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基于3S技术的土地信息系统支持下的数字城市规划
2010年6月22日    评论:    分享:

   来源: 资源网

     作者: 芦冰丽

    一、引言

 

  当今信息技术正在全方位地渗入我国城市规划领域。运用CAD技术(即:Computer Aided Design,计算机辅助制图)进行规划设计与制图已成为常规手段,以3S(即:遥感技术“Remote Sensing RS”、地理信息系统“Geographical information System GIS”、全球定位系统“Global Positioning System GPS”)为核心技术建立土地信息系统已成为城市规划领域的共识。然而,由于城市规划设计与管理工作的特殊性,传统的城市规划设计和管理手段已难以适应信息化社会发展的步伐和城市建设的需求。一方面,现有的以CAD格式表达的规划基础信息与规划成果信息难以融入3S技术环境中,从而难以为规划管理服务;而另一方面,在运用3S技术对复杂多样的城市信息和数据的收集、利用与处理,以及规划成果的表现、规划宣传与公众参与及规划档案管理等问题上,仍存在着很多不足与缺陷。

 

  数字城市是当前城市信息化的热点之一。随着“数字地球”(Digital Earth)、“数字城市”(Digital City)概念的提出和相关技术的逐步完善,城市规划设计与管理技术也面临着重大变革。如何在未来的城市规划中提高工作效率和工作质量,更有效地利用城市空间、优化配置城市资源,适应信息化社会和数字时代发展的需要? 这就要求在未来的城市规划设计和城市建设管理中运用新理念、新技术,不断提高城市规划行业的科技含量,以适应现代化城市建设与发展的要求。

 

  而建设数字城市,不仅将大大促进城市信息产业的发展,还将拉动城市其它产业的信息化,具有重大的经济和社会效益。同时,数字城市也将成为未来数字中国的重要组成部分。由此可见,数字城市规划对于我国的城市规划工作来说具有很强的现实意义,采用土地信息系统支持下的技术进行数字城市规划势在必行。

 

  二、数字城市数字城市规划的基本内涵

 

  数字城市Digital City)的概念,是基于数字地球的概念提出的,1998 年,当时的美国副总统戈尔在洛杉矶加里福尼亚科学中心举行的开放地理信息系统协会(OGC)年会上,发表了题为“数字地球,21 世纪理解我们行星的方式”的报告,从此“数字地球”的概念在全球范围内广泛传播。数字地球实际上是指整个地球经数字化之后由计算机网络来管理的技术系统。正是在数字地球的背景下,城市问题专家提出了数字城市的概念。

 

  数字城市是数字地球理论在城市领域的应用,是数字地球技术系统的集中表现,也是信息社会的重要组成部分。数字城市是信息化的城市,是现实城市的虚拟对照体,即综合运用了3S 技术,遥测、网络、多媒体及虚拟仿真(虚拟现实技术)等技术系统对城市的基础设施、功能机制进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统;它具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化表现等强大功能,它具有城市地理信息系统的全部功能,而且其功能更强、更丰富,它与城市地理信息系统的主要区别在于对城市有关数据能够自动采集、处理分析、传输分发、自动或半自动智能决策,可直接为社会公众提供便利的网络服务。

 

    数字城市的核心是现实城市及其时空变化在虚拟三维空间的数字化重现与认识,其技术基础是城市空间数据化基础设施。其内容包括城市设施的数字化、城市网络化、城市智能化和可视化等主要方面。随着科学技术的不断发展,数字城市还将被赋予不同的新内涵。数字城市是一种通俗的说法,用数字化手段处理城市问题是数字城市概念的本质。

 

  相较于数字城市的概念,数字城市规划(Digital Urban Planning)是传统城市规划理论与方法和现代信息技术发展相结合的必然产物,是在实际应用中逐步形成的城市规划理论和方法,以及在此基础形成的计算机应用系统,是数字城市中的一个重要的组成分。数字城市规划使得以前的单一目标的静态规划模式向多目标动态规划模式方向发展成为现实,实现物质、社会与环境空间一体化的整体优化规划目标,提高了城市规划中的城市居民参与、规划、管理的科学化程度,从而达到理论与实际的最佳吻合点,不是城市规划要素、城市规划理论与方法、城市规划过程的简单数字化,而是它们之间的有机结合。数字城市规划的发展还依赖于城市规划理论与方法的不断革新和其支撑技术体系的逐步完善,而且城市规划理论方法与支撑技术体系相互促进、相互影响。有效运用以3S技术为代表的土地信息技术进行数字城市规划是城市规划的发展方向。

 

  三、3S技术的概念和特点

 

  (一)遥感技术RS

 

  遥感(Remote Sensing)是在远离目标、与目标不直接接触的情况下判定、测量并分析目标的性质。采集的信息主要是目标发射成辐射的电磁波。遥感作为一种重要的信息获取手段,具有宏观、动态、便捷、信息丰富等特点。城市规划的基础平台是信息,包括城市资源、环境、物流、人力等,随着城市发展速度的加快,信息的日新月异和空间结构的复杂化,使传统手工数据采集获得信息的手段很难满足规划及管理的需要,解决这一问题的关键便是发展高精度遥感技术。RS数字城市规划数据的主要来源,是数据获取和数据更新的主要途径。

 

  (二)地理信息系统GIS

 

  地理信息系统(Geographic Information System)是指在计算机软硬件支持下,对具有空间内涵的地理信息进行输入、存贮、查询、运算、分析、表达的技术系统。它还可以用于地理信息的动态描述,通过时空构模,分析地理系统的发展变化和演变过程。它的最显著特点是能够科学管理和综合分析空间数据,反映地理分布特征及其之间的拓扑关系,并具有决策功能。我国大部分城市规划部门.目前“一局二院”的设置更利于规划部门利用测绘数据库建立的GIS系统进行规划及管理,而网络技术的发展更为这种技术线路的运行提供了保障。GIS数字城市规划提供基础平台,负责规划数据的编辑、转换、存储、检索、分析、模拟、表达与输出等功能。

 

  (三)全球定位系统GPS

 

  全球定位系统(Global Positioning System)是美国自20世纪6o年代始历经20多年的开发,于1994年部署完成的卫星导航系统。该系统由分布在6个轨道上的24颗定位导航卫星组成,提供全球24 h 1次/s的定位讯号,使全球任何地方、任何时候都能同时接收到至少4颗卫星的讯号。接收器根据讯号测出定位点到卫星的伪距,由此可实时得到定位点的三维位置和时间数据。虽受美国SA(有选择可用性Selective Availability)或反电子欺骗(AS Anti-Spoofing)政策的限制,经基准站校正后,其静态精度仍可达厘米级,动态(实时动态系统RTK Real Time Kinematic)进行差分处理后也可达到米级精度。GPS以其全球、全天候、快速、准确的定位功能,在测绘、环境、工程等领域得到广泛的应用。GPS数字城市规划提供快速、准确的空间定位,从而可以方便地进行定位、测量、监控导航等。

 

  (四)3S技术集成

 

  3S技术作为建立“数字城市”的三大支撑技术各有其特色,但在单独使用时难免有其局限性:GPS可瞬间定位但却不能表达地理属性;遥感技术可快速获取信息但信息的处理、分析必须结合其他技术;GIS具有较好的检索、分析、结合处理能力,但数据来源和录入始终是难题。而3S集成技术是将这3种对地观测新技术有机地结合在一起——在线连接、实时处理、系统整体性。目前,这种结合性技术手段的理论应用在我国近几年才刚刚兴起,但由于它对“数字城市”建设具有强大的支撑作用而引起国家科委、自然科学基金委及广大科学工作者的极大兴趣,并取得了较快发展。它的应用目前主要集中在几个方面:①应用GIS数据库中的电子地图和GPS接收机相结合的车载、船载导航系统,为城市交通设施建设与交通管理提供信息保障和便利。②利用机载GPS接收机进行数字化航空摄影测量,RS技术提供的数字化影像图获取信息,并与GIS实现无缝嵌接,获取数字城市建设中必要的信息和数据,建立城市地理信息系统下的各级子系统(房产、交通、管线、环境等),从而为政府部门规划与决策提供及时详尽的资料(信息)。③利用GPSGIS的集成,可以测量区域的面积或者路径的长度。该过程相当于用数字化仪录入数据,采集多边形边界或路径的顶点坐标,并将数据通过GIS进行记录,计算相关面积或长度,这种技术应用于城市规划、土地管理中,能大大地提高工作效率。3S集成为数字城市规划提供了十分方便而且有效的实时、动态、整体的对地观测技术系统、空间与目标分析系统、智能辅助决策系统、实时交互式可视化系统、规划效果仿真与影响评估系统等,正是这些系统使规划者可以集中精力于规划灵感获取与规划创作,而不再受创作实现手段的限制。

 

  四、土地信息系统支持下的数字城市技术在城市规划中的应用

 

  (一)土地信息系统支持下的数字城市技术在城市规划中应用的主要方面

 

  1.城市基本地形图更新

 

  城市规划的基本条件就是大比例尺地形图,但传统的线划地图建立周期长、更新困难。而比较抽象,已经从原始信息中筛去了很多环境成分。3D产品包括数字线划地图(DIG)、数字高程模型(DEM)、数字栅格地图DRG、数字正射影像图(D0M)是新一代测绘产品的标志。有着现实性强、更新速度快、信息含量丰富等优点。将转变传统地图的观念,加快数据更新,丰富表现手段,也是对传统测绘方法的现代化改造。

 

  2.现状调查与数据管理

 

  城市规划的初始阶段就是现状调查,往往要耗费大量的人力、物力、财力,又难以做到实时、准确。运用RS技术可以迅速进行城市地形地貌、湖泊水系、绿化植被、景观资源、交通状况、土地利用、建筑分布的调查;运用GIS技术则能将大量的基础信息和专业信息(规划用地、道路红线、管线等)进行数据建库,实现空间信息和属性信息的一体化管理与可视化表现,提供方便的信息查询和统计工具,克服CAD辅助制图的局限性。

 

  3.现状评价与空间分析

 

  利用多个时期的航空遥感影像图进行城市用地变迁动态研究,结合数理统计方法进行城市重心移动、离散度、紧凑度和放射状指数等形态测度评价,利用叠加分析、缓冲区分析、拓扑分析等工具进行商业服务设施和中小学的服务范围分析、交通可达性评价和建设条件适宜性评价,有助于总结城市发展规律、发现存在的问题、增加空间分析的深刻性。

 

  4.交通调查与模拟分析

 

  利用GIS进行城市交通小区出行分布的数据建库,可以对现状路网密度、出行距离和时间、交通可达性、公交服务半径进行合理性评价;结合专业软件能进行城市交通的规划预测、出行分布和流量分配,开展交通环境容量影响评价;利用遥感数据进行道路勘测设计,可以快速完成对路线所经区域的地形、地貌、河流、建筑以及交通网系的概要判读;利用虚拟现实技术和三库一体(影像数据库、矢量图形库、数字高程模型)技术,可以进行道路方案的仿真表现和环境模拟,实现全方位、立体化、多层次的规划和评价新模式。

 

  5.方案评价与成果表现

 

  针对规划方案,进行土地价格分布影响、土石方填挖平衡、房屋拆迁量计算等经济分析,结合专业模型进行城市外围用地建设适宜性评价、内部用地功能更新时序分析、发展方向与用地布局优化研究,可以预测和评价规划方案的社会效益和经济合理性。利用GIS的专题图丰富规划成果的表现形式。利用遥感、摄影测量和虚拟现实VR)技术可以建立规划蓝图的动态模型,重现历史,展示未来,加强城市规划的宣传。

 

  6.信息发布与公众参与

 

  利用计算机网络可以进行规划方案的信息发布、网上公示、意见征集和动态查询,在互联网上开展公众参与,变闭门造车的传统模式为多方参与、重在过程的开放模式,提高城市规划的法律基础和群众基础。

 

  7.规划管理

 

  基础信息和规划信息的集成建库将使规划设计与管理更紧密地结合起来,可以在GIS平台上建立城市规划设计、管理及信息建库3个环节衔接的电子报批系统。以“一书两证”为核心的城市规划管理信息系统,包括办公自动化系统及总规、分规、管线规划等各种规划信息系统,开展电子报批和网上报批,提高指标核算的科学性,避免地区规划的前后矛盾和土地批租的“一女两嫁”。

 

  8.执法监察

 

  3S技术的集成还促进了土地利用动态监测和规划执法检查,可以利用遥感卫星数据与历史数据进行复合分析,主动发现土地利用的变化靶区,用差分GPS技术精确测量土地利用的变化数据,再根据现场勘察资料,利用GIS技术进行准确详查,增加了监测的主动性、及时胜和客观性。

 

  (二)数字城市规划的实施与管理机制

 

  数字城市的建立将同样改变城市规划的宣传、管理、实施的方式与公众监督机制。城市规划实施成功与否,除了宣传和管理之外,公众舆论的监督作用不可忽视。随着信息技术特别是基于GISWebGIS技术的发展,使城市各部门以及公众、企业等可以通过城市规划综合数据库共享规划部门的数据信息,起到宣传城市规划和服务于大众的作用;规划编制和规划管理机构可以在网上实时发布城市规划信息和法规草案等,公众可以及时了解城市规划实施进展状况,反映规划实施过程中出现的违背城市规划的现象和问题,达到引导公众参与城市规划和监督城市规划实施之目的。另外,在规划和实施的过程中,大量的信息和数据不断产生,而管理这些数据和信息也是现代城市规划的重要任务之一。数字城市可以提供新的技术手段,实现城市规划信息管理的规范化、智能化和可视化。

 

  五、数字城市规划的存在问题及解决对策

 

  我国数字城市规划经过十几年的探索和实践,积累了丰富的技术及经验。许多城市,特别是广州、北京、上海等大城市在数字城市规划领域已取得了很大的成就: 一是建立了各种比例尺的基本地形图、正射影像图等基础地形图库及规划用地、道路红线、管线等规划GIS数据库。二是以“一书两证”为核心的城市规划管理信息系统,包括办公自动化系统及总规、分规、管线规划等各种规划信息系统; 将城市规划设计、城市规划管理及规划信息建库三环节衔接起来的电子报批系统。

 

  (一)数字城市规划的存在问题

 

  然而,更多城市规划主管部门在信息化建设上进展不如人意,普遍存在建设与应用脱节,甚至有些开发系统成为“废弃工程”,究其主要原因,主要存在以下主要问题: 一是系统定位不切实际,有些城市盲目跟风,贪大求全,舍本逐末,最后或因财力不足,或因技术跟不上而无功而返; 有些城市重形式却轻内容,喊口号不落实,把信息系统建设视为“政绩工程”,注定难以收到应有的效果。二是管理机制滞后,当前许多规划部门主要行使规划审批的行政职能,而信息系统需要的大量数据的获取势必影响相关单位的利益; 再者,数字化意味着信息化和透明化,真正推行起来势必需要打破暗箱操作,会直接冲击某些人员的利益,这都给系统建设造成阻力。三是技术及人才不完善,有些规划部门在信息建设中由于缺乏统一的规划管理标准体系和基本技术支撑,信息共享、数据获取与更新机制就没法得到有效的解决; 再者,许多部门人才结构不完整,大部分为行政业务人员,而信息技术人才欠缺,行政上与技术上不能充分整合,甚至有些部门完全依靠开发单位闭门造车,而自己却守株待兔,两者沟通不畅,相互脱钩,使系统开发成果与实际需要大相径庭。

 

  (二)数字城市规划的解决对策

 

  数字城市规划建设决不是一个一蹴而就的技术订单,而是一个循序渐进、不断建设完善的城市工程。然而,数字城市规划建设的成效也完全不是非等到最后才能看到的,就象楼宇建设一样,每天都可以看到它的发展。故城市规划主管部门建立数字城市规划应该做到: 一是务实定位,确立“统筹规划、应用主导、面向社会、务求实效”的工作思路,制定统一的规划管理标准体系和基本技术支撑为系统建设打好基础,然后分阶段逐层建设完善。二是进行机制改革,数字城市规划为城市规划提供了广阔的产业化前景,使城市各部门以及公众、企业可以共享规划部门的数据信息,城市规划从过去只重管理转向既重管理又重服务,规划部门除了行使过去的规划审批等行政职能外,还可发布城市信息,引导公众参与城市规划,它不再是过去单纯的资源消耗部门,还可以提供资源和服务,这就要求城市规划的管理机制也将由单一的行政机制逐渐向行政机制、市场机制和法制管理共同发挥作用转变。三是完善人才结构,信息化建设是一个复杂的工程,对人才队伍的素质和能力提出更高的要求,必须有相应的专门技术结构作支撑,才能完成信息化建设的任务。规划部门必须适应职能上的需要,将行政业务和技术有机结合起来,完善部门的人才结构,建设一支专业精干、高效的队伍。

 

  今后,随着信息技术的迅猛发展,数字城市规划开发与应用的空间将无限广阔。在未来几年,城市规划方案远程专家评审、多媒体网上发布、城市规划虚拟现实的公众参与、城市规划的网上电子报批与网上办公等等均会成为现实,到那时数字城市规划将成为数字城市真正的龙头和重要的基础。

 

  参考文献

 

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标签:3S土地信息数字城市规划
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