从数据的角度阐述GIS技术在城市规划中的应用文档格式.docx

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地理信息系统（GIS）是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。

在严格的意义上,这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。

例如，根据在数据库中的位置对数据进行识别。

实习者通常也认为整个GIS系统包括操作人员以及输入系统的数据。

所以，从这些理解可以看到，地理信息系统（GIS）是一个获取、存取、编辑、处理、分析和显示地理数据的空间数据系统。

数据是GIS的核心，围绕着数据的各种处理和操作，形成了系统的整体架构。

因为GIS的表现就是通过空间数据和属性数据来实现的。

2.现代城市规划与城市数据

城市规划与管理工作是大量空间信息的聚散过程，随着城市化进程的加快，服务于规划管理的空间信息迅速增长，基础地理数据、规划审批数据、社会经济数据等形成了庞大的信息流。

这些信息种类繁多，包括不同方面、不同层次、不同形式的各类数据，有支持城市规划的信息，也有规划产生的信息，内容涉及多科学、多专业。

2.1城市规划数据分类

根据GIS数据特点，按照数据的获取手段和生产方式，城市规划数据包括：

基础测量数据、数字化矢量数据、遥感影象数据、规划调查数据、规划成果数据、规划审批数据、人口统计数据以及经济、环保、生态、旅游、教育等社会各部门和领域产生的数据等（见图1）。

图1城市规划数据的分类

（1）基础地理数据

基础地理数据是进行城市规划设计和管理最重要的数据，主要包括城市系列比例尺基本地形图数据、城市地下管线数据和遥感影像数据。

（2）规划成果数据

规划成果数据按照城市总体发展要求，由规划设计部门（规划设计院）进行规划编制和设计，经政府或主管部门审批通过，反映城市未来建设和发展的图形和文字资料。

规划成果是城市规划管理和城市建设的主要依据，具有十分重要的地位和作用。

（3）规划管理数据

规划管理数据是指规划红线数据、规划审批数据、建筑管理数据和有关法律规范数据。

规划红线数据：

道路红线、建设用地界线、河道蓝线、城市绿地绿线、保护建筑紫线以及其他规划控制线、高压走廊控制线、地铁隧道、微波通道、机场净空范围等。

规划审批数据是指规划主管部门在规划审批过程中产生的数据:

规划定点数据、规划选址数据、“两证一书”、规划报建数据以及规划业务办公流程产生的数据等。

建筑管理数据主要指报建建筑的平面图、立面图、效果图等。

（4）社会、经济、人口统计数据

社会、经济、人口统计数据是城市规划设计管理的重要信息源,来源于社会的各个部门，涉及领域广，包括资源、环境、工业、农业、贸易、科技、教育、财政、金融、旅游、水文、生态、地质、人口等。

2.2数据在现代城市规划中的作用

现代城市的建设带来数据量的爆发式增长，城市运作过程中所产生的大数据，包括地图数据，交通流数据、人口流数据以及环境监测数据等都能很好的反映城市问题，这些数据的有效利用对于解决城市问题起到了举足轻重的作用。

图2纽约客抱怨地图：

蓝色－抱怨乱扔垃圾；

绿色－抱怨噪音；

红色－抱怨街头涂鸦。

曼哈顿抱怨噪音最多；

布朗克思抱怨街头涂鸦最多；

斯塔腾岛抱怨乱扔垃圾最多。

（网站数据，特别是社交网站数据）

大数据在现代城市建设中发挥着巨大作用，从政府决策与实施，到城市的产业布局和规划，再到城市的运营和管理，甚至我们生活的各个方面，注定要被贴上“数据”的标签。

尤其是在城市规划方面，通过对城市地理、气象等自然信息和经济、社会、文化、人口等人文社会信息的挖掘，可以为城市规划提供强大的决策支持，强化城市管理服务的科学性和前瞻性。

通过智能手机、社交网络、社区监控视频等设备对居民日常行为或活动数据进行收集、处理、分析及开发，能够深入了解居民关注热点，发现亟需解决的城市问题，智慧引导和服务居民出行、购物、娱乐、工作等，“智慧”理念已经成为大数据时代新的生活关键词。

大数据时代，我们可以通过各种传感器以及SNS持续获取数据，让我们能更好地去观察、监测和管理城市，为城市居民和企业提供更加优质的公共服务。

3.GIS技术与城市规划

在现代城市建设的过程中，几乎所有应用系统均与地理信息系统有密切的关系。

现阶段城市建设应从GIS开始，这是由于GIS本身的巨大功能所决定的。

（1）GIS是城市数字化的必要手段。

GIS提供了数字测图技术和输入、编辑技术，能方便地建设城市基础地理信息数据库,大大提高了城市数字化的效率。

（2）GIS极大地丰厚了城市网络化的内容。

GIS提高了网络的使用价值。

GIS为城市网络化的建立提供了需求，促进了网络技术的发展，发挥了网络的作用。

（3）GIS是城市智能化的重要技术。

GIS作为一种决策支持软件，为实现城市智能化提供了技术保证，可在灾害防范、事故应急处理、规划模拟、资源合理配置、影响评价、价格分析等方面提供便利，能在城市综合管网、电力、交通、通信等领域发挥规划、资源管理、事故处理等作用。

（4）GIS是城市可视化的有效工具。

GIS的海量数据库存管理技术、空间技术、WebGIS技术、多媒体技术、影像数据管理技术等构筑了城市可视觉化技术基础，提供了良好的实现途径，能在城市景观、城市规划、目标监控管理、三维建设、物流、房产、市场营销、地下设施管理等方面发挥重要作用。

3.1GIS与城市数据处理

GIS对城市数据的处理主要由以下几个方面：

3.1.1空间信息的获取、处理与交换

地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程，它包括：

数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等过程。

GIS处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，获取数据的手段及数据的形式也复杂多样。

获取数据的基本方式有：

野外全站仪平板测量、GPS测量、室内地图扫描数字化、数字摄影测量、从遥感影像进行目标测量和数据转换等。

同时，空间数据也具有很强的时效性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护，空间数据库中数据的准确、及时、完整是实现GIS应用系统价值的前提基础。

3.1.2空间数据的管理

空间数据的管理涉及到二个方面的内容：

空间数据模型和空间数据库。

空间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本的方法。

在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象（要素）（Feature）的模型、场（Field）模型以及网络（Network）模型。

空间数据库（Geodatabase）是一个“用于地理的信息系统”。

从根本上说，GIS是基于一种使用地理术语来描述世界的结构化数据库。

GIS集成了多种类型的空间数据，在一个GIS中，同类型的地理对象集合被组织成图层，例如地块、水井、建筑物、正射影像以及基于栅格的数字高程模型（DEM）。

明确定义的地理数据集对于一个实用的地理信息系统是相当重要的，同时专题信息集合使用层来组织，这样的思想也是GIS数据集一个关键的思想。

3.1.3混合数据的可视化技术

图3北京市区域人口到达热度图

GIS处理数据一个关键的方面就是就是可视化技术，GIS将收集到的各类城市数据以2维或三维的图形表现出来，以直观的方式帮助我们理解获取的知识和模式。

比如图3是每个工作日12~14点之间乘坐出租车到达各个区域的人数的热度图（颜色越深，人越多）。

将不同时间段的此类热度图连续播放，便可以动态反映整个城市的人口流动规律。

与单一数据可视化不同，城市计算中的可视化技术需要同时考虑多个维度，其中空间和时间是两个至关重要的维度。

3.2GIS技术在城市规划中的应用

GIS拥有的多种处理数据的功能与方式使得它成为现代城市规划中重要的应用工具与平台，而在现代城市规划中，GIS主要在以下几个方面可以得到充分的应用：

3.2.1城市道路网

城市拥堵在一定程度上突显了现有道路网的设计已经不能满足不断发展的城市交通流的需求。

如图4（a）所示，利用高速和环路等主干道将城市分割成区域，然后分析大规模车流轨迹数据在不同区域之间行驶的一些特征，便可找到连通性较差的区域对，从而发掘现有城市道路网的不足之处。

图4（b）给出了基于北京市3万多辆出租车3个月轨迹数据的分析结果。

这些结果可以作为制定下一版交通规划的参考。

同时，通过对比连续两年的检测结果，可以验证一些已经实施的规划（如新建道路和地铁）是否合理。

图4搜寻城市道路网中不合理的规划

3.2.2城市功能区

结合兴趣点数据和人们的移动模式可以分析城市中不同的功能区域。

如图3（a）所示，相同颜色的区域具有相同的功能分布（如红色区域主要为科学文教区）。

图中所采用的人的移动性数据是从出租车的轨迹数据中提取出来的，该轨迹数据包含乘客上车和下车地点的信息。

人的移动性数据可以很好地区分相同类别的兴趣点的热度，也可以揭示一个区域的功能。

给定一种功能，我们希望知道它的核心区域所在。

图3（b）显示了成熟商业区的核心区域，颜色越深表示该区域是成熟商业区的概率越大。

图5城市功能区域

3.2.3城市智能交通

利用装有GPS传感器的出租车来感知交通流量，并为普通用户设计出真正意义上的最快驾车线路。

如图5所示，一个基于地标图的路由算法，其中一个红点表示出租车司机走过最频繁的路段之一（称为一个地标），红点之间的连线表示连接两个地标点的一条虚拟边，代表连续经过这两个地标点的出租车轨迹的聚合。

还可以进一步考虑天气及个人驾车习惯、技能和道路熟悉程度等因素，提出了针对个人的个性化最快线路设计。

不仅可以为每30分钟的驾车路程节约5分钟时间，还可以通过让不同用户选择不同的道路来缓解可能出现的拥堵。

通另一方面，如图5（a）所示，向乘客推荐一些周边的路段，在这些路段上寻找到空车的概率更高（不同颜色表示不同概率，蓝色最高，红色最低）。

图5城市计算中的出租车解决方案

3.2.4环境

很多城市都开始通过建设地面空气监测站来实时感知地面的空气质量。

但是由于监测站的建设成本高昂，一个城市的站点有限，并不能完全覆盖整个城市。

如图6（a）所示，北京城区仅有22个空气监测站点（平均约100平方公里设一个站点）。

然而空气质量受多方面因素影响（如地表植被、交通流量、楼房密度等），而且随地域不均匀变化。

如果一个区域没有监测站，我们并不知道该地区空气质量的好坏，更不能用一个笼统的数据来概括整个城市的空气状况。

图6基于大数据的细粒度空气质量预测

利用群体感知是解决这个问题的一种方式。

例如，“哥本哈根车轮”项目在自行车车轮里安装一些传感器，通过用户手机将收集的数据发送至后台服务器。

依靠群体的力量，我们就可以感知整个城市不同角落的温度、湿度和二氧化碳浓度。

利用地面监测站有限的空气质量数据，结合交通流、道路结构、兴趣点分布、气象条件和人们流动规律等大数据，基于机器学习算法建立数据和空气质量的映射关系，从而推断出整个城市细粒度的空气质量。

图6（b）显示了北京某时刻的细粒度空气质量（其中不同颜色表示不同污染指数，绿色为优）。

3.2.5社交和娱乐

社交网络的盛行，尤其是基于位置的社交网络的风靡，带来了丰富的媒体数据，如用户关系图、位置信息（签到和轨迹）、照片和视频等。

这些数据不仅表现了个人的喜好和习惯，也反映了整个城市人们的生活方式和移动规律。

基于这些数据，产生了很多推荐系统，包括朋友推荐、社区推荐、地点推荐、旅行线路推荐和行为活动推荐。

SpatialDivergenceDistributionSpatialLiquidityDistributionSpaceInteractivityDistribution

图7UrbanSocialSpaceundertheInfluenceofMicro-blogSocialNetworks:

ACaseStudyofNanjing

社交媒体数据同时也向城市计算的其他方面贡献着力量。

例如，通过网民在社交网络中发布的信息来预测总统选举结果、疾病蔓延和房价走势，发现异常事件和灾难，分析交通流量，设计广告推送和商业选址。

通过社交媒体还能分析一个城市的风格以及不同城市之间的相似性。

3.2.6能源消耗

利用装有GPS的出租车在加油站的等待时间来估计加油站的排队长度，估算出此时加油站内的车辆数目及加油量。

通过将全城的加油站数据汇总，便可计算出任意时刻消耗掉（加入到汽车油箱里）的燃油数。

这些数据能实现三方面的应用：

第一，给需要加油的用户提供推荐信息，寻找排队时间最短的加油站；

第二，可让加油站运营商知道各个地区的加油需求，从而考虑增加新的站点或动态调整某些加油站的工作时间；

第三，政府可以实时掌握整个城市的油耗，制定更为合理的能源战略。

通过分析人口数据、车辆的轨迹数据、各地区能源消耗情况和兴趣点的分布来研究未来新能源汽车的充电站建在何处最优。

也有不少工作通过分析汽车内部的传感器数据（如踩油门、刹车的时间和次数等）来建议经济省油的开车方式。

3.2.7经济

城市经济是一个相对成熟的研究领域。

例如，分析决定土地价格的因素、土地使用限制对经济的影响，公司选址和人们选择住宅的位置对周边未来经济的影响等。

通过分析大量用户的签到数据为商业选址提供位置建议。

比如，要开设一个新的麦当劳餐厅，什么地方是最理想的位置。

结合道路结构、兴趣点分布、人口流动等诸多因素来对屋的价值排序。

即在市场向好时，哪些小区的房价将会涨得更多；

市场下行时，哪些小区的房价比较抗跌。

与使用传统经济学模型不同，以上这两个例子采用了机器学习算法和数据驱动的方法。

3.2.8城市安全和应急响应

城市中总是会有一些突发事件，如自然灾害（地震和洪水等）、大型赛事和商业促销、交通事故和临时管制、群体性事件等。

如果能及时感知、甚至预警这些事情，将能极大地改善城市管理，提高政府对突发事件的应对能力，保障城市安全，减少损失和悲剧的发生。

通过分析160万日本人一年的GPS移动轨迹数据库来对日本大地震和福岛核事故发生后的灾民移动、避难行为进行建模、预测和模拟。

这样日后再有类似事件发生时，便可从之前的灾难中吸取经验，为人们推荐合理的撤退线路，提前做好准备。

结语

GIS应用很大程度上取决于适当的分析数据的取得及合理的数据组织。

城市是一个复杂的巨系统，其涉及城市、社会的方方面面，其信息量极大，且城市每天都在更新，变化，其信息是动态的，时刻变化的。

城市地理信息系统的数据库建设是信息系统的重点和难点，其数据库建设投资巨大，见效时间长，且需及时更新、维护，才能真正充分发挥其功效。

据估计在GIS应用中80％的时间和投资都是花费在数据收集和整理上。

目前，我国的规划设计单位大部分没有为自己服务的信息中心，即没有数据库的建设，一些城市已经建设的信息中心并没有和规划设计单位相联，所以规划设计单位数据的获取更加困难，只能依靠手工收集、录入数据，规划师的大部份精力用在数据收集、录入和处理上，而非GIS分析中，这更抑制了GIS应用的发展。

目前，我国城市规划设计院的大部分规划工作人员在传统的城市规划方面，知识、经验很丰富，但对GIS在城市规划中的应用了解很少，而GIS专业性较强，缺少解决实际城市规划问题的专业模地，缺乏友好的用户界面，不易掌握。

我国的规划设计单位基本上是企业化管理的市场经济运作模式，即个人的完成工作量大，则收入高。

而利用GIS需要数据收集、处理、分析等，需花费很多的时间，并且许多规划设计人员对GIS不了解，对其有抵触倾向，这样，更加压制了GIS在规划设计中的应用。

所以，即便我们看到了城市规划的趋势，看到了数据在城市规划中的重要性，但在实际的规划行为中，我们对GIS、对数据的把握和应用任然需要有深的思考，在城市规划中我们仍然任重道远。

参考文献

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