浅析城市规划制图中的 GIS应用

论文关键词：GIS 城市规划 制图 数据 可视化 虚拟现实

论文摘要：近年来，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，GIS的应用范围越来越广，解决了许多常规无法解决的问题。随着GIS软件功能的不断完善、应用范围的不断扩大，为 GIS在城市规划领域的应用提供了可能性。

城市规划是对一定时期内城市的经济和社会发展、土地利用、空间布局以及各项建设的综合部署具体安排和实施管理。城市规划制图是城市规划的重要内容之一，研究如何科学地设计制作城市规划专题图，正确合理反映城市规划的成果。GIS的虚拟现实和三维可视化技术在这一领域有着很大的优势，GIS在城市规划中得到广泛应用。包括建立统一的包含各类城市空间信息的地图数据库，为城市规划提供数字化地图，为城市地理信息系统提供共享的基础数据等。

地理信息系统 (Geographic Information SystemGIS)是利用电子计算机及其外部设备，采集、存储、分析和描述整个或部分地球表面与空问地理分布有关的数据的空间信息系统。地理信息系统的外观表现为计算机软件和硬件系统，其内涵却是 由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。GIS主要由4个部分组成，即硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。其核心部分是计算机软硬件系统，空间数据库反映了 GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式 。

城市规划涉及大量信息，除基本的自然环境信息(如地形、水系、植被等)，还应包括大量的人工环境信息(如路网、境界、市政建设、建筑物等) 。为了完成城市规划的任务，需要采用不同的 GIS功能。尽管目前 GIS软件的优缺点各不相同，而且实现这些功能所采用的技术也不一样，但是，大多数 GIS软件包都提供了如下的功能：数据的获取、数据的编辑、数据的存储、数据的查询与分析以及图形的显示与交互等。

1 城市规划制图数据的获取与输入

有多种多样的数据源可借 GIS使用，例如野外测量数据，运用现代定位技术(GPS，ISS等)所获得的数据，摄影测量与遥感图形数据，现有的图像数据，现有的图形资料以及统计调查的文字、数字等。不论地理数据信息的形式怎样多样化，它大体上可分为两类：一是地理基础数据或空间数据，如地形、地物的位置，地面和井下测量点的位置，面积和体积数据等；二是属性数据或描述数据、表格数据，如对地形、地物、土地的分类、特征表述，生产统计数据，矿产资源状况数据，社会和生产环境数据等。 城市空间数据的获取有两种途径：一种是通过地形勘测，采用数字测图等外业工作方法，根据坐标直接绘制数字地形图；另一种是利用现有的城市地形图、地理薄膜图、航空测量照片等作为基础数据源来内业采集基础数据。

城市规划制图专题数据库包括各类现状数据(如现状道路、现状建筑、现状用地)和各类规划数据(如总体规划、规划道路、规划用地等)。现状信息可从基础地形数据库中提取，建立各种现状图库；各种规划专题图由数字化仪或扫描仪输人图形元素。这些图形元素只表示出元素的空间位置。建立各种图形库后，对于具有属性数据的元素， 完成属性结构定义后，建立属性与图形元素关联，进行属性数据录入。

2 城市规划制图数据的存储与编辑

城市规划数据量大，数据形式多样化，可以分为空间数据、属性数据和符号数据三大部分。数据存储管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤涉及到空间数据和属性数据的组织。数据存储和数据库管理涉及地理元素(地物的点、线、面)的位置、空间关系以及如何组织数据，使其便于计算机处理和系统用户理解等。用于组织数据库的计算机程序称为数据库管理系统(DBMS)。数据模型决定了数据库管理系统的类型。

数据编辑是指对地理信息系统中的空间数据和属性数据进行数据组织、修改等。针对数据的不同可分为空间数据编辑和属性数据编辑。其中，空间数据编辑是 GIS的特色，是利用地理信息系统软件工具 ，对现有的已采用到的空间数据进行处理和再加工的过程。通过各种渠道，运用各种手段采集而来的数据，在建立空间数据库和应用分析前，都需要按照系统设计要求进行数据组织，然后进行修改。

3 城市规划制图数据的查询与分析

GIS系统具有较强的空间数据查询与分析功能。通过分析和研究城市空间实体的现状来预测其发展 ，并以此作为编制城市规划、指导城市建设的依据。空间分析的作用，提高了城市规划处理各类规划基础数据能力，提高了未来城市发展的预测、模拟和优化能力，使规划能够在理性的综合分析基础上做出科学判断与决策。通过城市规划空间分析，可以显示城市空间相互作用关系，如城市土地空间演变、城市结构以及空间演变、人 口与用地之间的关系 ，自然条件与城市结构的关系等。

3．1 空间数据管理

主要包括 ：基础文件的建立、更新、检索、开窗、列表与显示，文件的接边、统计综合，将坐标转换成格网或将格网转换成坐标等。

3．2 拓扑关系与制图综合

空间概念能用几何关系和拓扑关系来度量。基本空间单元与其相关的特征是：点、线(长度、弯曲、方向)、面积(范围、周长、凹凸、连结、重叠)和体积。空间实体可以定义为多个空间单元的组合，这种组合可以是相同类型实体组合，也可以是不同类型实体组合。

3．3 城市规划专题要素符号化

专题要素的符号化实际上就是对空间对象的属性资料使用符号进行可视化表达。空间对象的属性资料通常有两种类型：一种是用字符表示的定性描述资料，如名称、类别、功能等；另一种是用数值表示的定量资料，如面积、产值、人口数等。在 GIS中，对定性资料通常采用质底法、范围法或面状充填法(颜色或不同阴影线)；对定量数据通常采用分级统计图法、点值法、点符号法、线符号法等。在专题要素符号化过程中，用户首先要选择待符号化的图层及其关联的属性表，并从属性表中选取相应的属性项，然后再选择符号的表现方式。

3．4 缓冲区生成 。多边形重叠和消除

缓冲区生成与分析是根据数据库中的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围的缓冲区多边形。它们是 GIS的基本空间分析功能，例如一个商业中心的辐射范围有多大等。

多边形重叠和消除是将同一地区、同一比例尺的几种多边形要素的数据文件进行重叠处理，从而产生许多新的多边形，例如，地质地形图就是同一地区、相同比例尺的地形地物数据文件与地质资料的数据文件叠加的结果。因此，重叠和分离是经常需要的操作。

3．5 数据输出与可视化表现

自动制图是 GIS的主要功能之一。在GIS数据库中存储有各种空间定位数据和属性数据，如地形、环境、资源、人口、交通的数据。对这些数据可及时更新、增删。制图功能模块或软件包通过图形编辑，可根据用户的需要对数字地图进行整饰，按照给定的符号、注记和颜色进行图形显示或绘图仪输出。GIS不仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需要，分层输出各种专题图(如行政区划图、市域现状图、土地利用图、道路交通图)、各类统计图、图表及数据等，如图1所示。

地理信息系统的可视化表现，就是将已经获取的各种地理空间数据，经过空间可视化模型的计算机分析，转换成可以被人们的视觉感知的计算机一维(或二维)图形和图像。地理空问数据包括图形图像和属性信息，还包括与地理对象有关的音频、视频、动画等多媒体信息。这些存储于计算机中的空间地理数据是看不见、摸不着的东西，而人们在日常生活和交往中，早已习惯运用图形、照片、表格等方式来表达各种地理要素的空间分布和关系。为此图件是空间地理数据可视化表现最常见的形式。

4 城市规划模拟与虚拟现实

城市规划模拟以可视化方法模拟规划方案，通过扩展分析和指标统计等方法，从模拟的结果中直观地了解规划方案实施以后的城市状况、经济发展水平及其空间结构与形态。

虚拟现实(Virtual Reality)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实是多种技术的综合，是集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术等为一体的综合集成技术。在计算机技术中，虚拟现实技术依赖于人工智能、图形学、网络、面向对象、人机交互和高性能计算机技术。

虚拟现实的特点是：人们可以实时参与，实时交互。实际上虚拟现实也是一种用户界面工具。用户不仅可以观察数据，而且可以与数据交互，虚拟现实是一种多技术、多学科相互渗透和集成的技术，研究难度虽然很大，但 目前已有基于微机的实用系统。虚拟城市四维空间是很重要的城市规划内容，它将代替实体模型所达不到的仿真空间效果，使城市设计成果更加形象和直观。对政府管理人员，将城市仿真作为公众参与、展现城市未来的手段，效率是显然的，身临其境的参与能力使得它是城市规划的一种创新手段。

虚拟现实和 CAD及计算机动画的区别在于：动画的所有画面是事先定义计算好的，操作者只能被动地观看结果。而 VR技术能让操作者随时改变视角、位置和路线，观察虚拟的城市环境，使人沉浸在虚拟环境中，并可以与它发生交互作用。数字城市将虚拟现实技术应用于其中，这样在城市规划设计阶段，就使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态的交互的方式对未来的城区进行身临其境的全方位的审视，并将地理信息系统相关信息集成在其中。这是传统的规划设计效果图和预设路径的三维动画所无法达到的。

5 虚拟现实在城市规划中的应用

根据上述知道 ，在平面上设计和绘制规划图纸存在许多局限性，主要在于：不能给设计人员和用户提供真实、直观、富于真实感的场景，不利于规划方案的展示，非专业人员和设计人员之间的沟通可能出现障碍；设计方案可能存在着不易发现的设计缺陷，隐藏着规划风险；设计过程周期长、效率低、资金高，在宣传规划方案的效果上还有待增强J。

可视化(Visualization)一直是 GIS的一个重要的研究领域。可视化的形式依赖于个人想完成的任务，即一种可视化形式只适合于某一特定的信息表达 。现有的三维可视化技术，其原理是在二维GIS的基础上，增加高程信息。早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印、主要应用于专题地图的制作等。从 20世纪80年代末以来，三维 GIS及其可视化成为 GIS的研究热点。三维可视化技术与虚拟现实技术的结合是第四代 GIS发展的必然趋势，也是 GIS发展的新方向引。

可视化 GIS的发展和实现，使 GIS的使用变得更加简单化和形象化，同时也必然导致虚拟现实技术的集成。用户通过交互操作，就可以对管理空间数据的变化进行动态可视化观察，从而对一些抽象数据的动态过程得到一个直观的分析和形象的结果。在城市规划设计的过程中，由于规划设计的对象是三维的城市空间，而规划师所能直接绘制的只是二维的设计草图，城市规划师如想很方便地知道建筑物的规模、外观、所处的环境是否和谐，以便确定或修改规划方案，通过三维 GIS技术，进行多方案 分析，可以得到一个合理的设计结果，如图2所示。

这样形成的三维物体场景，不能表达过多的细节，在真实性和表达的细腻程度上，无法和计算机动画相比。但是，它可以从多个视角、多个场景中观察虚拟的城市空间，更新修改的速度快，便于实现实时多方案比较、实时城市设计要素修改。这种技术已经能够满足在城市设计的方案阶段，协助规划师推敲和修改方案的需要。

三维仿真虚拟现实技术应用于城市规划制图中，具有显著的意义。首先，三维仿真虚拟现实技术提高了方案设计和审批的效率，在设计和审批过程中，都可以将规划设计方案制作成三维模型，进行探讨与审查；其次，通过三维仿真虚拟现实技术，可将城市建设的不同地区、不同发展阶段的规划设计方案结合现状制作成城市建设形态发展跟踪三维模型，如图3所示；第三，三维仿真虚拟现实技术可以真实、直观的处理越来越复杂的三维数据，提高城市规划管理效率与政务公开。

6 结 语

近年来 ，GIS发展极为迅速，它的应用领域不断扩展。作为规划领域的人员，作者仅从 GIS的几个功能出发 ，探讨了这些功能在城市规划制图中的应用，尤其是虚拟现实和三维可视化功能在城市规划领域的应用前景。虚拟现实技术使城市规划成果更直观、更详细地展现在我们面前。虚拟现实技术以其强大的功能和广泛的应用，改变了城市规划和建筑设计表现形式从传统效果图、沙盘模型、三维动画的设计模式提升到数字技术发展的变革，更重要的是实现了对城市环境从过去到未来变化状态及趋势进行科学的仿真、模拟和预测-5。我们相信，GIS功能在城市规划中的应用，将会大大地促进GIS与城市规划的融合，必将进一步对规划数据进行综合分析，进行深层次的数据挖掘。GIS在城市规划制图中的应用一定会 更广泛、更深入。

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