城市地理信息系统应用.doc

城市地理信息系统应用牛雪峰杨国东( 长春科技大学工程技术学院, 长春 130026)摘要针对近年来国内外城市地理信息系统的应用成果, 从城市规划、城市环境、城市灾害、城市土地利用等方面加以总结。 同时提出, 当前一个国家和地区城市化的发展规划决 策中必须应用地理信息系统, 作为一项系统工程, 只有结合城市遥感、多元信息复合等相关 学科, 才能发挥其优势, 为政府及有关部门决策提供有力的依据。关键词城市地理信息系统城市遥感城市规划作为现代化城市信息系统基础之一, 城市地理信息系统 (U G IS) 始终伴随着一个国家或地区城市化的进程而不断发展。作为一项系统工程, U G IS 是当代城市建设中一项重要的基 础设施。U G IS 具有综合处理和分析有关城市生活各方面空间数据及属性数据的能力, 十分 符合城市信息多尺度、大空间的特点, 而且 U G IS 还可以充分吸收、处理和分析多源信息的能力, U G IS 如果与 U R S (城市遥感) 相结合, 就可以更快捷、直观、动态地显示和分析多时相 空间信息。 随着人口的增长和经济的腾飞, 城市化进程必将更快, 从而使城市化产生的一系列社会问题在社会经济可持续发展中更加突出。如在节约能源、控制污染、缓解热岛效应、提高绿化、改善交通、清洁生产及文明施工等现代化城市的动态监测和管理中, G IS 与 R S 将 发挥其巨大的、不可替代的作用, 将成为规划、管理和决策的常规技术和规范化业务。作为现 代化城市的重要支柱, 开发城市信息系统的意义已逐步被各级各部门领导所认识, 甚至被认为是衡量城市领导人现代化意识的重要指标。地理信息系统在城市规划和决策中的应用1与一般社会经济系统相比较, 城市系统的主要特点是空间性, 它反映城市现状、规划和变迁的各类数据 (如地形、地貌、建筑、道路、综合管线等) 都是空间信息, 因而, 空间信息的表 示及其规律的探讨自然成为许多城市数学模型的主要研究课题。 目前许多城市模型对空间 的表示仍只停留在简单化阶段, 空间的概念只是通过数学等式所包含的简单距离变换来反 映, 这不能反映空间过程的复杂多样性, 这主要是由于传统的数据采集和处理技术落后所造 成的。而另一方面, 城市系统又不是一个固定不变的系统, 城市系统是一个由人流、物流所构成的动态的开放系统, 这样, 传统的数学模型就更加无法适应。因此, 现有的城市数学模型在处理现代化城市动态空间过程面前无能为力, 这就为 U G IS 的出现和发展提供了良好的客 观环境, 而地理信息系统 (G IS) 技术的迅速发展则使城市信息的处理技术发生了革命性的第一作者简介 牛雪峰 男 27 岁 讲师 硕士生 测量工程专业收稿日期 1997 10 14变化, 为我们更好地研究动态的空间过程提供了强有力的分析环境。联系 G IS 与城市模型之间的桥梁就是各种空间特性指标的度量、空间距离、空间相邻关系、相间机会梯度、非聚合性空间单元等1 。通过这些空间特性指标, 可以提取出重要的空 间概念, 使城市模型更客观地反映动态空间过程, 而这些空间指标的获得, 必须依赖 G IS 技术 的空间分析功能。 空间分析功能是 G IS 所独有的, 与一般的管理信息系统 (M IS) 相比, G IS 具有无可比拟的优势, 它即包含空间信息, 又包含属性信息, 可以任意叠合、分制、撷取 和统计分析2 。 G IS 采用网络技术、数据库技术、图形图像技术、多媒体技术等最新科技成果, 能够对动态的空间过程作出生动、直观的描述, 把空间分析结果迅速地以图、文、表、声、像等形式传递给用户, 辅助决策3 , 因此, 特别适合于具有空间特性的城市信息。 另一方面,城市系统又是一个动态的开放的系统, 城市信息的更新是迅速的、永无止境的, 人们时刻面 临着掌握的资料已经过时、陈旧的尴尬, 这正反映了信息时代的特点, 而 R S 技术的日趋成 熟又为我们展示了美好的前景, 各种平台、各种传感器的 R S 以其动态宏观性为我们提供了 大量的多时相、多波段、高分辨率的丰富的空间信息。随着 R S 的发展, 可以更加方便地获得 满足需求的信息, 更加容易适应城市活动的动态过程。因此, 在应用 G IS 进行城市规划的决 策时, 只有与遥感技术相结合, 才能不断地适应空间的动态的城市系统, 才能发挥其优势4 。 国内外很多城市都针对自身特点, 建立起服务于不同目的的专题系统, 比如上海市的环卫 G IS 系统 (SE SG IS) 及上海市 110 接警系统, 海口市城市规划信息系统 (HU IS) 也正在实 施。 泰国曼谷应用 G IS 及专家系统 (E S) 进行固体废料填充地的选址; 美国奥斯汀市针对垃 圾清运中行车路径问题建立起一套交通领域的空间决策支持系统 (SD SS) 1 。它们分别在各 个方面为城市规划和管理工作做出了贡献, 发挥了不可低估的作用。地理信息系统在城市环境评估中的应用2人们在考查一个城市的环境质量时, 总是要从以下几个环境因子进行评价, 如: 城市大气环境、城市水资源环境、城市区域地质环境、城市绿地分布及覆盖、城市水体污染状况、城 市 固体废弃物污染状况及城市噪声等5 。这些城市环境因子决定着一个城市的环境质量的 优劣, 决定着一个城市是否适合于人类生存及未来可持续发展的基本问题。 同时, 城市环境 因子之间并不是独立存在的, 它们之间具有十分复杂的、相互关联和渗透的关系。 如城市水 污染必然制约着城市水资源, 城市绿化分布和规模又会对城市大气质量产生影响, 城市区域地质环境决定着城市水资源及大型市政工程的建设等。因此, 我们采用多元信息复合方式综合分析评价城市环境; 同时, 由于城市环境状况又是动态的过程, 因此必须结合应用 U R S技术进行动态监测与评价, 才能反映这一动态的客观环境过程。2. 1 G IS 动态监测与城市大气环境分析大气环境是环境问题的一个重要因素, 城市大气环境问题又由于城市人口的密集、工矿 企业的集中而显得尤为突出。城市居住着大量的人口, 大气质量的好坏必将影响着他们的生存与健康, 与乡村地区比较, 城市地区大气环境显得更为脆弱, 也更为重要。国内外很多大中城市 (如伦敦、天津、重庆等) 的大气环境质量都由于盲目地发展建设而不同程度地受到了破 坏, 并为此付出了沉重的代价。目前很多国家和地区都在为改善和恢复大气环境做着积极的 努力。在进行这项工作时, 首先要了解大气环境的特点。第一, 它的空间尺度大, 我们赖以生 存的大气圈有上百公里的厚度; 第二, 空气在自然环境中有着最好的流动性, 地面是其不可新导出型数据库。 空间动态是指 G IS 的空间图形图像的显示、分析功能, 比如, 预测不同大气环境规划对应的空气质量状况等。更为重要的是要通过 G IS 技术建立一个动态的工作环 境。 这样, 通过 G IS 的分析模拟, 工作人员就能够在掌握已有信息基础上产生新的信息, 这种动态系统正适合于决策部门的要求, 分析对比不同方案, 快速决策。 大气部门科研人员已经对这些方面有了足够的认识, 相应的专题系统也发展到了一定程度。比如, 欧洲的 RA IN S模式1 就是一个跨国界的 SO 2 排放量计算机管理系统, 我国“七五”环保项目中“国家大气环 境信息系统”1 也是一个例子。2. 2 G IS 动态管理城市水资源环境水是生命之源, 水又是城市形成的首要条件, 水还是地理环境中能量交换与物质迁移的 最活跃因素, 在改善城市环境中扮演着重要角色。然而, 水却是非常有限的宝贵资源, 仅占全 球总水量 3% 的淡水资源的大部分又被固化在冰川与冰河中; 另外, 还有很多可用的淡水资 源又受到了不同程度的污染。随着人口的增长及城市的发展, 许多城市出现了用水紧张的局面; 同时, 由于过量开采地下水, 不仅引起地面下陷, 而且使城市周围的水源径流量减少, 湖 泊、水库的干涸等。 这样, 水又反过来制约了城市的进一步发展, 威胁着人类的生存。 因此, 如何更合理地开发、保护、管理水资源是摆在每一个城市领导者面前的一项非常紧迫的任务。 正是由于 G IS 及其相关技术的迅速发展, 才使决策者找到了一个强有力的水资源管理 工具, 使水资源的管理工作由传统模式大踏步跨入了现代化的动态管理模式。显然, 计算机水域模型 (w a te r sh ed m o de l) 1 与 G IS 的结合是必要的。 水域模型具有很 强的预测能力, 但是, 它必须具有大量的时空数据支持, 而且要将大量的数据转换成模型可读形式, 采用模拟方式将耗费大量的时间和精力, 而且容易出错, 而 G IS 恰恰具有很强的空 间数据处理及分析功能, 是作为模型输入数据预处理的极好工具; 同时, G IS 还能将模型的输出数据产品在地图上直观地显示, 为决策人对分析结果的理解带来极大的便利。 因此,G IS 与 计 算 机 水 域 模 型 的 结 合, 将 成 为 一 套 动 态 评 估 城 市 水 资 源 环 境 的 强 有 力 工 具。A dam u s 和 B e rgm an 1 采用 G IS 与筛选函数分析水域内无点污染源的荷载分布, R ich a rd 和H o st 1 应用 G IS 与相关函数分析河流生物与上游土地应用及河流形状的关系。中国环境科 学院郑丙辉等应用 G IS 定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染。 北京大学梁军等应 用 3S (G IS、GP S、R S) 技术进行了滇池流域与水体环境动态监测监控系统的构建与运行, 在 结果的分析、表达、制图、查询等功能上, G IS 表现出强大的优势。 多媒体技术又使 G IS 的表 达方式更加生动、形象, 顺利地输出了土地类型图、植被覆盖度图、叶绿素浓度分布图等一系 列专题图, 取得了很好的效果。2. 3 应用 G IS 分析城市绿化对城市大气污染的影响城市绿化是影响城市环境质量的主要因素之一。绿化不仅美化城市, 而且对改善城市环 郑丙辉, 刘宁 1G IS 支持下的流域面源污染研究 1 中国地理信息系统协会首届年会论文集, 1995梁军, 邬伦, 程承旗等 1 基于 3S 技术的滇池流域与水体环境动态监控系统的构建及运行实验 1 中国地理信息系统协会首届年会论文集, 1995境、调节气候、缓解热岛效应、降解大气污染、维持城市地区生态平衡等具有很大作用。 构成城市大气污染的主要因素是大气悬浮颗粒 (T SP ) 和二氧化硫 (SO 2 )。 绿化与 T SP 和 SO 2 浓度之间存在密切关系, 绿化程度高则 T SP 及 SO 2 浓度低, 反之则高。长春科技大学杨国东等 通过将 G IS 与 R S 技术结合并引入到绿量分析中, 得到了绿量、T SP 与 SO 2 之间相互关系。研究证明, G IS 与 R S 技术相结合进行城市绿量调查与研究是可行的, 随着研究程度的 深入及范围的扩展, 前景十分广阔。3地理信息系统在城市灾害中的应用中国是世界上自然灾害最频繁、损失最严重的少数国家之一, 每年由于各种灾害所造成的经济损失可达数千亿元, 其中洪涝灾害位居第一。 由于城市是人流物流的聚合体, 在国民经济中占据重要地位, 一旦重大的自然灾害发生在城市, 那么损失将是无法估量的, 因而城 市地区的自然灾害的防治工作就显得尤为重要。为了对我国自然灾害频发、易发区实施重点 监测, 满足政府决策部门对灾情高精度监测及评估数据的需求, 增强区域抗灾、减灾、救灾的时效性, 急切需要一种高效、可靠、准确的方式进行预测、预报、统计和分析。为了适应自然灾害的突发性特点, 它应该是随机的、动态的模式。显然只有 G IS 与 R S 技术的结合才能满足自然灾害频发性及救助管理的需求。 这是由 于, G IS 与 R S 技术的结合将会适时的、动态的方式监测、分析各种自然灾害发生、发展的全 过程。 可以实现全过程 (信息录入、存储、更新、查询、空间分析及统计输出) 在全数字环境下 运行, 可以实时、动态地预报灾害的发生和发展, 并实时地提供灾害损失统计报告及相应图像、图件, 辅助决策者快速、准确地决策。台湾工业技术研究院尹可健等1 开发的一套风暴潮 ( sto rm su rge) 洪灾的频发及疏散管理系统已经在嘉义地区发挥了作用, 中国测绘科学院李 紫薇等建立的一套基于“4D ”的洪涝灾害遥感监测评估与保险核损技术系统也已经在岳阳 地区投入了运行, 该系统的投入运行, 不仅将对保险公司保险赔付审计起到了重大作用, 而 且也将为我国农业可持续发展提供保障, 将产生重大的社会效益和经济效益。水利部陈曦 川等应用 G IS 网络分析技术, 模拟分析出北京地区小清河滞洪区疏散居民最佳撤退路径, 减少了居民伤亡和财产损失, 为防洪减灾中提供最有效的决策依据6 。中科院遥感应用所张 渊智等利用工程环境信息系统数据库, 对广西红水河龙滩水电站坝区水库的三个不同蓄水 位高程, 分别进行统计和计算, 提出水库淹没类型的经济指标、淹没面积和损失赔偿等问题, 为评估工程环境和大型项目建设提供决策支持信息7 。 中科院地理所池天河等也在进行面 向问题的自然灾害监测与评估集成系统的研究工作, 我国“八五”科技攻关项目“中国 重大自然灾害监测与评估信息系统”的建立与应用工作也在顺利地开展。4地理信息系统在城市土地管理中的应用城市是人类对大自然改造最强烈、最集中的地域, 城市土地利用变化快、周期短, 尤其是杨国东, 牛雪峰, 刘允良 1 应用遥感与 G IS 技术研究城市绿色三维生物量对大气污染的影响 1 第十届全国遥感技术学术交流会论文集, 1997 李紫薇, 毛可标, 龚循平等 1 基于“4D ”的理大洪涝灾害保险核损技术系统的建立 1 第十届全国遥感技术学术交流会论文集, 1997 沁天河 1 面向问题的自然灾害监测与评估集成系统研究 1 中国地理信息系统协会首届年会论文集, 1995使用, 如何加强城市土地的管理工作等。城市土地利用历史遗留问题很多。首先是城市内部结构问题, 如何规划城市用地布局和比例问题比较突出。如果布局不合理, 相互交错, 三废与 噪声得不到解决, 不仅影响正常的学习、工作和生活, 甚至影响到工业产品质量。 另一方面, 城市土地利用又要反映市场经济价值规律, 每一个城市都有寸土寸金的市中心地区, 如何合 理地利用好这块宝贵的市中心区, 使其物有所值, 最大地发挥其作用, 同样是领导者面临的问题。另外, 如何合理地协调好土地利用与人口、工农业生产的关系, 如何加强土地使用与环 境保护的协调一致也是至关重要的。 还有, 城市郊区又是城乡矛盾的焦点, 目前我国城市郊 区问题相当突出, 有些地区污染严重, 工业与农业生产争土地、争水源。我们应本着城市征用 这些土地获得的总收益不应低于它们作为农业用地的效益的原则, 不能以牺牲环境资源为 代价, 给子孙后代遗留不可弥补的自然资源的损失。 据统计, 我国很多大中城市围墙占用土地要比主要交通要道占用土地大得多, 而且存在大量的棚户区, 土地利用率低下, 如何把土 地集约使用, 增加土地利用的立体化, 同样是摆在领导者面前的突出问题。显然, 解决以上问 题的关键在于找到一种适当的模式及工具, 传统的土地管理模式显然不能适应和胜任这一 要求。G IS 与 R S 技术的结合正是适合动态监测城市土地利用现状及变迁、加强土地利用管 理工作的强有力的工具。 通过 G IS 的叠置分析 (o ve r lay an a ly sis) 将不同时相的遥感图像叠加, 可以清晰地反映出城市土地利用的变化规律; 同样, 通过把城市土地利用专题图与各种人文要素 (人口密度分布图、城市用地等级图、城市经济状况分布图、城市交通图) 进行 G IS 叠置分析, 就可以提取出各种所需信息, 可以评价出城市土地利用现状是否合理, 成为决策 者正确决策的依据。 当然还需要广泛接收不同来源的信息进行综合评价, 才能满足不同层次、不同等级、不同目的的需求。 通过 G IS 的强大功能, 可以正确地制定出一整套城市发展 的目标和方向以及实施的途径。当今社会, 城市是一个调整运行的、开放的生态系统, 必须按 照系统工程理论来规划和管理。 我国很多大中城市都在进行着有益的尝试, 比如, 常州市的 城市总体规划信息系统, 海门市的土地定级估价信息系统, 攀枝花市的城市持续发展信息系 统, 上海市综合地理信息系统等开发和应用, 都在城市土地管理和规划中发挥了极大的作用, 在提高城市土地管理的精度、效率方面都是传统管理模式所无法比拟的。5结语当前正处于城市地理信息系统加速发展的时期, 它的应用前景十分广阔。 可是, 目前所面临的问题也不少, 整个地理信息系统市场还处于混乱无序状态。 问题主要表现在: 系统软 件开发各自为政, 缺乏足够的协调和统一; 系统开发不重视需求分析; 系统软件之间缺乏适当的数据格式转换接口, 无法充分地实现数据共享, 必然造成数据资源的浪费; 数据结构缺乏 标准化的格式, 面向对象的数据结构 (o b jec t - o r ien ted da ta st ru c tu re) 仍只停留在讨论 中, 地理编码方式的随意进一步加深了这方面的无序; 商品化软件在面向大众、面向用户方 面所做的努力还不够; 距离真三维地理信息系统的目标还有很大差距; 由于市场的无序, 使得系统软件的选择、开发与应用都存在一定的障碍等。这些问题的解决有待于国家和政府的进一步重视, 需要产业协会的努力, 作为一项基础性产业, 加强地理信息系统产业的标准化势在必行, 要协助政府做好有关这方面的政策和法规的制定与推行, 大力推进和开拓地理信息产业市场和应用领域。 同时, 在进行地理信息系统的开发与应用时, 在认真细致地调研基 础上, 注意吸取各家所长并结合自身特点, 要注意作为多学科交叉系统的地理信息系统只有与遥感技术、多元信息复合等相关学科相结合, 才能发挥其巨大的优势。 地理信息系统的空间结构是多层次的, 城市地理信息系统是一项动态的系统工程, 必须结合城市特点, 有计划 有步骤地进行。参 考 文 献林珲, 冯通, 孙以义等 1 城市地理信息系统研究与实践 1 上海: 上海科学技术出版社, 1996马智民, 俞全宏, 姜作勤 1 应用地理信息系统设计与实现 1 西安: 西安地图出版社, 1996边馥苓 1 地理信息系统原理与方法 1 北京: 测绘出版社, 1996邬伦, 任伏虎, 谢昆青等 1 地理信息系统教程 1 北京: 北京大学出版社, 1994孙天纵, 周坚华 1 城市遥感 1 上海: 上海科学技术文献出版社, 1995陈曦川 1 小清河滞洪区洪灾监测信息系统的研究与建立 1 国土资源遥感, 1997, (3) : 40 45张渊智, 朱博勤 1 工程环境信息系统数据库的设计和建立 1 遥感信息, 1997, (2) : 15 181234567A pp l ica t ion s of Urban Geogra ph ic In f orm a t ion Sy stemN iu X u efen g,Y an g Guo do n g(C h ang ch u n U n iv ersity of S cience and T ech nology , C h ang ch u n 130026)A bstra c tU rb an Geo g rap h ic In fo rm a t io n Sy stem (U G IS ) is deve lop in g so qu ick ly.M o re an d m o re d ist r ic t s an d dep