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GIS 在城市规划中的应用【摘要】地理信息系统的普及给当今城市规划领域带来巨大变化。本文探讨了地理信息系统的内涵和主要功能，并通过相关案例具体论述地理信息系统在规划中的应用方法。 【关键词】地理信息系统 城市规划 应用1前言人类社会正从工业经济迈向知识经济时代，一场以信息技术为核心的革命正在深刻改变着人类生活与社会面貌。作为全球信息化浪潮重要组成部分的地理信息系统的建设与应用， 正日益引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注。随着我国经济建设的快速发展，城市化速度大大加快，但是城市规划的现状并不令人满意。在城市基础设施建设中，如市政管线，事故时有发生；城市交通、土地、水资源、能源、灾害管理和决策 的水平急需改善和提高。为寻求解决这些问题的对策，广大城市规划师和城市决策者迫切希望能够更完整、准确和全面地把握城市及 其周边环境的动态空间特征。80年代末、90年代初，GIS 在我国的应用进入了城市。如今,在城市规划领域，GIS 技术被用于城市规划的辅助设计、工程选址等工作，以及城市管理的规划控制、 辅助决策等工作。2地理信息系统及其特点2.1 地理信息系统概念地理信息系统， 是国际上20 世纪60 年代以来发展起来的一门新兴技术。它是利用现代计算机图形和数据库技术来处理地理空间及其相关数据的计算机系统， 是融地理学、测量学、几何学、计算机科学和应用对象为一体的综合性高新技术。其最大的特点就在于它能把地球表面空间事物的地理位置及其特征有机地结合在一起， 并通过计算机屏幕形象、直观地显示出来。这一特点使得GIS 具有更加广泛的用途。地理信息系统(Geography Information System,简称 GIS)是一种用来捕捉、储存、合成、处理、分析和表示具有地理坐标属性的空间数据的操作系统,它是由计算机硬件系统,计算机软件系统及组 织管理系统所组成。地理信息系统具有以下3个特征:一是具有采集、管理、分析和输出多种地学空间信息能力,具有空间性和动态性。二是以地学研究和地学决策为目的,以地学模型方法为手段,具有区域空 间分析、多要素综合分析和动态预测能力,产生高层次高质量的派 生信息。三是由计算机系统支持进行空间数据管理,并由计算机程 序模拟获得专门数据的地学分析方法或模型，作用于空间数据产生有用信息,快速准确地提供科学决策依据。2.2地理信息系统的发展20 世纪中叶， 计算机的发明与应用标志着第一次信息革命的开始， 人类社会随之进入信息时代。信息的巨大物化力量使得它逐渐成为一种重要的社会资源和社会动力源， 从而引起社会职能、模式、结构、价值及人们工作、生活方式的变革， 人们工作的重点从单独的物质生产转移到对信息的采集、处理、分析和利用上来。另外，由于社会的进步， 人们开始觉悟到对赖以生存的地球资源的利用， 不能是简单地掠夺， 而应将开发和保护结合起来进行科学管理和充分利用。于是兴起国土规划、各种资源清查、环境监测等大型工程。然而， 面对这些大型工程所获取的海量资源环境信息， 传统的调查报表、统计图表和手工制图的方式已远远不能满足时代需求， 如何利用计算机有效地处理相关信息是地理信息系统产生和发展的原动力。2.2.1 国际发展状况1963 年， 加拿大测量学家R.Tomlinson 首先提出地理信息系统这一术语之后， 随着技术的进步、社会的需求、有关组织机构的建立， GIS在全世界迅速发展起来。20 世纪60 年代为GIS思想和技术方法的探索时期。由于40 年代和50年代计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的发展， 逐渐产生利用计算机汇总各种来源的数据， 借助计算机处理和分析这些数据， 最后通过计算机输出一系列结果， 作为辅助决策的有用信息， 这就产生了最早地理信息系统的基本框架。在50 年代末和60 年代初， 计算机获得广泛应用以后， 很快就被应用于空间数据的存储与管理。计算机分析地图内容并提供信息， 是从自然资源的管理和土地规划任务开始的， 在这个基础上诞生了世界上第一个地理信息系统-加拿大地理信息系(CGIS)。70 年代GIS 朝着实用化方向发展。美国、加拿大、联邦德国、瑞典等一些发达国家， 先后发展了自己的地理信息系统。同时， 一些商业公司开始活跃， GIS 软件在市场上受到欢迎， 相应的管理问题也开始受到重视。20世纪80 年代是GIS 在理论、方法和技术上取得突破与趋向成熟的阶段。GIS 的数据处理能力，空间分析功能， 人机交互对话， 地图的输入、编辑和输出技术的进一步发展， 并逐渐走向成熟。地理信息系统的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线等) 转向更加复杂的区域开发问题。90 年代以来， 随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用， GIS 的发展进入用户时代。90 年代， GIS 开发和研究主要集中在下列一些方向： 空间信息分析的新模式和新方法； 空间信息应用模型； GIS 的效益评价。三维、四维空间数据结构和数据模型； 人工智能和专家系统的引入； 网络GIS； 虚拟现实技术与GIS 的结合等。2.2.2 国内发展状况我国地理信息系统的发展起步较晚， 但发展较快。70 年代初， 我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。80 年代，随着计算机技术的发展和我国对 信息革命的热烈响应， 地理信息系统这一新技术在我国正式进入全面试验阶段。我国在GIS 理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验和专题试验等方面都取得了实质性的进展。国际GIS 学术会议多次在我国举行，有关高校开设了地理信息系统课程， 这一切均为GIS 的进一步发展和实际应用打下了基础。从1986 年到1995 年前后，我国GIS 随着社会主义市场经济的发展走上了全面发展道路。由于沿海、沿江经济开发区的发展， 土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，推动了GIS 的发展和应用。GIS 研究作为政府行为， 正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行理论研究和应用建设。同时，全国许多行业部门和部分省市积极发展各自专业GIS 和区域GIS，上海、北京、深圳、海口、三亚、常州等大中城市都在积极建设城市GIS。1996 年以来， 我国GIS 技术在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。GIS 在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。3城市规划概述城市规划是人居环境各层面上的、以城市层次为主导工作对象 的空间规划。城市规划工作的基本内容是依据城市的经济社会发展 目标和环境保护的要求，根据区域等上层次的空间规划的要求，在充分研究城市的自然、经济、社会和技术发展条件的基础上，制定 城市发展站略，预测城市的发展模型，选择城市用地的布局和发展 方向，按照工程技术和环境的要求，综合安排城市各项工程设施， 并提出近期控制引导措施说，城市规划的内容包括城市规划和专项 规划。城市与区域规划具有高度的综合性， 涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等因素， 但是要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易， 规划人员需要切实可行的、实时性强的信息， 而GIS 能为规划人员提供功能强大的工具。例如规划人员利用GIS 对交通流量、土地利用和人口数据进行分析， 预测将来的道路等级； 工程技术人员利用GIS 将地质、水文和人文数据结合起来， 进行路线和构造设计； GIS 软件帮助政府部门完成总体规划、分区、现有土地利用、分区一致性、空地、开发区和设施位置等分析工作， 是实现区域规划科学化和满足城市发展的重要保证。4 GIS 技术在城市规划中的应用4.1 应用领域4.1.1 城市规划和管理城市规划和管理是GIS 的一个重要应用领域， 利用GIS 技术可进行城市规划的辅助设计、工程选址等工作， 也可进行城市管理的规划控制、辅助决策等工作。4.1.2 土地和地籍管理土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容， 借助GIS 技术可以有效地完成对土地和地籍状况的监控和管理。4.1.3 生态、环境管理与模拟应用GIS 技术可实现区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物处理的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。4.1.4 基础设施管理城市基础设施(如道路交通、电力、电信、燃气、自来水、排污等) 广泛分布于城市的各个角落， 且这些设施具有明显的地理参照特征。它们的工程设计、应急抢修、日常维护都可以借助GIS 来完成， 而且可以大大提高工作效率。城市是一个区域经济和文化的中心， 城市规划是对一地区未来的整体建设作发展的计划， 它综合经济、政治、社会、文化、交通、卫生、安全、生态环境等因素来制定城市建设的准则， 科学系统地进行规划工作是一件非常困难的工作。GIS 在这一工作中是一个有力的工具。4.2 GIS 用于规划工作的优势采用GIS 进行规划具有几个主要的优势：4.2.1 收集资料的全面性、详尽性；4.2.2 分析上的全面性、客观性、有效性；4.2.3 规划资料、分析信息、最后结果的可视化及制图的质、量优势及便利性；4.2.4 规划资料管理及实施上的便利和有效。应该明确， 城市系统是一个非常复杂的大系统， GIS 在城市规划上的使用只是提供了一个辅助的工具。目前为止， 一个完善的、全面的用于规划的GIS 还不多见。4.3 GIS 技术在城市规划中道路、管线编码的应用推广空间统计单元数据的标准化工作已经引发过很多讨论， 也引起过政府有关部门的重视， 例如， 国家技术监督局发布的GB/T 1439593 城市地理要素城市道路、道路交叉口、街坊、市政工程管线编码结构规则， 此外的一些工作主要集中在数据的分类、编码和交换格式上， 但对空间单元作用的讨论还不很多。所谓空间单元， 就是在地图上划出有层次的、互不重叠的、不规划的多边形， 每一层次上每个多边形就是一个空间单元，有唯一的代码。各种统计资料和规划指标均应有事物所在空间单元的代码，这样查询、分析、汇总时， 空间定位就很方便。例如， 国家统计部门采用行政单元、交通调查采用交通小区、邮政通信有邮政编码、规划设计有功能分区等， 但是这些单元或多或少地存在划分过粗、边界经常变化、层次等级不明确、编码不统一、行业之间边界不一致的问题， 使行业、部门、机构之间的数据在空间定位上无法相互引用，共享程度低， 资料积累的历史价值不高。随着GIS 技术的逐步推广，统计资料的空间定位不稳定、不精确、不统一的矛盾会越来越突出,因此，空间单元及其编码的标准化是普及GIS的基础。不采用GIS 时，规划师在纸质地图上按TPU 表达规划意图，并作统计分析。采用GIS 后，有大量现成的历史资料可供计算机作分析。北京市城市规划设计研究院在20 世纪80 年代末研究了北京市区的地理编码和空间单元问题， 目前已对市区范围内道路路段、交叉口、街坊作了统一编码和参照图， 并将作为北京市的地方标准发布实施，同时，北京市的控制性详细规划也已开始使用这种统一的单元和编码。综上所述，采用GIS 技术对标准空间统计单元划定和编码，给城市规划、道路管线定位带来了质的飞跃。同时,各种空间资料的价值有了提高，数据的社会共享有了可能，还使得规划的严密性大大提高。4 .4 GIS 技术在城市总体规划中的应用城市总体规划是我国实施土地用途管制的主要依据， 是对土地资源的开发、利用和整治、保护在时间和空间上所作的总体的、战略的安排。在GIS技术支持下建立城市总体规划管理信息系统， 将会加强土地利用总体规划的实时管理和动态实施， 是城市土地管理工作面临信息时代基础的、必然的步骤。基于GIS 的城市总体规划信息管理系统， 不仅具备一般MIS 系统的报表和统计功能， 而且还具有空间分析功能， 用户可以根据不同的要求来对城市信息进行分类统计， 构建相应的土地利用专题， 直观了解土地利用现状及分布情况； 用户还可以通过系统提供的缓冲区分析和叠置分析功能， 对土地利用情况进行更深层次的分析研究， 从而对多种规划方案进行优选， 这一切是实施城市规划管理土地用途管制的主要技术手段。城市总体规划中涉及到的土地的空间特征和属性特征处于不断的变化之中， GIS 技术可以成为土地数据的管理、更新、评价的有力工具。应用GIS技术， 可以建立覆盖整个行政区域的数字高程（DEM） 模型， 通过DEM 与航空摄影资料的合成，可建立起150 000 或110 000 的三维立体旋转景观模型， 使得修订城市总体规划更具有现实性和科学性。4.5利用GIS 技术在城市规划中建立信息系统在城市建立分区规划信息系统。城市总体规划是战略性、结构性的指导规划， 它的成果图带有示意性、夸张性的成分， 输入计算机后， 很难对具体建设项目的定位进行控制。控制性详细规划虽然很具体， 但在实践中会出现弹性小、引导作用不明显、覆盖范围不全等问题， 还需要分区规划才能和总体规划衔接。重要地段可建城市设计信息系统，在城市建设投资渠道多样化的形势下，传统的修建性详细规划往往难以适应需要,如建筑体量和形状、室外场地、地下和地面以上空间的各种交通联系等，需要另外的设计手段和管理手段来协调、制约各种建设行为。以上海浦东陆家嘴金融贸易区的中心区为例，该小区为一个建筑密集、交通复杂、正在快速成长的商务中心区，在控制性详细规划的基础上，浦东陆家嘴开发区管理局编制了城市设计。依据控制性详细规划和城市设计，再制定出规划设计条件,作为旧区改造、土地批租的法定文件，对开发商及其他政府机构进行约束、协调。现陆家嘴开发区正在尝试把GIS 和城市设计、规划设计条件相结合，用计算机化的图形、属性、文本来辅助管理，以提高工作效率，减少差错，为投资者及其委托的建筑师提供更优良的服务，改善投资环境，尤其是防止或减轻快速开发过程中经常出现的无序性等问题。虽然用计算机辅助设计（CAD） 技术也可达到相似的效果，甚至可以表达三维空间，但是以GIS为依托，可以使城市设计和土地开发管理信息系统相集成，这是一般的CAD 系统难以达到的。5结语综上所述，GIS技术几乎可以应用到城市规划中的每一环节中，对提高规划设计的质量、效率来说，作用是明显的。GIS 在城市规划设计中将有力地推动决策的科学性，规划的合理性和设计的高质量、高效率；GIS 在城市规划中的应用将不会仅仅局限在辅助管