- 数字城市
- 文章编号：1009-6000(2003)-01-0067-05
- 中图分类号：TU981.2 文献标识码：A
- 作者简介：段学军(1970-)：男，中国科学院南京地理与湖泊研究所流域模拟实验室副研究员，主要从事区域发展规划模型、区域生态经济过程模拟现实、GIS应用等方面的研究；邮编：210008。
吴泓：女，南京大学城市与资源学系博士研究生，研究方向为区域（旅游）经济。
- GIS在城市中应用的回顾与展望
- The Application of GIS in Cities: Retrospect and Prospect
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- 段学军 吴 泓
- DUAN Xue-jun, WU Hong
- 摘要：
在分析GIS在城市规划管理中应用的历史与现状基础上，提出了我国目前GIS在城市研究应用中存在的问题，并根据当前GIS发展趋势，对GIS在城市中应用的前景进行了展望。 - 关键词：
GIS；城市；应用； - Abstract: Based on analysis of the history and present situation of using GIS in urban planning and managing, the problems of using GIS in urban studying in China are given, the prospects of the application of GIS in the urban study and management are discussed according to the development trend of GIS.
- Key words: GIS; urban; application
- GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析；根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。GIS是20世纪60年代中期开始发展起来的新技术。它最初为解决地理问题而起，至今已成为一门涉及测绘学科，环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。1963年加拿大测量学家R. F Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建成世界上第一个GIS(加拿大地理信息系统CGIS)，并用于自然资源的管理和规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件SYMAP。这可算是GIS的起步。进入70年代以后，由于计算机软硬件水平的提高，促使GIS朝着实用方向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的GIS，在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作用。80年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促进了地理信息产业的形成。到1995年，市场上有报价的软件已达上千种，并且涌现出了一些有代表性的GIS软件。我国GIS的发展虽然较晚，但已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。一批地理信息系统软件已研制开发成功（如GeoSTAR，CityStar， MapGIS等），一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。此外，还成立了“中国GIS协会”和“中国GPS技术应用协会”等。
1 GIS在城市中应用的历史和现状
从18世纪开始，地理数据采集技术开始应用到地籍中，使具有确定权属的宗地能精确地定位，计算的面积也更加准确，并且可以用图形描述地籍的内容。到19世纪，城市地理数据采集和应用技术得以迅速发展。国际上GIS应用于城市研究始于20世纪70年代初，经过30年的迅猛发展，目前发达国家已将它作为城市的基础设施之一用于城市动态管理和规划发展，并将作为对城市重大问题和突发事件进行科学决策的现代化手段之一。美国、日本、澳大利亚等许多国家在城市规划、交通设施、公共服务、动态监测等方面都广泛应用GIS进行科学决策，美国首都华盛顿特区启用34个地理信息子系统进行城市动态管理，定时发布交通状况信息，导向车辆运行。我国GIS应用于城市研究以遥感为先导，1980年和1983年在京、津、渤地区进行了有益地探索。1989年利用世界银行贷款，正式在常州、洛阳、和沙市三个中等城市进行城市规划管理信息系统的研究探索和建设。1990年后，计算机技术发展迅速，随着国民经济建设和城市化进程的加快，特别在经济特区和东南沿海城市，对GIS需求出现了一股热潮，加强了投入。目前我国有相当一批城市和市镇，如北京、上海、广州、深圳等大城市，海口、北海、厦门、淄博等中等城市，中山市小榄镇、辽宁瓦房店市等小市镇，都建立或初步建立了GIS及其专题数据库，诸如规划与土地管理数据库、地下管网数据库和交通数据库等。在城市信息的查询、政府职能部门的办公自动化、土地规划或房产管理的计算机化、乃至部分城市问题的分析与科学决策，以及某些数据和信息的更新等方面，都不同程度上借用了GIS这一关键技术，并产生了非常明显的社会效益和经济效益。
目前，GIS在城市中的主要应用包括以下几个方面：
1.1 城市信息管理与服务
城市信息是指为满足城市居民日常生活、工作需要的时间和空间信息，如服务机构（包括医疗、商业、政府机关等）、公园、绿地、防洪设施、道路、路灯、及城市地下管网等等。城市信息服务指为城市居民提供的各种信息、日常业务等以信息数据处理为主要内容的各类服务项目，如提供旅游景点分布及其详情、商业网点的布局及各自特色、城市道路与建筑物的空间分布等。利用GIS系统，人们只需在计算机前，告诉系统自己感兴趣的城市或想了解的信息，即可以对该空间信息进行定位、浏览。GIS可促进城市信息服务在方式、内容、手段、速度、效果等方面进入新时代。首先，就政府而言，GIS将有助于城市政府日常办公效率的提高，提升政府管理水平。其次，对于企业来说，GIS可以帮助企业管理者更好地开拓市场。诸如企业选址、区域市场战略等都可以利用GIS进行辅助决策。第三，个人也是城市信息最重要的需求者。个人通过城市GIS信息可找到满意的工作地点、理想的住所、感兴趣的休闲地等。总之，GIS为城市信息服务开拓了一个前所未有的新天地。
1.2 城市规划
GIS作为一项新技术应用于中国的城市规划开始于 80年代中期。进入 90年代以后，中国大陆的经济发展速度明显加快，城市建设的规模达到了空前的程度。这种突变，使城市规划部门的工作负荷急剧增加，产生了应用现代信息技术改进规划和管理的强烈需求，经济建设的高潮也使得地方政府有了一定的财力来支持新技术的应用。经过几年的努力，一些城市已使GIS达到了初步实用的阶段。利用GIS可把规划管理部门批准的用地许可资料记录到图形、属性数据库里。以数字化地图为背景，可随时查询、统计，给用地管理-规划管理部门最核心的工作带来便利。还可把管理工作的一些规划依据，如道路红线、控制性详细规划、文物保护、市政工程等方面的限制因素输入到计算机，从而提高建设项目的审批质量和管理效率；也可以把建筑施工许可的相关资料，如总平面图输入计算机，在现场测量跟不上的条件下，部分减轻地形图来不及更新的问题；在规划审批业务方面，可以利用GIS实现建设项目的立案登记、地形图定位、建筑定点画线、审核办理建设工程规划许可证、审核续办临时建设工程手续、图表输出、工作量统计等功能，使以往繁杂的手工立卷、查图、印图、手写案卷的传统作业方式全部计算机化；在文字及表格处理方面，通过项目名称、地点、建筑面积、历史案卷等能方便、快捷地查找到需要的案卷；在绘图方面，利用GIS可以提供利用图幅、图号、道路、卷宗、坐标点等方便、快捷的制图方法；在建筑物的定位方面，可利用坐标及相应建筑物的参照距离，用画参照线方法确定。此外，还可以实现查询历史卷、控制性规划图、土地利用图等功能。并可进行拆迁量分析和日照影响判断等。
1.3 城市地下管网管理
目前我国有相当一部分城市（尤其是地、县级中小城市）的地下管网管理工作还处于无序状态。一方面由于地下管网本身结构复杂，难于管理；另一方面是现行管网管理模式落后，跟不上城市发展的速度。过去一直采用人工管理，各类管线资料、信息更新困难，易于损坏和丢失且精度差，更谈不上为城市各部门提供各类管线管理的综合信息服务。各类管线资料分散，相互查询困难，无法实现管网图与城市基本图相一致的动态更新与修测。利用GIS和计算机技术，根据市政给水、雨水、污水、电讯、电力、有线电视等地下管线的地下空间分布情况，建立包括管长、管径、管材、起点坐标、起点地面标高、起点管底标高、起点管顶标高、起点埋深、终点坐标、终点地面标高、终点管底标高、终点管顶标高、终点埋深、所在道路、建设单位、权属单位、建设日期等属性数据的空间数据库，并建立各专业管线相互联系的信息系统，进行管线综合，对管线的空间位置精确定位，提高管网的管理水平和工作效率，为城市建设、规划和管理部门提供综合服务信息。目前已有一些投入使用的研究成果，但适合中小城市的不多。
1.4 城市交通管理
城市交通主要由众多街道相交、相连而构成，并组成纵横交织、错综复杂的城市交通网络，在交通网络中，街道间的地理位置关系相当复杂，一条街道可能与若干条街道相交、相连，且其相交、相连的模式复杂。采用GIS的先进数据采集手段和数据库与网络技术可以解决交通信息在获取、管理、分析与发布环节上的问题，通过与基础信息叠加和分析，指导交通有序运行。利用GIS可以对城市交通的属性作基本的分析，如交通流量、吸引及发生量的分布，运用GIS的叠合分析、分类显示功能，可以方便地实现不同数据组的对话。例如，利用路网与人口密度和居民出行的时耗分布相结合对照分析，就可很容易反映出城市路网的交通问题。利用GIS技术开发城市交通信息管理系统，将有关公路的路况、交通流量、沿线环境等空间和属性信息以图文并茂的形式显示出来,使管理者对公路信息的了解一目了然，并可以提供多种类型的查询：如查询空间信息，如某个立交桥、检查站、加油站的坐标位置；查询时间信息，如某辆车某一时刻处于什么位置及某时间某地的车流量等；查询沿路环境、居民分布情况、路面质量等级等属性方面的信息；根据系统所具有的空间关系进行几何空间上的拓扑查询，如与立交桥相连的有哪些公路，周围又有哪些建筑物等。在交通信息的发布上，可及时地把交通拥挤情况、车量、交通事故、交通环境情况发布给每个驾驶员，并显示在每辆车的显示屏上，同时帮助找出最佳行车路线。
1.5 抗震防灾
GIS与一般的数据库不同，GIS不仅可以高效地处理空间数据，而且还可以管理有拓扑结构的图形数据，建立二者之间的关系，因此特别适合用来建立城市防震减灾系统。一旦发生地震，可以充分发挥 GIS的强大作用，实时地跟踪地震灾害的发生、发展过程，辅助开展震后的应急和恢复工作。开展 GIS在城市防震减灾中的应用，必将使城市抗震防震水平达到新的高度。随着城市建设的发展与新技术、新工艺、新设备的广泛应用，电气燃气及危险品的使用日益增多，城市火灾发生的频率和危害程度也相应增加，GIS在防灾减灾方面的应用也越来越广泛，包括自然灾害管理、灾害应急系统、过程模拟及灾害损失评估等。例如，为提高火灾防救工作的针对性，可以建立各防火区的火灾信息系统，并建立相应的救护路径模型、火灾危险性评估模型、灾后损失评估模型等。通过 GIS的应用系统，可以实现灾害数据与参评数据的计算机存储与管理，利用各种分析模型，进行快速分析、评价与模拟，并可将分析与评价结果通过 GIS以专题图或报告报表展示出来，便于管理、决策与救护。
1.6 城市环境管理
环境保护、治理是城市可持续发展的关键，加强环境管理是我国环境保护的一项基本政策。城市环境管理工作主要包括环境规划与决策、监测（包括重点污染源管理）、评价、预测与模拟等，是实现城市环境保护、区域可持续发展的关键所在。由于环境问题以及由此产生的环境管理必然涉及区域空间性，环境数据具有空间地理定位的特征，因此，GIS在环境领域得到了广泛的应用，其中包括对城市多源环境信息进行统一管理、分析，实现空间信息与属性信息的集成综合管理，以及进行城市环境定量化的研究工作等方面。GIS用于环境管理工作的优越性主要体现在：（1）可对多源环境信息包括大气、水、土地、植被、噪声等方面的信息进行综合管理和处理，利用GIS具有的强大环境信息管理、处理与显示的功能进行定量研究、输出相关的图件；（2）可以充分利用与GIS技术集成的现代空间技术、信息技术、计算机技术如遥感、多媒体技术、网络技术进行环境管理方面的工作；（3）以GIS为基础，在其他专业模型的支持下可以进行环境规划、环境决策支持等方面的工作，以实现环境管理工作的信息化自动化；（4）可以建立城市环境信息系统，实现环境信息共享。
自1999年以来，我国有关研究部门先后研制开发了支持城建局、邮电局、电力局、电信局与自来水司的“综合管线信息管理系统”，支持公安户籍管理的“公安户籍 GIS”，支持统计局人口管理的“人口 GIS”，支持交通调度的“交通 GIS”以及支持环保工作的“园林绿化 GIS”。上述系统建设在理论指导思想上有别于国内外同类系统，一方面是精细GIS(Detail GIS)，甚至精细到每栋房子、每个门牌号码，而非简单查询型 GIS；另一方面以正射影像为空间基底，即正射影像 GIS，它极大缩短了系统建设周期、减少了空间基底更新难度，同时也节约大量经费。这些服务于城市不同部门的 GIS系统，已经在多个城市运行，不仅日常运作正常、性能稳定，而且为其创造了良好的经济效益和社会效益。
2 GIS在城市应用中面临的问题
目前，GIS在城市应用的情况可概括为：GIS在城市中应用是集规划、测量、地理、信息、管理、社会、计算机科学和应用对象知识等为一体的综合技术应用领域，目前发展迅速。我国城市在GIS应用方面正在进入到一个需求旺盛期，但需要加以引导，有一些问题需要加以注意。
2.1 标准与规范问题
标准和规范是GIS技术的重要内容，这里所说的规范性，是指系统建立过程的规范性。目前，从标书的制定、用户需求调查、系统方案的审定到系统开发和实际应用这一过程，仍没有规范可循。用户往往不知道自己所要达到的具体目标，开发者也不清楚具体业务要求，许多问题都处于不明确之中。往往一个系统的开发过程也是一个不断磨合的过程，造成很大的混乱和浪费。各行业有必要尽快制定行业GIS工程标准与规范，就GIS的用户分析、系统设计、数据库建设、系统开发、应用和效益分析，作出明确的规定，用以指导系统建设。
2.2 系统建设周期问题
一个系统从规划到启动，到系统建设和完成，往往需要2-3年以上的时间，在这个过程中，软件、硬件技术发生了很大变化，如果系统设计缺少一点前瞻性，往往系统刚建起来就过时了。系统建设是无形的，时间长了，难以得到单位领导和同事的认同与支持。从经济的角度讲，这也不利于发挥GIS的效益。传统的城市空间数据更新主要采用阶段性更新方法，四五年一个周期，进行大面积的修测和补测，这种方式不能满足数据现势性的要求。
2.3 系统的综合应用和深化应用问题
在一些城市，一个部门建立了系统，建立了基础空间数据库，应该让其发挥作用，使更多的部门得以应用。但是，人们往往习惯于部门封锁状态，一些城市同时建立两套以上类似系统，这样既造成重复建设的浪费，也不利于提高系统应用的水平。
2.4 “三图统一”问题
空间数据不同于一般的非空间数据，其主要来源是地形图、地籍图、房产图及其它专题地图，其采集需要专业的人员和采用复杂的技术手段，而且工作量大、投资大，其工作主要由测绘部门承担，由政府管理和投资。地形图、地籍图与房产图，在城市基础地理数据方面的内容基本上是一致的，只是地籍图与房产图增加了地籍与房产的专题内容（如宗地、丘、房屋栋号），而城市中的宗地和丘是一致的，反映土地的权属范围和界线。由于地形图、地籍图和房产图分属规划、土地和房产管理部门，各种图的测绘由各主管部门各自为政进行，标准不统一，多数情况下没有真正实现基础地理数据的共享，三图中的基础地理数据出现了重复测绘和重复建库的现象，造成了巨大的浪费。
2.5 系统更新问题
城市GIS系统不断更新才能具有真正的价值，否则就是一个没有现势性的“死系统”，更新主要指的是三层意思：一是数据不断更新，否则系统提供的信息会误导；二是硬件设备的更新换代，计算机发展很快，设备的及时更新是必须的；三是要充分掌握新技术方法，如全球定位系统（GPS）技术，高分辨率的航天、航空遥感技术，测量与地理信息系统一体化技术等。掌握新技术可以节省开支并提高更新效率。
另外，许多城市决策者还没有真正认识到城市GIS在城市管理与决策、城市投资软环境改善中的重要性，对城市GIS并没有引起足够的重视，往往热衷于城市有形的基础建设，而忽视城市GIS这种无形的信息基础设施建设。某种意义上，城市GIS首先是城市决策者的信息系统，决策者不重视，没有决策者的组织与协调，城市GIS就没有生命力。
3 GIS在城市中应用的展望
3.1 Web GIS及其在城市中的应用
GIS与Internet技术的融合，形成了一种新的技术，即WebGIS技术。WebGIS将在城市中获得广泛应用。概括起来，WebGIS其应用方向分为两大类，一类为基于Internet的公共信息在线服务，为公众提供交通、旅游、餐饮娱乐、房地产、购物等与空间信息有关的服务。在国内外站点上已有了成功的应用，如MapQuest（http://www.mapquest.com）和图行天下（http://www.go2map.com.cn），这些站点提供大量的与空间位置有关的各种生活类信息服务。WebGIS在城市的另外一类应用为基于Internet的企业内部业务管理，如帮助企业进行设备管理、线路管理以及安全监控管理等等。随着企业Internet应用的深入和发展，基于Internet的WebGIS在城市中的应用会有越来越大的市场。
3.2 移动GIS及其在城市中的应用
无线通讯改变了人们的生活方式。随着无线通讯技术的发展，特别是WAP技术的应用，使无线通信技术与GIS技术以及Internet技术结合成为可能，形成了一种新的GIS——移动GIS。利用移动GIS技术，人们可以利用手机查询到自己所在的位置和自己所关心的信息。例如，当您走在大街上，就可以利用手机查询离您最近的餐馆在哪里、怎么走、有什么特色菜；再比如您来到一个陌生的城市，迷失了方向，就可以利用手机迅速地调出您所在位置附近的地图，标出目标地点，手机就会自动显示出您应该行走的路线，指导您顺利地到达目的地。据估计，利用手机进行无线上网、无线资料传输将是下一个热潮。到2002年，全球将有超过1亿部手机有上网功能，到2003年其数量将达到10亿部。移动GIS技术将更加深入地融入到我们的日常生活当中，这将是一个非常广阔的市场。
3.3 三维GIS和虚拟GIS及其在城市中的应用
三维GIS与二维GIS相比，可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世界。以前三维显示只能应用在大型的主机和图形工作站上，且只在少数的部门如地震预测、石油勘探、航空视景模拟器中得到应用。随着计算机技术的发展，硬件成本不断地降低，一台普通的PC机就可以很轻松地进行真三维显示和分析。虚拟现实GIS是目前GIS发展的主要方向之一。所谓虚拟现实（VirtualReality），就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉及味觉等感观世界，用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行考察和操纵。虚拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。通过虚拟现实GIS，用户戴上显示头盔，就可以看见大地上的城市，使用“用户界面”的开窗放大数字图像；随着分辨率的不断提高，可以看见每一个建筑，然后是私人住房、商店、树木和其他景观：当他对商品感兴趣时，可以进入商店内，欣赏商场内的衣服，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。
3.4 “数字城市”及其在城市中的应用
随着美国前副总统戈尔的“数字地球”概念的提出，“数字城市”作为“数字地球”概念的引伸，使GIS迈入了更为广阔的发展空间。数字城市是地理信息技术（包括地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS，统称3S技术）及其他相关信息技术在城市政府、企业的管理与决策及市民社会生活中的应用。GIS是“数字城市”是核心的部分。“数字城市”要求突破条条块块的制约，从城市系统的整体考虑，将政府、企业和社会GIS通过网络联成一个整体，实现资源的共享和系统的互动，为城市建造一个虚拟的地理信息空间，人们将生活在现实空间与虚拟信息空间之中，过着“现实生活”与“数字化生活”水乳交融的城市生活。数字化生活是现实生活的反映，同时也是现实生活的一种发展，它将改变人类生活方式和人类与环境之间的关系（人地关系），使人类生存和发展发生根本性的变化。
“数字城市”为调控城市、预测城市、监管城市提供了革命性的手段。“数字城市”是城市规划、建设、管理与服务数字化工程的最终目标。我国有可能在“数字城市”的发展上赢得胜利，实现跨越式发展。建设部计划从2000年开始在全国范围内启动“城市规划、建设、管理与服务的数字化工程”项目（简称城市数字化工程）。该项目的总体目标是：建设适合我国城市规划的数字化系统，实现全国范围内城市规划、建设与管理工作的信息共享和业务应用，大力提高城市的信息化水平和城市管理的现代化水平；为国家及各级行政主管部门的科学管理与决策提供及时、准确和权威的信息支持；为各类企业和广大公众提供方便、有效和权威的信息服务；通过数字化工程的实施，改造传统产业，推动技术进步，保证城市经济、社会、环境和科技的协调发展。该项目明确地将数字城市确定为其终极目标。可以预料，该项目的实施，将大大推动城市空间数据和GIS技术在城市中的应用。
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