地理信息系統在城市規劃測繪中的應用

江蕓倩?鄧鑫

摘要：現代化城市建設中，傳統測繪手段已經無法適應城市多變量、多層次的發展需求，地理信息系統作為信息產業重要分支科學，具有強大數據獲取、分析、預測和管理能力，能夠為城市規劃測繪提供數據、方法和平臺支撐，提高城市規劃的科學性、有效性和可操作性。首先闡述地理信息系統特征，以此為切入點，細致描述城市規劃測繪中地理信息系統的構成，最后對地理信息系統在城市規劃測繪中的應用進行分析，為城市規劃數字化變革提供技術參考。

關鍵詞：地理信息系統；城市規劃；測繪工程；地理空間數據

一、前言

在我國經濟建設和社會發展中，城鄉規劃、主體功能區規劃、土地利用規劃等作出了重大貢獻，但也引發了空間資源和規劃話語權的爭奪，造成不同空間規劃“沖突打架”。對此，我國發布相關文件，要求將傳統空間規劃融入國土空間規劃，建立全國統一、相互銜接、分級管理的國土空間規劃體系，全面提升國土空間規劃及治理水平，還要注重規劃編制、實施和監管流程的科學性、智慧化、信息化及公眾參與性，積極將新興技術應用其中，形成國土空間規劃一張圖。地理信息系統是實現這一變革的技術支撐，具備信息收集、傳輸、存儲、表達和分析功能，能夠詳細描述地理對象的空間屬性、形態及關系特征，提高規劃信息獲取、分析和處理能力，將其應用于城市規劃測繪中，可有效整合信息技術和地理坐標，獲得精準數字圖像，提供科學規劃測繪方案，進一步推動我國城市建設發展，促進我國城市規劃測繪向信息化、智能化變革。

二、地理信息系統特征

地理信息系統，簡稱GIS，是一種以計算機硬件、軟件為技術載體，實現空間地理信息數據測量采集、存儲保管、分析運算的數據管理體系，涵蓋計算機信息技術學、地理空間學、統計測量學等專業學科知識，專業融合性和技術獨立性特征突出[1]。地理信息系統主要針對空間數據和屬性數據展開工作，通過計算機技術處理將數據轉化為易于識別和分析的圖層，組建完整的空間地理信息模型，再利用GPS全球定位技術和網絡通信技術快速、準確、實時進行地理定位和動態追蹤，達到分析數據、動態預測和科學管理的目的。目前，地理信息系統在城市規劃、城市地圖測繪、城市建筑測量、景觀規劃等領域應用頻繁，具有特殊性、動態化數據處理及廣闊性特征，其特殊性指地理信息系統具備的獨特組成結構，通過計算機軟硬件、用戶信息、地理數據信息的共同作用形成動態化的計算機應用體系[2]；其廣闊性指地理信息系統作為高度濃縮的信息處理系統，實際運行時需要構建完整的地理信息模型，對地理數據進行深度研究和應用實踐，為數據輸出和應用提供有利條件；動態化數據處理是地理信息系統的顯著特征，可多方面搜集數據、處理數據、輸出數據，根據數據變化而變動，具有較強數據處理動態性和空間性。面對我國規模和體量都越來越大的城市建筑群體、越來越復雜多樣的城市建筑形式，以及各種新建筑材料、新設備的應用，地理信息系統不僅能豐富數據功能，確保數據全面性，減少錯誤數據出現，還能實現立體化輸出，最大限度保障輸出數據準確性，提升測繪工作精準度，進而滿足城市發展需求，規劃建設出人們滿意度高的城市建筑，完善生態環境，是未來城市規劃測繪主要方式之一。

三、城市規劃測繪中地理信息系統的構成

信息技術的發展，使得城市規劃測繪領域在傳統測繪技術、計算機輔助制圖、數字統計分析、二維統計電子圖表等基礎上，融入了GIS空間數據分析、規劃信息屬性數據庫等技術，建立起以地理信息系統為核心的城市規劃測繪管理平臺，以適應數字化城市建設與發展需求[3]。地理信息系統作為核心技術，其結構組成復雜獨特，包含前臺處理、中臺、安全防控體系等，具體如下。

（一）地理信息系統原理及功能

地理信息系統數據應用原理為：當確定測繪及規劃對象后，應用遙感及衛星技術獲得地面數據，將數據與影像結合在一起，建立地理信息系統數據庫，通過處理加工數據形成一個網格狀的三維空間，為城市規劃提供有效支撐[4]。該系統具備采集與編輯數據、存儲與管理數據、處理與變換數據、空間分析與統計、數據導出、產品制作演示等功能。采集與編輯數據功能，數據來源包含現場人工調查數據、GPS技術數據和RS技術數據，基于格式數據組建數據庫。數據存儲與管理功能，數據分類、存儲、轉換均屬于該功能范疇，管理后的數據表現為高邏輯性的網絡數據庫形式，還具備矢量文件互換和格柵功能?？臻g分析與統計功能，將空間內地理元素集成，對區域內的建筑、景觀格局等分布信息進行系統化分析，為空間規劃提供詳實數據支撐和便利工具支持。數據導出功能，根據文件類型選擇網格化、數據表格、地圖統計等導出形式，導出圖像具有分層功能。

（二）前臺處理設計

前臺處理設計的核心是計算機硬件，主要功能是全面、詳盡記錄整個城市的地理信息、處理工作數據及流程，收集所有可用信息，并對各類數據進行統計分析和可視化展現，挖掘更多有價值的信息[5]。前臺處理還包含業務數據收集、數據錄入、數據處理驅動、業務管理等，可支持不同計算方式，提供可視化引擎和數據驅動模塊。具體工作流程為：UI界面→API接口→應用功能→BI引擎→報表引擎。

（三）中臺設計

中臺設計的核心是測繪軟件系統設計，由運算層、搜索層、數據處理層、數據交換層組成，其功能是將前端錄入的GIS數據匹配、擬合整理和分析處理，是地理信息系統與海量數據處理系統的接口。中臺設計是利用信息序列和中介層優化海量數據，提高數據穩定性、靈活性和準確性，避免錯誤數據、重復數據、冗余數據出現；可兼容其他數據平臺及應用，如語言輸入、搜索引擎工具等，保障數據完整性和可延展性；可高效、有效集成Hadoop生態系統各種組件，并深度優化各個組件，提高組件之間的協調性和契合性。例如，Spark引擎，是一種無需讀寫、可將計算結果存放在操作系統中的快速運算引擎，適用于迭代性計算，在數據挖掘和工具學習領域應用前景廣泛。

（四）多元異構數據集成

城市規劃測繪進程中，地理信息系統中數據來源多、數據結構復雜、體量大，尤其是計算機輔助制圖系統，具有強大地形數據采集、存儲和編輯功能，為地理信息系統提供大量信息數據，但該系統空間分析能力不足，地理信息系統缺乏相應圖形編輯能力，兩者之間異構性特征明顯[6]。通過數據集成設計，可實現數據在系統之間的相互識別、轉換、讀寫和存儲，如GIS系統中SHP格式數據可直接轉換為CAD可識別的格式，CAD軟件中DXF格式數據可直接輸入GIS系統，其原因是ESRI軟件中設置有CAD擴展端口，允許CAD用戶利用ESRI軟件提取GIS數據或CAD元素，使得各個格式數據能夠實現互相編輯、調用、查閱和打印，使異構的數據無縫連接和集成共享。然而，在實際應用中，要實現這一技術要求具有較高難度，可通過在軟件中嵌入一個API函數的數據編譯器（編譯器工作原理見圖1）來實現該功能。同時，在功能集成方面，松散集成可通過對象鏈接或OLE技術調用實現，例如，在建立城市土地數據庫時，計算機輔助繪制系統需要調用地理信息系統相關數據，可通過MAPinfo嵌入程序或OLE技術建立拓撲關系，實現功能操作。緊密集成可直接利用地理信息系統中的組件對象模型（COM）技術，實現系統功能之間的無縫銜接，便于對空間數據庫進行統一操作。

（五）安全防控體系設計

安全防控體系設計主要針對前端設備流量管理，在前端數據采集設備中添加威脅識別和安全保護機制，對接入層設備東西向流量進行精準威脅分析識別、智能減緩和保護，在危機發生第一時間做出反應，預防威脅擴散。針對前端設備缺乏有效緩解其易損性的情況，需要引入新的技術手段和設備對前端設備進行檢測，及時發現薄弱點、漏洞和脆弱性設置，利用接入層防護手段進行應急緩解，有效應對突發事故。為實現前端設備24小時監控，保障設備安全，可以在每個前端設備增設一個監控設備，時刻掌握前端設備運行情況和狀態，及時探測和發現威脅。因此，在進行安全防控體系設計時，設計人員應當基于等保2.0相關要求，構建一個探測威脅和脆弱性、可雙向控制的網絡系統，具有一定接入層安全管控能力和突發事件遠程應急處理能力。

四、地理信息系統在城市規劃測繪中的應用分析

（一）采集及規劃地理空間信息

空間是人們賴以生存的基礎，城市規劃測繪需要依托人們長期適應空間變遷形成的思想觀念和空間環境開展，納入現代化城市規劃理念、方法和要求，為城市空間植入新的生活功能和生產方式。地理信息系統的應用會為城市規劃測繪提供標準、規范化的測繪工作和專業土地規劃，準確把握城市規劃重難點，堅持多學科視野選擇技術，通過多部門協同作業，為城市規劃提供強有力的保障。首先，對整個工作內容、工作流程有一個大致規劃，明確規劃范圍，重視城市建設信息資源的收集、整理和利用，包括社區、街道、道路中線、河流邊線等，還要采集非空間數據，結合遙感技術和衛星定位技術進行數字化處理，儲存格柵數據和矢量數據，以保障城市測繪電子信息圖的精準度。其次，控制數據處理速度，為確保處理數據具有較高精確度，發揮地理信息系統在城市規劃測繪中的作用，需要充分利用系統采集城市建筑、景觀、道路等信息，預先明確采集標準，控制數據采集過程，減少周圍因素對數據的干擾，不斷提升數據采集精度和速度。最后，對數據采集過程進行人工設計，認真修改和篩選地形圖，確保人員只需要輸入經緯度，計算機內測繪軟件就會自動獲取數據信息，形成相應數字地圖，規避現場調查和人工錄入可能導致的數據問題和工作風險，還可以利用數字掃描儀智能識別相應地理信息數據，以圖表或網狀圖形式表現出來。值得注意的是，地理信息系統主要價值是數據采集和調整，技術人員在獨立使用地理信息系統時，應當基于地理空間實際情況適當修改規劃、成果，根據現實需求和數據發展趨勢，將最新數據和實時信息應用至城市規劃和測繪中，保障城市規劃科學合理。

（二）空間查詢及量算

地理信息系統是一個綜合的大數據處理平臺，是一個按照人為設計自動整合、擬合、處理和分析的智能化數據庫，空間查詢是其基礎功能之一?？臻g查詢可細分為屬性查圖形、圖形查屬性、混合查詢，其中，圖形查屬性是輸入圖形空間位置，查詢對應屬性信息的方式。工作人員可通過鼠標確定空間位置，采用矩形、圓形、多邊形等形狀圈定空間范圍，系統查詢范圍對應屬性及空間實體，顯示屬性列表。查詢流程為空間索引確定空間實體，將屬性庫和圖形庫關聯查詢，確定空間實體屬性列表并顯示出來。屬性查圖形是與圖形查屬性相反的一種空間查詢方式，通過輸入一些屬性條件，搜索查詢能夠滿足屬性條件的地理空間位置。例如，在查詢我國超過千萬人口的城市時，可以直接在屬性庫內利用SQL操作鍵入條件，查詢搜索結果，依照屬性和圖形之間的關系確定實體位置?；旌喜樵兪切枰獙⒖臻g范圍和屬性條件相結合的一種復雜查詢方式。

空間量算包含距離量算、形狀量算、幾何量算、質心量算等，在測繪過程中，需要采用空間量算完成地理空間信息測算，包括目標面積、長度、方向、體積、曲率、城市路況、交通功率、運行距離、城市人口密度變化、土地類型變化等，在應用地理信息系統時，對指定點位的地理空間坐標進行確定，借助系統自動完成量算工作。

（三）立體式輸出測繪數據

地理信息系統在城市規劃測繪中的應用還體現在地圖的立體式輸出上，使得測繪結果更加直觀立體，便于人們快速查找，也降低了理解難度。工作人員在使用地理信息系統和輔助繪圖系統時，可以充分調用所需數據，在自動測繪功能下，自動完成數據分析、處理、格式轉換，還可以在系統中編輯信息圖數據，標注各層地理空間信息和權屬信息，確保與實際情況相符合。為使地圖繪制更加精確、可操作，滿足人們高品質需求，在數據處理和繪制時，可以采用連接、拼接、拓撲等方式將數據重組，將城市內獨立地面實體中心作為標準，主干道和周邊城鎮道路作為連續線，處理好土壤、水體、植被等元素，確保各區域空間信息相互統一。在使用地理信息系統進行數據處理輸出時，需要及時更新和完善地圖測繪數據，確保工作人員可以按照需求對信息圖進行比例式縮放，生成相應可視圖，自動輸出編輯好的城市地圖，還可將虛擬技術、建模技術等應用其中，建立三維立體模型，對城市內居住環境、生態環境、道路環境等進行全方位規劃，對于一些特殊地貌，如泥沙、漲潮，則可以借助地理信息系統虛擬技術模擬具體地貌，將對實際城市規劃和測繪工作產生巨大幫助。

五、實例分析

地理信息系統的核心功能是空間數據的查詢和分析，對城市區位分析和建筑物布設有一定適用性，如公共建筑、商業建筑、住宅建筑，結合社會效益和經濟效益進行分析，確定不同建筑類型布設方位，實現效益最大化。本文以某商業建筑選址為例，將地理信息系統引入選址規劃，對區域內建筑節點進行布置，共設置13個商業建筑，確定不同布設方案，主要功能為家用生活小超市，分析商業建筑對周邊建筑的人流吸引力，綜合比較選出最優商業建筑布置方案。結果顯示，商業建筑布設方案中最優方案為：1號、2號、3號商業建筑分布在城市不同地方，整體大致呈現一個等腰三角形。其中，1號布設位置輻射范圍內共有10個社區，最遠距離為9.848km、最近距離為3.192km，平均距離為6.330km；人流量最多為58/（人·d-1），最少人流為31/（人·d-1），平均人流量為45/（人·d-1），與商業建筑之間的距離為5.815km。2號布設位置輻射范圍內社區平均距離和平均人流分別為3.702km、33/（人·d-1）。3號布設位置輻射范圍內社區中平均距離和平均人流分別為9.939km、35/（人·d-1）。由此可見，1號商業建筑平均人流吸引量最大，2號商業建筑平均吸引半徑和吸引人流量最小，3號商業建筑平均吸引半徑最大，相關人員可根據該分析結果和實際情況，選擇最適宜的定位選址方案，以期獲得最大效益。

六、結語

綜上所述，地理信息系統的發展為城市規劃測繪提供了良好技術支撐，也是智慧城市發展的基礎。隨著信息技術的不斷發展，地理信息系統也不斷完善，相關功能更加全面，適用于城市規劃中多變量、多層次分析。根據上文可知，地理信息系統是多學科交叉融合產物，其主要功能是數字搜集、整理、擬合和應用，本質是數字規劃，地理信息系統數據具有多源性和異構性特征，需要加強計算機軟硬件設計、重視軟件功能設計和設備應用，以實現數據的無縫連接和集成共享，建立相應數據模型。本文結合實際案例對地理信息系統的應用情況進行探究，利用地理信息系統模擬商業建筑對周邊社區人流的吸引力，模擬商業建筑地理定位和區域設置，盡可能挖掘更多地理信息數據，為城市規劃測繪提供可靠支持。

參考文獻

[1]龐賢森.試論地理信息系統在城市規劃與測繪中的應用[J].智能城市，2018（07）：98-99.

[2]姚樂.智能城市測繪中地理信息系統的應用分析[J].內蒙古煤炭經濟，2019（17）：178.

[3]田泉.城市規劃測繪中地理信息系統的運用[J].中國新通信，2019（02）：83.

[4]潘際帆，王偉.地理信息系統在城市規劃測繪中的應用[J].黑龍江科學，2019（20）：122-123.

[5]賈旸. 地理信息系統在城市規劃測繪中的應用研究[J]. 科技風，2020（11）：130.

[6]耿莉，陳湘楠.城市測繪中地理信息系統的建設與應用[J].工程技術研究，2020（13）：265-266.

責任編輯：張津平