優(yōu)化城市：GIS新技術(shù)書寫新藍圖

姜疆

通過不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，在城市規(guī)劃決策管理等越來越多領(lǐng)域勝任更多更復(fù)雜的分析任務(wù)，提供更加客觀準確且及時的分析結(jié)論

近年來，我國進入城市化快速發(fā)展的階段，城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)模達到空前的程度，引發(fā)的種種經(jīng)濟社會問題給城市造成越來越大的壓力，城鄉(xiāng)空間規(guī)劃、決策、管理的工作負荷急劇加重，城市和區(qū)域空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化與應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助規(guī)劃決策管理的需求日趨強烈。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步，GIS通過不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，從而將在城市規(guī)劃決策管理等越來越多的領(lǐng)域，勝任更多更復(fù)雜的分析任務(wù)，提供更加客觀準確且及時的分析結(jié)論。

現(xiàn)象

GIS應(yīng)用范圍越來越廣、程度越來越深

隨著城市規(guī)劃信息系統(tǒng)日益完善，越來越多的規(guī)劃工作者開始將“地理信息系統(tǒng)”（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）應(yīng)用于規(guī)劃編制研究的過程中。

GIS是能夠搜集、存儲、操作、分析、管理，并展現(xiàn)空間或地理數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)?；谟嬎銠C硬、軟件系統(tǒng)支持下，GIS可對整個或部分地球表面（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。GIS自誕生至今，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由自動制圖、資源管理、土地利用發(fā)展到與地理位置相關(guān)的水利電力、環(huán)境保護、金融保險、地質(zhì)礦產(chǎn)、交通運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。

縱觀國內(nèi)近期在將GIS技術(shù)用于規(guī)劃編制相關(guān)領(lǐng)域的研究，大都屬于總體規(guī)劃層面，如：《北京城市總體規(guī)劃（2004-2020年）》中應(yīng)用GIS多因子分析技術(shù)，綜合生態(tài)規(guī)劃對城市空間發(fā)展進行生態(tài)限制性區(qū)分?！渡钲谑谐鞘锌傮w規(guī)劃（2007-2020年）》根據(jù)資源環(huán)境、工程地質(zhì)等城市安全條件，結(jié)合城市可持續(xù)發(fā)展目標，建立評價指標體系，基于GIS進行多因子綜合評價，將城市用地規(guī)劃定為禁建區(qū)、限建區(qū)、已建區(qū)和適建區(qū)，并加強對四區(qū)的空間管制和建設(shè)引導(dǎo)?！稛o錫市總體城市設(shè)計》中利用GIS的空間分析能力，對影響城市環(huán)境的因子進行量化分析與綜合評價，最終建立基于空間分析的高度與開敞度控制模型，為城市總體形態(tài)控制給出理性分析依據(jù)。

在國家發(fā)改委指導(dǎo)下，江蘇，河南，山東等省份依據(jù)主體功能區(qū)的科學(xué)內(nèi)涵和劃分原則，建構(gòu)具有應(yīng)用價值的分類指標體系，并應(yīng)用GIS技術(shù)方法，根據(jù)指標的表征屬性以及分類單元，對指標進行賦值和計算，得出主體功能區(qū)劃的研究成果?！督幨杏蛑黧w功能區(qū)與可持續(xù)性發(fā)展研究》以GIS技術(shù)為平臺，將江陰市的幾十種社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和十余種自然地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一落實到單元中，進行綜合分析計算，將江陰市按行政區(qū)域界限劃分為適合建設(shè)、優(yōu)化建設(shè)、限制建設(shè)、禁止建設(shè)四種主體功能區(qū)。《京杭大運河遺產(chǎn)保護規(guī)劃—常州段》建立了“大運河常州段歷史遺產(chǎn)”數(shù)據(jù)庫，以此為基礎(chǔ)分析運河及其周邊的地理、社會、經(jīng)濟數(shù)據(jù)，綜合判斷大運河及其周邊遺產(chǎn)的價值，探索合理保護的方法。

在城市空間分析與管理方面，GIS分析的對象是城市及區(qū)域空間的多種實體數(shù)據(jù)（如建筑、地塊、街道等）及其關(guān)系，通過分析城市空間分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策、管理問題。在城市空間的規(guī)劃與設(shè)計當(dāng)中，可首先建立一個地理數(shù)據(jù)庫，然后用GIS進行各構(gòu)筑物的規(guī)劃、選址，等等。

GIS具有計算機輔助設(shè)計的功能，能為設(shè)計人員提供車道、交叉路口等的設(shè)計工具，為城市空間的優(yōu)化設(shè)計提供方便，大大提高了規(guī)劃的工作效率，使規(guī)劃研究人員從繁重的設(shè)計工作中解脫出來，將主要精力投入于方案的綜合比選分析中。同時，GIS可直接用計算機對模型圖進行各種修改，且非常簡單明了，可提高規(guī)劃設(shè)計的速度和質(zhì)量。GIS在規(guī)劃設(shè)計中主要解決了信息管理、提供分析工具并滿足決策的要求。

背景

城市結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求讓GIS彰顯神通

在中國經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，我國城市空間結(jié)構(gòu)劇烈演變。一方面是城市空間向外的迅速擴展，其表現(xiàn)為用地擴展規(guī)模大，速度快；另一方面是城市空間內(nèi)部的急劇變化，表現(xiàn)為城市空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和空間結(jié)構(gòu)的多樣化。同時，城市界限日益模糊，主要表現(xiàn)為城市和鄉(xiāng)村的交錯。

我國城市空間結(jié)構(gòu)的這些新特征，是在中國長期片面追求經(jīng)濟增長的制度機制下產(chǎn)生的。由于對社會、生態(tài)等外部成本的忽視，不可避免地出現(xiàn)了一系列“城市病”，對我國城市的進一步發(fā)展，乃至整個國民經(jīng)濟社會的健康和諧發(fā)展，造成了很大的威脅。

現(xiàn)在，通過城市空間結(jié)構(gòu)的改善實現(xiàn)城市全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，就是要在城市轉(zhuǎn)型發(fā)展的背景下，實現(xiàn)優(yōu)化城市空間的結(jié)構(gòu)。眼下，我國城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括兩個層面的內(nèi)容：平衡城市結(jié)構(gòu)和重塑城市空間。

東南大學(xué)建筑學(xué)院城市規(guī)劃系熊國平教授指出：平衡城市結(jié)構(gòu)主要是從改善城市結(jié)構(gòu)失衡現(xiàn)狀的角度出發(fā)，實現(xiàn)城市內(nèi)部各要素之間的均衡，像新區(qū)和老城的均衡發(fā)展，公共服務(wù)設(shè)施的均等化，以及如何實現(xiàn)城市與郊區(qū)、開發(fā)區(qū)與周邊的融合。

伴隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模迅速擴大，城鎮(zhèn)化進程不斷加快，引發(fā)的種種經(jīng)濟社會問題，給城市造成越來越大的壓力，很多城市選擇建設(shè)新區(qū)，緩解老城壓力。一方面，處于城市中心地帶的老城通常愈來愈難以滿足居民的生活要求，尤其是無法與周邊新區(qū)的快速發(fā)展相匹配，而全國各地的舊城區(qū)改造往往是“大拆大建”，導(dǎo)致老城原有肌理，包括很多珍貴的歷史遺跡，都遭到嚴重的破壞。另一方面，新區(qū)建設(shè)主要來自于對已有開發(fā)區(qū)或其他城市功能區(qū)的重構(gòu)和二次開發(fā)。然而，開發(fā)區(qū)和新區(qū)在開發(fā)初期通常都功能單一，例如依靠工業(yè)發(fā)展起來的經(jīng)開區(qū)、只具備居住功能的大型住宅區(qū)，這些區(qū)域功能的單一化導(dǎo)致其缺乏活力，造成建設(shè)浪費，以及形成“鐘擺式”交通。

公共服務(wù)設(shè)施方面，有的城市在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃情況下，公共設(shè)施建布局不合理、等級劃分不清淅，相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)資源集中于部分地區(qū)，而忽視了大多數(shù)群眾的需求，有的城市在政府引導(dǎo)缺位和經(jīng)濟利益作用背景之下，高檔場所重復(fù)建設(shè)而公益性公共設(shè)施不足……一系列構(gòu)成公共設(shè)施和服務(wù)種類不全、分級不清、體系不健、質(zhì)量不佳、分布不均的問題，也對社會經(jīng)濟、文化生活的進步產(chǎn)生相當(dāng)程度的阻滯。

多年以來，城市邊緣區(qū)是城市空間擴張影響最集中的地方，受城區(qū)與農(nóng)村兩股力量的交互影響作用，在缺乏統(tǒng)一管理和有力領(lǐng)導(dǎo)之下“任性”發(fā)展，使得城市邊緣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用地?zé)o序蔓延，土地利用效率低下；同時，開發(fā)區(qū)的地理邊界幾乎是嚴格封閉的（大部分開發(fā)區(qū)都是具有明確管理范圍的獨立行政區(qū)），忽略了與其周邊地區(qū)的聯(lián)系，與周邊地區(qū)缺乏充分的協(xié)作和溝通，使得開發(fā)區(qū)呈現(xiàn)一種封閉式的高速發(fā)展，在空間上成為“孤島”，而開發(fā)區(qū)周邊地區(qū)由于缺少經(jīng)濟活力，發(fā)展緩慢，產(chǎn)生了區(qū)域增長的額“斷層”。

重塑城市空間是眼下優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)另一關(guān)鍵措施。熊國平教授指出，中國城市發(fā)展的多元化和多邊形，減弱了城市形態(tài)的自組織能力，城市要素構(gòu)成更為復(fù)雜、無序，導(dǎo)致城市空間失當(dāng)。重塑城市空間就是梳理各類城市構(gòu)成要素，完善各類城市空間功能，在城市建設(shè)中實現(xiàn)社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。重塑城市空間主要包括：保護生態(tài)空間、完善休閑空間、混均居住空間、升級產(chǎn)業(yè)空間、共享交通空間等。

焦點 GIS既有的優(yōu)勢和不斷增強的優(yōu)勢

在GIS技術(shù)應(yīng)用于城市空間信息管理之前，城市規(guī)劃師主要使用計算機輔助設(shè)計軟件（computer Aided design，CAD）來處理空間信息。實際上，CAD目前仍然是國內(nèi)規(guī)劃制圖時使用最普遍的軟件。常用的CAD軟件主要有AutoCAD MicroStation等。

CAD與GIS的基本原理迥異，盡管兩者都有坐標系統(tǒng)，但CAD把世界看成是一個立方體，而GIS把世界看成一個球面。CAD的主要優(yōu)點是編輯功能非常強大，可以非常方便地對研究對象進行拉伸、剪裁、復(fù)制，等等。相比而言，GIS的制圖編輯功能則較弱。不過，CAD的主要功能在于輔助空間圖形處理，其數(shù)據(jù)模型缺乏對屬性數(shù)據(jù)的支持，因此在數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計和查詢等方面遠不如GIS。

GIS在城市空間分析與管理方面的應(yīng)用具有非常顯著的優(yōu)勢。GIS把其分析對象的空間位置和特征屬性關(guān)聯(lián)起來，極大方便用戶查詢“在什么地方某分析對象有什么特點”。GIS對空間分析對象的統(tǒng)計、分析功能極其全面，比如查找適宜位置，進行出行成本分析，確定兩個位置間的最佳路徑等。

美國北卡羅來納大學(xué)城市與區(qū)域規(guī)劃系的相關(guān)學(xué)者指出：GIS具備空間數(shù)據(jù)庫的概念，可把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)捆綁起來，創(chuàng)建中心數(shù)據(jù)庫來儲存和管理這兩方面信息（用戶可以通過電腦桌面、服務(wù)區(qū)或移動環(huán)境調(diào)用和存儲這些數(shù)據(jù)）；GIS具備強大的空間分析功能，并且，其空間分析功能的開展是基于統(tǒng)計及數(shù)學(xué)的一系列量化模型，從而可對空間現(xiàn)象進行準確的描述與預(yù)測，并輔助城市空間政策的科學(xué)化決策。GIS可以提供對數(shù)據(jù)執(zhí)行完整性檢查的機制，由于其可進行拓撲分析，此外，還可以使用拓撲為要素之間的空間關(guān)系建模、為多種分析（如查找相鄰要素、處理要素間的重疊邊界，以及沿連接要素進行導(dǎo)航）提供支持；GIS可以高效快捷地對一個要素生成多張專題地圖（例如人口圖、經(jīng)濟狀況圖、設(shè)施數(shù)量圖，等等），由于GIS的一個空間要素常常對應(yīng)多個屬性（譬如街道邊界對應(yīng)的街道人口、經(jīng)濟狀況、設(shè)施數(shù)量，等等）。

當(dāng)前，新互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨更強化了GIS在信息查詢方面的優(yōu)勢。很多城市或區(qū)域建立了在線交互式GIS信息共享平臺，這些平臺不但允許廣大公眾查詢空間信息（如城市街道便利程度評分、地塊法定用途，等等），用戶還可以根據(jù)這些平臺提供的人口、經(jīng)濟、社會等方面的GIS數(shù)據(jù)繪制專題地圖。

隨著大數(shù)據(jù)的深化發(fā)展，越來越多的GIS網(wǎng)絡(luò)互動平臺更是允許用戶利用移動終端隨時隨地產(chǎn)生新的空間信息并上傳至平臺（如行為蹤跡、服務(wù)評價，等等），進一步擴展了交互式GIS數(shù)據(jù)庫的信息量及用途。

同時，GIS可結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)使方案的篩選、優(yōu)化顯得非常形象、直觀，直接用計算機就可對模型圖進行各種修改（如各構(gòu)筑物位置的布局、規(guī)模的大小、與其他構(gòu)筑物的連接方式等），且非常簡單明了，可提高規(guī)劃設(shè)計的速度和質(zhì)量。

此外，GIS還通過多種途徑與許多相關(guān)專業(yè)軟件實現(xiàn)了融合。ESRI公司開發(fā)的ArcGIS就成功地使GIS與CAD在采用通用的存儲環(huán)境等方面實現(xiàn)了完美融合。ArcGIS與城市建模軟件也能實現(xiàn)內(nèi)嵌、耦合。（見表格）

啟示

利用GIS更好地為城市結(jié)構(gòu)優(yōu)化服務(wù)

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步，GIS不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，其優(yōu)勢難以盡數(shù)，而相關(guān)學(xué)者更加重視的是如何利用GIS更好地為城市結(jié)構(gòu)優(yōu)化服務(wù)。

在規(guī)劃編制階段，規(guī)劃部門需要根據(jù)城市一系列現(xiàn)狀特征和發(fā)展趨勢對城市空間進行合理布局，確定土地使用性質(zhì)和強度。GIS的數(shù)據(jù)庫和空間查詢統(tǒng)計功能可以幫助規(guī)劃師掌握城市社會、經(jīng)濟、人口、交通、土地權(quán)屬等現(xiàn)狀，并對未來的城市功能的空間分配進行規(guī)劃；GIS的空間統(tǒng)計分析功能可以幫助規(guī)劃師估測不同城市土地利用的規(guī)劃方案給土地資源、環(huán)境和交通帶來的影響；GIS的可視化表現(xiàn)功能可以幫助規(guī)劃師快速生成情景規(guī)劃圖，并向公眾展示這樣的結(jié)果，有助推動規(guī)劃編制階段的公眾參與。

在規(guī)劃管理里階段，規(guī)劃部門不僅要對一些常規(guī)項目進行精細化管理，還要對一些突發(fā)問題進行快速判斷和行動。西方發(fā)達國家的很多城市建成GIS土地及建筑信息集成系統(tǒng)，儲存地塊及地塊上建筑物的權(quán)屬、擁有人或使用人、法定使用強度及用途、土地保護（或限制開發(fā)）政策、土地價值、交易、功能轉(zhuǎn)換等信息。這個系統(tǒng)集成管理分散在不同政府部門（如規(guī)劃、國土、環(huán)境部門等）的關(guān)于土地利用的信息，支持對應(yīng)不同管理任務(wù)的統(tǒng)一決策。這樣的信息系統(tǒng)可大大方便規(guī)劃業(yè)務(wù)審批。例如，在城市建設(shè)與改造項目報建審批過程中，可通過土地及建筑信息集成系統(tǒng)對申請工程項目進行準確定位，并查詢其允許功能、所受環(huán)境保護政策限制等，輔助規(guī)劃審批工作。GIS系統(tǒng)還可以積極響應(yīng)臨時突發(fā)任務(wù)要求，通過圖文互查、統(tǒng)計分析等支持快速決策。例如，一些城市建立GIS應(yīng)急信息處理系統(tǒng)：社區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)、暴力等緊急事件，智能視頻監(jiān)控馬上將感應(yīng)到的信息傳輸?shù)紾IS應(yīng)急信息處理系統(tǒng)上，并迅速激活對話框顯示預(yù)警信息及應(yīng)急預(yù)案，幫助救援人員迅速開展救援行動。

在規(guī)劃評估及反饋階段，GIS可幫助規(guī)劃師掌握土地利用的動態(tài)變化信息，判斷城市發(fā)展的實際速度和規(guī)模與規(guī)劃的偏差。通過比較不同年段反映城市發(fā)展的GIS數(shù)據(jù)（如土地利用、植被等），可清晰查看現(xiàn)狀與規(guī)劃愿景之間的差異。GIS的空間分析功能還可幫助規(guī)劃師對土地利用密度等土地指標、城市交通可達性等城市關(guān)心的指標進行計算，從而判斷城市發(fā)展狀況是否達成規(guī)劃目標，為下一輪城市規(guī)劃的編制提供有效的反饋信息。