淺談GIS在城市環境總體規劃中的應用與探索

王成新，萬軍*，于雷，呂紅迪，王依

（環境保護部環境規劃院，北京 100012）

淺談GIS在城市環境總體規劃中的應用與探索

王成新，萬軍*，于雷，呂紅迪，王依

（環境保護部環境規劃院，北京 100012）

環保大數據結合地理信息系統是實現城市環境總體規劃空間化、促使環境管理轉型的重要舉措。城市環境總體規劃是我國環境規劃制度中的一項嘗試，實現環境管理由末端治理轉向前端控制的基礎性、空間性、綜合性、戰略性規劃。本文在分析GIS在環境規劃領域的技術優勢基礎上，提出城市環境總體規劃中生態保護紅線劃定、環境（生態）功能區劃、要素空間管控、環境風險防控、產業布局調控五大技術需求。總結GIS在城市環境總體規劃中的五大技術應用：空間基礎數據處理與評價模型應用、標準化制圖與空間信息表達、信息系統管理平臺建設、專業軟件數據轉換、銜接“多規合一”平臺等。最后，提出GIS支持下的環境功能區劃和生態保護紅線評估等功能模塊開發、城環總規信息系統上的環境影響評價模塊開發以及環境詳細規劃控制圖則編制方法等探索方向。

城市環境總體規劃；地理信息系統；環境保護；大數據；應用

引言

隨著環境大數據的發展及數據共享平臺的建設，地理信息系統（GIS）在環保領域得以廣泛應用。GIS具有強大的數據查詢、分析、展示等功能，被廣泛用于測繪與地圖繪制、資源管理、規劃設計、災害監測、環境保護等領域。目前，GIS在環境專題圖、環境地理信息系統、環境監測、環境應急預警預報、環境質量評價、水環境管理等方面均有成熟應用[1]。我國的環境規劃制度滯后于城鎮化發展，現有的環保規劃內容重任務、重指標，缺乏系統的空間管控與引導。因此，2012年環境保護部正式發布《關于開展城市環境總體規劃編制試點工作的通知》（環辦函〔2012〕1088號），首批選擇12個城市開展試點工作。城市環境總體規劃（以下簡稱“城環總規”）是由末端治理向前端控制轉變，探索編制的一種基礎性、空間性、綜合性、戰略性規劃[2]。2013年在此基礎上增加12個城市（區）作為第二批試點，2015年啟動第三批6個城市試點。通過三批30個試點城市的探索，城環總規的核心內容與技術方法逐漸形成體系，布局性、結構性環境問題得以從空間上解決。GIS空間技術為城環總規綜合分析、空間表達提供了技術支持，本文總結GIS在城環總規編制過程中的技術應用與未來探索方向，對城環總規的技術規范編制及試點推廣具有指導意義。

1 GIS在環境規劃領域技術優勢分析

一是能夠實現基礎環境規劃信息管理。環境規劃信息涉及基礎地理信息、污染源、環境監測、產業布局等空間分布數據，可涵蓋水、大氣、生態、土壤、風險、固廢、噪聲等環境要素或領域。GIS能夠實現不同要素信息的分層管理，“一張圖”展示，實現環境規劃信息的查詢、分析、輸出等功能。

二是能夠實現與環境專業模型以及其他軟件的數據轉換。GIS具有強大的數據轉換與處理能力，能夠實現數據在不同軟件間的雙向轉換，通過數據傳輸、格式轉換、二次開發，實現GIS數據與各類專業軟件之間的銜接。

三是能夠實現規劃技術圖件的標準化輸出。GIS具有強大的圖形符號制作及圖例調色功能，可根據環境規劃內容制圖需要，制作標準化的圖形符號和配色，并通過圖例存儲、調入等功能，實現批量化圖形處理。同時，GIS具有多種數據輸出格式，可與其他制圖軟件配合使用。

2 城環總規中的主要空間內容及技術需求

目前，城環總規處于試點探索階段，關于空間管控標準、劃定方法及管控政策等研究是空間技術體系研究的主要內容。從試點城市的探索經驗來看，城環總規中涉及空間管控的內容主要體現在生態保護紅線劃定、環境（生態）功能區劃、要素空間管控、環境風險防控、產業布局調控五個方面。通過對環境空間的分區、分類、分級管控，制定管控政策與產業準入清單來優化生產、生活、生態等“三生”空間。

2.1 維護區域生態安全的城市生態保護紅線劃定技術

2015年環境保護部正式印發了《生態保護紅線劃定技術指南》用于指導全國范圍內的生態保護紅線劃定工作。從地方劃定工作來看，建立最為嚴格的生態保護制度，在城市層面劃定生態保護紅線，是最適宜的尺度。因此，試點城市將生態保護紅線劃定作為城環總規的重要內容之一。生態保護紅線的劃定需要經過技術評價、邊界核定等技術工作，識別區域范圍內生態重要區、敏感區以及脆弱區等生態空間。技術評價涉及大量地形地貌、氣候氣象、土壤、水文、植被等空間數據，技術評價模型需要GIS結合RS遙感技術完成。城市尺度的成果數據精度需求對技術評價參數與邊界核定的準確性提出了更高要求。

2.2 體現環境質量維護的環境功能區劃技術

城市尺度劃定環境功能分區，是落實省級環境功能區劃要求，維護城市生態環境質量的分區管理、分類指導的一個重要手段。2012年環境保護部印發了《環境功能區劃編制技術指南（試行）》用于指導省級環境功能區劃的劃定。2014年浙江省先行探索了市縣層面劃定環境功能區劃的技術可行性，印發了《浙江省市、縣環境功能區劃編制技術指南（試行）》，對省級層面的環境功能區劃進行細化落實。有城市提出將市、縣（市）環境功能區劃編制為最基礎的環境區劃，作為探索生態環境空間管制的控制性詳規的一種新形式[3]。福州、烏魯木齊等城環總規中對環境功能區劃劃定技術在城市尺度進行探索和完善。城市尺度劃定環境功能區劃不僅對評價單元的尺度選擇提出挑戰，對評價數據參數的準確性要求更高。技術評估中涉及生態、經濟、人口、污染排放、土地資源、水資源、環境質量等大量空間數據，對經濟、社會、環保等數據精度與獲取、處理提出更高要求。此外，市級生態功能區劃劃定方法在試點城市中也有嘗試。

2.3 體現要素管理的水、大氣、生態、土壤等空間管控技術

環境要素空間管控是前端引導產業布局的重要抓手。通過對環境要素“源頭—過程—受體”三方面的技術評價，從空間上識別源頭敏感區、過程脆弱區以及受體重要區。例如，大氣環境空間管控中，分別對污染聚集脆弱區域、源頭布局敏感區域以及人群集中區等重要受體區域，制定不同的環境準入要求。各環境要素的空間管控差異增加了綜合管控分區劃定難度，有學者在GIS支持下探索提出了基于環境要素“一張圖”的環境網格化管理平臺建設思路[4]。GIS中如何確定環境要素空間管控分類、分級標準，是管控分區劃定合理與否的難點和關鍵，城市尺度的土壤、大氣、植被、水文等參數數據的獲取決定了劃定結果的科學性。

2.4 基于區域風險評估的環境風險防控技術

從區域空間角度對環境風險進行評估是解決城市結構性、布局性環境風險的有效方法。區域風險評估需要通過GIS空間分析技術劃分評估單元（公里網格），結合評估區域主要環境風險類型與特征，構建評估指標體系與量化方法，模擬“風險源—暴露途徑—風險受體”之間的響應關系[5]。區域風險評估是劃定風險地圖的基礎工作，評價模型涉及人口、經濟、風險源、風速風向、水文、敏感目標等多種空間數據，涵蓋突發環境風險、累積性環境風險、生態風險等類型。基于GIS在城市尺度進行環境風險綜合評價具有技術可行性，但從評價參數的可獲取性來看，評價方法需要進一步探索和完善。

2.5 基于資源與環境承載的空間布局調控技術

資源環境承載能力對人口和產業集聚約束與調控是城環總規優化城市布局的重要內容。主要技術途徑是通過GIS空間分析技術結合專業模型，對土地資源、水資源、大氣環境、水環境、生態環境等進行承載力評估，明確城市發展規模的“資源底線”和“排放上限”，為城市人口聚集、空間開發、產業布局等提供引導。從技術方法來看，需要在GIS中分析“污染排放格局—人口與產業布局—資源環境承載格局”之間的耦合關系。從試點工作來看，獲取高質量的環境污染排放、人口與產業分布、環境質量監測等空間數據是技術評價的前提和難點。

3 GIS在城環總規中的五大技術應用

城環總規是在城市層面開展的全要素、多領域、全覆蓋的空間型規劃探索，不僅要細化落實上位規劃要求，又要與城市總體規劃、土地利用總體規劃等同級規劃相銜接。基礎地理信息數據的普及與發展，為國土、住建、環保等提供了統一的工作底圖。GIS強大的空間分析、數據處理及二次開發能力，結合遙感等技術能夠滿足城環總規的空間技術需求，實現城環總規空間基礎數據處理與模型評價、標準化制圖與空間信息表達、信息系統管理與展示平臺、專業模型軟件數據轉換、與“多規合一”系統平臺銜接等應用。

3.1 空間基礎數據處理與模型評價應用

城環總規的主要空間內容與評價模型中涉及海量空間數據管理與分析，包括環境監測、污染排放、地表影像、社會經濟、產業分布等數據類型，分為矢量數據空間分析與柵格數據空間分析。在城環總規空間內容體系中生態保護紅線劃定、環境功能區劃、要素空間管控、環境風險防控、資源環境承載等空間評價模型應用需要用到柵格計算、網絡分析、水文分析、緩沖區、空間插值等空間數據處理方法，如圖1所示。

3.2 標準化制圖與空間信息表達應用

城環總規不同于環境專項規劃與五年環境保護規劃，規劃內容的空間表達是一項重要內容。從大連、宜昌、福州等城市探索來看，制圖過程需要經數據收集與輸入、分析與處理、制圖與輸出三個步驟。技術圖紙按照性質可分環境現狀圖、技術評價圖與環境規劃圖三種類型。技術圖紙按類型可分為基礎信息類、環境要素類兩個類型。其中，基礎信息類涉及地理信息、地形、水系、植被、土壤類型等自然地理圖紙，環境要素類主要包括水、大氣、生態、土壤、風險等方面，涉及環境信息現狀分布圖、技術評價圖以及環境要素空間管控圖等類型。在具體實踐中，根據需要可增加固廢、電磁輻射、噪聲分區、產業布局等圖紙內容[6]。

3.3 信息系統管理與展示平臺應用

圖1 GIS與城環總規五大核心空間技術

城環總規信息系統是在規劃成果基礎上開發的信息管理平臺。大連、宜昌等試點城市在規劃基礎上，利用GIS基礎數據庫，開發環境總規管理系統[7]。宜昌市還對生態保護紅線等重要內容進行了手機App開發，通過手機定位功能實現生態保護紅線的實時查詢與信息反饋[8]。規劃信息系統管理通過綜合運用GIS、海量空間數據管理、SOA架構、瓦片地圖分發等技術，實現生態保護紅線、環境功能區劃等五大空間管控數據的在線查詢、可視化及統計分析，實現環境影響評價、環境監測、總量減排、項目審批、規劃會商、環境預警、環境應急等輔助決策功能，為城市宏觀決策和多目標開發提供依據。

3.4 專業模型軟件數據轉換應用

GIS數據轉換與多格式數據輸入、輸出功能為其他模型軟件空間數據交互提供接口。在試點城環總規中大氣空間管控分為源頭布局敏感區、污染聚集敏感區及環境受體敏感區，構建了基于WRF/CALMET/CALPUFF模型結合GIS空間插值的空間劃定技術方法[9]。水環境空間管控分為水環境重要區、敏感區與脆弱區，劃定方法主要基于GIS水文分析模塊或SWAT模型中的流域區劃模塊劃定控制單元，并建立評價指標體系[10]。生態環境空間管控主要結合遙感分析軟件進行影像技術處理，通過GIS柵格計算進行相關評價模型的分析。此外，GIS結合ET GeoWizards可實現文本坐標到矢量數據（SHP）的批量轉換及屬性關聯，實現文本格式數據整理、轉換和建庫。

3.5 與“多規合一”系統平臺銜接應用

環境總規劃信息系統與“多規合一”平臺銜接，實現空間規劃成果的共享與交互融合。“多規合一”系統平臺建設是市縣“多規合一”試點探索的重要內容之一。廣州市環境總體規劃在編制過程中將生態保護紅線劃定方案與“多規合一”平臺數據進行多次對接，避免后編制規劃產生的空間沖突問題。“多規合一”平臺主要依托GIS技術建立，結合環保專項數據庫建設，能夠實現環保數據的共享服務，滿足“多規合一”平臺各部門的信息共享要求[11]。通過WebGIS技術，設計開發出“多規合一”輔助決策WebGIS系統，實現發改、國土、規劃、環保、林業等多部門數據的瀏覽、查詢、檢索、統計分析、沖突檢測，實現多源數據的集成[12]，如圖2所示。

圖2 城環總規與“多規合一”系統平臺銜接路線

4 GIS在城環總規中的三大探索方向

4.1 環境評估功能模塊開發

基于GIS的環境功能區劃、生態保護紅線評估等功能模塊開發。環境功能區劃與生態保護紅線劃定需要對生態系統進行重要性與敏感性評價。GIS在生態系統評價中應用廣泛，主要包括水源涵養、水土保持、生物多樣性保護、防風固沙等評價方法，評價數據包括氣象、土壤、生態等多個因子，具有數據量大、模型復雜等特點，不易操作。GIS具有強大的二次開發能力，可探索基于GIS空間分析技術，利用ArcObjects開發生態系統評價模塊，實現柵格與矢量數據的轉換、歸一化、分級、計算等標準化處理，簡化環境功能區劃與生態保護紅線系統評價過程，為后期修改提供技術支持。

4.2 環境影響評價模塊開發

城環總規是規劃項目環評的重要依據之一，未來可基于城環總規信息系統進行環境影響評價模塊開發。城環總規是空間型規劃，對環境空間格局進行前端控制與優化，是規劃環境影響評價的依據。目前，除環境要素類的環境影響評價模型軟件外，基于GIS的水、生態、大氣環境污染擴散模型等建模與系統開發方面均有單獨研究[13,14]。在城環總規信息系統基礎上，研究開發水、大氣、生態等環境污染影響評價模型，能夠實現空間管控方案、環境質量數據與規劃方案的模擬評價，是未來需要探索的方向。

4.3 環境詳規制圖與空間表達

完善制圖技術體系，探索環境詳細規劃控制圖則編制方法。制圖是規劃內容的空間表達，能夠提高城環總規的空間約束力。制圖技術規范化一方面要探索制圖標準化設計，實現環境符號、規劃內容等標準設計，為提高輸出效率，需要對圖框進行標準化設計；另一方面要探索總圖與分圖的標準化設計。城環總規需要對生態保護紅線、重點保護區域進行大比例尺的分圖設計，以提高重點區域管控效力。如圖3所示，福州市環境總體規劃編制過程中探索了下一步環境詳規分區圖則的空間表達方式。探索重點保護區域的空間管控要求、落實管控指標與準入條件，為下一階段的環境詳規編制提供參考。

圖3 城市環境詳細規劃分圖示例

5 結語

GIS在環保領域的應用具有其他軟件無法比擬的優勢，能夠實現海量環保數據的信息查詢、管理、格式轉換、制圖輸出等。在環境保護規劃滯后于其他部門規劃的背景下，為應對環保格局性、布局性環境問題，環境保護部開展城環總規試點工作。城環總規空間性主要體現在生態保護紅線劃定、環境（生態）功能區劃、要素空間管控、環境風險防控、產業布局調控五個方面，涉及經濟、人口、地形、植被、土壤、水文、污染源、環境監測、產業園區等空間數據，在評價內容與空間數據多有交叉，建立環境數據庫能夠實現空間規劃內容的協同編制，提高城環總規的編制效率。

GIS具有強大的空間分析、數據管理及二次開發能力，是編制城環總規的有力工具。GIS在城環總規中主要運用在空間基礎數據處理與評價模型、標準化制圖與空間信息表達、信息系統管理平臺建設、專業模型軟件數據轉換、“多規合一”平臺銜接等方面。當前，城環總規正處于試點探索階段，內容體系與制圖規范尚需完善，在GIS支持下的生態評估功能模塊開發、城環總規信息系統下的環境影響評價模塊開發以及環境詳細規劃控制圖則編制等內容是未來探索與完善的主要方向。同時，實現環保、國土、住建、林業等部門空間大數據共享是推動規劃內容空間落地的有力推手。

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Analysis on the Application and Exploration of GIS in the Urban Environmental Master Planning

WANG Chengxin, WAN Jun*, YU Lei, LV Hongdi, WANG Yi
(Chinese Academy for Environmental Planning, MEP, Beijing 100012)

Environmental protection big data combined with geographic information system is an important measure to achieve the spatialization of urban environmental master planning, and promote the transformation of environmental management. The urban environmental master planning is an attempt to realize the transformation from the end control to the forward control, which is the basic, spatial, comprehensive and strategic planning. Based on the analysis of GIS technology advantage in environmental planning, five major technical requirements were put forward, such as ecological red-line delineation, environmental function zoning, space environmental factors control, environmental risk prevention, industrial layout adjustment. Five technology applications of GIS in the urban environmental master planning were summarized, for example, spatial data processing and evaluation model application, standardized mapping and spatial symbol expression, information system management platform construction, professional software data conversion, convergence of the platform of “multi planning and unity”. At last, the article pointed out that several aspects of urban environmental master planning supported by GIS need to be further explored, including development of functional modules of environmental function zoning and ecological protection red-line assessment, development of environmental impact assessment module on urban environmental master planning information system and control chart preparation method of environmental detailed planning.

urban environmental master planning; geographic information system; environmental protection; big data; application

X32

1674-6252（2017）02-0086-05

A

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.02.086

王成新（1982—），男，助研，碩士，主要從事地理信息系統、環境規劃、生態規劃研究，E-mail: wangcx@ caep.org.cn。

*責任作者： 萬軍（1975—），男，研究員，博士，主要從事環境規劃與管理、生態評價、環保政策研究，E-mail:wanjun@caep. org.cn。