城市信息系统(第一章)

河南大学环境与规划学院主讲教师：王海鹰第一讲绪论公众生产、生活的信息80%与地理空间位置有关“数字城市”本质上是建设以信息基础设施为核心的完整的城市信息系统体系，即积极利用现代高科技手段，建设空间信息基础设施并在此基础上充分采集、整合和挖掘城市各种信息资源，建立面向政府、企业、社区与乡镇的公众信息服务平台、信息应用系统和政策法规保障体系,从而提升和改善城市的各项机能，为新型城市化的可持续发展和城市规划、建设、管理与服务水平的提高提供支撑和保障。城市地理信息城市地理信息城市地理信息研究范围划分城市地理信息的特征城市地理信息概述城市是一种超大型的、复杂的人文与自然的复合系统，是人口、资源、环境和社会经济要素高度密集的、以获得综合集聚效益为目的地理综合体。城市概念地理信息概念地理信息:地理信息是对表达地理现象的地理数据的解释，地理现象可以从不同侧面进行描述，形成不同类型的地理数据，通常分为几何数据、属性数据和时间数据，分别描述地理现象的空间位置、属性特征及时间特征三个侧面。几何数据：地理现象的空间位置、空间形态、空间关系等方面。属性数据：又称非空间数据，是描述地理现象专题性质的定性或定量数据。时间特征：地理数据采集或地理现象发生的时刻、时段，以及地理现象的动态变化。城市地理信息概念城市地理信息:城市地理空间分布有关的各种要素的图形信息、属性信息以及相互空间关系的总称，是有关城市地理实体的性质、特征和运动状态表征的一切有用的知识城市地理信息研究范围划分城市地理信息以复杂的城市社会、经济、历史、文化等的空间表达为主要研究对象，因而需要引入更为宽广和更为深入的系统分析观点。城市信息范围分为宏观、中观、微观三个层次宏观层次城市看成是区域空间的一个点、增长中心或核心中观层次对应于城市市域、城市本身、城市中的区，将城市本身看成一个面；对应于城市市域、城市本身或城市中的一个区。微观层次对应于街区、规划小区，将城市看成一种立体空间城市地理信息的普遍特征空间分布特征：离散分布的城市地理信息（离散性质：居民点、商业网点等）连续分布的城市地理信息（连续性质：地面高程、气温、雨量等）多维结构特征：同一XY位置上具有多个专题和属性的信息结构，如某一点的高程、地耐力、噪声、污染、交通等多种信息。时序特征:动态变化特征，及时更新采集数据，预测预报。城市地理信息划分基础地理信息包括各种平面和高程控制点、建筑物、道路、水系、境界、地形、植被、地名及某些属性信息等，用于表示城市基本面貌并作为各种专题信息空间位置的载体；专题地理信息各种专题性城市地理信息，包括城市规划、土地利用、交通、综合管网、房地产、地籍、环境等，用于表示城市某一专业领域要素的空间分布及规律。城市地理信息的基本特征数据量大

具有空间特征，时间特征，容量很大、具有不同时间版本。数据分布不均匀

空间分布不均匀，大都市复杂，中小城市简单。拓扑关系复杂

复杂的空间关系，建筑物与街道的邻接关系、公路城市穿越关系等。多重属性结构同一城市地理现象有多方面属性特征：如城市属性包括面积、人口、工业产值等不同城市地理现象占据同样空间位置，地理现象在空间位置上的重叠和部分重叠。城市地理信息的基本特征多尺度特征

同样的地理现象，如采用不同尺度来研究，研究的结果往往也会不同。所以，一定要采用合适的尺度来研究。时空尺度：市域尺度、城区尺度、街区尺度、甚至到楼幢和门牌号、等。时间尺度：不同时期的城市遥感影像、城市地形图，城市政区图。数据来源多样化

地图数字化、实测数据、试验数据、遥感与GPS数据、统计普查数据、理论推测与估计数据、历史纪录数据等。多种数据需要预处理。表现形象性利用地图进行城市空间信息可视化，直观反映城市地理信息。电子地图、三维地图等多种表现方式，丰富了城市地图的内容。城市地理信息的认知客观性与抽象性的认知客观存在性是指地理信息是地理客体存在方式、运动状态和属性的反映，是识别地理信息的客观依据。抽象性是指地理信息已经摆脱了地理客体本身，是地理客体的抽象化，表现为符号、形状、公式、数字等。时空统一性的认知时空特征，空间的差异、时间过程的不同空间特征是区别于其他信息的标志时间特征，随时间变化，阶段性、周期性、顺序性、不可逆性。城市地理信息的认知可存储性与可传输性的认知地理信息的可存储性与可传输性是指借助于一定的载体可以对地理信息进行记录并借助一定动力进行传输的。可度量性与近似性的认知可度量性信息是可以度量的，按照ClaudeShannon的观点，信息量的大小通常用熵表示：H(x)为信源熵，Pi是大于0小于1的概率值，信息量越大，负熵越大。城市地理信息的认知可度量性思考下面三幅图信息量的大小？？像素值全为0像素值全为255遥感灰度影像在图像中，Pi是某个像素值出现的概率。城市地理信息的认知可转换性与可扩充性的认知可转换性表现在地理信息的产生和形式的转换。可扩充性人们在认识地理客体本质属性的过程中，有一个不断深化、不断扩充的过程。例如：在规划城市商业网点时，按通常概念商业网点分布的疏密程度与人口分布的密度有关。通过进一步分析和研究发现，商业网点分布的疏密程度还与道路的通达情况、商业的性质有关。再进一步分析和研究还可以发现商业网点分布的疏密程度与居住在不同城区居民的文化程度、居民的生活习惯、民族分布等诸多方面因素有关。城市地理信息的地位和作用国家政策：《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》、《国务院关于促进地理信息产业发展的意见》将地理信息产业提升为国家战略。机构设置：国家测绘局更名为国家测绘与地理信息局产业发展：2011年中国地理信息产业1500亿元，十五期间年均增长超过25%。十二五期间，地理信息产业将保持总产值25%以上的年平均增长率，到2020年形成万亿元的年产值。数字城市的实施：截至到2012年上半年，全国启动数字城市建设的城市已达到267个，占比80%，增幅为20%，其中，东北、华东等地区的发展力度最大。城市地理信息的地位和作用城市地理信息的作用主要表现在以下几个方面：可以把城市地理空间及其过程进行压缩，重视城市的过去，预测城市未来发展态势。实现地理信息的采集、传输、预测预报和决策一体化，使决策反馈周期缩短，使验证成为可能。为解决城市发展诸多问题，提供空间数据基础，实现数据的融合、知识的挖掘。可预见的实现途径是“数字城市/智慧城市”城市地理信息的研究意义城市规划、建设与管理城市规划管理信息系统、规划管理数据库、规划业务一站式服务平台、规划评估与趋势预测等。城市化与城市可持续发展解决城市化发展带来的一系列问题：布局混乱、环境危机、资源危机、耕地浪费等。广义建筑学与周围环境的协调，实现人、建筑、自然环境的动态、和谐发展。小城镇规划与建设构建小城镇发展规划的空间格局，城乡一体化、城乡统筹城市住宅产业发展社区规划设计、房地产评估、房地产三维浏览系统、地价评估社会与公众服务导航、安保、应急、旅游、公共卫生服务等。信息技术在城市规划管理中的应用辅助城市规划师完成城市规划、详细规划等，主要模型有：优化分析模型可用于城市功能区的划分、选址、规划方案的评价、土地评价、环境质量评价等。比较分析模型

主要目的是反映城市的空间发展与变化特征，即同一地区、不同时间的城市土地利用栅格层，经比较分析后不但要能反映变化数量，而且要能反映变化的空间位置和分布。规划者与管理者可从数量和空间位置两方面了解城市发展的趋势。聚类与统计模型

聚类分析主要针对栅格数据的再分类和多层栅格叠置结果的再分析等操作。统计模型包括单因素不同状况的统计，多因素交叉统计，频率统计等简单运算和统计学涉及的多种统计与检验模型。预测模型根据一定数字模型，估算人口、用地、经济发展规模。结合CA，多智能体在空间上进行分布预测。城市地理信息系统的形成与发展城市地理信息系统（UGIS，UrbanGeographicInformationSystem）是融计算机图形和数据库于一体，储存和处理空间信息的高新技术。它把城市的地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的要求，同时借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。UGIS在城市中得到了广泛的应用（行业的信息分析、政府、企业、个人的数字化生存、共享与服务），随着数字城市的进一步发展，城市不再是工厂、住宅、道路等的简单空间组合体，而将是一个在计算机网络、电子通信技术控制下的复杂生态系统，UGIS将成为城市复合生态系统的神经中枢。UGIS的功能从数据处理分析和表达的技术角度

概括为数据获取、转换和编辑、数据重构和转换、数据分析与表达、查询检索以及成果输出等六种主要功能，这是面向城市地理信息系统专业人员的概括；从用户应用的角度

从用户使用UGIS对城市进行管理与规划的角度去描述，可概括为三种功能：管理功能

建立城市地理信息系统，实现各种信息的数字化、标准化和计算机化，从而达到统一管理、数据共享和促进办公自动化目的，实现信息的快速查询检索、实时交换以及可视化表达和输出，逐步形成一个以计算机为核心的城市动态管理系统，对城市实行现代化管理。UGIS的功能评价分析功能

通过建立不同的分析模型和辅助决策支持系统，对城市某单一或综合性问题，如交通网络、投资环境、规划管理、企业选址或工程效益等，进行综合评价分析，提出方案，供主管部门决策参考，也包括应付一些突发性事件，如城市洪水、火灾等灾害，也可通过相关的分析评价，作出快速反应。规划与预测功能

根据城市现状、发展趋势和潜在能力等综合因素，通过不同预测模型来展现可能的前景，供中长期规划和宏观调控作参考之用，UGIS是支持这种规划与预测功能的有力工具。UGIS的历史和现状从地理信息系统在城市管理、规划和辅助科学决策的应用角度来看，其历史进程一般如下文所述：首先是应用于静态的城市资源管理，如建立城市的基础地理信息数据库、地籍数据库和地下管网数据库等，实现城市资源的计算机管理。在登录、查询、检索和图形输出等方面，比传统工作有了很大的提高。（建立信息系统）然后，面向城市规划，推进办公自动化，扩大服务范围，提高城市动态模拟和监测的能力，初步实现对城市的规划管理和评估分析。（提高应用能力）第三步是面向城市可持续能力的建设，随着城市化的不断发展，城市群落逐渐形成，城市发展由速度向质量的转型，网络化管理和动态调控需求增加，以及遥感、全球定位系统、计算机和网络通讯技术的进步和综合应用，城市地理信息系统因其具有动态监测管理和宏观调控能力，必然在城市持续发展能力的建设上日益发挥其龙头作用。（宏观、全面、智能、大数据量处理、面向服务）UGIS的历史和现状国外“数字城市”的发展历程和趋势，大体经历四个阶段：（1）信息基础设施建设阶段；（2）政府、企业的信息系统建设阶段；（3）信息系统的相互联通阶段；（4）以数字社区为代表的信息资源共享和深度应用阶段。就目前总体状况而言，大部分国家处于前两个阶段，少数发达国家已基本完成前三个阶段的发展，正在向第四阶段迈进。UGIS的历史和现状国别启动时间建设特点电子政务与公共服务情况美国1993年由政府主导建设，重视信息基础设施建设，首先实现电子政务，再逐渐向公众一站式服务方向发展。空间数据丰富,服务规范和应用领域广泛和深入,服务和产品商业化程度高,普及程度高。日本2000年加强组织领导，实施城市信息化战略。较早完成地理空间信息基础设施建设，注重面向公众的信息基础设施建设。重点实施电子政务，电子政务与公共信息服务同时推进。减少数字鸿沟，让城市信息网络服务惠及每个市民信息基础设施发达，较早实现了电子化、无纸化办公。“数字社区”逐步形成。德国1999年由国家主导率先推行电子政务，有计划实行全国的电子政务整合。重视电子商务的发展。电子政务重视为企业服务，通过电子政务，采用先进的通信技术，努力促进电子商务的发展。新加坡1986年政府强势主导，推进电子政府建设。重视信息通信基础设施建设，建立联系政府、公民、企业的电子社会。提升资源整合的能力，实现城市综合信息共享和网络的融合。已经建立电子政府，政府、公众、企业的沟通通过信息通信技术更联系紧密起来，通过深度整合电子政府，向智能化国家的目标迈进。重视和加强政府主导，积极引导市场参与。以电子政务作为突破口，加快推进数字城市建设。加强基础设施建设，整合信息资源，消除数字化鸿沟。UGIS的历史和现状部门建设模式示范城市住房与城乡建设部城市规划、建设、管理与服务的数字化；综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务。北京、武汉、宁波、杭州等测绘地理信息局海量城市空间数据与三维城市地理信息系统、时序城市地理信息系统的融合；建设空间信息基础设施，进一步深化和完善城市地理信息系统建设，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。郑州、佛山、泰州、潜江等工业和信息化部通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源，实现城市经济信息化，建立城市电子政府、电子商务企业、电子社区；并通过发展信息家电、远程教育、网上医疗，建立信息化社区。鄂尔多斯东胜区城市规划与管理的数字化城市地理空间框架的搭建就国内情况看，北京、上海等大城市起步较早，就全国而言，发展很不平衡，基本处于起步阶段。数字化系统的建设与集成UGIS的框架结构体系UGIS的框架结构应该包括以下三层：基础层

即基础信息子系统，主要包括大比例尺（例如1：500—1：2000）地形图的地形要素，为所有专题子系统提供统一的空间定位基础；这类数据库应由市政府支撑建立，垄断发行权，不准重复建设。专题层

即公共基础加专业信息形成的专题信息子系统，一般应首先发展城市土地、城市规划、城市交通、市政建设等带有专题基础作用的子系统。综合层

即最上层的城市综合地理信息系统，从开始建设地理信息系统之日起，理应对它有所考虑，但要等到基础层和专题层建成之后，方能着手进行。综合层对城市的综合规划、管理和决策有着重要意义。UGIS的框架结构体系UGIS的框架结构体系要素提取、加工数组重组、产品制作数字正射影像图数字线划图影像地图电子地图三维景观地理信息公共平台WFS、WMS

WCS、…应用系统数字高程模型基础地理信息数据库面向服务的产品数据UGIS的框架结构体系哇！真方便，点点鼠标就能查到各部门数据了！公安局房产局公用事业局规划局市政府旅游局国土局公共服务平台旅游地理信息系统搭建式综合式金土工程应用系统领导决策支持系统嵌入式房产信息服务系统接口式地名管理信息系统还能快速搭建应用系统呢！UGIS与GISUGIS是基于城市空间的地理信息系统，是地理信息系统在城市规划、建设和管理中的综合应用。其内容涉及城市和区域的各种社会、经济和环境要素以及人类大部分社会活动。UGIS具有下面一些主要的特点：数据类型的多样性和服务对象的多层性。

基础地理数据、各种专题数据、社会经济统计数据等。政府、企业、公众的需要，管理、评价、规划、预测的需要。精度高、现势性强。

UGIS是地理信息系统在大比例尺地学中的应用。例如，它用于房地产和地籍的管理，为此要采集和处理宗地数据，其精度要求甚高。另外，城市化进程和城市发展加快，对信息更新的时效性要求也随之提高，已经提出“逐日更新”的要求，以确保系统内信息良好的现势性。UGIS与GIS模型化、智能化和多功能性。

UGIS既要实现管理现代化，又要实现策略的制订和优化，它必然要有一整套分析、评价、预测和优化的模型，并具备管理、评价分析和预测预报等多种功能，它比一般地理信息系统应有更综合和更高级的智能化需求。与办公自动化的一体化。

城市政府业务部门的办公自动化是UGIS应具备的功能之一，也是确保UGIS具有生命力和信息更新能力的一个非常重要的途径。因此，政府职能部门的办公自动化最好能充分应用UGIS的技术，并形成一体化的系统结构。UGIS的特点严格的层次结构和高度统一的规范标准

城市的职能部门很多，结构相对复杂。因此，对于一个UGIS，从其底层的基础地理信息子系统，到中层的各种专题子系统和高层的综合子系统，在