城市地理信息系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

...wd...城市地理信息系統(tǒng)的原理與應(yīng)用摘要：城市地理信息系統(tǒng)〔UGIS〕是GIS技術(shù)在城市空間的綜合應(yīng)用，是將反響城市現(xiàn)狀、規(guī)劃、變遷的各類(lèi)空間數(shù)據(jù)〔如地形、地貌、建筑物、道路、綜合管線等〕以及描述這些空間特性數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)展輸入、存儲(chǔ)、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析、輸出的一門(mén)綜合性空間信息系統(tǒng)，它是在GIS技術(shù)高度開(kāi)展和城市科學(xué)研究對(duì)信息數(shù)據(jù)處理的技術(shù)手段要求不斷提高的前提下產(chǎn)生的，城市地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃、建設(shè)和管理中有著極其重要的意義。本系統(tǒng)是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各種空間和非空間數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、查詢(xún)、檢索、處理、分析、顯示、更新和提供應(yīng)用，以處理城市各種空間實(shí)體及其關(guān)系為主的技術(shù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、安全性、易操作性、可擴(kuò)展性、開(kāi)放性和運(yùn)行高效性，完全到達(dá)規(guī)劃業(yè)務(wù)處理、圖形瀏覽、網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)等日常工作要求。本文將對(duì)城市地理信息系統(tǒng)的基本概念及其構(gòu)成、開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)展闡述，并對(duì)基于GIS建設(shè)城市地理信息系統(tǒng)做了深入的研究。在分析了基于ArcGIS軟件建設(shè)城市地理信息系統(tǒng)的可行性根基上，提出了設(shè)計(jì)思路、數(shù)據(jù)組織模式和功能模塊劃分方法等；其次，實(shí)現(xiàn)城市地理信息系統(tǒng)的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、緩沖區(qū)分析很功能模塊，并解決了最短路徑查詢(xún)問(wèn)題；追蹤建設(shè)了基于ArcGIS的城市地理信息系統(tǒng)。關(guān)鍵字：城市地理信息系統(tǒng)；信息服務(wù)；數(shù)據(jù)處理；GIS一、城市地理信息系統(tǒng)的概念城市地理信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“UGIS〞。它是GIS的一個(gè)分支，是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各種空間和非空間數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、查詢(xún)、檢索、處理、分析、顯示、更新和提供應(yīng)用，以處理城市各種空間實(shí)體及其關(guān)系為主，滿(mǎn)足城市建設(shè)、企業(yè)管理、居民生活對(duì)空間信息的需求，同時(shí)借助其特有的空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)展各種輔助決策的技術(shù)系統(tǒng)。它是城市根基設(shè)施之一，也是一種城市現(xiàn)代化管理、規(guī)劃和科學(xué)決策的先進(jìn)工具。其應(yīng)用由各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、電信根基設(shè)施、互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)站群、信息化終端、城市空間根基信息平臺(tái)、城市綜合信息平臺(tái)等要素組成。目前在我國(guó)的電子政務(wù)和城市信息化建設(shè)中，GIS收到了廣泛的關(guān)注。作為實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息與空間位置配準(zhǔn)的重要手段，GIS也已經(jīng)開(kāi)場(chǎng)融入到許多日常業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，為提高管理和決策的定量化、科學(xué)化發(fā)揮著不可替代的作用。二、國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展概況國(guó)際上的城市地理信息系統(tǒng)研究始于70年代初、中期，經(jīng)過(guò)20多年的迅猛開(kāi)展，目前興旺國(guó)家已將它作為城市的根基設(shè)施之一，用于城市動(dòng)態(tài)管理和規(guī)劃開(kāi)展.并將它作為對(duì)城市重大問(wèn)題和突發(fā)性事件進(jìn)展科學(xué)決策的現(xiàn)代化手段。美國(guó)、日本、澳大利亞等許多國(guó)家在城市規(guī)劃、市政工程、交通設(shè)施、公共服務(wù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面都廣泛應(yīng)用城市地理信息系統(tǒng)，美國(guó)首都華盛頓持區(qū)啟用34個(gè)城市信息子系統(tǒng)進(jìn)展城市動(dòng)態(tài)管理，定時(shí)發(fā)布交通狀況信息，導(dǎo)向車(chē)輛運(yùn)行，即一成功范例。我國(guó)城市地理信息系統(tǒng)研究以遙感為先導(dǎo)，1980年在天津和1983年在京、津、渤地區(qū)都進(jìn)展了有益的探索。1989年利用世界銀行貸款正式在常州、洛陽(yáng)和沙市三個(gè)中等城市進(jìn)展城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)的研究探索和建設(shè)。1999年后，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)展迅速，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的加快，特別在經(jīng)濟(jì)特區(qū)和東南沿海城市，對(duì)UGIS的需求出現(xiàn)了一股熱潮，加大了資金和技術(shù)投入。深圳、廣州等城市的UGIS建設(shè)已進(jìn)入城市管理和規(guī)劃的業(yè)務(wù)應(yīng)用階段。我國(guó)在城市信息的查詢(xún)、數(shù)據(jù)和信息的更新、土地規(guī)劃和房地產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)化、城市問(wèn)題的分析評(píng)價(jià)與科學(xué)決策等方面,在不同程度上借助UGIS這一先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)生了非常明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。總體上講，我國(guó)的城市GIS目前己逐步趨于成熟。UGIS作為城市管理和決策的現(xiàn)代化工具已被許多城市列為一項(xiàng)重要的根基設(shè)施來(lái)進(jìn)展建設(shè)。由于它具有綜合信息的存儲(chǔ)、分析、交換和服務(wù)的功能,可為城市規(guī)劃、管理和建設(shè)的定量化、科學(xué)化以及各類(lèi)信息的進(jìn)展快速查詢(xún)和分析提供先進(jìn)的技術(shù)手段和方法,并為決策提供輔助支持。因此,城市地理信息系統(tǒng)是數(shù)字城市不可缺少的工具。當(dāng)前，城市GIS技術(shù)更加成熟并呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、分布式、集成化、組件化和三維可視化的開(kāi)展趨勢(shì)。三、城市地理信息系統(tǒng)的原理城市地理信息系統(tǒng)是由硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各種空間、非空間數(shù)據(jù)的輸入、存貯、查詢(xún)、檢索、處理、分析、顯示、更新，并以處理城市各種空間實(shí)體及其關(guān)系為主的技術(shù)系統(tǒng)。城市地理信息系統(tǒng)是一種城市現(xiàn)代化管理，規(guī)劃和科學(xué)決策的先進(jìn)工具，由數(shù)據(jù)、硬件和網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)隊(duì)伍以及組織管理五大要素構(gòu)成。通過(guò)建設(shè)城市地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種信息的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化和計(jì)算機(jī)化，從而到達(dá)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)共享和促進(jìn)辦公自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)信息的快速查詢(xún)檢索，實(shí)時(shí)交換以及可視化表達(dá)和輸出，逐步形成一個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的城市動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，對(duì)城市實(shí)行現(xiàn)代化管理。通過(guò)建設(shè)不同的分析模型和輔助決策支持系統(tǒng)，對(duì)城市城市綜合管網(wǎng)進(jìn)展綜合評(píng)價(jià)分析，提出方案，供主管部門(mén)決策參考。城市地理信息系統(tǒng)的基本要求1.數(shù)據(jù)輸入輸出方面系統(tǒng)應(yīng)具有完善的地形和管線圖形及屬性信息的輸入編輯功能，保證根基地形數(shù)據(jù)庫(kù)和管線數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性、安全性、現(xiàn)勢(shì)性。能夠讓數(shù)據(jù)維護(hù)人員方便地輸入各種數(shù)據(jù)和地形圖，包括對(duì)圖形的各種方式的輸入〔文本、手工、轉(zhuǎn)換等〕和編輯功能〔增加、刪除、修改、移動(dòng)〕，對(duì)屬性數(shù)據(jù)的輸入和編輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能〔復(fù)制、刪除、修改等〕。系統(tǒng)應(yīng)具有完善的數(shù)據(jù)接口，能夠方便可靠地進(jìn)展各類(lèi)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。系統(tǒng)需要提供一些必要的輔助工具來(lái)檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，如屬性錄入情況檢查、屬性庫(kù)清潔、圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一致性檢測(cè)等。2.管理與分析功能系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)功能，完成對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的查詢(xún)。統(tǒng)計(jì)和分類(lèi)管理，并可以根據(jù)查詢(xún)或統(tǒng)計(jì)的結(jié)果生成滿(mǎn)足要求的報(bào)表、圖形等信息。系統(tǒng)應(yīng)具備建設(shè)正確的政府決策支持模型的能力，從而為政府的宏觀決策提供信息支持。系統(tǒng)要具有功能強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)圖形制作功能，能為政府決策、規(guī)劃建設(shè)等提供詳實(shí)的專(zhuān)業(yè)圖形和報(bào)表資料，如平面圖、帶狀圖、縱橫斷面圖等。系統(tǒng)要有較為完整的符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)庫(kù)，使得圖形數(shù)據(jù)的表示準(zhǔn)確可靠。3.系統(tǒng)的可靠性與易用性系統(tǒng)要具有較高的安全性，包括對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、系統(tǒng)使用的安全管理和系統(tǒng)正常運(yùn)行管理等，并提供相應(yīng)的安全管理工具。系統(tǒng)在界面功能的開(kāi)發(fā)上，要符合目前國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及管理的一些習(xí)慣，使系統(tǒng)容易掌握和使用。系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面要簡(jiǎn)單、實(shí)用，并具有較高的安全保障。系統(tǒng)要有較靈活的圖形顯示和管理功能，是用戶(hù)能夠較為自由地選擇自己的顯示方式，表達(dá)個(gè)性化的表達(dá)特點(diǎn)。五、城市地理信息系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域1.城市規(guī)劃管理國(guó)際上的城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過(guò)近30年的迅猛開(kāi)展，目前興旺國(guó)家已將城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)作為城市現(xiàn)代化標(biāo)志與重要根基設(shè)施之一，用于城市動(dòng)態(tài)管理和規(guī)劃開(kāi)展，并將它作為對(duì)城市重大問(wèn)題和突發(fā)性事件進(jìn)展科學(xué)決策的現(xiàn)代化手段。城市規(guī)劃管理系統(tǒng)的主要功能包括文檔管理和圖形管理。其中文檔管理包括數(shù)據(jù)錄入、傳輸、案件處理、結(jié)案處理、監(jiān)視處理、統(tǒng)計(jì)、輸出等；圖形管理包括圖形數(shù)據(jù)的輸入與輸出、編輯、專(zhuān)題圖生成與調(diào)用、動(dòng)態(tài)更新、查詢(xún)等。2.城市規(guī)劃設(shè)計(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)性更強(qiáng)，它是規(guī)劃管理工作的根基。城市規(guī)劃設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比其他設(shè)計(jì)對(duì)空間信息的依賴(lài)程度更大。首先通過(guò)3S等技術(shù)可以直接的將現(xiàn)實(shí)中的地形、地貌、建筑物等信息輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使規(guī)劃設(shè)計(jì)依據(jù)更加準(zhǔn)確及時(shí)。其次，通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)繪制出符合要求的城市開(kāi)展藍(lán)圖。第三，可以采用仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)展分析、比較和瀏覽用于與實(shí)際效果的比較及開(kāi)展預(yù)測(cè)。最后，還可根據(jù)社會(huì)公眾的意見(jiàn)及時(shí)修改和調(diào)整，使城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案更加符合城市的開(kāi)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展各方面的要求。以四川山水畫(huà)卷風(fēng)格生態(tài)人文濱江城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案為例3.城市交通管理在城市道路建設(shè)方面，可以對(duì)3S系統(tǒng)所產(chǎn)生的城市空間信息充分利用，對(duì)城市的道路進(jìn)展合理布局與規(guī)劃，利用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)展仿真、模擬，進(jìn)展評(píng)估，使方案滿(mǎn)足需要的同時(shí)又能預(yù)留出一定的開(kāi)展空間。在交通工具方面，對(duì)公共車(chē)輛配置GPS接收設(shè)備，對(duì)車(chē)輛進(jìn)展導(dǎo)航。市民出行可以辦理公交智能卡，方便快捷。在交通管理方面，城市GIS將城市道路系統(tǒng)與交通管理部門(mén)需要的交通管理信息疊加，通過(guò)信號(hào)燈管理、警力配置系統(tǒng)，每輛車(chē)配的置的專(zhuān)用傳感器，可使設(shè)置在路邊的信號(hào)采集設(shè)備及時(shí)將每輛車(chē)在城市中的流動(dòng)情況反響到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心將采集到的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的交通規(guī)劃全景情況進(jìn)展分析、比照并將結(jié)果送往指揮中心，指揮中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)路段的交通信號(hào)進(jìn)展控制，通過(guò)信號(hào)的變化對(duì)交通流量進(jìn)展調(diào)度。以道路選線〔成本距離分析〕為例分辨率不一致，輸出數(shù)據(jù)中分辨率〔比例尺不同，即數(shù)據(jù)精度不同，輸出數(shù)據(jù)以精度最高的輸入數(shù)據(jù)中的最低精度〕，坡度〔elevation〕的分辨率為25，選擇用高程數(shù)據(jù)做出坡度圖，選擇拉伸的著色方式對(duì)其進(jìn)展重分類(lèi)，對(duì)不同地類(lèi)賦予相應(yīng)的工程成本值，新建字段，為短整型，將lu_cost的值轉(zhuǎn)換給value，用重分類(lèi)工具，加載導(dǎo)入數(shù)據(jù)后點(diǎn)在進(jìn)展賦值，設(shè)置環(huán)境，把分辨率設(shè)置為和坡度一致，然后綜合考慮坡度修路成本的影響和土地利用對(duì)修路成本的影響的因素，分別復(fù)制為0.6和0.4，以為坡度的影響比較大，利用成本距離計(jì)算公式基本成本距離，然后計(jì)算成本方向，將結(jié)果轉(zhuǎn)為矢量圖輸出即為最終結(jié)果。4.城市地下管線管理城市綜合地下管線管理系統(tǒng)就是指利用GIS技術(shù)和其他專(zhuān)業(yè)技術(shù)，采集、管理、更新、分析和處理地下管線數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)。在城市GIS應(yīng)用中，對(duì)每一個(gè)地下管線都有一個(gè)空間定位，根據(jù)空間信息可以制作出能反映地下管線狀況的數(shù)字地圖，將不同的管線圖疊加到數(shù)字地形圖上，就可以顯示出不同管線在同一標(biāo)準(zhǔn)地形圖上的準(zhǔn)確位置，同時(shí)將管線的屬性數(shù)據(jù)輸入到根據(jù)管網(wǎng)圖形信息而建設(shè)的屬性信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，使二者一致，即可以通過(guò)圖形信息查閱其屬性信息，又能檢索屬性數(shù)據(jù)也可直觀地查詢(xún)到管線位置的圖形。這樣一方面，在進(jìn)展城市建設(shè)過(guò)程中可以及時(shí)查清建設(shè)工程所在位置地下管線的分布情況，防止因建設(shè)工地地下信息不清造成重大損失，同時(shí)也可以合理布局。另一方面，各局部還可以建設(shè)相應(yīng)的管理系統(tǒng)，對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理和更新。5.城市水資源管理與配置應(yīng)用應(yīng)用GIS，可以從空間上、時(shí)間上徹底了解水資源的現(xiàn)狀與變化開(kāi)展，奠定水資源管理所需要的數(shù)字根基；可以直觀表現(xiàn)水資源狀況，更好地認(rèn)識(shí)水資源的變化規(guī)律；為水資源管理提供直觀、系統(tǒng)、科學(xué)的管理工具；可以標(biāo)準(zhǔn)管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享，便于各部門(mén)數(shù)據(jù)的交換，改進(jìn)和完善水資源調(diào)度管理與數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制。在配置方面，要在制水過(guò)程中建設(shè)數(shù)字化系統(tǒng)，包括配給、過(guò)濾、生產(chǎn)、供應(yīng)等全過(guò)程。同時(shí)在數(shù)字地圖根基上建設(shè)供水監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPS定位與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相連，隨時(shí)將大范圍的監(jiān)測(cè)信息反響到中央控制中心，保障供水的需要。6.房地產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用將GIS引入房地產(chǎn)管理是對(duì)傳統(tǒng)房地產(chǎn)管理方式的一個(gè)突破，它標(biāo)志著房地產(chǎn)管理走向更加成熟、更加標(biāo)準(zhǔn)的管理模式。其總體功能構(gòu)造如圖1所示。圖1城市房地產(chǎn)管理信息系統(tǒng)總體功能構(gòu)造城市房地產(chǎn)信息系統(tǒng)的建設(shè)既滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)房產(chǎn)管理部門(mén)所迫切需要的自動(dòng)化辦公要求，又具有處理速度快、精度高、分析科學(xué)、查詢(xún)方便、圖形和屬性一體化管理、界面友好的特點(diǎn)。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)在房產(chǎn)管理部門(mén)的普及,MIS技術(shù)的完善,建設(shè)一套滿(mǎn)足房產(chǎn)管理的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、科學(xué)、高效的辦公系統(tǒng)，使房產(chǎn)管理部門(mén)通過(guò)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)的整體鏈接，從而使房產(chǎn)管理部門(mén)之間形成統(tǒng)一的整體。7.政府決策支持方面城市GIS應(yīng)用的建設(shè)過(guò)程中，很多應(yīng)用領(lǐng)域都以政府管理的需求與應(yīng)用為主導(dǎo)和開(kāi)展方向。為政府部門(mén)提供多方面的交流，及時(shí)的數(shù)據(jù)和信息，是減少政府決策失誤的有力保證。如城市遭受自然災(zāi)害的情況時(shí)有發(fā)生，建設(shè)相應(yīng)的系統(tǒng)和電子地圖就可以對(duì)現(xiàn)狀作出及時(shí)判斷和分析，對(duì)災(zāi)害影響和災(zāi)情開(kāi)展進(jìn)展模擬，系統(tǒng)根據(jù)模擬結(jié)果提出緊急響應(yīng)方案，政府根據(jù)方案立即部署，同時(shí)采取行動(dòng)以最大限度地減少損失。災(zāi)后還要評(píng)估災(zāi)情，及時(shí)作出災(zāi)后重建工作規(guī)劃。特別是3S等為根基的高新技術(shù)的應(yīng)用，為政府在制訂有關(guān)城市可持續(xù)開(kāi)展的政策方面提供更加客觀、科學(xué)、可靠的決策依據(jù)?？偨Y(jié)在GIS眾多的應(yīng)用領(lǐng)域中，城市是應(yīng)用最早、最成功、最活潑的領(lǐng)域之一，我國(guó)的城市GIS目前已逐步趨于成熟，這種成熟不僅表現(xiàn)在GIS開(kāi)發(fā)商上，更主要表達(dá)在GIS用戶(hù)身上。在我國(guó)現(xiàn)代城市中，信息量急劇膨脹，社會(huì)管理日益復(fù)雜，對(duì)城市管理手段的要求越來(lái)越高。面對(duì)有限的空間資源，若何使之產(chǎn)生最大的效益，是城市管理面臨的共同課題。針對(duì)現(xiàn)代城市的