GIS在產業(yè)園空間組織中的應用研究進展

李東和劉春路趙繼龍孔亞暐

(1.迪肯大學建筑與環(huán)境學院，澳大利亞 維多利亞州 吉朗 3216；2.山東建筑大學 建筑城規(guī)學院，山東 濟南250101)

0 引言

現代產業(yè)園區(qū)是區(qū)域經濟發(fā)展及產業(yè)調整、升級的主要空間聚集形式，擔負著聚集創(chuàng)新資源、培育新興產業(yè)、推動城市化建設等一系列的重要使命[1]。產業(yè)園的空間組織是產業(yè)、產業(yè)鏈、產業(yè)組織在產業(yè)園區(qū)空間內進行更加合理布局與集聚的過程[2]。產業(yè)園空間組織與設計是產業(yè)園建設的核心內容。

隨著我國城市化快速發(fā)展的進程，中國目前正處于產業(yè)園發(fā)展建設的高潮時期，國內大多數城市內各種產業(yè)園開始興建，產業(yè)園區(qū)的空間規(guī)模不斷擴大，進入了產城融合的發(fā)展模式[3]。為了適應產業(yè)園區(qū)的快速發(fā)展，能夠更好地指導園區(qū)空間組織及開發(fā)建設，迫切需要針對產業(yè)園區(qū)空間主體多元化、空間綜合化的更高、更新的發(fā)展需求，做出相應科學、合理、可操作的空間組織響應，尤其是對產業(yè)園空間組織規(guī)劃與設計方案的水平質量、科學性和可操作性都提出了更高的要求。為此，尋求一種科學、理性的手段和技術作為三維以及產業(yè)園空間組織與設計方案的強有力的支撐和支持，已成為迫切需要研究的重要課題[4-5]。

地理信息系統(tǒng)GIS(Geographical Information System)可以利用其強大的空間分析功能和三維模擬功能，不僅可以實現空間數據與屬性數據的有機結合，更為設計人員提供了一種非常有效的分析工具與輔助決策工具[5]。能夠在很大程度上幫助設計人員對產業(yè)園空間組織設計進行直觀、理性的模擬、選擇和評估，從而有效改善傳統(tǒng)產業(yè)園空間組織中重文本、圖形以及定性分析和定量分析脫節(jié)的缺點。

文章闡述了GIS技術在產業(yè)園空間組織中應用的意義與價值，概述了 GIS的概念與內涵、構成和類型，總結了GIS技術的基本功能和應用功能，分析了GIS技術在產業(yè)園空間組織中的應用前景與優(yōu)勢。以期對GIS技術在產業(yè)園空間組織中的應用提供一定的借鑒和參考。

1 GIS技術在產業(yè)園空間組織中應用的意義與價值

1.1 傳統(tǒng)產業(yè)園的空間組織存在的缺陷

產業(yè)園的空間組織研究的內容是城市要素和各種產業(yè)園的空間要素在三維立體中組成的產業(yè)園空間結構的研究。目前，產業(yè)園區(qū)正在經歷由傳統(tǒng)的、單純以生產要素聚集的工業(yè)園區(qū)模式向以研發(fā)、生產、生活、生態(tài)等復合要素聚集的產業(yè)新城模式轉變[6]；隨著產業(yè)園的發(fā)展越來越反映了傳統(tǒng)產業(yè)園的空間組織的不足，主要表現在以下2個方面[7]:

(1)收集和處理資料 由于產業(yè)園空間組織的前期基礎資料繁多復雜，設計人員需要事先向有關部門收集相關自然、地貌、水文氣象等基礎資料，再經過實地調研與現場拍照，或通過網絡、圖書等查閱等收集相關資料，但是此種資料收集的方法存在以下局限性:

①由于文件資料來源多樣，導致時間、格式、版本等不同，如果要實現文件資料之間的匯總和分析，是相當繁瑣、費工費力的工作。

②由于基礎數據數量龐大而且復雜，其在設計人員使用時不便于管理與查找，非常容易出現“見過卻找不到”的狀況。

(2)空間組織方案設計 傳統(tǒng)的產業(yè)園空間組織方案設計往往是憑借設計專業(yè)人員的專業(yè)知識背景和設計經驗來組織空間布局或者以自己的創(chuàng)意理念來進行空間組織的創(chuàng)作。此種背景和方式下進行的空間組織設計方案缺乏理性的、科學的手段做支撐，存在著與城市發(fā)展銜接不暢、各功能之間缺乏銜接、各要素缺乏有機整合、沒有與城市配套設施相結合等諸多問題，極大降低了空間組織的科學性[6-8]。

而GIS技術是將圖形和屬性數據庫融于一體的計算機技術，通過GIS技術強大的數據及空間分析和處理的能力，不僅可以有效的管理與處理海量空間數據，而且可將空間數據和屬性數據進行必要的關聯(lián)從而達到對各種數據的有效使用的目標。

1.2 GIS技術在產業(yè)園的空間組織中的應用意義

產業(yè)園是一個綜合體，在其空間組織設計中，需要考慮綜合復雜的每一個因素才能創(chuàng)作出合理、可行且科學的空間組織方案。所以，現代產業(yè)園空間組織需求一種更加理性、科學的分析方法與先進的技術手段來支撐并指導其空間模擬分析和設計方案的創(chuàng)作[9-10]。

但是，傳統(tǒng)的產業(yè)園空間組織大都停留在傳統(tǒng)城市規(guī)劃模式的層面，功能單一、同質化現象嚴重[11]；而當前的產業(yè)園空間組織研究，目前仍主要停留在概念的闡述與理論解釋階段，缺乏一種科學、有效的技術手段來支撐實現城市設計思想與空間組織要素相結合。

GIS作為一門介于信息科學、計算機科學、地理學和測繪學之間的新興邊緣學科，在對地理空間要素分析與和信息數據的整合上擁有絕對優(yōu)勢，通過其在復雜的數據信息與空間地理信息的完美結合以及強大的空間信息分析能力，能夠使城市設計思想在具體的產業(yè)園空間組織項目中得以實施，尤其是對增強空間組織的前期分析、方案設計等方面的科學性和合理性上，具有非常重要的作用和指導意義。

目前，我國中微觀尺度GIS技術的應用剛剛起步，尤其是在產業(yè)園空間組織的應用方面尚屬空白。通過GIS技術強大的數據及空間分析和處理的能力，不僅可以有效的管理與處理海量空間數據，而且可將空間數據和屬性數據進行必要的關聯(lián)從而達到對各種數據的有效使用的目標。因此，比起傳統(tǒng)的空間組織方法，GIS獨特而強大的空間分析與處理的能力可提供常規(guī)方法難以得到的重要信息；GIS技術能夠在很大程度上幫助設計人員對產業(yè)園空間組織設計進行直觀、理性的模擬、選擇和評估，從而有效改善傳統(tǒng)產業(yè)園空間組織中重文本、圖形以及定性分析和定量分析脫節(jié)的缺點；憑借ArcGIS參數化建模的優(yōu)勢，實現方案設計和方案分析的高度融合。

由于我國在產業(yè)園空間組織及設計中的GIS技術的應用尚處于空白階段，其空間數據和屬性數據的管理還處于分離的狀態(tài)。為此，將GIS技術引入城市設計的空間組織中，意義深遠而重大。

1.3 GIS技術在產業(yè)園的空間組織中的應用價值

近年來，計算機技術以其技術先進、成熟、技術速度快等強大的功能和優(yōu)勢廣泛應用于城市設計和建筑設計中，并有效的提高了建筑設計的工作效率和設計的準確度。各類計算機應用軟件(Photoshop、CAD、SketchUp等)己成為設計師們必備的技能。

城市空間組織與設計是對城市空間和形體環(huán)境所進行的立體空間的設計，三維空間的形態(tài)設計與表達一直是其中的重要工作內容。然而，現有的計算機技術在城市空間和城市環(huán)境三維模擬上的應用，基本上僅限于在城市設計成果的表現上，非常缺乏在城市空間組織和設計過程中為方案設計內容和模擬分析提供的科學支撐及可操作實現的計算機模擬技術。

GIS技術具有強大的數據及空間分析和處理的能力，使其對地理空間信息能夠高效、快捷、靈活和全方位的把握，隨著GIS三維分析技術的迅速發(fā)展，對空間數據的完善、組織、管理分析能力成為GIS最突出的特征，尤其是在ArcGIS中已可以快速創(chuàng)建基地三維場景模型，可使城市的規(guī)劃布局、空間組織設計、空間信息管理及城市建設等各方面獲得有力的三維技術支持，方便對海量且種類繁多的空間與屬性數據和信息數據等信息數據進行高效組織和統(tǒng)一綜合管理，從而提高空間組織方案和空間組織成果的科學性與可實施性。

目前，我國大尺度城市設計中GIS的應用已開始起步，正步入一個不斷完善的階段。但我國在中觀尺度的空間組織尤其是產業(yè)園空間組織及設計中GIS技術的應用尚處于空白階段，其空間數據和屬性數據的管理還處于分離的狀態(tài)。隨著城市建設的快速發(fā)展，對產業(yè)園空間組織水平質量要求日益提高，迫切需要具有強大的空間數據處理與分析功能的GIS技術做支撐。

2 GIS技術概述

2.1 GIS的概念與內涵

地理信息系統(tǒng)，GIS亦稱地學信息系統(tǒng)、空間信息系統(tǒng)或資源與環(huán)境信息系統(tǒng)，雖然其各自包括的范圍略有不同，但在研究內容和使用方法基本上是一致的。

GIS是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，是以地理空間數據庫為基礎，并采用地理模型分析方法，適時提供，用計算機對多種空間和動態(tài)的地理信息相關數據進行采集、存儲、管理、操作、分析、模擬和顯示及應用描述的空間信息系統(tǒng)[12-13]，其概念框架如圖1所示。

圖1 GIS概念框架圖

GIS技術是隨著計算機輔助制圖和空間分析技術的迅速發(fā)展而產生的，是近年來迅速發(fā)展起來的、為各領域研究和決策服務而建立起來的軟件系統(tǒng)。GIS是集地圖學、測繪學、遙感學、計算機科學等多門科學為一體，用于分析和管理海量地理數據的一種重要技術[14]；是融合計算機圖形和數據庫于一體，用來存儲和處理地理空間信息的高新技術[13，15] 。

GIS是多學科交叉的產物，其技術的發(fā)展與地理地圖學、測量學、遙感技術等相關學科是密不可分的，是以地理空間數據庫為基礎，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，采用地理模型分析方法，通過提供多種空間和動態(tài)的地理信息，產生對資源環(huán)境、災害防治、區(qū)域規(guī)劃和空間組織及管理決策等方面的有用信息，其內涵是由計算機程序和地理數據組織而成的地理空間信息模型，將自然發(fā)生的或思維規(guī)劃的過程加在模型上，以獲得對自然過程的分析和預測信息，用于管理和決策。

2.2 GIS的構成

GIS主要由4個基本部分構成，即計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理數據(或空間數據)和系統(tǒng)管理操作人員[16]。其系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 GIS系統(tǒng)的構成圖

GIS技術應用的基本構成一般包含5個主要部分，即系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、空間數據、應用人員和應用模型，如圖3所示。

圖3 GIS技術應用的基本構成圖

2.3 GIS的類型

地理信息系統(tǒng)按照不同的研究范圍、內容及使用的數據模型有不同的相應分類類型:(1)GIS根據其研究的范圍可分為全球性信息系統(tǒng)和區(qū)域性信息系統(tǒng)；(2)根據其研究內容可分為專題信息系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)；(3)根據其使用的數據模型可分為矢量、柵格和混合型信息系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 GIS的分類圖

2.4 GIS技術的功能

2.4.1 基本功能

GIS技術基本功能包括:數據的采集和提取、數據的編輯與管理、空間分析與統(tǒng)計以及成果輸出[12，17-18]，主要包括輸入、分析與處理以及輸出3個層面，如圖5所示。其中，GIS空間分析和統(tǒng)計功能是地理信息系統(tǒng)的最核心、最強大、最關鍵、最重要的功能，是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數據分析技術。

圖5 GIS技術功能示意圖

2.4.2 應用功能

GIS是解決資源與環(huán)境等全球性問題而迅速發(fā)展起來的、以計算機為核心的空間信息處理與分析技術，在資源與環(huán)境應用領域中發(fā)揮著技術先導的作用。

GIS把地理環(huán)境和與之相關的屬性信息等各類要素準確而快速的收集、儲存、提取、轉換和顯示，并將各類要素之間的內在聯(lián)系等進行獲取、整理、儲存、查詢和分析，生成和輸出統(tǒng)計與分析的圖示化，可以高效的將那些零散的數據和圖像資料進行綜合存儲于同一個系統(tǒng)中，并借助其獨有的空間分析和可視化表達功能，為相關政府部門行政管理提供更為精準的輔助決策，以便解決各類復雜的空間組織規(guī)劃及管理等問題，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術支持[13]。

GIS在自然地理要素的分析與整合上的絕對優(yōu)勢，以及把地圖的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫操作等集成在一起的功能，吸引了不少國內專家學者及規(guī)劃設計工作者去嘗試[19]。

資源的清查、管理和分析是GIS應用最廣泛的領域，也是目前趨于成熟的主要應用領域，另外隨著GIS理論的產生發(fā)展以及方法和技術的成熟，在農業(yè)領域、土地的資源管理、災害預警的應用也逐步深入；尤其是在災害預警、城市規(guī)劃管理、專題制圖和數據可視化、國土監(jiān)測及輔助決策等方面得到了非常廣泛的應用。

3 GIS在產業(yè)園空間組織中的應用研究進展

3.1 國外相關研究

20世紀50年代，由于電子計算機技術的興起以及在航空攝影測量與地圖制圖學中的應用，使人們利用電子計算機來搜集、存儲和處理各種與空間和地理分布有關的圖形和數據開始成為可能，并通過計算機對數據的分析，直接為管理和決策部門服務，因此導致了GIS的誕生和問世。

隨著科技的快速發(fā)展，可以獲取大量復雜空間地理信息并具有強大空間處理能力的GIS在國外應用非常廣泛。1966年，卡爾·斯坦尼茲應用SYMAP進行了GIS應用的初步嘗試，通過GIS進行了加權評價、引力模擬、土地單元對植物的適宜性分析等許多復雜的分析和計算對得拉維爾、佛吉尼亞半島景觀規(guī)劃進行了研究[19-20]。這一嘗試開創(chuàng)了GIS技術與景觀規(guī)劃相結合的新紀元，為GIS在城市設計、城市規(guī)劃、空間組織、景觀規(guī)劃與設計等方面的應用與發(fā)展起到了開創(chuàng)和奠基作用。之后，卡爾·斯坦尼茲和其他許多學者以此技術為基礎，相繼開展了諸多領域與方向的系列評價與規(guī)劃工作，研究顯示了GIS在多解規(guī)劃和空間組織等方面的應用潛力。

自20世紀70年代起，相關專家學者從多個角度對GIS技術的應用開展了基礎性的研究，但在廣泛應用方面有一定的局限性。20世紀90年代以后，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和信息化的普及，GIS技術作為集空間數據采集、存儲、檢索、分析、傳輸和顯示功能為一體的、且功能強大的一門新興的、綜合性的、特殊的多學科交叉技術，已成為各行各業(yè)廣泛運用建立各類信息管理與服務平臺的重要技術手段。

總的來看，國外GIS技術的發(fā)展經歷了60年代——GIS提出建立并初始發(fā)展、70年代——發(fā)展鞏固、80年代——突破推廣應用(地理信息系統(tǒng)成熟階段)和90年代——蓬勃發(fā)展(應用與產業(yè)化)4個階段。

3.2 國內相關研究

我國對GIS技術的研制與應用是從80年代開始，1987年8月由城鄉(xiāng)建設與環(huán)境保護部在昆明召開的“遙感、計算機技術在城市規(guī)劃中應用交流會”是國內開始起步應用GIS技術的重要標志，雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛。我國GIS的發(fā)展經歷了準備階段(1970—1980)、起步階段(1981—1985)、初步發(fā)展階段(1986—2013)和迅速發(fā)展應用階段(2013至今)3個階段。

近年來，GIS技術在我國得到了廣泛應用，涉及了傳統(tǒng)的城市規(guī)劃到生態(tài)環(huán)保、測繪、土地利用以及各類資源調查與管理等諸多領域的各個方面，取得了豐碩的成果和巨大的經濟效益。李玲[19]研究了在GIS技術的支持下，通過GIS的最佳路徑分析功能，開展山地別墅區(qū)的環(huán)山主干道選線研究等；南曉娜[21]在GIS平臺上，進行疊加分析，建立山地城市用地適宜性評價的指標體系。鈕心毅[22]總結了GIS在城市設計中應用的基本框架；楊麗等[23]、朱慶等[24]分別探討了GIS在“綠色城市設計”及不同層次城市設計中的應用。

目前，城市的設施選址及各類規(guī)劃的土地適宜性評價等相關領域中得到了充分的應用。GIS作為一項重要的技術手段己經涉及城市土地適宜性評價、生態(tài)敏感性評價、城市防災規(guī)劃等各個方面。但是，產業(yè)園的空間組織與GIS相結合的研究未見報道。主要相關的研究成果有:賀志軍[7]在生態(tài)城市設計實踐過程中提出相應的基于GIS技術的具體應用框架；徐紅[25]利用GIS技術對工業(yè)園選址進行分析，進而提出一定的工業(yè)園空間布局原則。

總之，國內對于GIS技術在規(guī)劃設計及選址方面的應用也比較廣泛，但多集中在大型的區(qū)域方面的研究，且大部分是宏觀角度上面的一些分析與評價，對于產業(yè)園這類中小型區(qū)域中空間組織及具體操作層面上的研究較少。

4 展望

利用GIS強大的空間分析能力，能夠在很大程度上幫助設計人員對產業(yè)園空間組織方案進行直觀、理性的模擬、選擇和評估，從而有效改善傳統(tǒng)產業(yè)園空間組織中重文本、圖形以及定性分析和定量分析脫節(jié)的缺點。因此，GIS技術在產業(yè)園空間組織與設計中的應用等相關方面的研究與實踐，已成為必然趨勢。伴隨著信息技術以及相關知識的深入研究與發(fā)展，GIS將會更加廣泛、科學、有效并充分的運用于城市空間組織設計及相關領域中。