地理信息系統(tǒng)在城市測(cè)繪中的應(yīng)用分析

呂建勛

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，南昌 330000）

1 引言

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的21 世紀(jì)，人類的活動(dòng)與空間位置息息相關(guān)，空間位置信息涵蓋了駕車出行、餐飲外賣、電商購(gòu)物等活動(dòng)。而地理信息系統(tǒng)是一種幫助人們更好地利用空間位置信息的工具，可以集成空間數(shù)據(jù)與多行業(yè)技術(shù)，提高測(cè)繪效率，改善測(cè)繪成果表達(dá)方式。因此，探究城市測(cè)繪中地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用要素具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 地理信息系統(tǒng)的內(nèi)涵

地理信息系統(tǒng)（Geography Information System,GIS）是一種特定的空間信息系統(tǒng)，可以創(chuàng)建、管理、剖析、繪制全部類型數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，GIS 可以將數(shù)據(jù)與地圖連接，關(guān)聯(lián)事物所在位置數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)位置事物全部類型的描述性信息，為制圖分析提供依據(jù)，便于人們了解地理環(huán)境以及空間關(guān)系，助力測(cè)繪決策[1]。

從常見的GIS 數(shù)據(jù)格式來(lái)看，主要包括ShapeFile、KML/KMZ（Keyhole Markup Language）、GeoJSON（點(diǎn)、線串、面等）、WKB/WKT（Well-known Binary/Well-known Text）幾種。

3 GIS 在城市測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

3.1 豐富測(cè)繪方式

以往城市測(cè)繪重資料調(diào)查研究而不重社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)況，導(dǎo)致城市測(cè)繪成果缺乏足夠內(nèi)涵。而將GIS 應(yīng)用到城市測(cè)繪中，可以弱化圖面效果比重，實(shí)時(shí)分析城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)況，并根據(jù)分析結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整城市測(cè)繪方案。同時(shí)，GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)可持續(xù)更新、移植，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)城市測(cè)繪向動(dòng)態(tài)城市測(cè)繪的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步豐富城市測(cè)繪方式。

3.2 增強(qiáng)測(cè)繪科學(xué)性

GIS 具備強(qiáng)大的分析能力，可以輔助測(cè)繪人員模擬、選擇、評(píng)估測(cè)繪方案[2]。同時(shí)，在GIS 中，可以疊加分析城市測(cè)繪區(qū)域內(nèi)自然條件、社會(huì)條件、經(jīng)濟(jì)條件，為城市土地分等定級(jí)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)科學(xué)性增強(qiáng)提供依據(jù)。同時(shí)，借助GIS 圖層疊加緩沖區(qū)與自動(dòng)匹配最佳路徑功能，可以有效確定公共設(shè)施位置、人流車流路線，為測(cè)繪作業(yè)科學(xué)開展提供依據(jù)。

3.3 提高測(cè)繪效率

城市測(cè)繪囊括了大量地理空間數(shù)據(jù)、社會(huì)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)資料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，將GIS 應(yīng)用到城市測(cè)繪中，可以作為快速的輔助信息分析工具對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行理性分析，規(guī)避城市測(cè)繪海量數(shù)據(jù)處理效率低下問(wèn)題。同時(shí)，GIS 支持多形式空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、管理、查詢、疊加、聚類、網(wǎng)絡(luò)等功能，可以在線縮短城市測(cè)繪周期，提高測(cè)繪效率[3]。

4 城市測(cè)繪中GIS 的應(yīng)用要素

4.1 點(diǎn)

在城市測(cè)繪中，GIS 的點(diǎn)特指具體地物的地址與位置。位置可以利用坐標(biāo)系表示，地理坐標(biāo)系是常用的坐標(biāo)系，多利用三維球面內(nèi)經(jīng)緯度表達(dá)。部分情況下，可以利用投影坐標(biāo)系（墨卡托投影）格網(wǎng)內(nèi)x 坐標(biāo)、y 坐標(biāo)表示位置，二維空間范圍內(nèi)投影坐標(biāo)系的長(zhǎng)度、面積、角度均恒定不變。投影坐標(biāo)系的圓點(diǎn)是格網(wǎng)中心，每一個(gè)位置均具有2 個(gè)數(shù)值，數(shù)值是相對(duì)于中心位置的坐標(biāo)，包括水平位置、垂直位置。

以地理信息系統(tǒng)在城市地物測(cè)繪中的應(yīng)用為例，首先，測(cè)繪技術(shù)人員可以借助GoogleMap 捕獲器，獲取城市區(qū)域范圍內(nèi)的柵格地圖，作為城市測(cè)繪的數(shù)字化底圖，并利用事先收集的城市地物運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)先劃分若干不同顏色專題圖層，如景點(diǎn)、醫(yī)院、商場(chǎng)、行政單位等。同時(shí)，更新若干專題圖層屬性，插入易于分辨且可顯示在圖層上的字段，包括景點(diǎn)名稱、商場(chǎng)名稱、醫(yī)院名稱、行政單位名稱等；其次，測(cè)繪技術(shù)人員需要綜合考慮環(huán)境、地理、氣候等因素，合理利用GIS 柵格、矢量功能，采集幾何形態(tài)數(shù)據(jù)，并在“點(diǎn)”地理實(shí)體周邊建立圓形緩沖區(qū)，圓心為點(diǎn)實(shí)體，半徑距離一定。在點(diǎn)實(shí)體構(gòu)成的圓形緩沖區(qū)內(nèi)，梳理柵格行與列的關(guān)系，完成地物位置的精準(zhǔn)劃定；再次，測(cè)繪技術(shù)人員可以結(jié)合城市實(shí)際地理特征，劃分地物所在區(qū)域?qū)傩?，包括自然屬性（植被、水資源、地形地貌等）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性（交通便利性、資源生產(chǎn)可行性等），借助GIS 屏幕中分層圖展現(xiàn)全部要素后，篩選地物測(cè)繪所需地理數(shù)據(jù)符號(hào)，為后期GIS 數(shù)據(jù)提取分析提供依據(jù)；最后，借助GIS 內(nèi)置軟件，與大結(jié)構(gòu)、強(qiáng)功能渲染軟件結(jié)合，繪制城市地物高精度三維地理信息模型，或者直接生成數(shù)據(jù)報(bào)告，為類似工作以及城市規(guī)劃決策提供參考[4]。

4.2 線串

在城市測(cè)繪中，GIS 的線串特指公路、街道、邊界、河流等線狀地物。以城市街道測(cè)繪為例，作為城市最活躍的組成部分，街道在城市測(cè)繪網(wǎng)中占據(jù)著重要的地位。將GIS 應(yīng)用到城市街道測(cè)繪中，可以按照街道層次關(guān)系組織空間信息，對(duì)照地理空間實(shí)體完成城市街道地理編碼，并關(guān)聯(lián)城市資源、街道，完成大比例地圖中街道市政、飯店、大廈、賓館等服務(wù)性設(shè)施的詳細(xì)顯示，為城市管理決策提供信息支持。在城市街道測(cè)繪前，測(cè)繪技術(shù)人員應(yīng)圍繞城市街道層次，按照系統(tǒng)的地理編碼方式，分別進(jìn)行主要街道、次要街道、一般街道編碼。進(jìn)而根據(jù)空間實(shí)體的類別與性質(zhì)，對(duì)街道內(nèi)服務(wù)設(shè)施進(jìn)行編碼。整個(gè)過(guò)程中涉及的系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)。其中，屬性數(shù)據(jù)特指與城市街道空間內(nèi)關(guān)聯(lián)的公共設(shè)施地址等；空間數(shù)據(jù)是構(gòu)成地圖要素的幾何實(shí)體，特指城市街道線串。測(cè)繪技術(shù)人員需要根據(jù)GIS 地圖分層組織方針，落實(shí)最短路徑要求，進(jìn)行若干圖層細(xì)分，實(shí)現(xiàn)地理信息快速化、分類化、精準(zhǔn)化查詢。比如，輸入街道名稱完成模糊查詢，或者選擇與街道關(guān)聯(lián)的信息類別、相應(yīng)街道所在層次等查詢其空間位置。進(jìn)而在GIS軟件內(nèi)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)表之間的關(guān)系，將街道分別與車站緩沖區(qū)圖層（或商場(chǎng)緩沖區(qū)圖層）相互疊置，形成空間數(shù)據(jù)集，覆蓋全部街道起始點(diǎn)、出入口依據(jù)經(jīng)過(guò)起始點(diǎn)的全部街道路線。根據(jù)全部路線中線路節(jié)點(diǎn)分布情況，判斷各條街道之間是否相連（各街道出入口是否共同經(jīng)過(guò)的路線），為街道測(cè)繪影像繪制提供依據(jù)。

4.3 面

在城市測(cè)繪中，GIS 的面特指土地區(qū)塊或一個(gè)區(qū)域。以城市綠地區(qū)塊測(cè)繪為例，事先收集0.61 m 分辨率的QUICKBIRD 衛(wèi)星影像多光譜數(shù)據(jù)，波段為4 個(gè)。參考15 m 分辨率的TM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)、5 m 分辨率的SPOT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行最新影像數(shù)據(jù)解譯。同時(shí)，考慮到城市綠地覆蓋調(diào)查對(duì)象空間單元尺度處于較小的水平，大致在1 m，對(duì)影像數(shù)據(jù)分辨率有較高的要求[5]。為了獲得光譜分辨率高且空間分辨率高的影像數(shù)據(jù)，將TM 影像數(shù)據(jù)與SPOT 全色影像融合，降低后期信息提取、剖析難度。進(jìn)而借助1∶10 000 地形圖糾正QUICKBIRD 衛(wèi)星影像，獲得準(zhǔn)確的空間幾何坐標(biāo)信息，并根據(jù)影像數(shù)據(jù)提取城市綠地信息范圍。在城市綠地信息范圍確定后，借助GIS 提取、解譯、統(tǒng)計(jì)城市綠地空間數(shù)據(jù)（含面積數(shù)據(jù)、感興趣區(qū)緩沖區(qū)半徑等），進(jìn)行專題影像的制備。其中，綠地信息提取對(duì)象是TM3 波段+4 波段+7 波段合成影響、SPOT 融合后影像，提取指標(biāo)是植被指數(shù)，即經(jīng)比例植被指數(shù)（或垂直植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)）計(jì)算的植被葉綠素吸收帶對(duì)應(yīng)波段；綠地信息解譯主要是根據(jù)QUICKBIRD 影像構(gòu)建公共綠地、生產(chǎn)綠地、林蔭路綠地、居住區(qū)綠地或?qū)ｉT綠化用地的解譯標(biāo)識(shí)。根據(jù)標(biāo)識(shí)，整合計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別功能、人工分析判別功能，進(jìn)行城市綠地圖斑繪制。根據(jù)城市綠地圖斑，編輯處理城市綠地?cái)?shù)據(jù)，并根據(jù)相鄰圖斑之間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，形成高類別圈定精度的GIS 空間數(shù)據(jù)。進(jìn)而根據(jù)城市綠地分類，結(jié)合城市測(cè)繪項(xiàng)目需求，分析城市綠地緩沖區(qū)。城市綠地面實(shí)體緩沖區(qū)是面實(shí)體邊界向內(nèi)（或向外）擴(kuò)展一定距離生成的新多邊形。比如，城市公園綠地面積超出5 000 m2時(shí)，覆蓋居住用地綠地服務(wù)半徑為500 m，基于此，可以借助GIS 計(jì)算城市公園綠地服務(wù)半徑覆蓋率，分析城市公園綠地布局合理性；城市綠地專題影像制備需要將處理后影像、綠地緩沖區(qū)范圍、重點(diǎn)名稱、統(tǒng)計(jì)表、學(xué)校、不同綠地分析統(tǒng)計(jì)圖斑導(dǎo)入GIS 軟件內(nèi)，經(jīng)地圖編制、圖面整理修飾，獲得城市綠地分析影像圖，完成測(cè)繪任務(wù)。

此外，為提高影像數(shù)據(jù)解譯精度，借助影像處理軟件對(duì)TM 影像數(shù)據(jù)、QUICKBIRD 影像數(shù)據(jù)、SPOT 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理手段涵蓋數(shù)據(jù)融合、幾何糾正、邊緣增強(qiáng)、影像增強(qiáng)等。在這個(gè)基礎(chǔ)上，借助灰度反差增強(qiáng)（灰度線性拉伸）、紋理能量信息增強(qiáng)（直方圖偏度值法）處理局部影像，細(xì)化壓縮影像噪聲，凸顯QUICKBIRD 數(shù)據(jù)空間分辨率優(yōu)勢(shì)[6]。

4.4 多部集合

在城市測(cè)繪中，GIS 的點(diǎn)、線串或面要素可以多部集合，比如，利用GeoJSON 矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)對(duì)coordinates 進(jìn)行幾何組成的描述，點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)描述方法為[經(jīng)度，緯度]，經(jīng)度的范圍是[-180，180]，緯度的范圍是[-90，90]。我國(guó)城市覆蓋范圍的經(jīng)度是[73.66,135.02]，緯度是[3.86,53.55]。一堆具有順序的點(diǎn)的集合是線。面與線類似，線段的首端與尾端相接后組成面。一般第一個(gè)面為外環(huán)（逆時(shí)針?lè)较颍?，其余的面為?nèi)環(huán)（順時(shí)針?lè)较颍?/p>

在城市測(cè)繪中，要素轉(zhuǎn)換是GIS 多部集合的重點(diǎn)，包括點(diǎn)要素轉(zhuǎn)線要素、點(diǎn)要素轉(zhuǎn)面要素、線要素轉(zhuǎn)點(diǎn)要素、線要素轉(zhuǎn)面要素、面要素轉(zhuǎn)線要素等。其中，在點(diǎn)要素轉(zhuǎn)線要素時(shí)，需要測(cè)繪人員打開ArcMap 城市文件，在空白文件中添加需要轉(zhuǎn)換為線要素的點(diǎn)，也可以直接在空白文件內(nèi)繪制點(diǎn)。完成點(diǎn)圖層創(chuàng)建后，測(cè)繪人員可以借助ArcGIS 自帶地理處理工具——ArcToolBOX 或者直接在搜索框內(nèi)輸入點(diǎn)轉(zhuǎn)線需求后按enter鍵進(jìn)入頁(yè)面；在點(diǎn)要素向面要素轉(zhuǎn)換過(guò)程中，測(cè)繪人員需要點(diǎn)擊ArcGIS 自帶點(diǎn)轉(zhuǎn)線工具，添加一個(gè)額外的折點(diǎn)，確保每一個(gè)輸出線要素終點(diǎn)、起點(diǎn)相連接。獲得閉合曲線后，將要素轉(zhuǎn)面輸入搜索框內(nèi)，完成轉(zhuǎn)換；線要素轉(zhuǎn)點(diǎn)要素時(shí)，測(cè)繪人員應(yīng)將要素轉(zhuǎn)點(diǎn)輸入ArcGIS 自帶搜索框內(nèi)，綜合輸出1 個(gè)或若干個(gè)點(diǎn)，如LINE INPUT、MULTIPOINT INPUT、OUTPUT 等；線要素轉(zhuǎn)面需要2 條（或閉合線要素），利用ArcGIS 自帶工具由操作；面要素轉(zhuǎn)線要素需要先進(jìn)入ArcGIS 自帶工具——Arctoolbox，開啟數(shù)據(jù)管理工具，選擇添加XY 轉(zhuǎn)線、修復(fù)幾何、刪除要素、取消線分割、復(fù)制要素、最小邊界幾何、添加XY坐標(biāo)、原點(diǎn)夾角距離定義線等選項(xiàng)，尋找面要素與線要素之間轉(zhuǎn)換的方法。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城市測(cè)繪工作在城市發(fā)展過(guò)程中尤為重要。科學(xué)開展城市測(cè)繪，不僅可以幫助人們了解城市現(xiàn)階段發(fā)展情況，而且可以為未來(lái)城市規(guī)劃提供依據(jù)。因此，城市測(cè)繪人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)GIS 在提高城市測(cè)繪效率、科學(xué)性與助力城市測(cè)繪多樣化表達(dá)方面的優(yōu)勢(shì)，合理把控城市測(cè)繪中的點(diǎn)、線串、面要素。根據(jù)需要進(jìn)行要素整合與轉(zhuǎn)換，完成GIS 在城市測(cè)繪中的有效應(yīng)用，輔助城市規(guī)劃決策。