優化城市：GIS新技術書寫新藍圖

姜疆

通過不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，在城市規劃決策管理等越來越多領域勝任更多更復雜的分析任務，提供更加客觀準確且及時的分析結論

近年來，我國進入城市化快速發展的階段，城鄉建設規模達到空前的程度，引發的種種經濟社會問題給城市造成越來越大的壓力，城鄉空間規劃、決策、管理的工作負荷急劇加重，城市和區域空間結構優化與應用現代信息技術輔助規劃決策管理的需求日趨強烈。伴隨著科學技術的進步，GIS通過不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，從而將在城市規劃決策管理等越來越多的領域，勝任更多更復雜的分析任務，提供更加客觀準確且及時的分析結論。

現象

GIS應用范圍越來越廣、程度越來越深

隨著城市規劃信息系統日益完善，越來越多的規劃工作者開始將“地理信息系統”（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）應用于規劃編制研究的過程中。

GIS是能夠搜集、存儲、操作、分析、管理，并展現空間或地理數據的信息系統。基于計算機硬、軟件系統支持下，GIS可對整個或部分地球表面（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。GIS自誕生至今，其應用領域已經由自動制圖、資源管理、土地利用發展到與地理位置相關的水利電力、環境保護、金融保險、地質礦產、交通運輸等多個領域。

縱觀國內近期在將GIS技術用于規劃編制相關領域的研究，大都屬于總體規劃層面，如：《北京城市總體規劃（2004-2020年）》中應用GIS多因子分析技術，綜合生態規劃對城市空間發展進行生態限制性區分。《深圳市城市總體規劃（2007-2020年）》根據資源環境、工程地質等城市安全條件，結合城市可持續發展目標，建立評價指標體系，基于GIS進行多因子綜合評價，將城市用地規劃定為禁建區、限建區、已建區和適建區，并加強對四區的空間管制和建設引導。《無錫市總體城市設計》中利用GIS的空間分析能力，對影響城市環境的因子進行量化分析與綜合評價，最終建立基于空間分析的高度與開敞度控制模型，為城市總體形態控制給出理性分析依據。

在國家發改委指導下，江蘇，河南，山東等省份依據主體功能區的科學內涵和劃分原則，建構具有應用價值的分類指標體系，并應用GIS技術方法，根據指標的表征屬性以及分類單元，對指標進行賦值和計算，得出主體功能區劃的研究成果。《江陰市域主體功能區與可持續性發展研究》以GIS技術為平臺，將江陰市的幾十種社會經濟數據和十余種自然地理數據統一落實到單元中，進行綜合分析計算，將江陰市按行政區域界限劃分為適合建設、優化建設、限制建設、禁止建設四種主體功能區。《京杭大運河遺產保護規劃—常州段》建立了“大運河常州段歷史遺產”數據庫，以此為基礎分析運河及其周邊的地理、社會、經濟數據，綜合判斷大運河及其周邊遺產的價值，探索合理保護的方法。

在城市空間分析與管理方面，GIS分析的對象是城市及區域空間的多種實體數據（如建筑、地塊、街道等）及其關系，通過分析城市空間分布的各種現象和過程，解決復雜的規劃、決策、管理問題。在城市空間的規劃與設計當中，可首先建立一個地理數據庫，然后用GIS進行各構筑物的規劃、選址，等等。

GIS具有計算機輔助設計的功能，能為設計人員提供車道、交叉路口等的設計工具，為城市空間的優化設計提供方便，大大提高了規劃的工作效率，使規劃研究人員從繁重的設計工作中解脫出來，將主要精力投入于方案的綜合比選分析中。同時，GIS可直接用計算機對模型圖進行各種修改，且非常簡單明了，可提高規劃設計的速度和質量。GIS在規劃設計中主要解決了信息管理、提供分析工具并滿足決策的要求。

背景

城市結構優化需求讓GIS彰顯神通

在中國經濟快速發展的背景下，我國城市空間結構劇烈演變。一方面是城市空間向外的迅速擴展，其表現為用地擴展規模大，速度快；另一方面是城市空間內部的急劇變化，表現為城市空間結構的復雜化和空間結構的多樣化。同時，城市界限日益模糊，主要表現為城市和鄉村的交錯。

我國城市空間結構的這些新特征，是在中國長期片面追求經濟增長的制度機制下產生的。由于對社會、生態等外部成本的忽視，不可避免地出現了一系列“城市病”，對我國城市的進一步發展，乃至整個國民經濟社會的健康和諧發展，造成了很大的威脅。

現在，通過城市空間結構的改善實現城市全面、協調、可持續發展，就是要在城市轉型發展的背景下，實現優化城市空間的結構。眼下，我國城市空間結構優化主要包括兩個層面的內容：平衡城市結構和重塑城市空間。

東南大學建筑學院城市規劃系熊國平教授指出：平衡城市結構主要是從改善城市結構失衡現狀的角度出發，實現城市內部各要素之間的均衡，像新區和老城的均衡發展，公共服務設施的均等化，以及如何實現城市與郊區、開發區與周邊的融合。

伴隨著中國經濟的快速發展，城市規模迅速擴大，城鎮化進程不斷加快，引發的種種經濟社會問題，給城市造成越來越大的壓力，很多城市選擇建設新區，緩解老城壓力。一方面，處于城市中心地帶的老城通常愈來愈難以滿足居民的生活要求，尤其是無法與周邊新區的快速發展相匹配，而全國各地的舊城區改造往往是“大拆大建”，導致老城原有肌理，包括很多珍貴的歷史遺跡，都遭到嚴重的破壞。另一方面，新區建設主要來自于對已有開發區或其他城市功能區的重構和二次開發。然而，開發區和新區在開發初期通常都功能單一，例如依靠工業發展起來的經開區、只具備居住功能的大型住宅區，這些區域功能的單一化導致其缺乏活力，造成建設浪費，以及形成“鐘擺式”交通。

公共服務設施方面，有的城市在缺乏統一規劃情況下，公共設施建布局不合理、等級劃分不清淅，相應的優質資源集中于部分地區，而忽視了大多數群眾的需求，有的城市在政府引導缺位和經濟利益作用背景之下，高檔場所重復建設而公益性公共設施不足……一系列構成公共設施和服務種類不全、分級不清、體系不健、質量不佳、分布不均的問題，也對社會經濟、文化生活的進步產生相當程度的阻滯。

多年以來，城市邊緣區是城市空間擴張影響最集中的地方，受城區與農村兩股力量的交互影響作用，在缺乏統一管理和有力領導之下“任性”發展，使得城市邊緣區土地利用結構復雜，用地無序蔓延，土地利用效率低下；同時，開發區的地理邊界幾乎是嚴格封閉的（大部分開發區都是具有明確管理范圍的獨立行政區），忽略了與其周邊地區的聯系，與周邊地區缺乏充分的協作和溝通，使得開發區呈現一種封閉式的高速發展，在空間上成為“孤島”，而開發區周邊地區由于缺少經濟活力，發展緩慢，產生了區域增長的額“斷層”。

重塑城市空間是眼下優化城市空間結構另一關鍵措施。熊國平教授指出，中國城市發展的多元化和多邊形，減弱了城市形態的自組織能力，城市要素構成更為復雜、無序，導致城市空間失當。重塑城市空間就是梳理各類城市構成要素，完善各類城市空間功能，在城市建設中實現社會經濟的協調發展，實現人與自然的和諧發展。重塑城市空間主要包括：保護生態空間、完善休閑空間、混均居住空間、升級產業空間、共享交通空間等。

焦點 GIS既有的優勢和不斷增強的優勢

在GIS技術應用于城市空間信息管理之前，城市規劃師主要使用計算機輔助設計軟件（computer Aided design，CAD）來處理空間信息。實際上，CAD目前仍然是國內規劃制圖時使用最普遍的軟件。常用的CAD軟件主要有AutoCAD MicroStation等。

CAD與GIS的基本原理迥異，盡管兩者都有坐標系統，但CAD把世界看成是一個立方體，而GIS把世界看成一個球面。CAD的主要優點是編輯功能非常強大，可以非常方便地對研究對象進行拉伸、剪裁、復制，等等。相比而言，GIS的制圖編輯功能則較弱。不過，CAD的主要功能在于輔助空間圖形處理，其數據模型缺乏對屬性數據的支持，因此在數據分析、統計和查詢等方面遠不如GIS。

GIS在城市空間分析與管理方面的應用具有非常顯著的優勢。GIS把其分析對象的空間位置和特征屬性關聯起來，極大方便用戶查詢“在什么地方某分析對象有什么特點”。GIS對空間分析對象的統計、分析功能極其全面，比如查找適宜位置，進行出行成本分析，確定兩個位置間的最佳路徑等。

美國北卡羅來納大學城市與區域規劃系的相關學者指出：GIS具備空間數據庫的概念，可把空間數據和屬性數據捆綁起來，創建中心數據庫來儲存和管理這兩方面信息（用戶可以通過電腦桌面、服務區或移動環境調用和存儲這些數據）；GIS具備強大的空間分析功能，并且，其空間分析功能的開展是基于統計及數學的一系列量化模型，從而可對空間現象進行準確的描述與預測，并輔助城市空間政策的科學化決策。GIS可以提供對數據執行完整性檢查的機制，由于其可進行拓撲分析，此外，還可以使用拓撲為要素之間的空間關系建模、為多種分析（如查找相鄰要素、處理要素間的重疊邊界，以及沿連接要素進行導航）提供支持；GIS可以高效快捷地對一個要素生成多張專題地圖（例如人口圖、經濟狀況圖、設施數量圖，等等），由于GIS的一個空間要素常常對應多個屬性（譬如街道邊界對應的街道人口、經濟狀況、設施數量，等等）。

當前，新互聯網時代的來臨更強化了GIS在信息查詢方面的優勢。很多城市或區域建立了在線交互式GIS信息共享平臺，這些平臺不但允許廣大公眾查詢空間信息（如城市街道便利程度評分、地塊法定用途，等等），用戶還可以根據這些平臺提供的人口、經濟、社會等方面的GIS數據繪制專題地圖。

隨著大數據的深化發展，越來越多的GIS網絡互動平臺更是允許用戶利用移動終端隨時隨地產生新的空間信息并上傳至平臺（如行為蹤跡、服務評價，等等），進一步擴展了交互式GIS數據庫的信息量及用途。

同時，GIS可結合虛擬現實技術使方案的篩選、優化顯得非常形象、直觀，直接用計算機就可對模型圖進行各種修改（如各構筑物位置的布局、規模的大小、與其他構筑物的連接方式等），且非常簡單明了，可提高規劃設計的速度和質量。

此外，GIS還通過多種途徑與許多相關專業軟件實現了融合。ESRI公司開發的ArcGIS就成功地使GIS與CAD在采用通用的存儲環境等方面實現了完美融合。ArcGIS與城市建模軟件也能實現內嵌、耦合。（見表格）

啟示

利用GIS更好地為城市結構優化服務

伴隨著科學技術的進步，GIS不斷改進分析工具、不斷完善各項分析功能，其優勢難以盡數，而相關學者更加重視的是如何利用GIS更好地為城市結構優化服務。

在規劃編制階段，規劃部門需要根據城市一系列現狀特征和發展趨勢對城市空間進行合理布局，確定土地使用性質和強度。GIS的數據庫和空間查詢統計功能可以幫助規劃師掌握城市社會、經濟、人口、交通、土地權屬等現狀，并對未來的城市功能的空間分配進行規劃；GIS的空間統計分析功能可以幫助規劃師估測不同城市土地利用的規劃方案給土地資源、環境和交通帶來的影響；GIS的可視化表現功能可以幫助規劃師快速生成情景規劃圖，并向公眾展示這樣的結果，有助推動規劃編制階段的公眾參與。

在規劃管理里階段，規劃部門不僅要對一些常規項目進行精細化管理，還要對一些突發問題進行快速判斷和行動。西方發達國家的很多城市建成GIS土地及建筑信息集成系統，儲存地塊及地塊上建筑物的權屬、擁有人或使用人、法定使用強度及用途、土地保護（或限制開發）政策、土地價值、交易、功能轉換等信息。這個系統集成管理分散在不同政府部門（如規劃、國土、環境部門等）的關于土地利用的信息，支持對應不同管理任務的統一決策。這樣的信息系統可大大方便規劃業務審批。例如，在城市建設與改造項目報建審批過程中，可通過土地及建筑信息集成系統對申請工程項目進行準確定位，并查詢其允許功能、所受環境保護政策限制等，輔助規劃審批工作。GIS系統還可以積極響應臨時突發任務要求，通過圖文互查、統計分析等支持快速決策。例如，一些城市建立GIS應急信息處理系統：社區一旦發生火災、暴力等緊急事件，智能視頻監控馬上將感應到的信息傳輸到GIS應急信息處理系統上，并迅速激活對話框顯示預警信息及應急預案，幫助救援人員迅速開展救援行動。

在規劃評估及反饋階段，GIS可幫助規劃師掌握土地利用的動態變化信息，判斷城市發展的實際速度和規模與規劃的偏差。通過比較不同年段反映城市發展的GIS數據（如土地利用、植被等），可清晰查看現狀與規劃愿景之間的差異。GIS的空間分析功能還可幫助規劃師對土地利用密度等土地指標、城市交通可達性等城市關心的指標進行計算，從而判斷城市發展狀況是否達成規劃目標，為下一輪城市規劃的編制提供有效的反饋信息。