（城市规划与设计专业论文）基于GIS的城市空间扩展研究.pdf

中文摘要 长期以来，由于缺乏坚实的数据基础设施和定量研究方法，我国城市空间扩 展研究仍然囿于描述性研究、指标测算和总量估算，缺乏系统的空间与微观研究， 因而也就不能深入地揭城市空间的发展变化，特别是城市规划管理影响城市发展 的微观机制和空间动态，从而导致了城市规划的评估、反馈与调整等方面的工作 跟不上现代城市规划管理发展的需要，严重地影响了城市规划的实施效果、城市 规划的科学性以及城市政府对城市空间发展的管理能力。 计算机技术的发展、地理信息系统的普及和城市基础数据库的建立为解决以 上问题奠定了技术基础。计算机硬件发展和软件系统的设计技术提高，使得复杂 数据的运算成本大大降低，而地理信息系统的发展和城市基础地理信息系统的普 及为城市提供了模拟需要的数据，增强城市形态预测的科学性。 本文首先介绍了基于g i s 城市空间扩展研究充分的理论和技术基础。学科交 叉理论、城市规划技术论、综合论、实践论成为二者结合的理论基础。在技术基 础上，方面，城市空间扩展研究自身的特点对信息时代新技术有着十分迫切的 需求，这使得其科学性、理性化在传统规划技术手段上有了大幅度的提高；另一 方面，g i s 技术凭借其强大的功能，为城市空间扩展研究奠定了坚实的技术基础， 为二者的共同发展提供了广阔的前景。 利用g i s 进行城市空间扩展研究是g i s 应用于城市规划的新兴领域。论文在 对基于g i s 城市空间扩展研究充分的理论和技术基础进行阐述后，回顾了城市模 拟模型的发展历程和主要类型，介绍了美国伯克利加州大学基于g i s 平台的城市 空间扩展模拟模型研究。同时以c u fi i 城市发展模拟模型为例，阐述了它的工作 原理、逻辑框架、技术路线，将这些内容同传统城市规划技术手段进行对比，总 结出c u f i i 城市发展模拟模型的特点以及优点，并对g i s 应用于城市空间扩展研 究的前景做出了理性的预测及分析。 论文最后对c u f i i 城市发展模拟模型的未来进行了展望，阐明了其发展优越 性和未来的发展空间，并对城市空间扩展研究与g i s 结合的多源发展趋势和城市 空间扩展研究应用g i s 的先进方面进行了深入研究和探讨。 关键词：城市规划g i s 应用于城市规划的g i s 城市模拟模型 a bs t r a c t f o ra1 0 n gt i m e d u et ot h ea b s e n c eo fs o l i dd a t af a c i l i t ya n dq u a n t i t a t i v e r e s e a r c hm e t h o d t h es t u d yo fo u rc o u n t r y su r b a ns p a c ee x p a n s i o ns t i l l l i m i t e dt ot h ed e s c r i b i n gr e s e a r c h ，i n d e xc a l c u l a t i o na n dg e n e r a lq u a n t i t y e v a l u a t i o n b u tl a c ko fs y s t e m a t i ca n dm i c r os p a c er e s e a r c h t h e r e f o r ei t c a i ln o td e e p l yr e v e a lt h et r e n do fu r b a ns p a c ed e v e l o p m e n t e s p e c i a l l y t h ei n f l u e n c eo fu r b a np l a n n i n gm a n a g e m e n tt oc i t y sm i c r om e c h a n i s m a n dd e v e l o p m e n t a sar e s u l t ，t h ea s s e s s m e n ta n da d j u s t m e n to fu r b a n p l a n n i n gc a nn o tc a t c hu pw i t ht h ed e m a n do fm o d e mu r b a np l a n n i n g ， w h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h ee f f e c ta n ds c i e n c eo fu r b a np l a n n i n g ，a s w e l la st h em a n a g e m e n ta u t h o r i t yo fc i t y g o v e r n m e n t w i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，t h es p r e a do fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e ma n dt h ee s t a b l i s h m e n to fc i t y sd a t ab a s eh a v em a d eat e c h n i c a l f o u n d a t i o nf o rs o l v i n gt h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s o w i n gt ot h e i m p r o v e m e n t o f c o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n i n g ，t h e c a l c u l a t i o nc o s to fc o m p l i c a t e dd a t ah a sg r e a t l yr e d u c e d m o r e o v e r , t h e d e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n o fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m p r o v i d ea b u n d a n td a t af o rc i t ys i m u l a t i o n ，w h i c hm a k et h ec i t y so u t l i n e f o r e c a s tb e c o m e m o r es c i e n t i f i c f i r s to fa 1 1 t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o n o fu r b a ns p a c ee x p a n s i o ns t u d y d i s c i p l i n ec r o s st h e o r y , u r b a np l a n n i n g t h e o r y , c o m p r e h e n s i v et h e o r y , p r a c t i c et h e o r yb e c o m et h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o no fi t b a s e do nt h et e c h n i c a lf o u n d a t i o n ，o nt h eo n eh a n d ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fu r b a ns p a c ee x p a n s i o ns t u d yh a sa nu r g e n td e m a n do n t h en e wt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o na g e ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h e t r a d i t i o n a lp l a n n i n gs k i l l o nt h eo t h e rh a n d ，d e p e n d i n go ni t ss t r o n g f u n c t i o n g i sm a k eas o l i dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o ru r b a ns p a c e e x p a n s i o ns t u d y , t h u si tb r i n g sab r i g h tp r o s p e c tf o ri t sd e v e l o p m e n t i ti san e ws t u d ya r e at h a tg i sa p p l i e dt ot h eu r b a ns p a c ee x p a n s i o n t h i s a r t i c l eb a s e do nt h ee x p l a n a t i o no ft h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o no f g i su r b a ns p a c ee x p a n s i o ns t u d y , r e v i e w i n gt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n d m a i nt y p e so fm e t r o p o l i t a ns i m u l a t i o nm o d e l sa n di n t r o d u c i n gt h es t u d y o fi ti nu s a b e r k e l e yu n i v e r s i t yo fc a l i f o m i a m e a n w h i l eu s i n gc u f i im e t r o p o l i t a ns i m u l a t i o nm o d e la sa ne x a m p l et oe x p l a i nt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，l o g i c a l f r a m ea n dt e c h n i c a l r o u t e ，t h e nc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm e t h o df o ru r b a np l a n n i n g a tl a s ti ts u m m a r i z e dt h e a d v a n t a g ea n dc h a r a c t e r i s t i co fc u fi im e t r o p o l i t a ns i m u l a t i o nm o d e l a n dm a d ear a t i o n a lf o r e c a s to ft h ee x t e n tt h a tg i sa p p l i e dt ou r b a ns p a c e e x p a n s i o n a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，i tm a k e sap r o s p e c to fc u fi i m e t r o p o l i t a n s i m u l a t i o nm o d e l ，c o n c l u d i n gt h et r e n da n da d v a n c e da s p e c to ft h e c o m b i n a t i o no fg isa n du r b a ns p a c e e x p a n s i o ns t u d y t h r o u g h t h e a n a l y s i so fo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r e ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds y s t e mu p d a t e ，i t b r i n g sf o r w a r ds o m ep r o b l e m sw h e ng isc o m b i n e dw i t h u r b a ns p a c e e x p a n s i o ns t u d y k e y w o r d s ：u r b a np l a n n i n g g i s m e t r o p o l i t a ns i m u l a t i o nm o d e l s g i su s e di nu r b a np l a n n i n g 独创性声明 木人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜_ 进行的研究：1 1 怍和取得的 研究成果，除了文中特别加阻标注和致谢之处外，论文中 i 包含j l j 也人经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘茔或其他教育机构的学位或证 郁而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的旺何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字e l 期：洲年 f 月歹d 【二l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位沦文的规定。 特授权叁盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借问。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位i 仑文作者签名：导师签名： 廛啦 签字日期：功吲年f 月毒j 日签字日期： 妒夕年，月一2 乒f l 第一章研究背景 第一章研究背景 1 1 城市规划领域背景一城市空间扩展研究现状分析 由于处于经济起飞和城市化快速发展阶段，我国若干城市的增量建设发展对 土地空间的需求日益增大，在庞大的人口约束条件下如何更好的使用土地空间资 源是一个非常重要的问题，这对于处于高速成长期的城市尤为如此。如果对城市 发展空间不进行未雨绸缮的战略管理那么城市先发优势很有可能转变为先发劣 势，土地空问和环境方面的制约园素将有可能使城市空间的扩展失去理性。( 表 l 、图1 ) 表l2 0 年全国鲁共用地统计1f 单： 女0 | 圈i2 0 年全国鲁类用地统计1f 4 十j 0 $ ) 麓2 茹船茹瑞盘温怒a s p 。c c ”p d ：黜i ：i 嬲嚣毖 1 砷。”一c h 啪u pc o r s b v s h 删 十目槭m # 口* 啦息仓 第章研究背景 我国现有法定城市规划编制体系中，城市空间扩展需要通过城市规划纲要编 制阶段的论证和原则审议，并在城市总体规划编制阶段最终确定。目前的非法定 规划城市发展战略规划研究中城市空间扩展更是研究的基本问题。但由于现 行颁布的城市规划编制方法中没有明确规定城市空间扩展的研究分析方法，作为 非法定规划的战略规划其研究方法也处于探索和讨论阶段，因此在规划界没有形 成关于城市空间扩展研究的统一认识。同时在学术研究和实际规划编制过程中对 于城市空间扩展的分析论证也是各执己见、各行其道。 1 1 1 空间扩展影响要素：系统化与要素化之间的平衡 从总体上看对于城市空间扩展研究表现为两方面趋势：一、要素化，即抓住 诸多方面的问题、从中寻求和筛选关键影响要素；二、系统化，即按照一定的逻 辑将这些影响要素进行严密的组织系统化。 1 1 1 1 一个或几个影响要素 对于城市空间扩展的研究有些学者在研究中关注某个或某几个主要影响要 素，例如：外向型经济、外商投资等经济要素( 熊国平，2 0 0 1 ) ，如何加快开放 式、外向型战略型经济的形成过程；政策要素( 何流等，2 0 0 0 ；李晓江，2 0 0 3 ) ， 如何使城市空间扩展在政策允许的范围内达到理性增长；城市用地条件、自然环 境条件( 邹伟勇等，2 0 0 3 ) ，这些条件是城市空间扩展的基本要素，如何扬长避 短是此类研究的重点；交通等基础设施条件、建设门槛( 张建荣等，2 0 0 4 ) ，这 是城市空间扩展的硬件需求，也是城市发展的瓶颈之一。 有些学者在研究中提出并分析了一系列影响要素作为空间扩展分析的基础， 如：自然地理、社会经济、技术发展、空间演变历史( 罗利克，1 9 9 8 ) ：产业结 构升级、快速交通与轿车、通讯技术、土地住房管理制度( 顾朝林等，2 0 0 0 ) ； 区域环境、经济发展压力、疏散中心城区、生态环境、已有城镇基础、交通轴线 ( 谭维宁等，2 0 0 3 ) ；空间结构、产业发展、基础设施、人口结构( 方中权，2 0 0 5 ) 。 这些研究为城市空间扩展研究提供了相关学科的理论，丰富了理论框架，为其深 入的发展奠定了良好的理论基础。 1 1 1 。2 系统化归纳和分类 还有一些学者在对城市空间扩展的研究中按照一定的逻辑对影响要素进行 了归纳和分类，如：陈有川提出的时代要素( 包括经济发展、城市成为行为主体、 行政区划调整等) 、发展代价性要素( 包括结构性用地不足、土地利用低效、跳 跃式发展方式、社会经济发展观等) 、体制缺陷性要素( 包括管理体制、政府面 临财政压力等) ( 陈有川，2 0 0 3 ) ；朱鹏宇等提出的四大要素、八个因子( 因子权 重恒定) 的综合指标体系，包括自然限制要素( 自然屏障、环境承载力) 、人文 第一章研究背景 指引要素( 社会文化、行政区划、政府决策) 、交通诱导要素( 经济流、土地开 发成本) ( 朱鹏宇等，2 0 0 3 ) ；李雪英等提出的从内外部机制、效益与成本机制、 集聚与扩散机制、动力与约束机制四个方面对影响要素进行考察、分类的方法( 李 雪英等，2 0 0 5 ) 。 1 1 2 空间扩展原则：潜在的决策过程要素 城市空间扩展问题在实际工作中是决策过程中的一个潜在的、不可或缺的过 程要素。具有代表性的扩展原则主要有：王雅娟、张尚武提出的，重规模阶段和 非时间阶段、与自然空间有机结合、整合生长、城市空间有序发展等原则，以避 免规划的“功利性”，达到动态、有机、整合的发展模式( 王雅娟等，2 0 0 3 ) ；朱 波提出的区域协调、职能疏解原则( 朱波，2 0 0 3 ) 。这些原则为城市空间扩展确 定了研究方向，但没有为研究找到更为理性化、科学化的途径。 1 1 3 空间扩展方式：三种基本模式 西方学者提出外溢一专业化、分散一多样化、填充一多核化的扩展阶段与方式 确立了边界外溢、分散跳跃、内部填充这三种城市空间扩展的基本模式。在国内 对空间扩展方式的研究中刘运通从全球、国家、都市圈三个层面的产业发展入手， 提出扩充空间内拓、跨越横向扩展、集中整体外扩三种战略( 刘运通，2 0 0 4 ) 。 李雪英等提出的增量j 存量扩展方式( 李雪英等，2 0 0 5 ) 。实际上以上这些方式 都是对三种基本模式的再演绎、再归纳，没有在本质上产生新方式。 1 1 4 空间扩展分析方法 在目前城市规划纲要、城市总体规划的编制中，通常采取用地评价方法来解 决城市空间扩展问题，即通过自然环境、水文地质气候、地形地貌、城市现状( 用 地布局、设施、社会经济等建设现状，区域、交通、水电、用地等技术经济条件) 、 基础设施、生态环境、文化遗存、社会问题等要素的分析，做出城市用地评价， 以此为基础对城市用地发展进行评价分析。从我国各城市进行总体规划对城市空 间扩展采用的研究方法中可以归纳出四种主要方式： 1 1 4 1 确定城市发展模式和扩展方向轴 确定城市在区域中的发展模式，并根据经济分布、经济地位、交通枢纽、工 程地质、生态环境、发展空间余地、现有城镇发展基础、港口等基础设施的分析 确定新区扩展方向轴。 1 1 4 2 进行用地适宜性评价及方案比选 分析城市空间历史演变、城市空间发展规律、城市空间结构类型、城市发展 模式，在信息化、郊区化、私人轿车等背景下在对自然地理( 包括资源容量) 、 城市性质与规模、产业结构、交通可达性、区域基础设施( 现有及未来) 、政策 第章研究背景 控制与引导、社会文化及价值取向、土地市场、生态环境等要素进行分析的基础 上，进行用地适宜性评价，并进行多方案比选。 1 1 4 3 确定城市扩展方向及规划结构 分析城市空间结构现存及可能出现的问题，并分析交通设施( 机场、港口) 、 产业结构、信息基础设施、行政区划调整、区域生态环保等要素，确定空间扩展 方向及规划结构。 1 1 4 4 对空间扩展的影响要素进行分析 分析城市空间历史演变，并对空间扩展的影响要素进行一定的逻辑分析、归 类，划分为背景条件、基本资源、开发现状、交通设施、市场投资、人口变动、 生态环境等方面，然后依次进行分析，根据结构直接得出结论。 1 1 5 城市空间扩展现状研究评价 上述的各项研究共同奠定了我国城市空间扩展分析研究方法的基础，并为城 市规划的编制、实施管理、城市发展建设提供支持与指导。但可以看到目前城市 空间扩展分析研究中还是缺少理性化、系统性、综合性的研究手段。越来越多的 城市发展表明，我国城市规划没能起到引导和管理城市发展的功能，其主要原因 是城市总体规划编制的方法和技术无法应对城市未来发展中多种不确定因素，这 个问题在高速发展和转型中的城市变得尤为突出。传统城市空间扩展研究方法主 要体现在侧重于对统计型经济社会发展指标的制定，对具有空间内涵的数据则缺 乏统一量化和管理，不能将经济社会发展与人口、资源、环境等在具体地域上统 筹协调起来，这样的局面使各项规划难以发挥应有作用。主要的不足如下： 1 1 5 1 在空间格局方面没有考虑或考虑较少 在现代高速发展的社会中经济活动涉及到海量信息，包括各种条件、因素、 技术、资金、设施、人员、决策和管理等。其信息有着丰富的内涵和时空特征。 城市规划过程是一个受自然、社会等多种环境因素制约的复杂过程，但传统规划 方法仅能从经济指标角度进行宏观预测，不能解决产业、建设项目空间布局的科 学性、合理性，存在建设项目区位与区域承担功能等相矛盾的情况。 1 1 5 2 空间衔接不够 传统规划方法由各主管部门独立进行专项规划，不借助于统一的资源管理系 统导致了各级各类规划( 如城镇规划、经济功能区划、生态区划、城市规划以及 土地利用规划) 在空间上很难衔接，产生重叠、偏离、矛盾等问题，如城市规划 与土地利用规划中土地利用性质的不一致。在具体实施中不可避免地导致了随意 更改规划内容、草率变更项目选址情况，影响了合理的经济计划决策和活动部署。 1 1 5 3 缺乏统一的量化分析模型 当前城市建设发展迅速，传统规划方法刘重要项目选址可行性分析依靠的只 第一章研究背景 是领导、专家的经验和知识，缺少量化概念分析与评定，不能模拟规划的空间布 局，使得问题和矛盾难以找出，规划师只能感性地评价具体地域的发展条件，缺 乏规划有效性和权威性。 以上种种弊端归根结底是由于规划设计、管理和决策手段的技术含量没有与 信息时代同步，导致了城市空间扩展研究多方面的不足。如果可以应用先进的管 理与分析技术不仅能将各方面数据( 如土地利用、生态、资源、基础设施条件等) 进行单项和综合分析，就可以通过比较选出最佳的空间规划方案并确保其实施。 近年来兴起的g i s 技术以其对数据强大的管理和分析功能为这些弊端找到了良 好的解决途径，逐渐成为城市空间扩展研究的有力辅助工具。 1 2g l s 领域背景迅速发展的g l s 1 2 1 世界g is 发展历程 地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编 辑、处理、分析与显示地理数据的功能。地图是地理学的第二代语言，而地理信 息系统将成为地理学的第三代语言。2 0 世纪6 0 年代初在计算机图形学的基础上 出现了计算机化的数字地图。1 9 5 0 年麻省理工学院为它的旋风一号计算机制造 了第一台图形显示器：1 9 5 8 年美国一公司在联机的数字记录仪的基础上研制成 滚筒式绘图仪；1 9 6 2 , 年，省理工学院的一名研究生在其博士学位论文中，首次 提出了计算机图形学的术语，并论证了交互式计算机图形学是一个可行的、有用 的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。在此基础上地理信息系统发 展起来。 地理信息系统经历了2 0 世纪6 0 年代开拓发展阶段、7 0 年代巩固阶段、8 0 年代突破阶段和9 0 年代社会化阶段。目前已知的g i s 应用领域有：公用事业、 电信、交通、城市应急管理、土地管理、城市规划、军事、图书馆管理、健康和 保健、政治领域、景观保护、城市与区域规划中的土地覆盖和土地利用监测、国 家和全球农业、环境监测与评价等。进入2 1 世纪地理信息系统已深入到各行各 业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。 地理信息系统己成为许多机构必备的工作系统，并且社会对地理信息系统认识普 遍提高，需求大幅度增加，从而促进了地理信息系统应用的扩大与深化。国家级 乃至全球性的地理信息系统己成为公众关注的热点领域。( 表2 ) 第一章研究背景 表22 0 世纪砷年代以来地理信息系统发展中重要的历史事件 1 9 6 3 r o g e rt o m l i n s o n 开始了加拿大地理信息系统的开发 1 9 6 3 d r e d g a rb o r w o o d 建立了城市与区域信息系统联合会( u r i s a ) 1 9 6 4h o w a r df i s h e r 建立了计算机图形和空间分析的哈佛实验室 1 9 6 6 s y 醍a p 系统在西北技术学院研制并在哈佛实验室完成 1 9 6 7 d i m e ( 双重独立制图编码) 为美国人口普查局所研制 1 9 6 9 j a c k 和l a u r ad a n g e r m o n d 建立了环境系统研究所( e s r i ) 1 9 6 9 j i mm e a d l o c k 建立了i n t e g r a p h 公司 1 9 6 9在英国诞生了激光扫描仪 ” 一 1 9 6 9l a nm c h a r g 很有影响的书“自然设计( d e s i g nw i t hn a t u r e ) ”出版 1 9 7 1 加拿大地理信息( c g i s ) 建立 1 9 7 2 i 础的g f i s 发布 1 9 7 2g i s p ( g e n e r a li n f o r m a t i o ns y s t e mf o rp l a n n i n g ) 开发 1 9 7 2l a n d s a t 卫星首次发射成功 “ 7 1 9 7 3u s g s 研制了地理信息提取和分析系统 1 9 7 3 马里兰自动地理信息( m a g i ，m a r y l a n da u t o m a t i cg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n ) 开发 1 9 7 4 在伦敦的皇家艺术学院建立了试验制图单元( e c u ，e x p e r i m e n t a lc a r t o g r a p h yu n i t ) = 1 9 7 4 首次自动制图会议在r e s t o n ，弗吉尼亚召开 ， 1 9 7 6 明尼苏达研制了明尼苏达土地管理信息系统 ，“ 一 1 9 7 7 u s g s 研制了数字化线图( d l g ) 空间数据模式 1 9 7 8 e r 潞s 成立 一 ；1 9 7 8 地图叠加复合与统计系统开发 i j1 9 7 9 哈佛图形实验室研制了o d y s s e yg i s “。 二 。1 9 8 1 e s r ia r c i n f og i s 发布 一 。 1 9 8 2 n a s a 发射了l a n d s a t 硼4 一1 9 8 3 e t a k 数字制图公司成立。 1 1 a r d m a r b l e ，c a l k i n s p e u q u e t 出版了“地理信息系统的基本读物”( b a s i cr e a d i n g si n j “ 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 s ) 。 。1 9 8 4第一届国际空间数据处理会议召开 ，。1 9 8 4l a n d s a t 商业化j i ，1 9 8 4n a s a 发射l a n d s a t 似5 1 9 8 5g p s 成为可运行系统 。| ，1 日r 5 美国军队建筑工程实验室开始研制g r a s s ( g e o g r a p h i cr e s o u r c e sk n a l y s i ss u p p o r t ” s y s t e m s ，地理资源分析支持系统) 一1 9 8 6 m a p l n f o 建立 ” j “1 q r r p e t e r b u r r o u g h 出版了“土地资源评估的地理信息系统原理”( p r i n c i p l e so f g e o g r a p h i c ” i n f o r m a ti o ns y s t e m sf o rl a n dr e s o u r c e sa s s e s s m e n t ) 1 9 8 6 s p o t 卫星首次发射 1 9 8 7 “地理信息系统的国际杂志”，出版 1 9 8 7 t y d a cs p a n sg i s 发布 1 9 8 7 科拉克大学开始i d r i s i 项目 1 9 8 8 美国人口调查局第一次公开发布t i g e r 1 9 8 8纽约州立大学开始研制g i s - li n t e r n e tl i s t - s e r v e r 1 9 8 8g i sw o r l d 首次发行 1 9 8 8首次g i s l i s 会议举行 1 9 8 8 英国的区域研究实验室成立 1 9 8 8s m a l lw o r l d 公司成立 1 9 8 9 在英国成立了地理信息系统联合会( a g i ) 1 口r q s t a na r n o f f 出版了“地理信息系统：一个管理透视”( 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 s ： am a n a g e m e n tp e r s p e c t i v e ) 1 9 8 9 i n t e r g r a ! d h 发布m g e 1 9 9 1 m a g u i r e ，g o o d c h i l d 和r h i n d 出版了“地理信息系统：原理和应用” 1 9 9 2m a p sa l i v e 发行 1 a q ，d i g i t a lm a t r i xs y s t e m s 发布了i n f o c 仰f o rw i n d o w sn t 第一个版本，它是第一个基 ”“ 于w i nn t 的g i s 软件 1 9 9 40 g c 形成( b a v i ds c h e l l ，疑ng a r d e l l s ，e l t r tb u e h l e r ，e ta 1 ) 1 9 9 5 m a p l n f o 专业版发布 1 9 9 9n a s a 发射了l a n d s a tt m 7 - 6 第章研究背景 1 2 2 我国gis 发展历程 我国g i s 方面的工作自2 0 世纪8 0 年代初开始，以1 9 8 0 年中国科学院遥感应用 研究所成立全国第一个g i s 研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国g i s 在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、 初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步并积累了经验，为在全国范围 内展开g i s 的研究和应用奠定了基础。 g i s 进入发展阶段的标志是从第七个五年计划开始，g i s 研究作为政府行为正 式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实 验和工程建设工作。许多部门同时开展t g i s 研究与开发工作。如全国性g i s ( 或 数据库) 实体建设、区域g i s 研究和建设、城市g i s 、g i s 基础软件或专题应用软 件的研制和g i s 教育培训。通过近五年的努力在g i s 上的应用开创了新的局面，并 在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际的效益。 自2 0 世纪9 0 年代起g i s 步入快速发展阶段，执行g i s 和遥感联合科技攻关计 划，强调g i s 的实用化、集成化和工程化，力图使g i s 从初步发展时期的研究实验、 局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。努力 实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统 技术一体化。在g i s 的区域工作重心上出现了“东移”和“进城”的趋向，促进 了g i s 在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首 先实用化。这期间开展的主要研究及今后尚需进一步发展的领域有：重大自然灾 害监测与评估系统的建设和应用、重点产粮区主要农作物估产、城市g i s 的建设 与应用、建立数字化测绘技术体系、国家基础g i s 建设与应用、专业信息系统与 数据库的建设和应用、基础通用软件系统的研制与建立、g i s 规范化与标准化、 基于g i s 的数据产品研制与生产等。在这期间经营g i s 业务的公司逐渐增多。 1 3 本文研究的内容、方法、框架与意义 1 3 1 研究内容 城市规划是g i s 的主要应用领域之，g i s 在城市规划中既是空间数据库， 又是分析和建模工具。g i s 应用因城市规划的阶段、水平、地区和功能不同而有 所差异。随着g i s 软件功能提高、界面进一步友好以及硬件大幅度降价，g i s 成 为一种可操作的和能负担得起的信息系统，它正逐渐为城市规划提供日益深入的 服务，g i s 已经成为支持规划的重要组成部分。g i s 与规划模型、可视化和互联 网结合的新优势使得它在城市规划中的作用更加重要。 第一章研究背景 本文的研究对象选取了基于g i s 平台的城市空间扩展模拟模型作为研究对 象，在对“城市模拟”概念进行解释的同时列举了美国伯克利加州大学基于g i s 的城市空间扩展模拟模型作为实例进行分析，并与我国现阶段城市土地扩展研究 进行对比，指出了我国城市规划理性研究的新方向。 1 3 2 研究思路与方法 1 3 2 1 研究思路 城市模拟主要采用两种基本思路。第一种是通过对城市系统的抽象和综合， 找出城市发展的影响因子，并在历史数据基础上获得因子之间的关系，通过这些 关系方程来预测和模拟城市未来发展的趋势和形态。第二种思路是运用城市经济 学等理论，找出城市发展过程中的微观主体，研究这些微观主体的行为机制，模 型模拟这些微观主体的行为来预测城市未来发展的整体趋势和形态。 1 3 2 2 数学模型研究方法 数据库构建需要大量的数据基础，特别是对于本文的研究对象城市基础 g i s 数据库，现有资料的分析整理研究是一项重要的基础性工作。因此在协助基 础数据库建立的过程中，本文将尝试运用数学模型3 的方法，使数据更为精确而 有代表性，其方法和步骤为 模型准备：了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必需的各种信息，尽 量弄清对象的特征，尤其是对城市发展起到关键作用的人口、用地面积、用地性 质、政策法规等影响因子的特征。 模型假设：根据对象的特征和建模目的，对问题进行必要的、合理的简化， 用精确的函数做出假设，辨别主次，且应使问题线性化、均匀化。这一环节包括 对前一步骤所得数据的整理与简化以及提出数学模型的假设对象等。 模型构成：根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适 当的数学工具，构造各个量间的等式关系( 函数) 或其它数学结构。这一环节是 利用前两个步骤所得的数据进行公式或函数式的推导。 模型求解：采用数学软件( s p s s ) 对数据进行统计分析、逻辑运算、数值运 算等方法，而在实际应用中还可以使用计算机模拟出来，甚至进行相关软件的开 发。这一环节是利用公式或函数式进行拓展运算，并运用到建筑相容性评价、设 计方案推敲等。 模型分析：对模型解答进行数学上的分析。包括进行误差分析，数据稳定性 分析等。这一环节是对相关主要和次要影响因素的分析，如不同影响因子对城市 土地扩张的不同影响程度。 3 姜启源、谢金星、叶俊，数学模型( 第三版) 清华大学出版社2 0 0 3 第一章研究背景 1 3 3 研究框架 g i s ，结合 的城市士地扩展研究未来展望i 警! ：基 ? ? ? 鼍模譬来署二y l 慧攀粤零篓黧? 芝翟苎絮 诒* 咐1 1 r 0 鼾h ；一僦；呷#_ 瓒，二懒辑皑。峭攒啊j 一 l 啭，鳍穰 ：魄口 能。，鹅i ry ，峨 b 觏。一 j 自1 4 日l ，g d k j t 自口t t 目目t e 一 1 3 4 研究意义 1 3 4 1 促进城市空间“理性增长” 随着中国经济的高速发展以及我国城市化面临的巨大压力，城市发展和城市 规划都面临新的问题和困扰。城市蔓延、城市环境及城市交通等问题日益突出， 发达国家在解决这些问题的技术手段上已经走在前面，如美国提出“s m a r t g r o w t h ”( 精明增长) 理念来响应这些问题。与此同时我国政府也在推动城市规 第一章研究背景 划和相关部门制定相关政策来解决这些问题。但当前我国城市规划以及政府决策 部门在制定规划和政策的同时，没有相应的评估工具和模拟工具及技术流程和规 范，因此不能系统评估城市土地利用、交通和环境之间的相互影响，不能从根本 上解决以上问题及制定全面的规划和相关政策。国外城市模拟技术和模型的发展 为我国城市规划部门和政府决策部门提供了新的思路和方法。依据城市模拟模型 的建立以及城市模拟模型基础数据的生产，可以系统的评估规划和政府宏观政策 对城市土地利用、交通和环境带来的影响及其反馈关系。 城市的不断扩张、经济的迅速增长、人口的进一步增加、生活水平的提高、 对基本农田和自然生态的严格保护、经济社会活动对土地的需要急剧扩大，使得 今后相当长一段时期内城市土地资源及其开发容量的有限供给与社会不断增长 的土地利用需要之间矛盾更加突出。因此如何“理性”地组织城市空间结构，科 学地使用每一寸土地，利用有限的土地资源最大限度地满足日益增长的居住需要 和发展需要，促进城市空间的“理性增长”，成为城市发展的关键问题。利用先 进的g i s 和城市模拟技术建立空间参考明确的城市空间增长模拟模型，是促进城 市理性发展、提高政府决策水平的方向之一。 1 3 4 2 应对城市规划的复杂性 城市系统随着技术进步和经济发展而扩大、日益复杂。城市经济、社会和政 治结构层次化、复杂化。城市的多种利益主体开始分化，影响城市发展和发展形 态的因素增多。城市的多种微观主体相互作用使城市各种行为出现多尺度性、不 确定性、非线形、突变性、自组织性、自相似性、随机性、有序与无序的交互性 等特点，因此复杂性成为城市系统的本质属性，城市的复杂性决定了城市规划的 复杂性。在这样的新的城市发展形势下，城市规划涉及到的因素日趋复杂，来自 各种利益主体的压力也迫使规划者在制定规划的同时要考虑各种因素的妥协。规 划者需要一种工具和方法来对城市规划涉及到的因素和相关的利益主体进行评 估，制定出合理的规划，以及对规划可能产生的结果进行估计并反馈到城市各种 利益主体。城市模拟的思想方法和技术体系无疑给困境中的城市规划部门提供了 解决这些问题的新途径。 1 3 4 3 保障城市总体规划的实施 随着规划编制工作的不断深入，城市规划管理工作真正的重头戏规划的 评估与实施正在成为城市规划管理部门需要着重思考的问题。2 l 世纪城市 规划的实施无疑需要新理念、新技术和新方法。因此如何采用新的规划实施理念 和新的规划支持技术，提高规划实施结果的“可分析性”、“可预见性”、“可测度 性”和“可视性”，实现从“一次性的”终极蓝图式”规划评估与实施过程向集 “规划分析一规划制，定一规划实施一规划评估”于体的、空间参考明确的、定 第一章研究背景 量化和动态可调整的规划评估与实施过程转变，是当前城市规划管理工作一项十 分紧要的任务。 1344 提升城市规划管理现代化水平 城市规划管理工作需要随着城市发展和技术进步而不断改进。改革开放以来 我国城市规划管理工作在制度创新和技术创新两个方面都取得了进展，特别是在 引进和采用现代信息技术方面城市规划管理部门做了大量韵工作，包括空间基 础数据的采集、技术和人才的储备、城市基础地理信息系统开发和数宇城市的建 设等诸多方面都取得了明显的进步。 但目前城市规划管理的信息化与现代化建设仍然不能适应城市规划管理工 作的需要。主要表现为：技术人员与规划人员“两张皮”的现象严重，信息化建 设主要集中在基础地图的生产和使用等信息流“上游”环节，社会经济数据与地 理空间数据的脱节，部门和单位之间相互封锁信息导致规划信息链条不完整。以 及缺乏具有明确经济社会意义的城市发展模拟模型等等。其中缺乏具有实用价值 的综合性城市模型和城市信息的加工深度不