地理信息系统在城市规划测绘中的应用

江芸倩?邓鑫

摘要：现代化城市建设中，传统测绘手段已经无法适应城市多变量、多层次的发展需求，地理信息系统作为信息产业重要分支科学，具有强大数据获取、分析、预测和管理能力，能够为城市规划测绘提供数据、方法和平台支撑，提高城市规划的科学性、有效性和可操作性。首先阐述地理信息系统特征，以此为切入点，细致描述城市规划测绘中地理信息系统的构成，最后对地理信息系统在城市规划测绘中的应用进行分析，为城市规划数字化变革提供技术参考。

关键词：地理信息系统；城市规划；测绘工程；地理空间数据

一、前言

在我国经济建设和社会发展中，城乡规划、主体功能区规划、土地利用规划等作出了重大贡献，但也引发了空间资源和规划话语权的争夺，造成不同空间规划“冲突打架”。对此，我国发布相关文件，要求将传统空间规划融入国土空间规划，建立全国统一、相互衔接、分级管理的国土空间规划体系，全面提升国土空间规划及治理水平，还要注重规划编制、实施和监管流程的科学性、智慧化、信息化及公众参与性，积极将新兴技术应用其中，形成国土空间规划一张图。地理信息系统是实现这一变革的技术支撑，具备信息收集、传输、存储、表达和分析功能，能够详细描述地理对象的空间属性、形态及关系特征，提高规划信息获取、分析和处理能力，将其应用于城市规划测绘中，可有效整合信息技术和地理坐标，获得精准数字图像，提供科学规划测绘方案，进一步推动我国城市建设发展，促进我国城市规划测绘向信息化、智能化变革。

二、地理信息系统特征

地理信息系统，简称GIS，是一种以计算机硬件、软件为技术载体，实现空间地理信息数据测量采集、存储保管、分析运算的数据管理体系，涵盖计算机信息技术学、地理空间学、统计测量学等专业学科知识，专业融合性和技术独立性特征突出[1]。地理信息系统主要针对空间数据和属性数据展开工作，通过计算机技术处理将数据转化为易于识别和分析的图层，组建完整的空间地理信息模型，再利用GPS全球定位技术和网络通信技术快速、准确、实时进行地理定位和动态追踪，达到分析数据、动态预测和科学管理的目的。目前，地理信息系统在城市规划、城市地图测绘、城市建筑测量、景观规划等领域应用频繁，具有特殊性、动态化数据处理及广阔性特征，其特殊性指地理信息系统具备的独特组成结构，通过计算机软硬件、用户信息、地理数据信息的共同作用形成动态化的计算机应用体系[2]；其广阔性指地理信息系统作为高度浓缩的信息处理系统，实际运行时需要构建完整的地理信息模型，对地理数据进行深度研究和应用实践，为数据输出和应用提供有利条件；动态化数据处理是地理信息系统的显著特征，可多方面搜集数据、处理数据、输出数据，根据数据变化而变动，具有较强数据处理动态性和空间性。面对我国规模和体量都越来越大的城市建筑群体、越来越复杂多样的城市建筑形式，以及各种新建筑材料、新设备的应用，地理信息系统不仅能丰富数据功能，确保数据全面性，减少错误数据出现，还能实现立体化输出，最大限度保障输出数据准确性，提升测绘工作精准度，进而满足城市发展需求，规划建设出人们满意度高的城市建筑，完善生态环境，是未来城市规划测绘主要方式之一。

三、城市规划测绘中地理信息系统的构成

信息技术的发展，使得城市规划测绘领域在传统测绘技术、计算机辅助制图、数字统计分析、二维统计电子图表等基础上，融入了GIS空间数据分析、规划信息属性数据库等技术，建立起以地理信息系统为核心的城市规划测绘管理平台，以适应数字化城市建设与发展需求[3]。地理信息系统作为核心技术，其结构组成复杂独特，包含前台处理、中台、安全防控体系等，具体如下。

（一）地理信息系统原理及功能

地理信息系统数据应用原理为：当确定测绘及规划对象后，应用遥感及卫星技术获得地面数据，将数据与影像结合在一起，建立地理信息系统数据库，通过处理加工数据形成一个网格状的三维空间，为城市规划提供有效支撑[4]。该系统具备采集与编辑数据、存储与管理数据、处理与变换数据、空间分析与统计、数据导出、产品制作演示等功能。采集与编辑数据功能，数据来源包含现场人工调查数据、GPS技术数据和RS技术数据，基于格式数据組建数据库。数据存储与管理功能，数据分类、存储、转换均属于该功能范畴，管理后的数据表现为高逻辑性的网络数据库形式，还具备矢量文件互换和格栅功能。空间分析与统计功能，将空间内地理元素集成，对区域内的建筑、景观格局等分布信息进行系统化分析，为空间规划提供详实数据支撑和便利工具支持。数据导出功能，根据文件类型选择网格化、数据表格、地图统计等导出形式，导出图像具有分层功能。

（二）前台处理设计

前台处理设计的核心是计算机硬件，主要功能是全面、详尽记录整个城市的地理信息、处理工作数据及流程，收集所有可用信息，并对各类数据进行统计分析和可视化展现，挖掘更多有价值的信息[5]。前台处理还包含业务数据收集、数据录入、数据处理驱动、业务管理等，可支持不同计算方式，提供可视化引擎和数据驱动模块。具体工作流程为：UI界面→API接口→应用功能→BI引擎→报表引擎。

（三）中台设计

中台设计的核心是测绘软件系统设计，由运算层、搜索层、数据处理层、数据交换层组成，其功能是将前端录入的GIS数据匹配、拟合整理和分析处理，是地理信息系统与海量数据处理系统的接口。中台设计是利用信息序列和中介层优化海量数据，提高数据稳定性、灵活性和准确性，避免错误数据、重复数据、冗余数据出现；可兼容其他数据平台及应用，如语言输入、搜索引擎工具等，保障数据完整性和可延展性；可高效、有效集成Hadoop生态系统各种组件，并深度优化各个组件，提高组件之间的协调性和契合性。例如，Spark引擎，是一种无需读写、可将计算结果存放在操作系统中的快速运算引擎，适用于迭代性计算，在数据挖掘和工具学习领域应用前景广泛。

（四）多元异构数据集成

城市规划测绘进程中，地理信息系统中数据来源多、数据结构复杂、体量大，尤其是计算机辅助制图系统，具有强大地形数据采集、存储和编辑功能，为地理信息系统提供大量信息数据，但该系统空间分析能力不足，地理信息系统缺乏相应图形编辑能力，两者之间异构性特征明显[6]。通过数据集成设计，可实现数据在系统之间的相互识别、转换、读写和存储，如GIS系统中SHP格式數据可直接转换为CAD可识别的格式，CAD软件中DXF格式数据可直接输入GIS系统，其原因是ESRI软件中设置有CAD扩展端口，允许CAD用户利用ESRI软件提取GIS数据或CAD元素，使得各个格式数据能够实现互相编辑、调用、查阅和打印，使异构的数据无缝连接和集成共享。然而，在实际应用中，要实现这一技术要求具有较高难度，可通过在软件中嵌入一个API函数的数据编译器（编译器工作原理见图1）来实现该功能。同时，在功能集成方面，松散集成可通过对象链接或OLE技术调用实现，例如，在建立城市土地数据库时，计算机辅助绘制系统需要调用地理信息系统相关数据，可通过MAPinfo嵌入程序或OLE技术建立拓扑关系，实现功能操作。紧密集成可直接利用地理信息系统中的组件对象模型（COM）技术，实现系统功能之间的无缝衔接，便于对空间数据库进行统一操作。

（五）安全防控体系设计

安全防控体系设计主要针对前端设备流量管理，在前端数据采集设备中添加威胁识别和安全保护机制，对接入层设备东西向流量进行精准威胁分析识别、智能减缓和保护，在危机发生第一时间做出反应，预防威胁扩散。针对前端设备缺乏有效缓解其易损性的情况，需要引入新的技术手段和设备对前端设备进行检测，及时发现薄弱点、漏洞和脆弱性设置，利用接入层防护手段进行应急缓解，有效应对突发事故。为实现前端设备24小时监控，保障设备安全，可以在每个前端设备增设一个监控设备，时刻掌握前端设备运行情况和状态，及时探测和发现威胁。因此，在进行安全防控体系设计时，设计人员应当基于等保2.0相关要求，构建一个探测威胁和脆弱性、可双向控制的网络系统，具有一定接入层安全管控能力和突发事件远程应急处理能力。

四、地理信息系统在城市规划测绘中的应用分析

（一）采集及规划地理空间信息

空间是人们赖以生存的基础，城市规划测绘需要依托人们长期适应空间变迁形成的思想观念和空间环境开展，纳入现代化城市规划理念、方法和要求，为城市空间植入新的生活功能和生产方式。地理信息系统的应用会为城市规划测绘提供标准、规范化的测绘工作和专业土地规划，准确把握城市规划重难点，坚持多学科视野选择技术，通过多部门协同作业，为城市规划提供强有力的保障。首先，对整个工作内容、工作流程有一个大致规划，明确规划范围，重视城市建设信息资源的收集、整理和利用，包括社区、街道、道路中线、河流边线等，还要采集非空间数据，结合遥感技术和卫星定位技术进行数字化处理，储存格栅数据和矢量数据，以保障城市测绘电子信息图的精准度。其次，控制数据处理速度，为确保处理数据具有较高精确度，发挥地理信息系统在城市规划测绘中的作用，需要充分利用系统采集城市建筑、景观、道路等信息，预先明确采集标准，控制数据采集过程，减少周围因素对数据的干扰，不断提升数据采集精度和速度。最后，对数据采集过程进行人工设计，认真修改和筛选地形图，确保人员只需要输入经纬度，计算机内测绘软件就会自动获取数据信息，形成相应数字地图，规避现场调查和人工录入可能导致的数据问题和工作风险，还可以利用数字扫描仪智能识别相应地理信息数据，以图表或网状图形式表现出来。值得注意的是，地理信息系统主要价值是数据采集和调整，技术人员在独立使用地理信息系统时，应当基于地理空间实际情况适当修改规划、成果，根据现实需求和数据发展趋势，将最新数据和实时信息应用至城市规划和测绘中，保障城市规划科学合理。

（二）空间查询及量算

地理信息系统是一个综合的大数据处理平台，是一个按照人为设计自动整合、拟合、处理和分析的智能化数据库，空间查询是其基础功能之一。空间查询可细分为属性查图形、图形查属性、混合查询，其中，图形查属性是输入图形空间位置，查询对应属性信息的方式。工作人员可通过鼠标确定空间位置，采用矩形、圆形、多边形等形状圈定空间范围，系统查询范围对应属性及空间实体，显示属性列表。查询流程为空间索引确定空间实体，将属性库和图形库关联查询，确定空间实体属性列表并显示出来。属性查图形是与图形查属性相反的一种空间查询方式，通过输入一些属性条件，搜索查询能够满足属性条件的地理空间位置。例如，在查询我国超过千万人口的城市时，可以直接在属性库内利用SQL操作键入条件，查询搜索结果，依照属性和图形之间的关系确定实体位置。混合查询是需要将空间范围和属性条件相结合的一种复杂查询方式。

空间量算包含距离量算、形状量算、几何量算、质心量算等，在测绘过程中，需要采用空间量算完成地理空间信息测算，包括目标面积、长度、方向、体积、曲率、城市路况、交通功率、运行距离、城市人口密度变化、土地类型变化等，在应用地理信息系统时，对指定点位的地理空间坐标进行确定，借助系统自动完成量算工作。

（三）立体式输出测绘数据

地理信息系统在城市规划测绘中的应用还体现在地图的立体式输出上，使得测绘结果更加直观立体，便于人们快速查找，也降低了理解难度。工作人员在使用地理信息系统和辅助绘图系统时，可以充分调用所需数据，在自动测绘功能下，自动完成数据分析、处理、格式转换，还可以在系统中编辑信息图数据，标注各层地理空间信息和权属信息，确保与实际情况相符合。为使地图绘制更加精确、可操作，满足人们高品质需求，在数据处理和绘制时，可以采用连接、拼接、拓扑等方式将数据重组，将城市内独立地面实体中心作为标准，主干道和周边城镇道路作为连续线，处理好土壤、水体、植被等元素，确保各区域空间信息相互统一。在使用地理信息系统进行数据处理输出时，需要及时更新和完善地图测绘数据，确保工作人员可以按照需求对信息图进行比例式缩放，生成相应可视图，自动输出编辑好的城市地图，还可将虚拟技术、建模技术等应用其中，建立三维立体模型，对城市内居住环境、生态环境、道路环境等进行全方位规划，对于一些特殊地貌，如泥沙、涨潮，则可以借助地理信息系统虚拟技术模拟具体地貌，将对实际城市规划和测绘工作产生巨大帮助。

五、实例分析

地理信息系统的核心功能是空间数据的查询和分析，对城市区位分析和建筑物布设有一定适用性，如公共建筑、商业建筑、住宅建筑，结合社会效益和經济效益进行分析，确定不同建筑类型布设方位，实现效益最大化。本文以某商业建筑选址为例，将地理信息系统引入选址规划，对区域内建筑节点进行布置，共设置13个商业建筑，确定不同布设方案，主要功能为家用生活小超市，分析商业建筑对周边建筑的人流吸引力，综合比较选出最优商业建筑布置方案。结果显示，商业建筑布设方案中最优方案为：1号、2号、3号商业建筑分布在城市不同地方，整体大致呈现一个等腰三角形。其中，1号布设位置辐射范围内共有10个社区，最远距离为9.848km、最近距离为3.192km，平均距离为6.330km；人流量最多为58/（人·d-1），最少人流为31/（人·d-1），平均人流量为45/（人·d-1），与商业建筑之间的距离为5.815km。2号布设位置辐射范围内社区平均距离和平均人流分别为3.702km、33/（人·d-1）。3号布设位置辐射范围内社区中平均距离和平均人流分别为9.939km、35/（人·d-1）。由此可见，1号商业建筑平均人流吸引量最大，2号商业建筑平均吸引半径和吸引人流量最小，3号商业建筑平均吸引半径最大，相关人员可根据该分析结果和实际情况，选择最适宜的定位选址方案，以期获得最大效益。

六、结语

综上所述，地理信息系统的发展为城市规划测绘提供了良好技术支撑，也是智慧城市发展的基础。随着信息技术的不断发展，地理信息系统也不断完善，相关功能更加全面，适用于城市规划中多变量、多层次分析。根据上文可知，地理信息系统是多学科交叉融合产物，其主要功能是数字搜集、整理、拟合和应用，本质是数字规划，地理信息系统数据具有多源性和异构性特征，需要加强计算机软硬件设计、重视软件功能设计和设备应用，以实现数据的无缝连接和集成共享，建立相应数据模型。本文结合实际案例对地理信息系统的应用情况进行探究，利用地理信息系统模拟商业建筑对周边社区人流的吸引力，模拟商业建筑地理定位和区域设置，尽可能挖掘更多地理信息数据，为城市规划测绘提供可靠支持。

参考文献

[1]庞贤森.试论地理信息系统在城市规划与测绘中的应用[J].智能城市，2018（07）：98-99.

[2]姚乐.智能城市测绘中地理信息系统的应用分析[J].内蒙古煤炭经济，2019（17）：178.

[3]田泉.城市规划测绘中地理信息系统的运用[J].中国新通信，2019（02）：83.

[4]潘际帆，王伟.地理信息系统在城市规划测绘中的应用[J].黑龙江科学，2019（20）：122-123.

[5]贾旸. 地理信息系统在城市规划测绘中的应用研究[J]. 科技风，2020（11）：130.

[6]耿莉，陈湘楠.城市测绘中地理信息系统的建设与应用[J].工程技术研究，2020（13）：265-266.

责任编辑：张津平