（计算机系统结构专业论文）地理信息系统中属性数据的空间拓展研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 地理信息系统( g i s ) 是用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地 理空间数据的计算机系统，其研究内容主要集中在空间数据上，属性数据( 特别 是社会经济属性数据) 通常只是用于检索和查询，或进行简单的统计，难以深入 的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。在一些应用领域( 如城市规划) ，社 会经济属性数据起着十分重要的作用。而这些数据往往以各种统计数字的形式出 现，而且统计的方式又是建立在行政区划或单位的基础上，这些离散的或平均的 统计数字在应用上同连绵起伏的空间地域或地形不够协调，不利于空间分析。 本文以“十五”科技攻关项目“城市规划建设、管理与服务的数字化工程”( 简 称“城市规划数字化工程”) 的子课题城市规划辅助决策支持系统为背景，分 析对社会经济统计数据作空间拓展的意义，研究了社会经济统计属性数据的空问 拓展的方法与技术。 本文首先介绍了城市规划辅助决策支持系统的结构、功能、实现的关键 技术及解决途径。然后介绍了空间拓展要用到的方法空间内插方法。分析了 各种空间内插方法的优缺点及适用对象。最后在分析已有的人口栅格化模型的基 础上，提出了一种空间拓展模型，运用该模型对重庆市2 0 0 2 年的g d p 作了空间拓 展，并对结果进行了分析。 关键词：地理信息系统，空间拓展，空间内插，辅助决策支持系统 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 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 ( g i s ) i s ac o m p u t e r s y s t e m t h a ti su s e dt oc o l l e c t ， s t o r e ，m a n a g e ，d e a l ，q u e r y a n da n a l y z et h eg e o g r a p h i cd a t a t h er e s e a r c hi sm a i n l y o ns p a t i a ld a t a t h ea t t r i b u t ed a t a ( e s p e c i a l l yt h es o c i a la n de c o n o m i cd a t a ) i su s u a l l y o n l yu s e dt oq u e r y ， s oi ti sd i f f i c u l tt of i n dt h eu n d e r l y i n gc h a r a c t e r sf o rs p a t i a l a n a l y s i s i ns o m ea p p l i c a t i o nd o m a i n ，t h ec i t yp l a n n i n gf o re x a m p l e ，t h e s o c i a la n d e c o n o m i cd a t ai sv e r yi m p o r t a n t t h es o c i a la n de c o n o m i cd a t ai su s u a l l yc o l l e c t e db y a r e ao rd i s t r i c t ，w h i d lc a n tr e p r e s e n tt h e i rr e a l s p a t i a ld i s t r i b u t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do dt h e “f i f t h ”n a t i o n a lr & d p r o j e c t d i g i t a l i z a t i o no fc i t y p l a n n i n ga n d c o n s t r u c t i o n 、a d m i n i s t r a t i o na n ds e r v i c e ”w ea n a l y z et h en e c e s s a r yo f t h e s d a t i a le x p a n do f t h es o c i a la n de c o n o m i cd a t aa n dr e s e a r c ht h em e t h o da n dt e c h n o l o g y o f t h es p a t i a le x p a n d f i r s t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n ，k e yt e c h n o l o g yo f t h ec i t y p l a n n i n ga s s i s t a n t e dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m t h e ni n t r o d u c e st h es p a t i a li n t e r p o l a t i o n m c t h o dt h a ti su s e dt os p a t i a le x p a n d w ea n a l y z et h ec h a r a c t e ro ft h eu s u a l l yu s e d s p a t i a lm t e r p o l a t i o nm e t h o d s i n 血e n d ，b a s e d o nt h ep o p u l a t i o ng r i d d e dm o d e l s ，w e p r e d u c eas p a t i a le x p a n dm o d e la n du s et h em o d e l t od e a lw i t ht h eg d po fc h o n g q i n g o f2 0 0 2 ，a n da n a l y z et h er e s u l t ， k e yw o r d ：g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ，s p a t i a le x p a n d ， s p a t i a li n t e r p o l a t i o n ， a s s i s t a n t e dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 厦庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 地理信息系统( 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 ，g i s ) 是为特定应用目标建 立的空间信息系统，是在计算机硬件、软件及网络支持下，对有关空间数据进行 采集、存储、查询检索、分析、处理、显示、更新和提供应用的技术系统，是测 绘、遥感、计算机、应用数学及各种应用学科的有机结合1 h ”。 1 1g i s 的产生和发展 1 1 ，1 国外发展概况 1 9 6 3 年，加拿大测量学家r o g e rt o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语， 并建立了世界上第一个g i s 加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于自然资源的管 理和规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件s y m a p ，这可算是g i s 的起步。进入7 0 年代以后，由于计算机软硬件水平的提高，促使g i s 朝着实用方 向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的g i s ，在自然资源管理和 规划方面发挥了重大的作用。1 9 7 0 到1 9 7 6 年，美国国家地质调查局就建成了5 0 多个地理信息系统。其他国家如加拿大、德国、瑞典和日本等国也相继发展了自 己的g i s 。8 0 年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的 提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的 工具，并促进了地理信息产业的形成。到1 9 9 5 年，市场上有报价的软件已达上千 种，并且涌现出了一些有代表性的g i s 软件，如a r c i n f o 、m 印i n f 0 、g e n a m a p 、 和i n t e r g r a p hm g e 等。 综观g i s 的发展，可以将地理信息系统的发展分为以下几个阶段： ( 1 ) 6 0 年代为地理信息系统的开拓期，注重空间数据的地学处理。例如，处 理人口统计数据( 如美国人口调查局建立的d i m e ) 、资源普查数据( 如加拿大统 计局的g r d s r ) 等。对于这一时期的地理信息系统来说，专家兴趣和政府的推动 起着积极的引导作用，并且大多数的工作限于政府及大学的范畴，国际交往很少。 ( 2 ) 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。这 是地理信息系统真正的发展时期。主要有以下三个方面的原因：一是资源开发、 利用及环境保护等问题成为政府首要解决的疑难，而这些需要一种能有效的分析、 处理空间信息的技术、方法与系统；二是计算机技术的迅速发展，数据处理加快， 内存容量增大，尤其是计算机硬件价格的大大下降，使计算机的应用更加普及。 软件方面，第一套利用关系数据库管理系统的软件问世，新型的地理信息系统软 件不断出现；第三，专业化人才不断增加，许多大学开始提供地理信息系统培训， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作。 ( 3 ) 8 0 年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。地理信 息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区 域划分到政治选举分区等，涉及到许多学科与领域，如古人类学、景观生态规划、 森林管理、土木工程等。许多国家制定了本国的地理信息系统发展规划，启动了 若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构，如中国1 9 8 5 年成立了资源与环 境信息系统国家重点实验室，美国于1 9 8 7 年成立了国家地理信息与分析中心 ( n c g n ) ，英国于1 9 8 7 年成立了地理信息协会。同时，商业性的咨询公司、软 件制造商大量涌现，并提供系列专业性的服务。这个时期的地理信息系统发展最 显著的特点是商业化实用系统进入市场。 ( 4 39 0 年代为地理信息系统的用户时代。一方面，地理信息系统已成为许多 机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受地理信息系统的影响 而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对地理信息 系统的认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统的扩大与深化。 国际级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系统已 列入美国政府制定的“信息高速公路”计划，尤其是前美国副总统戈尔提出“数 字地球”的概念以来，g i s 在全球得到了空前迅速的发展，已广泛地应用于环境、 资源、交通、公安、灾害预测、市政管理、城市规划、经济咨询、投资评价、政 府管理和军事等与地理信息相关的几乎所有领域。”1 。 1 1 2 国内发展概况 我国地理信息系统方面的研究工作开展得较晚，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地理信息系统研究室为标志。第七个五年计划开始，我 国的地理信息系统进入发展阶段，地理信息系统研究作为政府行为，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。 经过二十多年的发展，地理信息系统已在很多部门和领域得到了应用，并引 起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保 护、城市规划建设、土地管理、农作物调查、交通、能源、通讯、地图测绘、林 业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、 运输、1 1 0 报警系统、公交车调度等方面得到了具体应用。一批地理信息系统软件 已研制开发成功，如g e o s t a r 、c i t y s t a r 、m a p g i s 等，一些高等院校已设立了与 g i s 相关的专业或学科，一批专门从事g i s 产业活动的高新技术产业相继成立。此 外，还成立了“中国g i s 协会”和“中国g i s 技术应用协会”等机构。 从我国目前g i s 的应用情况来看，总体水平是比较高的，而且存在着巨大的 2 重庆大学硕士学位论文 应用潜力，对g i s 的需求将不断增加。相信我国的g i s 事业会拥有更广阔的发展 空间。 1 2 g i s 的研究内容 目前，从技术上看，地理信息系统的研究内容主要在以下几个方面【8 ： ( 1 ) 数据的获取 数据的获取包括数据的采集与输入，即将系统外部的原始数据传输到系统内 部，并将它们从外部格式转换为系统能够识别和处理的内部格式，存储于系统的 地理数据库中。 g i s 所需的原始数据分为空问数据( s p a t i a ld a t a ) 和属性数据( a t t r i b u t ed a t a ) 两 类。空间数据是指图形实体数据，常采用的方法有键盘输入、利用数字化仪和扫 描仪进行数字化等。属性数据是指空间实体的特征数据，一般采用键盘输入。现 在人们试着将遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 和地理信息系统相结合，为g 1 s 的数据获取提供了更先进的手段，遥感数据和图像现已成为g i s 重要的数据来源， 而g p s 可同时测定空间实体的三维坐标，并可在不同作业和处理方法的支持下达 到各种要求的精度，这将推动g i s 数据获取技术的发展。 ( 2 ) 数据的存储与管理 g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效地存储 和管理这两类数据是g i s 的基本问题。大多数的g i s 系统中采用了分层技术，即 根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层的叠加。这样用户操 作时就只涉及到一些特定的层，而不是整幅地图，因而系统能够对用户的要求作 出快速反应。 g i s 的数据管理包括空间数据管理和属性数据管理。空间数据是用来表示空间 实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。空间数据根据其几 何特征，可将其分为点数据、线数据、面数据和混合性数据四种类型，混合性数 据是由点状、线状与面状物体组成的更为复杂的几何实体。空间数据不仅可以用 来描述空间实体的地理位置特征，还可以描述空间实体之间的相互关系，这种关 系通常又称为“空间关系”或“拓扑关系”。空间关系包括：邻接、关联、相交、 包含等。 空间数据的存储一直是地理信息系统研究的重点。在以往的g i s 系统中，空 间数据和属性数据一般是分开存储的，用文件系统存储空间数据，而利用关系数 据库来管理属性数据。这种混合存储方式难以保证数据的一致性，且数据共享困 难。随着数据库技术的不断发展，其应用范围也不断扩大，如何充分利用数据库 系统强大的数据管理能力去管理复杂庞大的空间数据，已成为g i s 界和大型数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 库厂商共同关注的焦点。目前，人们正尝试看用纯关系数据库、面向对象数据库 和对象关系型数据库柬存储管理空间数据。 ( 3 ) 数据的处理与分析 数据处理包括两方面的工作：一是对输入的数据进行质量检查与纠正，包括 图形数据和属性数据的编辑、图形数据和属性数据之间对应关系的校验、空间数 据的误差校正等；二是对输入的图形数据进行修饰处理，使其满足地理信息系统 的各种应用要求，如对矢量数据的压缩与光滑处理、拓扑关系的建立、矢量栅格 数据的相互转换、地图裁剪及拼接等。 空间分析是地理信息系统研究的核心内容。空间分析是指根据确定的应用分 析模型，通过对空间图形数据的拓扑运算及空间、非空间属性数据的联合运算等 各种操作运算来分析一定区域的各种现象，以获得更有效的数据或某特定问题 的解决方案。通过g i s 提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出 隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。 空间分析通常包括：空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边界消 除与合并，点与线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区 分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。栅格数据空间分析功能通常包括： 记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析。 ( 4 ) 数据的显示与输出 将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是g i s 问题求解过 程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输 出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的输出功能对g i s 是必不 可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、误差消除、坐标变换、出版 印刷等。 1 3g i s 的发展趋势 g i s 始于6 0 年代的加拿大与美国，尔后各国相继投入了大量的研究工作，自 8 0 年代末以来，特别是随着计算机技术的飞速发展，地理信息的处理、分析手段 日趋先进，g i s 技术日臻成熟，已广泛地应用于环境、资源、石油、电力、土地、 交通、公安、急救、航空、市政管理、城市规划、经济咨询、灾害损失预测、投 资评价、政府管理和军事等与地理坐标相关的几乎所有领域。目前，g i s 总体上呈 现网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势 8 卜【l “。 1 3 1 网络化一e b g l s 计算机网络技术的最新发展推动着当代g i s 技术的快速更新和发展，使得在因 4 重庆大学硕士学位论文 特网上实现g i s 应用日益引起人们的关注，建立万维网g i s ( w e bg i s ) 是近年来g i s 研究领域的一个热门话题。w e bg i s 或互联网地理信息系统( i n t e r n e tg i s ) 是当 前g i s 的一个重要发展方向。 目前，w e bg i s 的建设面临四个方面的挑战：网上数据发布、网。h 数据互操作、 网上数据采掘和网上数据管理及安全性。 与传统的g i s 相比，w e bg i s 具有以下特点： ( 1 ) 适应性强：w e bg i s 是基于互联网的，因而是全球或区域性的，能够在 不同的平台运行。 ( 2 ) 应用面广：网络功能将使w e bg i s 应用到整个社会，真正实现g i s 的无 所不能、无处不在。 ( 3 ) 现势性强：地理信息的实时更新在网上进行，人们能得到最新信息和最 新动态。 ( 4 ) 维护社会化：数据的采集、输入、空间信息的分析与发布将是在社会协 调下运作，可采用社会化方式对其维护以减少重复劳动。 ( 5 ) 使用简单：用户可以直接从网上获取所需要的各种地理信息，方便地进 行信息分析，而不用关心空间数据库的维护和管理。 网络g i s 可实现网上发布、测览、下载，实现基于w e b 的g i s 查询和分析。 尽管目前已有多家国内外公司推出w e bg i s ，总地来说，w e bg i s 尚处在试验研究 阶段，其最终目标是应能实现g i s 与w w w 技术的有机结合，g i s 通过w w w 成为大众 使用的技术和工具。 1 3 2 开放性0 p e ng i s 开放式地理信息系统( o p e ng i s ) 是指在计算机和通信环境下，根据行业标 准和接口( i n t e r f a c e ) 所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统 内流动，还能在系统间流动。o p e ng i s 是为了使不同的地理信息系统软件之间具 有良好的互操作性，以及在异构分布数据库中实现信息共享， o p e ng i s 应具备以下特点： ( 1 ) 互操作性：不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。 ( 2 ) 可扩展性：硬件方面，可在不同软件、不同档次的计算机上运行，其性能 和硬件平台的性能成正比；软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。 ( 3 ) 技术公开性：开放的思想主要是对用户公开，公开源代码及规范说明是重 要的途径之一。 ( 4 ) 可移植性：独立于软件、硬件及网络环境，不需修改便可在不同的计算机 上运行。 除此之外，还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 为了研究和开发o p e ng i s 技术，1 9 9 6 年在美国成立的开放地理信息系统协会 ( o p e ng i sc o n s o r t i u m ，简称o g c ) 主要研究和建立了开放式地理数据交互操作 规程( o g i s ，o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b l es p e c i f i c a t i o n ) 。o g i s 是为了寻找一 种方式，将地理信息系统技术、分布处理技术、面向对象方法、数据库设计及实 时信息获取方法更有效地结合起来。基于o g i s 规范制订的开放系统模型是一种软 件工程和系统设计方法，这种方法应用于g i s 领域，侧重于改变当前g i s 模型中 特定的应用系统及其功能与它内部数据模型及数据格式紧密捆绑的现状。当然， o g i s 只是对o p e ng i s 定义了抽象的互操作规程，具体如何实现，还需采用分布式 对象的技术，通过a c r o b a t 、o l e 、a c t i v e x 、7 a v a 等语言实现。 0 p e ng i s 技术将使g i s 始终处于一种有组织、开放式的状态，真正成为服务 于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作，是未来网络 环境下g i s 技术发展的必然趋势。 1 3 3 虚拟现实虚拟g is 虚拟g i s 就是将g i s 与虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 相结合。v r 技 术是当代信息技术高速发展，并与其他技术集成的产物，是一种最有效地模拟人 在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。这种模拟具有三个最基本 的特征，即i m m e r s i o n ( 沉浸) 一i n t e r a c t i o n ( 交互) 一i m a g i n a t i o n ( 构想) 。 由于技术的限制，目前还未能开发出适用于遥感和g i s 用户需要的真三维可 视化的数据分析软件包。g i s 与虚拟环境技术相结合，将虚拟环境带入g i s 将使 g i s 更加完美。g i s 用户在计算机上就能观察真三维的客观世界，在虚拟环境中将 能更有效地管理、分析空间实体数据。目前虚拟g i s ( v g i s ) 的研究主要集中在虚 拟城市。 1 3 4 多媒体g f s m g l s 多媒体技术( m u l t im e d i a ) 是一种集声、像、图、文、通讯等为体，并以 最直观的方式表达和感知信息，以形象化的、可触摸( 触屏) 的甚至声控对话的 人机界面操纵信息处理的技术。应用多媒体技术对g i s 的系统结构、系统功能及 应用模式的设计产生极大的影响，使得g i s 的表现形式更丰富，更灵活，更友好。 多媒体地理信息系统( m g i s ) 将文字、图形( 图像) 、声音、色彩、动画等技 术融为一体，为g i s 应用开拓了新的领域和广阔的前景。它不仅能为社会经济、 文化教育、旅游、商业、决策管理和规划等提供生动、直观、高效的信息服务， 而且将使电脑技术真正走进人类社会生活。多媒体技术在g i s 领域的深入应用， 乃至出现具有良好集成能力的m g i s 是技术发展的必然。 1 3 5 集成化与3 s 技术的结合 3 s 技术指的是全球定位系统( g p s ) 、遥感技术( r s ) 、地理信息系统( o i s ) 。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 s 技术的结合与集成充分体现了学科发展从细分走向综合的规律。 g i s 发展的重要趋势是与全球定位系统和遥感的集成，从而构成实时的、动态 的g i s 。g p s 为g i s 的快速定位和更新提供手段，遥感技术的多谱段、多时相、多 传感器和多分辨率的特点，为g i s 不断注入“燃料”，反过来又可利用g i s 支持从 遥感影像数据中自动提取语义和非语义信息。 3 s 技术整体结合所构成的系统是高度自动化、实时化的g i s 系统。这种系统 不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能，而且能够分析和运用数据， 为各种应用提供科学的决策咨询，并回答用户可能提出的各种复杂问题。 1 3 6 空间多维性三维g ls 与时态g i s ( 1 ) 三维g i s 在许多地学研究中，人们所要研究的对象是充满整个3 d 空间的，如大气污染、 洋流、地质模型等，必须用一个( x ，y ，z ) 的3 d 坐标来描述。在3 dg i s 中，研 究对象是通过空间x 、y 、z 轴进行定义，描述的是真3 d 的对象。随着计算机技术 和g i s 在许多行业诸如地质、矿山、海洋、城市地下管网、城市空间规划、城市 景观分析、无线通信覆盖范围分析等的应用对三维g i s 的需求日益迫切，3 dg i s 的理论和应用近年来受到许多学者的关注。到目前为止，虽然有3 dg i s 系统问世， 但其功能远远不能满足人们分析问题的需要，原因主要是3 dg i s 理论不成熟，其 拓扑关系模型一直没有解决；另外三维基础上的数据量十分大，很难建立一个有 效的、易于编程实现的三维模型，计算机海量数据的处理为三维g i $ 提供了基础。 ( 2 ) 时态g i s 人们都在一定的空间和时间环境中生存并从事各种社会活动。从信息系统， 尤其是g i s 的实用角度出发，时间可以看成是一条没有端点，向过去和将来无限 延伸的线轴，它是现实世界的第四维。时间和空间不可分割地联系在一起，跟踪 和分析空间信息随时间的变化应当是g i s 的一个合理目标。这样的g i s 就被称为 时态g i s ( t e m p o r a lg i s ) 。 记录历史数据有时候是非常重要的。在g i s 中也要经常查询历史，最明显的 例子就是宗地，一块宗地可能经过许多次的买卖或变化。在土地纠纷中，人们需 要详细的历史记录作为法律依据。g i s 在环境应用中，也经常需要用到多时态的信 息对环境进行综合评价。所以，研究g i s 的时态问题则成为当今g i s 领域的一个 重要方向。 时态o i s 的组织核心是时空数据库，其概念基础则是时空数据模型。时空数 据结构的选择应以不同类型的时空过程和应用目的作为出发点。虽然人们已分别 在时态数据库和空间数据库研究方面取得很大进展，但是“时态”+ “空间”“时 空”，两者难以简单地组合起来，这导致了时态g i s 研究与应用的困难。作为一种 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 系统方法，时态g i s 的研究和应用还有很长的路要走。 1 ，3 7 部件组装化组件式g is g i s 软件是一种大型的软件，开发一个功能完备的g i s 软件是一项极其复杂的 工程。如何合理地组织g i s 软件的结构，一直是g i s 软件技术专家们研究的问题。 它的发展大体经历了如下历程：g i s 模块、集成式g i s 、模块化g i s 和核心式g i s 。 当前计算机软件控件技术( a e t i v e x 控件，其前身o l e 控件) 为g i s 软件提供了一 种新的开发模式。 组件化g i s 基于标准的组件式g i s 平台，各组件之间不仅可能自由、灵活地 重组，而且具有可视化的界面和方便的标准的接口。其主要特征如下： ( 1 ) 高效无缝的系统集成：允许将专业模型、g i s 控件、其它控件紧密地结合 在统一的界面下。 ( 2 ) 无须专门的g i s 开发语言：只要掌握基于w i n d o w s 平台的通用环境( v b 、 v c h 、d e l p h i 、p o w e rb u i l d e r 等) ，以及组件式g i s 各控件的属性、方法和事件， 就能完成应用系统的开发。 ( 3 ) 大众化的g i s ：用户可以像使用其它a c t i v e x 控件一样使用g i s 的控件， 使非专业的g i s 用户也能胜任g i s 应用开发工作。 ( 4 ) 开发成本低：非g i s 功能可以利用非专业控件，降低了系统的成本。 1 4 论文的研究背景及研究意义 本论文的选题来源于“十五”国家科技攻关项目“城市规划建设、管理与服 务的数字化工程”( 简称“城市规划数字化工程”) 的子课题城市规划综合信息 管理系统( 中国城市规划设计研究院承担) ，由重庆大学承担其子系统城市规 划辅助决策支持系统的研发。 在工业发达国家，城市规划在2 0 世纪5 0 年代及以前一直是以物质形态的规 划为主，6 0 7 0 年代则是以社会经济规划为主，进入8 0 年代后逐渐转换为以科学 技术指引的综合规划为主，其特点是充分利尾了大量的各种城市综合信息，并且 在城市规划、建设与管理的各个环节均采用了以计算机技术为代表的各种高新技 术。 直到8 0 年代后期，我国的城市规划仍以物质规划为主，9 0 年代后局面有所改 观，综合规划的概念开始逐步建立。但从整体上说，目前在具体的规划设计中， 我们仍然还是主要在围绕着用地去规划“。 这有很多原因，有用信息、可用信息偏少是其中一个很重要的原因。数字规 划实现的基础首要的就是城市规划要素的数字化“，而这些要素即城市的各种综 合信息，往往以各种统计数字的形式出现，统计的方式往往是建立在行政区划或 重庆人学硕士学位论文 单位的基础之上的。更进一步说，这些离散的或平均的统计数字在应用h 同连绵 起伏的空间地域或地形不够协调，不利于发展起套统一的空间分析方法。在一 定程度上，这也是我们在具体的城市规划设计过程中，并未较多地利用大量属性 数据，特别是社会经济属性数据的原因。因此，为从技术上给城市规划提供有力 的辅助决策支持，将城市规划最基本、最必需的城市综合信息，按照其所在的实 际地理空间，拓展为连续的、可用的和有效的数据形式，从而为实现多种空间分 析奠定基础，具有十分重要的意义。 1 5 研究内容 本文根据城市规划对属性数据的要求，研究社会经济统计数据空间拓展的方 法、技术，分析了已有的人口栅格化模型的优缺点，建立了一个社会经济统计数 据空间拓展的模型，并对重庆市2 0 0 2 年的g d p 数据进行了空间拓展，实验证明， 属性数据在空间拓展后符合它在空间的实际分布情况，且更利于空间分析。 以下是本论文的组织结构： 第一章绪论。介绍g i s 的研究内容及发展趋势、本论文的研究背景及研究意 义、研究内容。 第二章城市规划辅助决策支持系统。分析了g i s 在城市规划中的应用现状， 介绍了城市规划辅助决策支持系统的功能、模块划分及实现的关键技术。 第三章常用的空间内插方法分析。研究常用的空间内插方法的特点及其应 用，分析了点插值和面插值的特点及区别与联系。点插值适合于自然地理数据的 空间插值分析，而社会经济统计数据则应使用面插值方法研究，但也可以在面插 值方法的基础上结合点插值方法进行研究。 第四章社会经济统计数据的空间拓展。在分析人口栅格化模型的优缺点的基 础上，提出了一种将社会经济数据作空间拓展的模型。运用该模型，对重庆市2 0 0 2 年的g d p 数据进行了空间拓展。 第五章总结与展望。 9 重庆大学硕士学位论文 2 城市规划辅助决策支持系统 2 城市规划辅助决策支持系统 2 1g i s 在城市规划中的应用现状 g i s 可应用于城市规划领域的各个方面，从设计到管理，从前期资料收集整理 到成果出图，从小范围的详细规划到大的区域规划，从综合性的总体规划到专项 规划，从项目选址到可持续发展战略制定。不同用户在不同阶段又有不同的应用 重点，如在规划管理部门主要应用g i s 空间数据库功能，以查询显示为主。而在 设计部门则要用到g i s 的空间分析功能，其在g i s 空间数据库的基础上加入规划 专业分析模块。总之g i s 引入城市规划领域，可以提高规划工作的效率，改善规 划成果的准确性和合理性，同时能监控城市发展状况，及时调整制定城市发展战 略。 目前，在我国城市规划领域，g i s 主要应用于管理部门，如许多城市规划局 建立的城市规划管理信息系统，其作为城市规划行业的g i s 应用系统，以解决建 设项目“一书两证”的规划审批为核心，是为土地管理服务的，最基本的是把规 划管理部门批准的用地许可资料记录到图形、属性数据库里，可随时查询、统计， 以提高工作效率。g i s 真正应用于规划设计分析( 区别于规划管理) 还较少，大 部分仅仅局限于科学研究 1 ”。我国规划编制单位( 如城市规划设计研究院) 在计 算机应用方面还仅仅是画图，而根本没有用到g i s 强大的空间分析功能，以辅助 规划决策。 在国外，g i s 已被广泛地应用到地方政府的各项职能中 18 1 ，在规划管理、规 划设计决策、提高规划的公众参与等方面都有应用。 2 2 城市规划辅助决策支持系统 2 2 1 系统概述 “城市规划辅助决策支持系统”是“十五”国家科技攻关项目“城市规划建 设、管理与服务的数字化工程”( 简称“城市规划数字化工程”) 的课题四城 市规划综合信息管理系统的子课题。 城市发展、规划与建设的宏观决策是一个涉及到社会经济、资源环境和工程 建设的复杂的系统工程，在决策过程中往往需要从整体和动态的角度去分析、处 理、组织这一大系统内的各种复杂空间关系。传统的规划和管理方法已不能很好 地适应城市化高速发展阶段下的诸多综合性城市问题，如住房拥挤、交通阻塞、 环境污染、水源短缺、用地紧张等。面对这一现象，有必要寻求现代高科技的支 l o 重庆大学硕士学位论文2 城市规划辅助决策支持系统 撑，采用先进的技术手段支持和辅助我们做出及时、正确的决策，以提高管理与 服务水平，促进城市的可持续协调发展。城市规划的数字化工程就是为了解决传 统规划和管理中出现的问题，将城市规划要素、城市规划理论与方法、城市规划 过程数字化，并将它们有机的结合，为城市规划提供科学合理的决策支持。 由于城市管理中所用到的各种综合信息8 0 以上是按地理空间分布的，因此 本系统是一个基于地理信息系统、融合了现代城市系统工程的决策支持系统。它 以城市综合数据为设计核心、以地理信息系统为核心支持技术，以规划业务工作 为管理对象，采用先进的数据管理模式、开放的应用结构、实用的专业数据模型， 集成了城市规划管理领域的先进信息处理技术，能对城市规划信息进行获取、处 理、存储管理、分析，能为城市地区性发展、规划及建设提供辅助决策支持。 城市规划决策支持系统支持复杂空间问题的决策研究，它将数据库、分析模 型、决策者的知识、图形显示、列表报表及用户接口等集成在一个统一的系统中。 它具有决策支持系统的基本特点，同时，为了处理空间问题，系统还具备以下功 能：提供多源空间数据的输入与存储功能；表达复杂空间关系与结构；提供空间 分析技术；提供多种空间形式的输出功能。 城市规划是城市管理的重要手段，其实现有赖于根据城市现状对城市发展的 趋势进行预测，以提供规划决策支持。以不同数据源获取的不同时期的城市信息 在输入g i s 数据库后，可利用g i s 对城市的动态演变进行分析研究，并和相应的 专业模型结合，对城市的发展进行预测。按照城市可持续发展的要求，根据城市 的现状及其分析，可提出不同的城市规划方案，然后利用g i s 对相应的方案进行 模拟、比较，从而提供决策支持，实现科学合理的城市规划，促进城市生产与生 活在系统内的合理布局。 系统提供对城市规划建设中各种专题地图( 如总体规划图、详细规划、土地利 用图、人口分布图等) 的管理功能，能实现对专题地图的输入、编辑、查询、分析、 转入、转出等，可以以多种形式显示和打印地图，提供图文互查功能。通过建立 地形图图库对各种比例尺( 如1 ：5 0 0 、1 ：1 0 0 0 、1 ：2 0 0 0 等) 的地形图进行管理，可根 据地形图编号、名称、位置等查阅地形图。 针对制定城市发展、规划与建设战略决策各单位的分布性特点，系统提供远 程办公功能，可以通过网络上传或下载办公信息与图形信息。系统各组成部分以 虚拟互联方式相连并进行信息交换，同时具备一定的w e b g i s 功能。 2 2 2 系统结构及功能 整个系统按功能划分为三大模块，分别为空间信息管理子系统、辅助决策支 持子系统和三维景观可视化子系统。其结构如图2 1 所示： 重庆大学硕士学位论文 2 城市规划辅助决策支持系统 图2 1 决策支持系统总体框图 f i g2 1t h em a i nf r a m eo fd e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ( 1 ) 城市规划业务应用数据库 由于基础g i s 软件的属性数据管理能力较弱，为实现图文一体化的快捷使用， 必须增加外部的公有数据库，如果能将部分查询用的空间数据也放到公有数据库 将更加理想。因此数据库考虑使用o r a c l e8 i ，其空间数据选件o r a c l es p a t i a l 能对空间数据进行管理，可以在单个数据库中存储和处理空间的、属性的数据。 这样可达到用公有数据库管理空间数据的目的。 整个系统需要建设三大业务应用数据库，它们分别是：城市规划信息数据库、 城市现状信息数据库、社会经济信息数据库。g i s 的应用是以数据为中心的，这三 大数据库再加上必要的知识库和模型库是系统能进行城市规划决策的基本前提。 城市规划信息数据库包括：各种规划图，如总体规划图、道路规划图、景观 规划图等，以及相关属性数据和统计数据。 城市现状信息数据库主要包括：城市基础信息，1 ：i 0 0 0 地形图、1 ：2 0 0 0 地 形图、土地使用现状图等，以及相关属性数据和统计数据。 社会经济信息数据库包括：人口数量及分布、g d p 、税收情况等。 知识库：城市规划决策支持系统是一项十分复杂的决策性思维活动，它不仅 需要大量数据信息的支持，而且需要大量文档信息的支持。与城市规划有关的文 档信息包括：各级政府制定的城市规划政策、方针、法规、城市规划方案，规划 专家的工作总结和经验，以及有关城市规划的背景知识和专业基础知识。知识库 的作用是为城市规划决策支持提供全过程的文档信息支持。 模型库：模型库是存储有关模型信息的“模型词典”。模型中包括有关城市规 划决策的各种预测、评价、优化等模型。城市规划辅助决策支持主要的数学模型 重庆大学硕士学位论文 2 城市规划辅助决策支持系统 包括：城市用地适宜性综合模型、城市建设投入产出门槛模型、旧城改造及拆迁 的决策问题模型等。 ( 2 ) 空间信息管理子系统 空间信息管理子系统主要是从对数据库的安全、组织、更新等几个方面对城 市规划信息、城市现状信息、社会经济信息进行科学的管理，使用户可以合理的 使用这些数据，能进行数据录入、修改、输出、查询统计，实现图文双向查询， 真正做到城市综合数据的共享。其结构如图2 2 所示。 图2 2 空间信息管理子系统 f i g 2 2s p a t i a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 图形校正与检测：对矢量地形图或影像图作几何校正，对各种规划图的图层 设置、重复线、断线等进行检查。 图文一体化查询：实现按图形注记查询，根据属性等条件联合查询，根据位 置查询，能由图得到相关属性，根据属性查阅相应图形。 空间信息更新：对数据库存储的城市信息进行增加、删除、修改等操作。 遥感图像管理：对遥感图进行增加、删除、查阅、统计等操作。 多媒体数据管理：对介绍城市发展、规划与建设的视频、声音、文本、图像 等多媒体数据进行管理。 ( 3 ) 三维景观可视化子系统 城市规划这样的大型建设活动对周围的自然景观和城市格局往往会产生巨大 影响，用传统模型和平面图来表现城市规划、城市建设有极大的局限性。城区三 维可视化子系统采用计算机虚拟技术构筑城市三维动态模型，表现城市风貌，展 示城市规划，宣传城市建设，提升城市形象。其结构如图2 3 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 城市规划辅助决策支持系统 兰维景观可税化子系统 豳2 3 三维景观可视化子系统 f i g 2 3t h r e e - d i m e n s i o n a l s i g h tv i s u a l i z a t i o ns y s t e m 三维建模：构建城区三维模型。 模型显示：实现城区三维模型的动态显示。 模型编辑：对城区三维模型进行修改。 ( 4 ) 辅助决策支持子系统 辅助决策支持子系统是整个系统的核心模块。利用存储于数据库的城市规划 信息、城市现状信息和社会经济信息，结合城市规划单项量化分析方法、城市发 展、规划与建设综合决策支持方法以及城市综合信息空间拓展方法，对城市的发 展进行预测。按照城市可持续发展的要求，根据城市的现状及其分析，可提出不 同的城市规划方案，然后利用g i s 对相应的方案进行模拟、比较，从而提供决策 支持，实现科学合理的城市规划，促进城市生产与生活在系统内的合理布局。其 结构如图2 4 所示。 图2 4 辅助决策支持子系统 f i g2 4a s s i s t a n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 城市综合信息空间拓展：对城市建筑密度及容积率、城市人口、g d p 及税收 等属性数据进行空间拓展。 城市规划综合决策支持：通过城市用地适宜性综合评价、城市建设投入产出 重庆大学硕士学位论文 2 城市规划辅助决策支持系统 门槛分析、城市土地利用技术经济分析等为城市规划决策提供依据。 城市规划单项量化分析：对城市规划涉及的些单项技术指标如：城市地域 均值性、城市日照、城市交通路网及多种出行目的的可达性进行评价和分析。 基于w e b 的信息发布：在互联网上发布有关城市发展、规划与建设的重要事 项或图示方案，让社会各晃通过w e b 浏览器及时、直观地了解政府的决策，并通 过意见反馈实现公众的广泛参与。 2 2 3 城市规划综合决策支持 城市规划综合决策支持对城市用地适宜性、城市建设投入产出、城市土地利 用技术经济进行量化分析，为城市规划决策提供科学依据。 一、城市用地