地理信息系统在城市规划中的应用.pdf

江苏城市规划JIANGSU URBAN PLANNING 2010 年第5 期 总第186 期 胡永进 地理信息系统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 燕山公园 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 1地理信息系统概念 GIS Geographic Information System 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 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 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国内发展状况 我国地理信息系统的发展起步较晚 但发 规划研究 PlanningStudies 32 JIANGSU URBAN PLANNING江苏城市规划 2010 年第5 期 总第186 期 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地理信息系统的功能 由计算机技术与空间数据相结合而产生的 GIS这一高新技术 包含了处理信息的各种高 级功能 但是它的基本功能是数据的采集 管 理 处理 分析和输出 GIS依托这些基本功 能 通过利用空间分析技术 模型分析技术 网络技术 数据库和数据集成技术 二次开发 环境等 演绎出丰富多彩的系统应用功能 满 足用户的广泛需求 3 1基本功能 3 1 1数据采集与编辑 地理信息系统的数据通常抽象为不同的专 题或层 数据采集编辑功能就是保证各层实体 的地物要素按顺序转化为X Y坐标及对应的 代码输入到计算机中 3 1 2数据存储与管理 数据库是数据存储与管理的最新技术 是 一种先进的软件工程 GIS数据库是区域内一 定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起 的相关数据的集合 由于GIS数据库具有数据 量大 空间数据与属性数据具有不可分割的联 系 以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等 特点 因此GIS数据库管理功能除了与属性数 据有关的DBMS功能之外 对空间数据的管 理技术主要包括 空间数据库的定义 数据访 问和提取 从空间位置检索空间物体及其属 性 从属性条件检索空间物体及其位置 3 1 3数据处理和变换 由于GIS涉及的数据类型多种多样 同一 种类型数据的质量也可能有很大的差异 为了 保证系统数据的规范和统一 建立满足用户需 求的数据文件 数据处理是GIS的基础功能之 一 数据处理的任务和操作内容有 1 数据变换 指对数据从一种数学状态 转换为另一种数学状态 包括投影变换 辐射 纠正 比例尺缩放 误差改正和处理等 2 数据重构 指对数据从一种几何形态 转换为另一种几何形态 包括数据拼接 数据 截取 数据压缩 结构转换等 3 数据抽取 指对数据从全集合到子集 的条件提取 包括类型选择 窗口提取 布尔 提取和空间内插等 3 1 4空间分析和统计 空间分析和统计功能是GIS的一个独立研 究领域 它的主要特点是帮助确定地理要素之 间新的空间关系 它不仅已成为区别于其他类 型系统的一个重要标志 而且为用户提供了灵 活地解决各类专门问题的有效工具 1 拓扑叠加 通过将同一地区两个不同 图层的特征相叠加 不仅建立新的空间特征 而且能将输入的特征属性予以合并 易于进行 多条件的查询检索 地图裁剪 地图更新和应 用模型分析等 2 缓冲区建立 它是研究根据数据库的 点 线 面实体 自动建立各种类型要素的缓 冲多边形 用以确定不同地理要素的空间接近 度或邻近性 它是GIS重要的和基本的空间分 析功能之一 例如规划建设一个开发区 需要 通知一定范围内的居民动迁 在林业规划中 需要按照距河流一定纵深范围来确定森林砍伐 区 以防止水土流失等等 3 数字地形分析 GIS提供了构造数字 高程模型及有关地形分析的功能模块 包括坡 度 坡向 地表粗糙度 山谷线 山脊线 日 照强度 库容量 表面积 立体图 剖面图和 规划研究 PlanningStudies 33 江苏城市规划JIANGSU URBAN PLANNING 2010 年第5 期 总第186 期 通视分析等 为地学研究 工程设计和辅助决 策提供重要的基础性数据 4 空间集合分析 空间集合分析是按照 两个逻辑子集给定的条件进行布尔逻辑运算 3 2应用功能 随着计算机软硬件的发展 成本的降低 以及GIS软件本身的改进和提高 如今GIS已 被广泛用于环境资源管理 城市规划 房地 产 交通运输 公用事业 重大工程 环境保 护 公安与消防以及军事和国防等众多领域 3 2 1资源管理 资源的清查 管理和分析是GIS应用最广 泛的领域 也是目前趋于成熟的主要应用领域 包括森林和矿产资源的管理 野生动植物的保 护 土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水 资源的时空分布特征研究等 系统的主要任务是 将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起 GIS软件能在一个连续无缝的方式下管理大型的 地理数据库 这种功能强大的数据环境允许集成 各种应用 最终用户通过GIS的客户端软件可 直接对数据库进行查询 显示 统计 制图以及 提供区域多种组合条件的资源分析 为资源的合 理开发利用和规划决策提供依据 3 2 2城市与区域规划 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 3 2 3国土监测 GIS方法和多时相的遥感数据 可以有效 地用于森林火灾的预测预报 洪水灾情监测和 淹没损失估算 土地利用动态变化分析和环境 质量的评估研究等 例如黄河三角洲地区的防 洪减灾研究表明 在ARC INFO地理信息系统 支持下 通过建立大比例尺数字地形模型和获 取有关的空间和属性数据 利用GIS的叠置操 作和空间分析等功能 可以计算出若干个泄洪 区域内的土地利用及面积 比较不同泄洪区内 房屋和财产损失等 可以确定泄洪区内人员撤 退 财产转移和救灾物资供应的最佳路线 保 证以最快的速度有效应付突发事件的发生 3 2 4辅助决策 地理信息系统还应用于政府宏观决策 而 且成为国家管理决策信息化的重要标志之一 如我国国务院综合国情地理信息系统已成为国 务院领导宏观决策的辅助工具 地理信息系统 应用于企业管理中成为企业级地理信息系统 是目前地理信息系统向上发展的趋势 也是 Intranet网上重要内容 应用EnterpriseGIS Intranet GIS 可以完成Intranet上的信息发 布 数据共享 业务处理 在线查询等功能 地理信息系统应用于军事中成为军事地理信息 系统 MilitaryGeographicInformation System 简 称MGIS 在 美 国 和 西 方 各 国 MGIS在作战指挥 如作战的快速保证 中发 挥着非常重要的作用 4地理信息系统在城市规划建设和管 理中的应用 4 1应用领域 4 1 1城 市 规 划 和 管 理 Urban Planning and Management 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 Landand Cadastral Application 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 Ecological Environmental Management and Modeling 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 Facilities Management 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 规划研究 PlanningStudies 34 JIANGSU URBAN PLANNING江苏城市规划 2010 年第5 期 总第186 期 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 下面所介绍的 溧阳市燕山公园规划方面的例子也正说明了在 这方面的一个实验工作 5GIS规划应用实例 溧阳市燕山公 园规划研究 溧阳市燕山公园位于城市西侧 南临宁杭 公路 104国道 北靠平陵西路 东临团结 路 紧邻城市新区 公园内以仙人山为主体 山水相携 旅游资源丰富 作为城市的近郊公 园 是城市的重要功能拓展区 2007年 溧 阳市规划局组织了燕山公园规划编制工作 笔 者全程参与了此项工作 并开展了GIS研究分 析手段的运用 5 1调查研究和数据采集 GIS作为一种重要的分析手段 同城市规 划中的其它分析手段一样 要有准确 详实的 数据 分析人 员 必 须得 到 应 有 的基 础资 料 GIS的应用前提是必须有详尽而真实的数据 数据来源至关重要 在城市规划中 根据规划 目标和任务不同 数据采集深度要求不同 除 了一般地理信息系统分析所需要的基本数据 外 在规划组织编制前期必须根据规划目标和 任务对一些特殊数据有清晰的认识 有针对性 的收集 GIS分析的重要特征是对三维上连续 分布的空间数据的处理 但在数据采集过程 中 空间数据与属性数据同等重要 在燕山公 园规划中 针对GIS分析我们重点收集了城市 勘察资料 城市测量资料 环境资料 水文资 料 植被分布资料 土地利用资料 工程设施 资料等 但是作为城市规划 所需的资料远不 止这些 还必须收集如历史 社会经济发展 人口 各工矿企事业单位的生产资料等等 随 着计算机技术的发展 很多专业部门已能提供 各种资料的电子信息 如地形图 土地利用地 籍图等 但作为城市规划人员在分析过程中仍 要解决以下重点问题 5 1 1各种专业部门提供的资料往往是针 对其专业部门的 有的很详尽 有的很粗略 有的直接可以作为规划分析的基础 有的则无 法直接应用 城市规划人员必须根据规划任务 重点采集 综合分析 5 1 2GIS作为重要的空间分析手段 现有 的基础资料往往是二维的 必须由规划人员手 工输入三维空间数据 工作量很大 5 1 3由于城市发展迅速 已有的资料往往 不能完全反映现状真实情况 不能完全替代现场 勘察 规划人员仍然必须现场踏勘 补充资料 5 2数据处理 通过前期基础资料收集和数据采集 数据 整理 我们获得了GIS分析所需要的基础数 据 包括地形图 土地利用地籍图 土地利用 现状图 植被分布图等 但作为GIS三维空间 分析的数据 二维的地形图仍不能适应规划分 析工作的需要 必须转换成为三维的空间数 据 为此必须通过人工输入三维空间数据 其 中最主要的就是采集 输入高程数据 同时通 过现场调查的成果 对现状地形数据进行更 新 这需要花费很多人力和时间 5 3 GIS分析 GIS在作为重要的城市规划分析手段和工 具 要通过一定的工作平台才能实现分析功 能 目前GIS系统软件和应用软件日趋成熟和 完善 到目前为此 世界各国已设计出大量实 用化的地理信息系统 比较著名的有美国环境 系统研究所 ESRI 于80年代初推出的ARC INFO 澳 大 利 亚GENASYS公 司 开 发 的 Genamap 中国地质大学开发的MAPGIS 武 汉测绘科技大学开发的Geostar 北京大学遥感 与地理信息系统研究所开发的Citystar等等 不论采用何种应用平台 关键是要根据不同的 规划任务来确定分析的重点 在燕山公园规划 研究中采用了ESRI的ARCINFO平台 在溧阳市燕山公园规划中 除了常规的地 势分析 坡度坡向分析 土地利用分析 植被 规划研究 PlanningStudies 35 江苏城市规划JIANGSU URBAN PLANNING 2010 年第5 期 总第186 期 下转第19页 图1DEM分析 坡度分析 分布分析 水文及汇水面分析等 还从燕山公 园与城市关系出发 从多角度重点分析了城市 景观对规划的要求 以及城市功能拓展与燕山 公园的互动趋势等 见图1 图2 5 4 GIS分析成果运用 通过GIS分析 设计人员能够得到很多成 果诸如高程 坡度坡向 土地利用 汇水面 植被分布等 但这些只是单项的中间成果 如 何运用这些成果还必须靠设计人员完成 在燕 山公园规划中 主要对生态资源 景观资源 土地资源等三大类资源开展评估 对生态资源 采用生态环境评估 对景观资源采用视觉环境 质量 视觉环境阀值评估 对土地资源采用用 地适宜性评估 5 4 1生态环境评估 首先将研究区域内 植被划分为三大类型 自然植被森林 人工森 林和农林地 然后按这三大类型对区域进行划 分评估 5 4 2视觉环境质量评估 视觉环境质量 可以理解为当人们穿越某一地区所获得的视觉 总体印象 这种总体印象取决于大范围的景观 视觉客体元素 其中最为基本的有地形 植被 水体 天象 相邻地区的此类元素 另外 景色 的色彩 奇异罕见的景观植物以及人文因素等也 起着一定作用 一般地 这些基本元素的不同形 态 控制着视觉环境质量的高低 5 4 3视觉环境阀值评估 视觉环境阀值 是指景观环境遭受破坏后的自身恢复能力 也 反映了景观环境抵抗视觉污染的能力 它是决 策建筑 道路 厂矿 管线等各类拟建工程设 施的重要依据之一 是合理利用视觉环境及预 测视觉污染的基本指标 视觉环境阀值取决于 地形地貌 景观生态 景观土地利用现状和景 观视觉等四类因素 5 4 4用地适宜性评估 此评估以该地区 数字化地形图为基础资料 采用上述GIS分析 制图进行分项制图和综合叠置计算 设计人员综合运用GIS和传统分析方法 从而达到 1 对燕山公园景观资源和用地适 宜性作出评估和评定 以确定哪些地段需要保 护和培育 哪些地段适宜建设 2 科学确定 用 地功 能 安排 提出相应的建 设控制要 求 3 对公园的视线组织 空间界面 景观节点 处理等提出科学合理的建议和要求 4 综合 考虑资源利用和生态环境保护 确定生态环境 保护框架和可持续发展战略 对公园环境条件 的改善提出合理措施 5 5 GIS与RS遥感影像三维可视化 遥感图像三维可视化是以数字地形模型 DTM 数据为基础 套合同一地区二维遥感图 像 并标识文字 符号组合而成 DTM是用 数字阵列未离散表达地形表面 能够真实反映 描述地区的地形条件 遥感图像是描述地区的 真实写照 能够再现描述地区的地貌和地物特 征 文字符号标注用于地物标识和定位 由此 可见 三维可视化影像能够真实逼真地反映描 述地区的地形 地势和地貌 在燕山公园规划研究中 笔者尝试将燕山 图2坡向分析图3影像叠图 三维模型 规划研究 PlanningStudies 36 JIANGSU URBAN PLANNING江苏城市规划 2010 年第5 期 总第186 期 上接第36页 区域二维影像图实现三维可视化 动态再现燕 山公园现状地形地貌 从不同视角 各个主要 界面辅助视觉分析 图3 6结语 以上仅通过实例简要介绍了GIS在城市规 划设计中的实际应用 正如上文所述 事实 上 GIS在城市规划建设中的应用非常广泛 但无论对何种专业领域 GIS只是一种分析手 段和应用工具 不可能取代人的创造性 GIS技术在国民经济各领域应用取得进展 的同时 不可否认GIS的应用还存在诸多问 题 主要表现在 数据来源与数据质量难以保 证 标准规范不统一 数据共享程度低 受管 理者的认识水平 基础数据 模型方法欠缺等 方面的限制 GIS的功能没有充分发挥出来 GIS的应用方兴未艾 在城市规划领域 有必 要 推 动 城 市 地 理 信