GIS技术概述与在城市规划中的应用-以某城市片区小学布局分析为例

...wd......wd......wd...GIS技术概述及其在城市规划中的应用---以某城市片区小学布局分析为例GIS技术概述及其在城市规划中的应用---以某城市片区小学布局分析为例摘要：GIS技术是当今全球流行的空间数据处理分析和管理的一门科学技术，本文对GIS技术的概念和开展历程做了简单介绍，并概述了GIS技术在社会各方面的应用，尤其是在城市规划行业中的应用，最后以某城市片区小学布局分析为例，用实例介绍了GIS技术在城市规划中的一种分析方法并与传统方法做了比照，以表达GIS分析的科学性。GIS技术的推广对日常生活和工作都有重要的意义。关键词：GIS地理信息系统城市规划应用布局分析1、研究背景自20世纪60年代以来，随着计算机技术的飞速开展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，地理信息系统〔GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS〕技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和承受。近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是1998年初，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心所作的题为“数字地球---21世纪我们这个星球〞的讲话中提出的新概念在全球掀起了“数字地球〞热，使其中的核心技术GIS更为各国政府所广泛关注。2、GIS简述2.1GIS概述2.1.1GIS的定义地理信息系统，有时又称为“地学信息系统〞。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或局部地球表层〔包括大气层〕空间中的有关地理分布数据进展采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进展分析和处理。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作〔例如查询和统计分析等〕集成在一起。GIS是一个不断开展的概念。GIS之父，RogerTomlinson〔1966)最早提出GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。之后，许多学者从不同的角度对其进展了定义。目前，国内许多学者更倾向于美国联邦数字地图协调委员会关于GIS的定义：“由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。〞在英美国家，许多学者提出GIS中的“S〞不仅指“System(系统)〞，还包括“Science(科学)〞，直泽过来即地理信息科学。意思是在地理信息的认识、应用领域不仅要有信息系统技术，还要有相应的学科。2.1.2GIS的构成GIS是由硬件、软件、数据、应用环境等要素组成。〔1〕GIS硬件GIS硬件包括计算机、输入与输出设备、网络通信设备。运行GIS的计算机可以是个人电脑。也可以是大型的多用户超级计算机。运行GIS的计算机一般需要具有较强运算处理能力的CPU、较大的内存，因为GIS数据处理量大，数据处理复杂。运行于网络环境的GIS还需要服务器、磁带库等。输入设备包括键盘鼠标、扫描仪、数字化仪等。输出设备包括计算机屏幕、打印机、绘图仪、光盘、移动存储设备等。网络通信设备将位于不同地点的多个计算机系统连接起来，实现数据的共享和交换，以及功能的互补。这些设备包括网线、光缆、集线器、路由器、交换机、防火墙等。〔2〕GIS软件目前，主流的GIS软件都以空间数据库.为引擎，其系统构造通常有三层：界面层、工具层和数据管理层。界面层由图形用户界面和应用程序接口构成；工具层由数据输人输出以及数据处理分析软件构成；数据管理层用于数据存储和管理。对于单用户的GIS系统，上述三层软件以及数据都安装在同一台计算机内。对于多用户基于网络的GIS系统，界面层软件安装在用户的计算机内，数据管理层的软件以及数据则安装在网络上的服务器中，而工具层的软件则通常安装在服务器中。客户端通过界面层软件向服务器索取数据，或请求解决某一问题，服务器上工具层软件和数据管理层软件执行客户端的请求，然后把数据和问题的解决结果反响给客户端。〔3〕GIS数据GIS数据是GIS系统的核心内容划密切相关的，整个GIS系统都是围绕GIS数据展开的。和城市规GIS数据包括地形图、遥感影像图、地质水义植被土壤等资源环境资料、行政区划、人口分布、规划编制成果、地籍、房产、市政和公共设施、规划审批数据、道路交通等。GIS数据的采集和管理是GIS系统中本钱最高的一项，需要引起建设单位的特别重视。按照国内外的一般经历，规模较大的实用GIS长期运营本钱有着如下关系：硬件本钱<软件本钱<应用开发投人<初期数据采集本钱<日常数据维护本钱如果对GIS数据的采集和管理本钱估计缺乏，就会影响GIS效率的发挥，严重的还会导致GIS无法正常运行。〔4〕GIS方法和GIS人员GIS方法是为解决各种现实问题而提出的各种模型方法。GIS方法是GIS技术产生社会、经济、生态效益的关键所在。GIS人员既包括受过培训的用于管理维护GISS系统的专业人员，也包括使用GIS系统的普通工作人员和民众但知识。后者人数众多，需要特别考虑他们的使用需求。前者人数虽少，水平要求较高，加之GIS技术更新迅速，他们需要不断学习。2.2GIS的开展概述2.2.1GIS在国际的开展历程GIS概念的提出，要追溯到20世纪50年代。1956年，奥地利测绘部门首先用计算机建设了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步开发土地信息系统(LIS)，以用于地籍管理。1960年加拿大测绘学家R.T.Tomlison首先提出了GIS术语，并且建设了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS)，用于自然资源的管理和规划，这标志着GIS的诞生。进入20世纪70年代，特别是80年代以来，由于计算机硬件和软件技术的飞速开展，推动了GIS技术的开展和推广应用。计算机网络技术的开展，使地理信息的传播时效，得到极大提高。国际著名的GIS专家R.T.Tomlison指出:“如果说70年代是GIS开展的稳固时期，那么，80年代则是国际上GIS开展具有突破性的年代。〞进入20世纪90年代，随着GIS产业的建设和数字化信息产业产品在全世界的普及，GIS应用正以超常的速度进入各行各业。因此有人说，90年代是GIS的用户时代。也就是说，GIS在它诞生的几十年里取得了巨大成功，但其巨大潜力在最近十几年才为人们所认识。据统计，世界上约80%的信息资源与地理位置有关，这引起了整个信息技术(IT)产业界的高度重视。跨越21世纪，Internet/Intranet和Web技术的开展开创了以分布式计算为核心的计算机网络新时代，引起了IT产业的重大变革，极大地推动了人类从后工业社会迈向信息社会的进程。同时Internet上的海量信息资源使GIS观念发生重大变化，给新一代GIS带来了巨大机遇和挑战。2.2.2GIS在中国的开展历程大约在1970年代中期，“文革〞尚未完毕，国内就有少数学者接触、尝试计算机地图制图、遥感应用。“文革〞完毕后，特别是改革开放政策的推行，国际上的研究成果、应用经历逐渐影响国内，地图学、遥感应用、测量工程、自然地理这些专业较早涉及GIS，早期应用〔1980年代中-1990年代中〕侧重在自然资源、环境、地图制图，但是也有个别外专业学者主动参与到城市规划领域的应用，为规划专业扩展了视野。1994年，中国地理信息系统协会成立，标志着GIS受到各界的广泛重视。进入21世纪，GIS逐步推广，但是和西方兴旺国家相比，除局部领域有自己的特色，整体应用水平依然落后。例如：数据供给作为根基设施，离应用的需求差距甚远，GIS专业过分依赖测绘、地图学专业，在社会、经济、人文领域的应用偏弱。3、GIS技术应用概述3.1GIS在社会各方面的应用有人曾做过统计，在经济建设和日常生活活动所涉及的信息中，有75%-80%的数据是空间数据。目前，以管理空间数据见长的GIS已经在全球变化与监测、军事、资源管理、城市规划、土地管理、环境研究、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融灾害预测、交通管理、邮电通讯、测绘、应急、石油石化矿产资源评价、文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。以下GIS技术在各自领域内的应用概述：〔1〕资源管理(ResourceManagement)主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源〔如土地、森林、草场〕分布、分级、统计、制图等问题。主要答复“定位〞和“模式〞两类问题。〔2〕资源配置(ResourceConfiguration)在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供给等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。〔3〕城市规划和管理(UrbanPlanningandManagement)空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市根基设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面〔城市资源配置问题〕等。〔4〕土地信息系统和地籍管理(LandInformationSystemandCadastralApplicaiton)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技术可以高效、高质量地完成这些工作。〔5〕生态、环境管理与模拟(EnvironmentalManagementandModeling)区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续开展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。〔6〕应急响应(EmergencyResponse)解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最正确的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。〔7〕地学研究与应用(ApplicationinGeoScience)地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。〔8〕商业与市场(BusinessandMarketing)商业设施的建设充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建设如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法到达预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口构造〔年龄构成、性别构成、文化水平〕、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进展决策和分析。〔9〕根基设施管理(FacilitiesManagement)城市的地上地下根基设施〔电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等〕广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。〔10〕选址分析(SiteSelectingAnalysis)根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最正确位置，是GIS的一个典型应用领域，充分表达了GIS的空间分析功能。〔11〕(NetworkSystemAnalysis)建设交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进展交通规则、处理地下管线突发事件〔爆管、断路〕等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。〔12〕可视化应用(VisualizationApplication)以数字地形模型为根基，建设城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。〔13〕分布式地理信息应用(DistributedGeographicInformationApplication)随着网络和Internet技术的开展，运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航等。3.2GIS在城市规划中的应用近年来伴随着地理信息系统的应用，其已经成为建设数字城市规划的技术平台，是现代城市规划领域中极为重要的管理和分析手段。从理论上来说GIS技术可以应用到城市规划的各个方面，从规划编制到规划管理，从前期资料收集整理到成果出图，从小范围的详细规划到大的区域规划，从综合性的总体规划到专业性的专项规划，从工程选址到可持续开展战略制订等。在国外，GIS技术和城市规划相互结合的研究较为成熟和系统，其已经成为城市规划中重要的信息管理和分析工具。经过多年的实践，GIS在城市规划中的优势在于它将一种科学成分输入到规划的描述、预测和建议中。在我国的城市规划体系中，主要包括城市规划管理和城市规划编制两大方面，GIS在这两方面中有着不同的应用。GIS与城市规划实践相互结合而成为一个强大、灵活的决策支持系统已经取得城市规划管理和编制部门的共识。根据GIS在城市规划的各阶段发挥的作用，大体上可以概括为以下方面：〔1〕现状调研阶段利用GIS管理现状数据(例如土地使用现状数据、道路数据、市政设施数据等)；利用手持GIS设备辅助现场踏勘。融合GPS(全球定位系统)、RS(遥感)和GIS的手持设备(例如GIS手机、PDA)可以告诉规划师所处的位置和周边地理环境，以及相关地理数据，使规划师更快、更准确地掌握现场情况。〔2〕现状分析阶段利用GIS的叠加分析功能，统计一容积率，评价用地的适宜性；制作各类现状图纸；利空间统计功能，挖掘地理事物的空间分布规律；分析空间构造；分析交通可达性和交通网络构造；利用空间相互作用模型分析城镇的吸引力和势力圈，用于行政区划调整；模拟三维地形地貌、虚拟城市场景；分析景观视域；制作城市演变的动画等。〔3〕规划设计阶段和城市演变模型结合起来(例如城市CA模型)预测城市演变；通过多准则决策分析，预测不同政策条件下的川地变化；交通网络的优化；市政和公共设施布局的优化；规划景观的实时模拟；场地填挖方分析；规划制图等。〔4〕规划实施阶段管理规划编制成果、根基地形、市政管线以及相关的各类信息，为规划业务提供信息；利用规划管理信息系统，开展各类建设许可业务；决策时，模拟建设的三维场景，用于多方案选择和方案优化；查验工程申报是否符合相关规划等。〔5〕评价、监视阶段和遥感相结合。监测城市、区域的环境变化；检查建设工程是否符合规划；检讨规划的实施效果等。4、GIS在城市规划中的应用举例---以某城市片区小学布局分析为例城市规划对很多公共服务设施都有服务半径的要求，例如小学的服务半径为500米。传统方法大多以设施为圆心，服务半径为半径，画一个圆，粗略地估计设施的有效服务区域。现在可以利用GIS在模拟现实路网的根基上按照交通距离更准确地模拟设施在服务半径内可以覆盖的区域。对于GIS在城市规划中的应用将选取其在城市公共设施布局优化这一方面，以某城市片区小学布局分析为例去简单介绍。对小学服务的覆盖区域的分析，需要构建所分析城市片区的道路交通网络，在此根基上才能利用Arcgis软件按照小学的服务半径来准确分析实际的服务区域。首先需要由测绘部门绘制的该城市片区路网的cad图，导入到Arcgis中，得到道路交通网络建模的根基底图。图1某城市片区原始道路网数据接下来，对道路交通网络进展简单的建模，主要是对道路网的连通性、通行属性、通行方向限制、路口转弯限制、路口红绿灯等待模拟以及地铁线路和出入口模拟等方面来构建该城市片区的道路交通网络。图2完成建模口的城市道路交通网络道路交通网络构建完成之后，在此根基上进展小学布局情况的分析，并与传统的以服务半径画圆来估算服务区的方法进展比照。接下来，将该城市片区的小学分布的数据导入到Arcgis中的道路交通网络模型中，小学是以点的布局方式呈现在模型中。图3导入小学布局之后的模型最后，利用Arcgis中NetworkAnalyst工具进展小学服务范围的分析，得小学服务半径为500米，最大距离为800米的服务覆盖区域。图4NetworkAnalyst工具分析完成后的模型由分析结果可以看出，基于真实路网模拟下的小学的服务区是不规则的多边形。结果很直观的显示出了小学的服务覆盖情况，深色的区域为半径500米的服务区，浅色的区域为半径800米的服务区，由此可以看出该城市片区的小学服务水平一般，有很多区域没有覆盖。因此，在进展小学布局优化的时候，可以根据分析的结果以及城市规划中用地的性质及人口分布等各方面进展优化。图5传统分析方法的分析结果通过两种方法的比照，发现由GIS分析出的小学服务区为不规则的多边形，多城市的覆盖范围小，服务水平一般，有很多地方800米的服务半径都没能覆盖，这种分析结果更接近现实情况。而传统的分析方法则显示小学服务区为圆形，800米半径的服务区几乎覆盖了所有地区，这样就使得结果不能很好地反响小学的服务范围，也在一定程度上人为扩大了小学服务区的范围。因此，在城市规划中运用GIS技术进展辅助分析等能够帮助规划师和决策者更好的了解现状，以更好的对城市进展优化、设计和管理。5、结论地理信息系统的早期开展在于专业应用，城市规划和GIS相互影响、相互促进。在美国，GIS已成为专业规划师的标准工具，在规划编制、规划管理中得到了广泛应用。相比之下，在中国的城市规划中，GIS尚未被普遍地、实质性地承受，其中除了城市开展阶段、专业制度的差异之外，数据供给缺乏、规划业务粗暴、人才滞后是主要障碍。借鉴美国学者的看法，针对中国的实际情况，我们既要积极应对GIS技术的开展，要在新的技术环境中找出自己的开展道路。参考文献：[1]王树德,柴寿升,刘修军.新一代地理信息系统(GIS)开展趋势浅议[J].海岸工程,2002,02:66-71.[2]王磊,周云轩.21世纪GIS开展趋势及误区分析[J].计算机工程与应用,2002,14:54-57+81.[3]朱欣娟,石美红,薛惠锋,彭文祥.基于GIS的空间分析及其开展研究[J].计算机工程与应用,2002,18:62-63+105.[4]李素,庄大方.基于RS和GIS的人口估计方法研究综述[J].地理科学进展,2006,01:109-121.[5]张平华,李军杰,李云辉.GIS的开展现状及其应用[J].电脑知识与技术,2006,11:186-187.[6]李永浮.GIS的功能与开展趋势探析[J].世界科技研究与开展,2004,05:59-65.[7]张晓瑞,周国艳.GIS在城市规划中的应用[J].地理空间信息,2009,06:64-66.[8]陈大伟,李旭宏,周传明.基于GIS条件下交通规划中的交通网络处理技术[J].公路交通科技,2001,05:64-67.[9]韩笋生,彭震.GIS在国外城市规划中的应用[J].国外城市规划,2001,01:42-44.[10]朱雪欣,王红梅,袁秀杰,侯欣欣.基于GIS的农村居民点区位评价与空间格局优化[J].农业工程学报,2010,06:326-333.[11]黎小东,杨武年,罗智勇,李红霞,敖天其.基于RS和GIS的震后汶川县移民选址方法[J].四川大学学报(工程科学版),2010,05:83-91.[12]陈旸.基于GIS的社区体育服务设施布局优化研究[J].经济地理,2010,08:1254-1258.[13]宋小冬,钮心毅.城市规划中GIS应用历程与趋势——中美差异及展望[J].城市规划,2010,10:23-29.[14]赵薇,耿晴.云计算在GIS系统模型中的应用[J].地理空间信息,2010,06:8-10+14.[15]董亭美.基于GIS的县级土地利用总体规划管理信息系统的应用研究[D].昆明理工大学,2003.[16]杨香花.GIS辅助下的金融网点选址研究——以广州市农业银行网点布局调整为例[D].东北师范大学,2003.[17]闫常鑫.基于GIS的超市选址规划研究[D].西安建筑科技大学,2004.[18]韦玉亭.GIS在现代物流系统中的应用研究[D].东南大学,2004.[19]成礼平.GIS技术在城市交通分配中的应用研究[D].东南大学,2004.[20]胡志杰.基于GIS的配送路径规划方法研究[D].武汉理工大学,2005.[21]王进.基于GIS的公交规划技术研究[D].华中科技大学,2004.[22]张心怡.基于遥感和GIS的上海土地利用/覆盖变化及其热环境效应研究[D].华东师范大学,2006.[23]丁鹏飞.GIS商业网点分析与规划研究[D].华东师范大学,2006.[24]李卓.GIS在山地风景区规划中的应用[D].北京林业大学,2005.[25]贾艳红.基于格网GIS的生态安全评价研究[D].西北师范大学,2005.[26]吴文斌.基于遥感和GIS的土地适宜性评价研究[D].中国农业科学院,2005.[27]常小燕.基于GIS的县级土地利用总体规划管理信息系统的研究[D].山东农业大学,2005.[28]李湘吉.GIS数据空间理论与空间分析算法的研究和应用[D].东北大学,2005.[29]罗文彬.基于位置服务的移动GIS关键技术研究[D].西南交通大学,2006.[30]胡乔利,郭鹏,张志刚.GIS在新农村规划中的应用性研究[J].安徽农业科学,2011,01:611-614.[31]车平川.基于GIS的城市公园绿地布局优化研究[D].南京林业大学,2010.[32]胡萍.基于GIS的城市公交规划技术研究[D].新疆大学,2009.[33]李晓翠.GIS技术在空间选址中的应用[D].长安大学,2007.[34]唐少军.基于GIS的公共服务设施空间布局选址研究[D].中南大学,2008.[35]夏慧君.基于GIS的历史文化遗址空间分布特征研究[D].西安建筑科技大学,2010.[36]江昕.基于GIS的虚拟校园的设计与实现[D].河南大学,2010.[37]易鸿杰.基于GIS的公共停车场选址分析[D].西南交通大学,2013.[38]张雪峰.基于GIS的巩义市农村中小学空间布局分析[D].河南大学,2008.[39]马德涛,王锐,王铮.基于GIS的空间分析及其开展研究[A].中国地理信息系统协会、中地数码集团、北京超图地理信息技术、中国四维图新导航信息技术、北京灵图软件技术、ESRI中国〔北京〕.中国地理信息系统协会第四次会员代表大会暨第十一届年会论文集[C].中国地理信息系统协会、中地数码集团、北京超图地理信息技术、中国四维图新导航信息技术、北京灵图软件技术、ESRI中国〔北京〕:,2007:5.[40]於永东,路明月,许笛,张翔.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2012