地理信息系统与城市规划管理

——《地理信息与规划支持系统》读书报告

作者：彭明

一、《地理信息与规划支持系统》概述

《地理信息与规划支持系统》全书以地理信息的应用为核心，探讨相关、相邻的方法、技术和GIS结合，在规划的背景分析、预测、评价、决策支持以及日常行政管理中的作用、效果和局限性，探讨规划支持系统(PSS)的发展，涉及土地利用的遥感监测、土地适宜性评价、景观仿真、日常行政管理、空间相互作用模型、设施区位选择和优化配置、元胞自动演化、大尺度城市模型、基于案例的推理、基于知识的系统等领域。其作者是中国科学院叶嘉安院士、同济大学城市规划与设计现代技术实验室宋小冬教授等，可供城市规则、区域研究、地理信息系统、城市管理等有关领域学者借鉴学习。

全书共有11章，第一章地理信息系统、城市规划、规划支持系统是对地理信息技术、规划支持系统进行概述，并对地理信息技术、互联网技术、多媒体技术在规划管理中的应用做了简要的阐述。第二章土地利用变化的遥感监测从土地利用变化监测的遥感数据的主要来源谈起，介绍了动态变化监测的主要方法。最后结合“利用主成分方法监测土地利用动态变化”的实例阐述了遥感图像和规划土地使用图相叠合，监测城市发展，检查规划实施的效果具有良好的可行性。第三章将GIS和多准则决策分析相结合应用于土地的适宜性评价和选址分析。第四章空间信息可视化和景观仿真，探讨了城市规划中空间信息可视化的三种不同要求及城市规划中使用空间信息可视化的表达方法。第五章城市日常管理信息系统的实施，介绍了规划管理信息系统所服务的主要业务、所依托的技术、实施过程、成本与风险、数据库建设与维护。第六章空间相互作用模型结合三个实例，论述了空间相互作用模型和地理信息系统结合的方法。第七章区位配置模型和GIS以香港的康乐休憩用地规划为例介绍了LA模型与GIS相结合在城市规划中的应用。第八章元胞自动机模型CA与GIS，将CA模型与GIS相结合，互相取长补短，使二者在城市发展规划的实际应用中更具生命力。第九章大尺度城市模型和GIS，以CUF模型和UranSim模型为例，介绍了模型的原理、组成、应用。并且这两个模型都使用了GIS，是目前大尺度城市模型和GIS相结合的典型。第十章基于案例的推理系统和GIS在规划管理中的应用，以实例介绍了CBR和GIS相结合的集成系统的构建方法和主要功能，并以香港建设申请处理的应用为例，展示其在建设申请和开发控制方面的实用价值。第十一章基于知识的系统和城市规划介绍了专家系统的基本概念和原理，并且与城市规划中使用的其他信息系统作对比。然后回顾并综述20世纪90年代以来，国际城市规划界有关专家系统应用研究的进展，归纳存在的困难和障碍，总结相样对策、成功的应用典型，为国内学者提供借鉴和思路。

二、地理信息系统与城市规划

地理信息系统(Geographic Information System, GIS)是一种基于计算机的、形式化的信息系统，能够整合多种来源的数据，为规划、决策提供必要的信息，和GIS相关的技术还包括数据库管理系统(Database Management System,DBMS)、决策支持系统(Decision Support System，DSS)、专家系统(Expert System，ES)等。城市规划业务具有强烈的空间特征，和地理信息有着天然的联系，规划离不开地理信息，规划支持系统也离不开GIS技术。GIS在城市规划中的作用既是数据库，又是工具箱。基于数据库的GIS可以存储空间数据、属性数据，通过空间关系模型将二者连接起来，高效率地存取数据、查询和制图。同时，还可以从数据库中抽取数据，输入到其他模型或空间分析程序中，或者和其他专门调查获得的表状数据相结合，为决策服务。将GIS当作工具箱时，可使用地学信息处理功能(Geo-processing),如空间插值、叠合、缓冲区和空间连接等。经过多年实践，《地理信息与规划支持系统》书中将GIS给城市规划带来的优势总结了如下六个方面：

1)改善地图制作，更容易获得地图，提高现势性，缩短制作周期，降低存储费用。

2)更有效地查询、检索。

3)快速、广泛地获取相关信息，在更大领域探讨多种方案的可能。

4)增强分析能力。

5)便于和分众、非专业人员交流，沟通。

6)提高服务质量、缩短工作周期。如在建设申请、审批中快速查询案件的相关资料，及时作出答复。

三、地理信息系统在城市规划中的应用总结

《地理信息与规划支持系统》书中从城市规划功能，行政管理、开发管理、规划编制三个方面认为规划的价段不同，GIS的作用也就不同。本文通过阅读理解《地理信息与规划支持系统》一书，参考多位学者的想法，认为目前地理信息系统在城市规划中的应用主要在如下几个主面：

①．GIS空间分析与规划决策

GIS正由于其出色的空间分析能力目前广泛运用社会各行各业。城市规划中很多问题都与空间问题有关，比如城市建设用地的适宜性评价，城市用地发展方向分析，城市内部各种功能性用地布局，某个项目或设施的选址(如垃圾处理厂、发电厂等)。这类问题往往需要对土地用途进行评价、分析，确定最佳方案。

从GIS角度讲，解决“土地适宜性分析”问题，往往对多个图层进行叠合，经过处理后，每个独立的影响因素可以和一个图层对应。在这个问题上，GIS已经有很长的历史，可以认为将叠合方法用于土地适宜性评价是GIS的传统应用领域。

本文结合GIS的多准则决策技术，总结了土地适宜性分析的一般步骤：

1)确定问题

作为决策的第一步，首先要对问题有较为全面的认识。这一阶段的任务是将现实中的问题，归纳分解成可以进行分析的目标和要求，具体包括确定决策的目标、确实决策的环境、收集所需的数据。

2)选择准则

准则必须根据问题的具体情况而定。选择准则的原则包括两个方面：一个方面是要尽可能地完整反映实际情况。另一方面，确定的准则本身应尽量简单，便于决策的简化。

3)确定选项

根据所确定的准则，给参加评价的所有选项赋予分值。

4)确定权重

权重反映每一个准则的重要程度，确定权重就是确定准则之间的相对重要性。权重确定之后就完成了决策矩阵的构造。

5)决策

决策规则就是对准则的评分进行综合。在这个过程中，确定合适的决策法则十分重要。根据决策方法生成的成果是一种量化的表示，直接反映了各个选项的综合评分。

6)敏感度分析

获取选项的评价结果，必须经过敏感度分析来检验是否可靠。分析结果，也包括了所有选项的优劣排名，也得到了最佳方案。目前商业化的GIS软件大多支持空间分析，如使用ArcGIS空间分析模块(SpatialAnalyst)完成评价数据的空间分析过程，该模块提供了一个范围广阔且功能强大的空间分析和建模工具集，允许用户从GIS数据中快速获取所需信息,并以多种方式进行分析操作,包括距离制图、表面分析、重分类、栅格计算等。GIS的关键优势就在于能够将分析算子应用到原始GIS数据中得到新的信息。如国内学者崔植芸针对大同市南郊区的自然条件，通过对土地利用现状图、土壤类型图、地貌图和行政区划图的叠加将其划分为多个评价单元，选择地质地貌、土壤条件等多种评价因子并确定合适的权重，分析南郊区部分主产作物(玉米、小麦等)的土地利用要求，应用ARCGIS技术，得出南郊区的土地适宜性评价，为南郊区土地资源的合理开发利用提供科学根据。

②．数字航摄、遥感影像服务

中国经济的迅速发展，引起某些地区人口的剧增，土地开发速度快、规模大，这种快速城市化进程，随之带来的问题是耕地少、环境退化、资源和能源短缺等，及时掌握土地资源的基本状况至关重要。传统的实地调查方法，存在标准不统一、数据量大、费时费力等缺点。数字航摄、遥感和计算机技术为土地利用状况的调查及变化监测提供了及时、有效的技术手段，其动态、宏观、快速以及历史数据多等优点，弥补了传统土地利用变化监测的不足。

数字航摄、遥感越来越多地用于城市规划和研究中，其主要用途包括：提供可视化服务，如背景地图和三维景观模型；利用监测结果检查规划的实施状况；快速找出非法建设用地；遥感数据和其他GIS数据叠加后直接用于规划设计；遥感信息作为原始数据和其他规划模型相结合。

比较典型的应用，如在城市规划动态监管、城市测绘更新；风景区现状及周边环境的监测与管理，旅游区的发展与规划；通过历史影像和现状影像信息的对比、测量与分析，监控大气、绿地、水系和生态环境等污染情况。《地理信息与规划支持系统》书中以广东珠江三角洲地区为例，利用主成分分析法监测土地利用动态变化。

③空间信息可视化与景观仿真

空间信息可视化是当前城市规划的研究热点，该领域的研究来源于科学计算可视化。在传统城市规划领域，多数规划成果往往是用二维平面图纸或三维模型表达现实的城市空间、规划设计意图，随着计算机图形图像处理技术的发展，空间信息可视化表达不再单纯用纸质或者计算机屏幕静态显示，增加了交互式、动态显示的能力，也就是城市规划领域的空间信息可视化。

三维规划方案审批辅助决策系统主要应用在城市规划领域针对建筑方案的评审管理当中，展示的对象是高层策者、广大公众，他们往往是非专业人士，展示的规划设计方案应该直观、易于理解。可视化表达越接近真实，规划师和决策者、公众之间的沟通效果也越好。三维可视化可以为领导、管理人员、设计师和专家等用户提供服务，系统以涉及到规划方案设计及评审的真实城市为背景，在对方案中涉及到的建筑和环境进行三维仿真建模后，领导、管理人员、设计师和专家等就可以对场景模型进行从单个物体到整个场景、从点到面的准确、有效的分析。以丰富、真实的城市空间数据库为后台，进行准确、快速、有效的互动编辑、空间分析等操作，并可以进行互动展示以及成果输出等。方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理，有利于设计人员与上级领导决策者和其他参与者对各种规划设计方案进行辅助设计与最终方案的评审。《地理信息与规划支持系统》书中举例使用ArcView GIS软件三维可视化技术，反映了设计方案。

目前支持城市规划的商业化的三维可视化软件很多，如图1基于NVP平台实现的三维规划方案审批系统，功能包括快速三维建模、规划信息查询、多方案比较、建筑体量调整、日照分析、通视分析、立面分析、三维测量、规划指标自动计算、二维矢量数据叠加、等多项专业规划管理功能，系统还提供多种三维仿真特效，利用三维虚拟现实技术更直观准确的表达规划效果，为城市规划决策提供支持。

图1三维规划方案审批系统

④规划管理信息业务服务

按中国的城市规划体系，规划的主要业务可分为编制和管理两大部分。城市规划日常业务包括规划编制成果的管理、建设申请审批、规划实施的监督检查、内部业务档案管理、对外信息服务等，这些都需要借助管理信息系统来实施。将GIS与规划管理信息业务系统进行集成，规划管理业务的基础数据更容易入库，方便管理，其充当着空间数库的角色，对规划实施过程中的地理数据进行采集，提供空间查询、属性查询、汇总统计、专题图功能。

⑤地理信息系统与城市规划模型的结合

地理信息系统与城市规划模型的结合可以模拟远景发展设想方案，并将模拟结果以专题图显示出来，便于决策人员理解、作出判断。如借助GIS可预测人口与经济增长，为了估算人口及经济增长的趋势和影响，需建立空间模型模拟他们的空间分布，并对模型结果进行评价。还可以预测，如果当前的发展趋势保持不变，未来的环境会受到什么影响。《地理信息与规划支持系统》书中作者提到了空间相互作用模型、区位配置模型、元胞自动机模型、大尺度城市模型与GIS结合。

空间相互作用模型是城市、区域研究的经典模型，包括一般引力模型、一般潜能模型、空间点的吸引力模型。空间相互作用模型如果借助了GIS，可以利用GIS在空间、属性数据管理功能，可以和其他应用实现数据共享，从而降低数据收集、更新成本。将交通系统用GIS的网格来定义，公路的等级、车速用网络中线段的属性表示，城镇位置用网格上的结点表示，结点的属性可表示城镇的人口、产值、商业设施等，从而灵活、精确地计算交通成本。

区位配置模型是针对寻找城市各类基础设施最佳区位而发展起来的，主要是优化某种设施空间上的配置。优化配置的内涵，不仅指一定范围内或一定人口规模所需要的设施得到优化或数量最优，还应该确定这些设施所处的位置优化或区位优化。区位配置模型与GIS的结合，是解决这类问题的有力工具。通过数据处理、模型运算、专题地图显示，能将资源配置的最优区位呈现给决策者，提供直观、精确的依据。

元胞自动机是一种模拟空间演化过程的模型。由于具有较强的空间动态模拟能力，广泛用于模拟土地利用、监测城市形态变化及其他地理现象。元胞自动机与GIS相结合，增强了GIS的空间模型运算能力，而利用GIS的数据存储和处理优势可以对元胞自动机模型所需要的各项约束性指标提供数据支持和分析处理，也可以利用GIS的图层叠合手段对模拟出来的不同结果进行评价和比较。

大尺度城市模型由人口增长子模型、空间数据库、空间分配子模型、附加/合并子模型组成。GIS与大尺度模型的结合，主要是承担空间数据存储、成果的显示和输出，可模拟区域的增长，也可用于县域和地方增长规划。

四、结语

以计算机为基础的GIS技术的发展，为城市规划行业提供了广阔的应用前景.城市规划行业GIS应用系统的建立，可为城市规划和城市建设提供多专业、多层次和多目标的综合服务，并为领导部门提供辅助决策功能；可提高工作效率，实现管理的科学化和自动化，使城市规划行业的规划管理水平满足现代化城市的需要。