GIS輔助空間分析在宏觀尺度城市規劃中的實踐

翟 健， 金曉春

（1.中國城市規劃設計研究院 學術信息中心，北京 100044）

1 基于數學統計的空間分析

1.1 基本原理

基于數學統計的空間分析，即基于矢量的地圖疊加、簡單緩沖區和類似的基本操作，基于柵格的濾波、地圖代數操作等。這些技術涉及按照簡單的數學規則處理一個或多個圖層，生成一個新的圖層。空間分析中涉及的統計概念往往包括描述性統計，如單元數量、均差、方差、最大值、最小值、累積值、頻率、一系列其他度量和距離計算及專門用于空間數據和時空數據分析的統計技術（描述性技術、探測性技術、解釋性技術和預測性技術）[1,2]。

1.2 應用現狀

應用現狀涉及數學計算和統計分析2個層面。

數學計算通常是按照一定的數學規則，針對空間數據進行地形分析、水網及流域分析、密度分析、緩沖區分析、插值計算、圖層疊置及其他一些度量和計算操作，從而改變原圖層屬性或直接生成新的圖層；針對網絡數據，按照預先設定的網絡規則，計算出最優方案，解決選址選線、服務區劃分等問題。具體對應到城市規劃項目中，解決的是“基本地形地勢分析”、“人口社會經濟數據的空間分布模擬”、“公共設施服務半徑”等方面的問題。

統計分析包括描述性統計或針對空間數據和時空數據的探測性、解釋性及預測性統計分析。描述性統計包括計數、極值、累積、均值、標準差等，針對柵格數據，上述描述性統計也可在設定的鄰域范圍內或多層數據之間進行。更豐富的統計分析涉及熱點分析、聚類分析、空間自相關分析、回歸分析等內容。具體對應到城市規劃項目中，解決的是較深入的“地形地勢分析”（地表曲率、起伏度等指標）、區域內城鎮社會經濟數據的“空間自相關分析”、“熱點區域分析”等方面的問題。

1.3 存在的問題和應用建議

1.3.1 數據質量有待提高

基于數學統計的空間分析在實踐應用中遇到的最大難題就是可獲得的數據質量不高。在圖形方面，矢量數據少，有空間信息的柵格數據少，即使有矢量數據，數據本身在拓撲關系等方面也需較大的前期處理工作；在統計數據方面，存在各部門各層級間數據共享不暢、數據難以獲取以及各地區各層級統計標準不一降低了數據可比性等問題；并且統計數據與圖形數據的關聯性較差，很多統計數據難以落實到空間單元上，而很多重要的空間單元又缺乏相應的統計信息。

1.3.2 分析領域有待擴展

分析領域的擴展包括分析指標的多樣化和統計分析的深度2個層面。

從分析指標的多樣化來看，目前的空間分析存在以下特點：①關注點較單一，表現為數據領域和數據構成的單一。目前基于GIS的空間分析所用到的數據大多集中在人口、經濟、產業等方面，且從數據構成上以單一指標或比例指標為主。②關聯性分析不足，尚未充分發揮GIS對各種空間數據的比照、疊置、關聯分析的突出優勢。

隨著宏觀發展模式的轉變，城市規劃本身的關注點也在擴展、深化或轉移。這些都使得GIS空間分析的數據對象，除人口、社會、經濟方面的基本信息外，還應具有更廣闊的視野。同時，要加強綜合性指標的應用，善于進行空間關聯分析，充分發揮GIS的優勢。

在開封市城市總體規劃中，通過人口年齡構成、近期遷移情況、教育結構、職業結構等多方面的空間信息（見圖1），來綜合考量城市市區范圍內的教育、養老及各類公共設施的空間區位以及類型、數量、規模的配置（見圖2），做到以人為本，有的放矢。

圖1 開封市區人口分布特征空間分析示意圖

圖2 開封市區公共設施布局示意圖

在舟山市金塘島總體規劃中，根據產業和物流園區的建設時序（見圖3 a），來考慮不同空間位置上的村莊整治類型和措施，劃分改造提升區、整合集中區、適時遷移區及嚴格控制區等不同區域（見圖3b），盡可能避免或減少由產業發展的不確定性給村鎮發展帶來的制約和風險，處理好控制與發展的關系。

圖3 遠景產業格局指引及農村居民點分類指導圖

從統計分析的深度來看，不足體現在以下2個方面：①目前統計數據的空間表達方式往往是點值圖、單一面值圖或點值圖基礎上的密度圖。實際上，如果很好地研究這些數據的空間分布規律，找到更加精確的“統計數據”與“空間單元”的對應關系，就能將這些點數據進行合理的空間插值或其他適宜的趨勢面分析，從而發現城鄉之間、建設用地與非建設用地之間、建設用地中的不同用地類型之間等更加豐富的空間層次中的數據價值，得到更加真實的空間分布規律。②對GIS進行空間分析的數據結果，通常能進行簡單的描述性統計分析，而進一步的解釋性統計或具有探測性和預測性的統計挖掘還遠遠不足，甚至在指標選取是否恰當、分析范圍的尺度是否合適、具體空間單元的劃分是否合適以及一些檢驗方法的運用上都需要深入研究。

以下數據挖掘分析技術和方法，在城市規劃領域都有很大的應用空間：通過動態窗口建立地理空間與數據空間之間聯系的交互刷新技術；將統計結果通過圖形方式予以表達的可視化探索性數據分析方法；包括全局角度的趨勢面分析方法、廣義回歸模型方法以及面向局部特征的地統計方法的空間連續數據分析方法；空間自相關分析以及考慮了空間距離要素的聚類分析、因子分析、判別分析等多元統計分析方法等。它們既是對空間數據進行選擇、聚集、趨勢、分類、異常識別、關系判斷的有效方法，也是對后續深入分析和建模的有效啟發。

1.3.3 分析方法有待創新

在對專業知識充分理解的基礎上，具體的應用方式和分析方法也需積極探索與創新，要充分挖掘和體現GIS空間分析在拓撲關系、三維分析、柵格與矢量的轉換應用、網絡分析、地統計分析、時空追蹤分析等方面的優勢。

例如，應用拓撲關系，可方便地對空間數據進行裁切、疊置進而對圖形上的屬性信息進行各種統計，也可應用拓撲關系進行中心城市和外圍縣市的發展關系研究。在中國工程院“中國特色城鎮化道路發展戰略”項目中的“城鎮化發展的空間規劃和合理布局研究”中，利用空間數據的拓撲關系，方便提取出鄰接市區的縣（市）和不鄰接市區的縣（市），發現這2組不同的空間位置在經濟增速及人均GDP等方面存在明顯差異；進而分析了全國經濟總量前50位的市區周邊的縣（市）經濟發展狀況，從而成為認識“人均GDP超越全國平均水平的縣市多分布于中心城市周邊，且在省級政策支持下，中心城市與周邊縣市一體化發展勢頭明顯”的輔助支撐之一。

又如，在石家莊空間發展戰略規劃中，項目組提出利用GIS提取城區用地功能結構的需求。通常認識中的密度分析只能針對點數據或線數據，而用地現狀圖是面狀數據，于是嘗試將面狀數據按一定規則變換成點狀數據，并賦予用地類型、開發強度等屬性信息，再利用密度分析進行提取功能結構的工作（見圖4）。直觀地展現出現有中心城區的建設主要集中在城市二環路以內，各類城市功能混雜集中于面積約為100 km2的空間中，相互交織影響，進而引發一系列城市發展問題。

圖4 石家莊空間結構的演變圖

當然，這其中面狀數據轉化為點狀數據的方式、開發強度等屬性數據的權重、密度計算搜索半徑的設置、最后表達的各類功能核心聚集地的密度值的取舍等具體參數的設置都值得商討和研究。

2 基于模型的空間分析

2.1 基本原理

模型是現實世界的表達，模型的使用有助于理解、描述和預測世界中實物的發生、發展聯系，是普遍使用的認識現實世界的方法和工具。模型具有普遍的意義，地圖、數學公式、流程圖、一組結構化的概念等都是模型[3]。

基于數學統計的空間分析與基于模型的空間分析并不完全割裂，實質上，前者是基礎，往往包含于后者之中，有些數學計算正是空間分析模型的前幾個步驟，亦或有些統計分析正是空間分析模型的后幾個步驟。可以認為，基于模型的空間分析是基于數學統計的空間分析的深入發展。

2.2 應用現狀

基于流程模型的空間分析，建立在流程性的通用分析方法和規劃分析方法之上。流程性的通用分析方法包括一系列的系統分析方法、決策分析方法，如層次分析法、情景分析法、專家咨詢法等。流程性的規劃分析方法，有些是規劃及相關專業獨特的分析方法，如水文分析、人口規模預測等；有些是在上述通用分析方法的基礎上，形成的較完善的規劃應用模式，有較固定的輸入輸出數據指標和分析過程。具體對應到城市規劃項目中，解決的是“流域劃分”、“水網分析”、“人口預測與分布模擬”、“生態環境敏感性評價”、“用地適宜性評價”、“城鎮發展條件評價”、“城市職能分析”、“產業結構分析”等方面的問題。

基于理論模型的空間分析，涉及模型建立的依據是通用基礎理論（空間相互作用關系理論）和規劃相關專業理論（區位理論、空間句法理論等）2個層面。具體對應到城市規劃項目中，解決的是“城鎮吸引力分析”、“空間結構特征分析”、“空間形態特征分析”等方面的問題。

2.3 存在的問題及應用建議

2.3.1 重視規范化、流程化

基于模型的空間分析，首先是針對規劃需求確定分析方法或理論，然后是具體的步驟組織和分析指標的選定，再進行數學計算和統計并加以可視化表達。定量化水平的高低，往往能從一定程度上反映一個學科的發展水平。而這種定量化、模型化的應用，正是城市規劃提高科學性和工作效率的一種迫切需求和重要途徑。

然而，這對數據基礎、分析人員的知識構成等都有較高的要求，要求規劃人員在基礎GIS軟件上來實現這些分析難度較大。國外的GIS空間分析應用發展思路，為我們提供了很好的經驗借鑒。在空間建模的基礎上，國外形成了眾多典型輔助分析系統，如INDEX、WHAT IF、CommunityViz、Expert Choice等，都在規劃領域得到了廣泛應用。

當然，發展階段不同，所面臨的任務和需求也有所不同。實踐應用中，我們結合近年來的21項省域城鎮體系規劃、城市總體規劃等宏觀尺度的規劃實踐，總結出部分宏觀層面的具有通用性的空間分析模型庫（見表1）。

表1 空間分析模型一覽表

GIS應用人員或規劃人員可通過模型的交互界面確定各種參數設置，完成對特定城市或區域的分析。在上述模型庫基礎上的軟件開發正處在進一步的產品轉化過程中，對數據標準化處理的要求過高、交互界面還有待完善、軟件以高度集成還是較靈活的形式推出等方面是下一步重點關注和需要解決的問題。

2.3.2 推動規劃理論方法應用與發展

要總結并建立起豐富的空間分析模型庫，并最終形成應用工具，無疑離不開規劃領域相關理論方法的健康發展，這一方面需要已有理論方法的細化、深化，以達到完成空間建模的要求，另一方面需要適應當前發展階段規劃需求的新的規則的產生、方法的總結和理論的形成。

文獻[4]總結了城市規劃調查方法、城市經濟分析方法、城市人口規模預測方法、城市用地選擇方法、城市規劃決策方法等內容。當然，由于是規劃教材，這里的規劃方法是基礎性的，但在忙碌的實際工作和大量的實踐項目中，能以流程或規范的方式予以總結并具有一定通用性的新規則和新方法也是乏善可陳。規劃領域的GIS應用人員應在其中起到一定的推動作用，推動已有理論方法的模型化應用，推動基于空間建模的項目實踐和科研積累，如與某些空間模型配套的參數設置或分析結果的類型劃分、參考值推薦等，從而推動規劃理論方法的應用和發展。

3 結 語

當前中國城市規劃市場更多強調硬件（項目、物理數據和決策），而較少強調軟件（政策、社會經濟信息、主體和知識）。為達到有效的城市規劃，規劃支持系統發展或信息支持應在方法論、模型、規劃支持系統開發、地方數據基礎設施方面采取專門的戰略[5]。

GIS輔助城市規劃空間分析涉及到地理信息、城市規劃、系統分析、統計等多個學科領域，其技術、理論、模型、方法等內容紛繁復雜。文獻[6]對規劃支持系統的基礎框架進行了系統的總結。但現階段，數據積累基礎較差，GIS應用的人員構成、知識構成及工作組織模式尚不完善，在經濟快速發展的大背景下傳統規劃模式的需求有一定路徑依賴，公眾參與進程尚在起步階段等眾多困難的存在，使得GIS在城市規劃中的應用仍然任重道遠。

最后，再強調幾點對GIS輔助城市規劃空間分析的認識：

1）充分認識基礎數據庫的重要性。基礎數據庫的建設不僅要對空間數據、統計數據進行處理、管理與應用，還要重視記錄規劃的過程，包括某次討論中的思維火花、某個階段的過程成果、某種具有創意的圖形表達方式等，同時，對數據庫的管理要在知識管理的大框架下展開，為下一階段的GIS空間分析提供良好的數據基礎。

2）強調人的作用，強調定性分析與定量分析的結合。推廣GIS在城市規劃中的應用，絕不可走上唯工具論、唯技術論的歧途。不可否認，城市問題的個性突出，因地制宜是基本原則，所以筆者認為GIS的工具作用必然是“半成品”，是供規劃人員加入經驗、定性判斷、進行取舍的；供公眾及社會團體加入主體意愿參與其中、交流協商的；供決策者綜合多方因素進行最終決策的。

3）現階段規劃輔助工具的開發應注重分散性、靈活性，追求去繁求簡的目標。計算機技術必須能夠反映、體現規劃中的不同的價值觀，而且體現各種價值觀的技術必須是公開、透明、易于理解的，這樣才有利于工具的推廣應用。

4）在上一個認識的基礎上，重視發揮規劃中信息技術支持在搭建交流平臺、構建過程規劃中的作用。西方城市規劃逐步從“為公眾規劃”轉變到“與公眾一起規劃”，需要有新的工具支持這種規劃模式，能在其中起到交流、溝通的功能，為參與規劃各方（決策者、專業規劃師、普通公眾）提供一個互動的交流平臺。

[1]Mitchell A. ESRI Guide to GIS Analysis Volume 1:Geographic patterns and relationships[M].Redlands:ESRI PR,1999

[2]Smith M J, Goodchild M F, Longley P A.地理空間分析——原理、技術與軟件工具[M]. 北京：電子工業出版社，2009

[3]王遠飛, 何洪林. 空間數據分析方法[M]. 北京: 科學出版社，2007

[4]張軍民, 陳有川. 城市規劃編制過程中的常用方法[M]. 武漢:華中科技大學出版社，2008

[5]詹慶明. 城市規劃中的空間地理信息與決策支持[M]. 武漢:武漢大學出版社， 2009

[6]龍瀛, 毛其智. 城市規劃支持系統的定義、目標和框架[J].清華大學學報：自然科學版, 2010, 50(3): 335-337

[7]官衛華, 劉正平, 葉菁華. 基于區域協調的城市總體規劃編制方法的新探索——以南京市城市總體規劃修編為例[J]. 城市規劃學刊，2010, 191(6): 22-30

[8]“基于3S和4D的城市規劃設計集成技術研究”課題組. 空間信息技術在城市規劃編制中的應用研究[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2012

[9]李曉江, 金曉春, 石亞男,等. 城鄉規劃編制中的空間分析與輔助決策方法[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2013

[10]王法輝. 基于GIS的數量方法與應用[M]. 北京: 商務印書館, 2009