信息量急剧增加，使城市管理工作越来越复杂，越来越困难。现代城市的处理对象已经从物 质空间向信息空间发展。认识就是获得信息，就是信息量的增加。信息是事物发展、存在、运动的反映。 现代化的城市管理必须依靠现代科学技术，充分利用宝贵的信息资源和智力资源，广泛采用计算机信息系 统和通信网络，这是实现城市现代化管理的重要条件。 从以上有关系统的概念以及对现代城市特点的描述。我们可以知道现代化城市是一个功能庞大、因素 9 众多、关系复杂的，多目标、多层次、多功能、动态的巨型系统。在这个系统中，各种因素相互依存、互 相制约，并同外界环境有着密切联系，从而使城市问题带有动态、开放、拦体关联的特点。对于现代城市 这样复杂的大系统，用传统方法已经很难进行分析，必须依靠系统工程方法来分析和综合。 我们知道任何一个系统都具有：综合性、整体性、层次性、关联性、目的性等属性。对于城市这样一 个系统而言，其综合性表现在城市功能的多样性综合性；整体性表现在组成要素的聚集以及城市活动的 整体性，城市中各部门通过某种方式紧密联系在一起，最终为完成同一个目标而发挥作用，同时各部门之 间又以某种层次关系组织起来，这是城市关联性、层次性的表现；对城市的目的性而言，城市系统是以人 为主体，依据客观规律由入建造的多功能的社会系统。城市的产生和发展是经济、社会和科学文化发展到 一定阶段的产物。它的产生反过来大大促进了经济、社会和科学文化的发展。因此城市发展的目的就是促 进经济发达、社会进步、科学文化发展，尽可能地满足人们的物质文化需要、尽可能地促进入的全面发展。 2 城市问题及解决办法 所谓城市问题就是如何应用社会科学、自然科学和工程技术来指导城市的开发、发展和管理的问题。 这里所说的社会科学，主要是马克思主义的社会科学理论，包括政治经济学、辩证唯物主义、科学社会主 义、历史学、人口学、法律等等这样的社会科学学说和学科。这里所说的自然科学和工程技术，包括系统 论、控制论、信息论、计算机科学、城市建筑学、建造规划论、环保学、生态学等。 现代城市是一个极为庞大的复杂系统，虽然其组织结构非常复杂，但是如果采用系统论的方法也并非 难以理清其结构脉络。在引入系统的观点以前，人们对城市的认识，往往缺乏战略的思想，缺乏必要的科 学文化知识，习惯于从某一侧面孤立地来看待，其结果常常忽略了城市的整体性、全局性、动态性这个根 本特点，因而对城市的发展运动的规律性及其本质，难以正确的了解。只见树木不见森林，头痛医头，脚 痛医脚，按下葫芦起来瓢的事例是不少见的。城市作为一个客观存在，有它的客观的发展规律，认识这些 规律，研究和掌握这些规律，用它为人类社会服务，这是解决城市问题的关键所在。 现代城市虽然非常复杂，城市活动多种多样但是归纳起来，主要就是人员、物质、能源、资金和信 息的流动。规划、设计和管理就能够保证系统在时间空问上沿着正确的轨道健康地发展。 任何物流都表现有信息流，这是信息论一个基本观点。对物流的控制，是通过对信息流的控制实现的。 城市是个动态系统。城市活动在时间上不断变化和运动。随着科学技术的飞速进步和生产的不断发 展，城市活动的脉搏和运动的速度、频率正在以前所未有的程度发展着。因此，为了把握城市的发展，必 须很好掌握城市的动态性，也就是要研究城市的人员流，物质流，能量流，资金流和信息流在时间上的变 化规律。城市实际上可以看成是一部机器，一部物流、信息流的加工增值机器，一个物质文明i 精神文明 的放大器。放大的原因。在于人的社会劳动。创造性的劳动产生了新的财富和价值。一个城市的运行，就 是物流和信息流的输入与输出的动态过程，概括起来，就是物流和信息流的动态。这种动态使城市成为一 个经济效益不断积累，人的物质、精神需要不断满足的系统。输入的物流、信息流激励城市系统。输出的 物流、信息流表现为聚集经济效益和满足人的需要的物质和精神成果。并且一部分输出的物流、信息流反 馈至输入端来加强城市运行效益的最终结果，这一过程用图表示( 图) 。 广1 更馈_ l 物静上广卜。物扩 反馈 3 城市的实质 通过以上所有对于城市的论述，使我们知道城市从本质上讲是一个复杂的开放的动态系统从人类对 1 0 城市的认识丽言，又是一个灰箱甚至黑箱系统。城市系统的内部通过物质流、能量流和信息流联系起来， 并通过这三种活动方式与外界进行交流。任何物质流和能量流都在一定程度上表现有信息流，因此我们可 以通过对信息流的分析了解城市的内部结构，并通过信息流，对城市活动施加影响。这方面提醒从事城 市规划工作的专业人员应该与城市本身的系统特点相对应，在城市规划与城市管理的过程中采取相应的系 统方法；从另一方面讲，城市又是一个由大量信息所组成的个庞大的综合信息集合体，而城市规划师则 是针对这一庞大信息库的系统分析员。 2 2 城市规捌工作程序分析 通过对城市的分析，使我们对研究的对象有了一个相对全面的了解，对系统的概念有了一个初步的认 识，知道城市是一个系统，并且在按照系统的规律进行着各种活动。现在让我们进步研究一下我们的工 作现状，分析现行的城市规划程序。 1 城市靓划 城市规划大致可以定义为：在城市或者镇、区的层次上，致力于组织与人的需要相致的、和睦共处 的空间秩序。规划必须建立在对环境内部相关事物广泛理解的基础上。( 什么是“秩序”。这种秩序不可 能象建筑那样，是一种完整的、最终的形式规律，而可能是一种沿有序轨道的运动发展。在个城市中， 并不是所有的矛盾都能避免。矛盾主要产生于城市本身的特点，产生于一个密集空间里拥挤在一起的不同 功能和行业。我们最终只能在细致而有远见的基础上，为尽可能地减少矛盾而努力：或者从积极的方面来 说，为权衡人们对城市空间的需求，尽可能公平地补偿由此造成的损失而努力。 针对城市规划的任务，城市规划具体的工作内容有： 1 收集和调查基础资料研究满足城市经济社会发展目标的条件和措施。 2 论证、确定城市性质，预测发展规模，拟定城市分期建设的技术经济指标； 3 合理选择城市各项用地，确定城市的功能布局并考虑城市的长远发展方向； 4 提出市域城镇体系规划，确定区域性基础设施的规划原则； 5 拟定新区开发和原有市区利用、改造的原则、步骤和办法； 6 确定城市各项市政设旖和工程措施的原则和技术方案； 7 拟定城市建设艺术布局的原则和要求f 8 根据城市基本建设的计划，安排城市各项重要的近期建设项目，为各单项工程设计提供依据； 9 根据建设的需要和可能提出实施规划的措施和步骤。 2 城市规划程序 我国现行的城市规划基本遵循：调查一分析一制定方案这样的工作过程。 3 城市规划实质 城市规划可以分为： 1 收集信息 2 分析信息 3 组织信息 4 反馈城市 5 新一轮的信息收集 这样几个相互联系的过程组成，这样的程序与信息在系统中的流动过程其有本质的一致性。设计过程 本身可以看作是对于城市地理信息的处理系统，对于城市而言，又可以看作足对于城市活动的控制系统。 l l 城市规划的起点是对城市相关原始数据的获得，城市规划的过程是各项数据分析和建构，城市规划的 归宿是科学而合理地确定所有的参数，并构造出所组织数据的完整结构。城市规划从一定程度上讲，是对 于城市信息的重组，并将重组数据返回城市系统的过程过程 2 3 对城市规划学科的反思 1 现行城市规划编制程序的问题 我国目前的规划理论和方法仍然停留在苏联5 0 年代或西方4 0 年代的水平。这些理论虽然是根据当时 的具体情况制定的，但是随着时间的推移，已经远远落后于现代城市的发展，规划方法过于机械，规划内 容过于偏狭，其科学性和预见性都很差。 这样的城市规划工作方法与现代城市的聚集性、组成要素联系广泛性和紧密性、整体性的特点以及极 不相应，具体问题有这样一些： 1 规划编制过程本身过于机械化：作为对高速变化的城市系统的反应器和控制器，依靠传统的调查 一分析一制定方案这样的反应方式不够灵活，致使反应速度慢，跟不上城市发展的需要。 2 规划的内容不完全；规划的内容应该涉及u 城市组成的方方菌面。但是城市正以前所未有的爆炸 性的速度发展，现行的城市规划方法无法考虑到所有出现的和尚未出现的情况。 3 部门计划与城市规划脱节；从更高层次的规划来看，城市规划是社会发展的一个组成部分，但是 因为从整体上缺乏对整个社会系统的认识，致使部门计划与城市规划的矛盾。由于城市的复杂化，需要条 块分割进行管理，但是因为条块过于有部门利益，各部门都是根据自己的利益来进行工作，需要综合 的管理。 4 对信息的分析尚处在定性分析的阶段：研究方法还是靠经验作直观的判断，缺少理性定量的概念 和方法，无法对城市的现状信息作定量化的分析；现行的现状分析虽然有一套看似理性的程序，但是因为 在具体的工作过程中，涉及到的信息种类繁多，数量巨大，如果不借助现代化的工具，用现代化的程序进 行分析，很难得到所要求的准确结果。所谓的现代化手段包括现代化的工具和现代化的工作方法。 5 对信息的联系性认识不足；现代城市的特点反映出城市各要素联系将变得更加紧密，也就是说各 组成成分之间的相互影响加大了，从信息上看，各种信息之间的关系是紧密联系的一个整体，但是现行的 规划方法，是通过对散状信息的分析通过规划师对这些信息进行综合，但是这样大的信息量，这样的复 杂的信息结构已远非人脑用经验的方法所能胜任。缺少种理性的思考方式。将所有的信息联系起来，研 究其在相互关联的情况下所造成的整体结果。 2 现代化的城市规划概念 从2 0 世纪6 0 年代以来，在西方发达国家就已经出现一种新的规划理论。这种规划理论建立在这样的 概念基础上即任何规划都是种特定的人类活动，目的是为了控制某种特定的系统。城市规划只不过是 被称为规划的普遍性活动的一种它涉及的是城市这个特定系统的控制问题。所有的规划都是寻求妥善控 制各有关系统的连续过程。它需要不断地反馈和及时地修正。这种规划观点已经大大不同于我们现在的观 点。从某方面讲，我们也许在概念上已经认识到城市规划是一个动态过程( p l m m m g ) ，但是在实际的工 作过程中仍然是在编制规划方案( p l a n s ) ，硒出在一定年代内希望实现的城市建设最终状态的详细图案， 制定周密的条款，每五年检查次，并将规划交由政府职能部门去施行，把规划行为看作是凌驾于客观事 物发展之上的一种活动。 新的规划方法及规划态度同我们在处理具体问题上的传统习惯也不相同。我们的规划，关注的是提出 一个详细的未来土地利用方案；而新的规划则把立足点放在研究规划方案所要完成的任务和实现这些任务 的各种途径上，主要的成果都表现在文字上而不是在图纸上。另外，当前的城市规划倾向于采用一种简单 的程序，即调查一分析一制定方案。对现状进行调查；根据分析作出结论 最后提出规划方案。而新规划 的重点在于阐述各种政策和各种限定可能造成的结果。然后来评价各种政策的优劣，以便选择其中较好的 一个。只要系统监督程序的反馈表明规划师意图与系统的实际状况有出入，这一过程就将不断重复。 新概念对于城市规划动态性的认识只是很小的一部分，真正重要的，它将城市规划看成是对于城市这 个特定系统的控制问题，从根本上提升了对于规划本身的认识，从而导致规划方式的改变。 以控制论为基础的规划称为系统规划。它的基本概念是关于规划( 或控制) 自身与受控制系统这两者 之间的相互作用，即受控者与控制者共同组成一个更大的系统。当我们涉及的是广义的“空间”规划，它 就不限于欧几里德几何的三度空间，丽且还要延伸到经济空间( 如交通距离造成的开支) 、- c ，理空间或感 觉空间等概念中。诚然，城市系统的地理空间及各部分之间的相互关系。无疑是城市规划中最重要的问题。 城市规划师始终处在一种不断地和他们所控制的系统相互作用的状态之中。由于客观事物的变化经常超越 规划师的控制范围，城市系统总是在不断的变化之中，因而。期划也必须随之改变。 3 建立城市概念模型 系统规划从概念上将城市规划涉及到的一切要素联系成一个整体，用系统论控制论的方法去研究城 市，结束了城市规划原有的依靠感性分析的原始状态。在城市规划系统中，控制论方法是怎榉开始的昵? 控制论方法将城市看成一个系统，将城市规划看成是系统的受控过程。因此一切工作都是建立在对城 市系统的研究基础上( 包括对城市系统的分析和对城市系统在受控条件下演化发展的研究) 。 表面看来，城市各部分好象都是自成体系，互不相关，实际上它们之问有着千丝万缕的联系。这种联 系通常是通过物质流、能源流和信息流建立起来的。我们通过这些资源流，弄清了城市各方面的联系及其 组织结构，并用图形或数学方程加以描述。对现代城市规划师的工作而言，其主要工作将变成通过对城市 系统辨识( 有关“系统辨识”参考“指纹辨识”) 建立与城市原型等价的数学模型，从而可以应用现代控 制理论进行最优状态估计和最优控制，也可以进行系统特征的定量研究，预测未来和用计算机进行仿真试 验。 一般构造模型的步骤是这样的：为了解决某个城市问题，人们头脑里总会有一个想法，首先建立现实 城市的概念模型，所谓概念模型就是人们认识事物、开发概念，建立概念之间的联系而常被采用的一种定 性分析的工具。在此基础上，可以画出用来表示城市内部各部分之间相互关系的结构模型( 或网络模型) 。 欲进行仿真研究，只用图形是不够的。计算机必须要“算”，根据什么算? 必须根据定量规律，这就要求 建立确定的数学模型，如人口控制就是这样。当然，城市模型只能是真实事物的某种近似，只能反映事物 的某些主要特征而不是全部，但是一个好的城市模型仍能反映事物的本质和基本特征。比如城市人口系统， 我们只要将初始年的人口数据输入计算机，就可利用人口模型进行模拟，计算机就能显示出2 0 年甚至1 0 0 年的全市人口变化过程，并且打印出每一年的各种人口数据和人口状态曲线，为我们制定人口控制政策提 供大量预测信息，改变不同的控制方案( 平均生育胎数) ，就能得到不同的人口发展过程，可以从中进行 比较和选择，从而大大增加了决策的预测性。对于城市经济系统，只要能构造出经济模型来用同样方法 也能观察到今后若干年的经济发展状况，以便对各种经济政策所取得的经济效益进行评价分析。同样道理， 我们可以把人口、经济、能源、交通和环境等等各个系统的模型联接起来组成个综合的城市模型，然后 通过计算机模拟来研究城市未来的发展过程，选择最优的发展战略，从而为城市规划和城市管理提供科学 依据。 l 纂实世彝卜期瞻泄畀 l l观察 f l 现象f构怫( 分析) l 二撺_ 簟 通过对现代城市中各组成要素的分析，建立与城市原型等价的数学模型，从而可以应用现代控制理论 进行最优状态估计和最优控制，也可以进行系统特征的定量研究，预测未来和用计算机进行仿真试验是现 代城市规划师的核心任务。也就是说城市规划师正在从城市蓝图的绘制者转变成为城市信息的系统分析 员。城市规划、城市建设和城市管理三者组成了城市系统的控制器。 2 4 现阶段技术发展水平 信息论、系统论和