基于GIS的城市土地利用研究進(jìn)展

杜金龍, 朱記偉， 解建倉(cāng),3， 馬增輝

(1.西安理工大學(xué)干旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048； 2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)陜西地建土地工程技術(shù)研究院,西安 710075； 3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710075)

0 引言

城市土地利用是對(duì)城市范圍內(nèi)的整片土地進(jìn)行不同層次功能的配置，包括城市土地利用的規(guī)模、空間形態(tài)及其構(gòu)成。城市土地利用依據(jù)城市中工業(yè)、交通、商業(yè)、文化、教育、衛(wèi)生、住宅和公園綠地等建設(shè)用地的狀況，反映城市布局的基本形態(tài)、城市內(nèi)各功能區(qū)的地域差異和城市土地利用合理與否，關(guān)系到城市合理發(fā)展、人口容量、城市環(huán)境保護(hù)和城市建設(shè)中節(jié)約用地等重大問(wèn)題； 而地理信息系統(tǒng)(GIS)則為城市土地利用的合理配置提供了一種有效途徑。GIS是一種在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下，結(jié)合地理模型分析方法，按地理坐標(biāo)和時(shí)空分布各種地理信息和環(huán)境參數(shù)，具有輸入輸出、存儲(chǔ)、檢索及分析功能的綜合系統(tǒng)。作為地理信息綜合處理分析系統(tǒng)，GIS主要解決了5類問(wèn)題： ①位置，即在什么位置有什么； ②條件，即是否符合某些約束的實(shí)體； ③模式，即某個(gè)位置存在著何種空間實(shí)體的分布； ④趨勢(shì)，即某個(gè)位置可能發(fā)生或隨機(jī)發(fā)生的變化情況； ⑤模型，即某個(gè)位置或?qū)嶓w怎么才能具備發(fā)生效果的問(wèn)題[1]。盡管現(xiàn)存的GIS軟件很多，但對(duì)于它的研究應(yīng)用，歸納概括起來(lái)有2種情況，一是利用GIS系統(tǒng)來(lái)處理用戶的數(shù)據(jù)； 二是在GIS基礎(chǔ)上，利用它的開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)二次開(kāi)發(fā)出用戶專用信息應(yīng)用軟件。GIS核心功能是空間及模型分析，其中空間分析功能可以在城市土地利用研究中發(fā)揮重要作用，如利用空間疊加功能，對(duì)不同時(shí)期城市土地利用類型圖進(jìn)行空間疊加分析，可以有效監(jiān)測(cè)城市土地利用的動(dòng)態(tài)變化等。2016年12月27日，ESRI發(fā)布了新一代ArcGIS10.5及ArcPro1.3，推出更精細(xì)的分級(jí)授權(quán)、全新的i3S三維標(biāo)準(zhǔn)、大數(shù)據(jù)分析處理產(chǎn)品、多Portal間協(xié)作共享等諸多新特性及增強(qiáng)功能，更進(jìn)一步促進(jìn)了用戶間的溝通協(xié)作，引導(dǎo)用戶去分析大數(shù)據(jù)背后的價(jià)值，使用戶能夠更智能、更高效、更敏捷地作出響應(yīng)和決策。總之，利用GIS的各種信息分析技術(shù)，可以獲取土地利用在數(shù)量、類型、結(jié)構(gòu)及空間位置等方面的變化信息?；贕IS的城市土地利用主要集中在城市土地利用變化、評(píng)價(jià)及規(guī)劃、擴(kuò)展及演變、結(jié)構(gòu)和優(yōu)化等方面，本文在分析國(guó)內(nèi)外城市土地利用相關(guān)研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，從多個(gè)方面綜述GIS在城市土地利用方面的研究概況。

1 城市土地利用研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

西方國(guó)家在工業(yè)化和城市化發(fā)展過(guò)程中，城市土地利用隨時(shí)間推移日益復(fù)雜化和多樣化。城市土地利用研究重點(diǎn)是各種土地利用功能區(qū)布局和功能之間的入侵和繼承性，以歐美國(guó)家最為領(lǐng)先，主要集中在城市土地利用變化和結(jié)構(gòu)及其演變等方面。

國(guó)外有關(guān)城市土地利用方面的研究多數(shù)利用RS技術(shù)，并結(jié)合GIS以及GPS技術(shù)[2-4]，側(cè)重于城市土地利用變化對(duì)城市及其周邊環(huán)境等區(qū)域小氣候的影響； 有些研究深入到城市土地利用變化對(duì)區(qū)域碳、氮等元素循環(huán)的影響； 有些探討城市土地利用變化與可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系[5-6]； 有些根據(jù)城市土地利用變化及其所引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題，探討城市規(guī)劃新概念[7-8]； 還有的側(cè)重于方法研究，針對(duì)以往研究方法的不足，結(jié)合當(dāng)前最新科技，提出便捷的研究方法，使抽象的城市土地利用變化形象化[9-10]。城市土地利用結(jié)構(gòu)及其演變的研究方法上，針對(duì)城市土地利用結(jié)構(gòu)的自相似性及其自組織時(shí)空演變特性，非線性理論占據(jù)了重要地位。BattyMhe，LongleyPA最先開(kāi)創(chuàng)了城市土地利用的分形模擬，又從不同角度提出城市土地利用形態(tài)的分維描述方法，Batty M等提出城市形態(tài)邊界維數(shù)，Rank Hauser P，Sadler R提出城市形態(tài)半徑維數(shù)等[11]。

綜上分析可知，雖然國(guó)外研究開(kāi)始早，目前已有較豐碩的研究成果，但隨著可持續(xù)發(fā)展思想的提出，城市土地利用作為促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要手段而得到歐美國(guó)家的高度重視。所以在設(shè)計(jì)城市規(guī)劃和發(fā)展政策時(shí)，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，城市人口與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展正越來(lái)越多地依賴于良好的土地資源管理，這也為以后的研究指明了方向： 重視RS和GIS等先進(jìn)定量與分析方法的應(yīng)用，促進(jìn)城市土地利用與土地利用管理相結(jié)合。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)城市土地利用的研究主要集中在城市土地利用變化、空間擴(kuò)展及綜合效益評(píng)價(jià)等方面。城市土地利用變化和空間擴(kuò)展方面，主要是城市土地利用變化過(guò)程及其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，城市土地利用的擴(kuò)展模式及動(dòng)力機(jī)制等； 城市綜合效益評(píng)價(jià)方面，主要是從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益3個(gè)方面構(gòu)建城市土地利用效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合相關(guān)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行城市土地利用綜合效益評(píng)價(jià)。

在城市土地利用變化和空間擴(kuò)展研究方面，顧朝林[12]在對(duì)北京市土地利用變化進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合20世紀(jì)70，80和90年代衛(wèi)星遙感資料闡述北京市近30 a來(lái)城市化進(jìn)程的特點(diǎn)。張鐿鋰等[13]結(jié)合實(shí)地調(diào)查和歷史文獻(xiàn)，闡述西藏自治區(qū)拉薩市近50 a來(lái)的城市用地變化進(jìn)程以及由此產(chǎn)生的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題。史培軍等[14]通過(guò)分析深圳市不同時(shí)期的土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，并選取驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)對(duì)建成區(qū)的變化進(jìn)行逐步回歸，構(gòu)建深圳市土地利用變化驅(qū)動(dòng)力機(jī)制。劉盛和等[15]分析北京市不同時(shí)期的用地變化，提出年均擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，總結(jié)北京市土地利用擴(kuò)展模式。何流等[16]論述了江蘇省南京市空間擴(kuò)展時(shí)空變化特征，分析城市空間擴(kuò)展動(dòng)力機(jī)制和存在的問(wèn)題。關(guān)于城市土地利用綜合效益評(píng)價(jià)。王雨晴等[17-20]側(cè)重于評(píng)價(jià)方法研究，構(gòu)建綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用AHP法、熵權(quán)法、改進(jìn)熵值法確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用相關(guān)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。張旺鋒等[21-23]、陳靜等[24]都從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益3個(gè)方面構(gòu)建城市土地利用效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，前者應(yīng)用功效系數(shù)法定量評(píng)價(jià)甘肅省蘭州市、福建省福州市等城市土地利用綜合效益； 后者運(yùn)用AHP法、熵值法確定權(quán)重，對(duì)河北省唐山市土地利用效益進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，同時(shí)運(yùn)用主成分分析法對(duì)土地利用效益驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行定性研究。李丹等[25]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)、秩相關(guān)系數(shù)法和協(xié)調(diào)度分析法，綜合評(píng)價(jià)山東半島城市群城市用地效益。

綜上分析可知，在城市土地利用變化方面，因?yàn)閭?cè)重于“變化”的研究，而對(duì)于城市內(nèi)部的土地利用類型分析比較粗，多數(shù)只分析城市用地，即建成區(qū)變化； 在城市土地利用綜合效益評(píng)價(jià)方面，方法比較單一。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在城市土地利用研究方面，研究方法也逐漸從過(guò)去的一些傳統(tǒng)方法如利用地圖和統(tǒng)計(jì)資料分析，發(fā)展到利用GIS和RS相結(jié)合的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析階段，從而使研究方法從定性描述發(fā)展到定量測(cè)量，使研究結(jié)果更趨近客觀[26]。隨著RS和GIS技術(shù)的發(fā)展，為挖掘城市用地潛力，更好地經(jīng)營(yíng)城市，現(xiàn)在城市土地利用研究中廣泛應(yīng)用到RS和GIS技術(shù)[27-29]。

2 GIS在城市土地利用研究中的應(yīng)用

GIS作為一門(mén)多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，隨著社會(huì)信息化進(jìn)程發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，在城市規(guī)劃、勘測(cè)、市政設(shè)施、管線、郵電、交通等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。GIS技術(shù)通過(guò)對(duì)空間與非空間數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、輸出等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市土地利用狀況及時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤和了解，并對(duì)遙感圖像、地圖、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析?？臻g分析是GIS的核心功能，空間分析中的模型分析是GIS應(yīng)用深入的重要標(biāo)志?？臻g分析功能包括數(shù)字地形模型分析、空間特征幾何分析、網(wǎng)絡(luò)分析、影像分析和地理變量多元分析等。這些空間分析功能可以幫助人們從宏觀的、科學(xué)的角度來(lái)對(duì)城市土地利用作出更加正確的分析判斷。本文主要從GIS在城市土地利用變化、評(píng)價(jià)及規(guī)劃、擴(kuò)展及演變、結(jié)構(gòu)和優(yōu)化等方面綜述GIS在城市土地利用研究中的應(yīng)用，詳見(jiàn)表1。

2.1 GIS在城市土地利用變化方面的應(yīng)用

GIS在城市土地利用變化方面的應(yīng)用主要是利用其強(qiáng)大的空間分析功能，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件及相關(guān)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行城市土地利用定量、時(shí)空和動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，在城市土地合理利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化城市土地利用結(jié)構(gòu)，調(diào)整社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略。

GIS空間分析方法包括數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、模型基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程3方面。朱會(huì)義等[30]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行北京市土地利用變化實(shí)例分析。李琳[31]在利用GIS空間分析功能對(duì)福建省廈門(mén)市土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加提取的基礎(chǔ)上，建立土地利用動(dòng)態(tài)變化模型，定性、定量地分析了廈門(mén)市土地利用變化。黃端等[32]結(jié)合GIS空間分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、單一土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度方法，對(duì)湖北省武漢市城市圈2000—2015年以及3個(gè)5 a期土地利用變化的總體特征、轉(zhuǎn)化方向和區(qū)域差異特征進(jìn)行研究，并分析了政策因素對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)作用。朱瑜馨等[33]利用GIS技術(shù)對(duì)山東省聊城市土地利用動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合馬爾可夫模型分析其土地利用動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，預(yù)測(cè)其演變趨勢(shì)。

2.2 GIS在城市土地利用評(píng)價(jià)及規(guī)劃方面的應(yīng)用

GIS在城市土地利用評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用主要是城市土地利用生態(tài)安全、生態(tài)適宜性、綜合效益和三維定量評(píng)價(jià)，為城市土地利用規(guī)劃決策提供依據(jù)。生態(tài)安全評(píng)價(jià)主要是利用GIS空間分析功能將城市土地利用與生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行有機(jī)結(jié)合； 生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)主要是通過(guò)GIS將構(gòu)建的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各評(píng)價(jià)因子數(shù)字化； 綜合效益評(píng)價(jià)主要是借助GIS技術(shù)形成城市土地利用效益的有效影響因子空間分布特征圖； 三維定量評(píng)價(jià)主要是通過(guò)GIS技術(shù)進(jìn)行城市土地利用強(qiáng)度的三維定量評(píng)價(jià)。在城市土地規(guī)劃實(shí)施管理中運(yùn)用GIS，不僅可以大幅度提高管理的高效性和精確性，而且可以改變?cè)械耐恋匾?guī)劃和管理的組織結(jié)構(gòu)、管理方法和程序?；贕IS的城市土地利用規(guī)劃可以及時(shí)更新管理土地資源信息，也可以與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)相結(jié)合，加速信息化進(jìn)程。

利用GIS空間分析功能，郭斌[34]將陜西省西安市土地利用與生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果有機(jī)結(jié)合，提出了相應(yīng)的生態(tài)安全調(diào)控措施和土地資源優(yōu)化配置方案。黃小芳[35]利用ArcGIS10將以引導(dǎo)性和約束性兩大類指標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各評(píng)價(jià)因子數(shù)字化，采用加權(quán)疊加法對(duì)上海市浦東新區(qū)工業(yè)用地進(jìn)行生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。白麗娜[36]借助GIS技術(shù)形成城市土地利用綜合效益有效影響因子空間分布特征圖，通過(guò)空間疊置或緩沖區(qū)形成單因子分值圖，進(jìn)而對(duì)吉林省吉林市土地利用綜合效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。田毅等[37]以GIS技術(shù)為支撐，基于AHP法對(duì)北京市海淀區(qū)東區(qū)城市土地利用強(qiáng)度進(jìn)行三維定量評(píng)價(jià)。劉波[38]將GIS應(yīng)用于云南省昆明市呈貢區(qū)土地利用規(guī)劃中，展示出呈貢區(qū)土地利用規(guī)劃情況變化圖和呈貢新區(qū)數(shù)字化區(qū)域地圖。

2.3 GIS在城市土地利用擴(kuò)展及演變方面的應(yīng)用

GIS在城市土地利用擴(kuò)展及演變方面的應(yīng)用主要是城市土地利用擴(kuò)展?fàn)顩r、時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)因素分析。擴(kuò)展?fàn)顩r主要是基于GIS技術(shù)，通過(guò)提取功能或利用相關(guān)模型分析城市土地利用擴(kuò)展?fàn)顩r； 時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)因素分析主要是利用GIS空間分析功能，分析城市土地利用時(shí)空演變特征及其驅(qū)動(dòng)因素。

利用ArcGIS提取工具，程鵬[39]分析了山東省泰安市建成區(qū)擴(kuò)展?fàn)顩r并發(fā)現(xiàn)了其變化特征。陳旭等[40]基于RS和GIS技術(shù)，結(jié)合空間分形模型對(duì)湖北省武漢市城市土地利用空間擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，通過(guò)空間分形維數(shù)的變化，總結(jié)出武漢市城區(qū)在1991—1995和1995—2005年2個(gè)時(shí)段內(nèi)的擴(kuò)展規(guī)律。利用GIS空間分析功能，肖捷穎等[41]結(jié)合網(wǎng)格分割法分析河北省石家莊市近70 a來(lái)城市土地利用擴(kuò)展時(shí)空變化特征，并簡(jiǎn)析其驅(qū)動(dòng)因素。李云亮等[42]對(duì)江蘇省連云港1980—2005年間城市土地利用擴(kuò)展時(shí)空演變特征及規(guī)律進(jìn)行分析，并簡(jiǎn)析了城市擴(kuò)展的主要原因。

2.4 GIS在城市土地利用結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

GIS在城市土地利用結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用主要涉及城市土地利用空間結(jié)構(gòu)特征，可基于GIS技術(shù)，或采用模型并選取相關(guān)指標(biāo)，或通過(guò)空間分析統(tǒng)計(jì)，或從不同角度分析城市土地利用空間結(jié)構(gòu)特征。

采用GIS技術(shù)，常顯顯等[43]結(jié)合計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型選取相關(guān)定量指標(biāo)，從數(shù)量結(jié)構(gòu)角度出發(fā)探討黑龍江省雙城市土地利用結(jié)構(gòu)特征。姜魯光等[44]通過(guò)GIS軟件對(duì)山東省濟(jì)南市1986年和2000年2個(gè)時(shí)相的航空影像解譯成果進(jìn)行空間分析與查詢統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出城市土地利用結(jié)構(gòu)具有明顯的圈層和扇形結(jié)構(gòu)特征。賀子康[45]對(duì)新疆維吾爾自治區(qū)喀什市土地利用空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間尺度和空間角度的分析，并采用土地利用動(dòng)態(tài)度方法，將從不同角度分析土地利用空間結(jié)構(gòu)的變化情況更加直觀地展現(xiàn)出來(lái)。

2.5 GIS在城市土地利用優(yōu)化方面的應(yīng)用

GIS在城市土地利用優(yōu)化方面的應(yīng)用主要是城市土地利用面積、景觀生態(tài)和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化。面積優(yōu)化主要是基于GIS技術(shù)，結(jié)合相關(guān)優(yōu)化模型，對(duì)城市各用地類型面積進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算； 景觀生態(tài)優(yōu)化主要是借助GIS的圖像、數(shù)據(jù)處理功能，分析景觀空間格局指數(shù)，提出景觀生態(tài)優(yōu)化對(duì)策和措施； 空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是通過(guò)GIS軟件完成城市土地空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，包括建立以數(shù)量?jī)?yōu)化和適宜性評(píng)價(jià)為核心的空間配置優(yōu)化模型和以元胞自動(dòng)機(jī)模擬演化為核心的優(yōu)化模型。和傳統(tǒng)的城市土地優(yōu)化配置方法相比，基于RS和GIS的城市土地資源優(yōu)化配置，不僅使土地資源適宜性評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確，而且使土地資源利用更加合理。

基于GIS技術(shù)，溫熙勝等[46]結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和多目標(biāo)規(guī)劃模型，對(duì)城市各用地類型面積進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市各類用地空間的優(yōu)化配置。陳士銀等[47]利用GIS的圖像、數(shù)據(jù)處理功能，通過(guò)對(duì)湛江市景觀空間格局異質(zhì)性指數(shù)的計(jì)算分析，提出城市景觀生態(tài)優(yōu)化的相關(guān)對(duì)策和措施。趙濤[48]通過(guò)GIS提供的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫(xiě)了一個(gè)程序模塊，自動(dòng)完成山東省濟(jì)南市城區(qū)土地空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，并將結(jié)果與濟(jì)南市1996—2010年土地利用總體規(guī)劃圖相比較，找出了異同點(diǎn)及存在差異主要原因。

3 GIS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及城市土地利用科學(xué)問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)需求的提出，GIS技術(shù)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性、虛擬現(xiàn)實(shí)、集成化、與其他技術(shù)融合性等發(fā)展趨勢(shì)。城市土地利用也面臨規(guī)模擴(kuò)張過(guò)快、規(guī)劃功能重疊、效率低下、結(jié)構(gòu)和空間布局不合理、信息管理不完善等科學(xué)問(wèn)題。二者既互相補(bǔ)充，又互相促進(jìn)。

3.1 GIS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

GIS技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用工具，主要功能包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、分析和應(yīng)用。隨著虛擬實(shí)景、多媒體、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等技術(shù)的發(fā)展，尤其是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建立及遙感衛(wèi)星的大量發(fā)射，使當(dāng)前的GIS技術(shù)已無(wú)法滿足信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代的要求，目前GIS技術(shù)總體上呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性、虛擬現(xiàn)實(shí)、集成化、與其他技術(shù)融合性等發(fā)展趨勢(shì)。

1)網(wǎng)絡(luò)GIS利用網(wǎng)上發(fā)布的空間數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢、瀏覽和分析等功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享，同時(shí)只需維護(hù)服務(wù)器端即可，大大降低了系統(tǒng)工作量。與傳統(tǒng)GIS相比，WebGIS具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、維護(hù)社會(huì)化以及使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

2)開(kāi)放式GIS能夠使數(shù)據(jù)在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間流動(dòng)起來(lái)，并且實(shí)現(xiàn)異構(gòu)分布數(shù)據(jù)的信息共享，具有互操作、技術(shù)公開(kāi)、可擴(kuò)展以及可移植的特點(diǎn)。

3)虛擬GIS是將三維GIS同虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，主要是為了提高用戶操作體驗(yàn)，增強(qiáng)GIS可視化特征，從聲音、圖像等方面給用戶更好的操作體驗(yàn)。目前虛擬GIS的研究主要集中在虛擬城市構(gòu)建技術(shù)方面。

4)多媒體GIS一方面能夠?qū)⑸鷦?dòng)直觀、高效快捷的信息服務(wù)提供給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化教育、旅游、商業(yè)和決策管理等諸多領(lǐng)域，另一方面能夠讓計(jì)算機(jī)技術(shù)真正滲入到人們生活當(dāng)中。應(yīng)用多媒體技術(shù)對(duì)GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用模式的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大影響，使GIS的表現(xiàn)形式更加豐富、靈活[49]。

5)集成化GIS，衛(wèi)星定位系統(tǒng)為GIS的快速定位和更新提供手段，RS多時(shí)相、多譜段、多分辨率和多傳感器的特點(diǎn)，為GIS不斷注入“燃料”； 同時(shí)GIS也是衛(wèi)星定位系統(tǒng)重要的空間數(shù)據(jù)處理、集成和應(yīng)用工具，RS處理過(guò)程可以利用GIS數(shù)據(jù)，增強(qiáng)結(jié)果的精確度與準(zhǔn)確率。3S技術(shù)整體結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)是高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的GIS系統(tǒng)，不僅可以自動(dòng)、實(shí)時(shí)地采集、處理和更新數(shù)據(jù)，而且能夠分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，從而為各種應(yīng)用提供科學(xué)的、全面的、完善的解決方案。

6)GIS與SOA、移動(dòng)通信等技術(shù)相融合。引入面向服務(wù)的架構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)理念，讓GIS從組件式飛躍到了服務(wù)式，讓基于互聯(lián)網(wǎng)的不同系統(tǒng)之間更方便、靈活、開(kāi)放的集成得到實(shí)現(xiàn)。通過(guò)與Web.技術(shù)的融合，GIS技術(shù)可以為用戶提供更加方便快捷的服務(wù)，用戶無(wú)論處于何時(shí)、何地，都能夠利用移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行GIS系統(tǒng)的查詢，從而獲得詳細(xì)的地理信息數(shù)據(jù)[50]。

作為傳統(tǒng)學(xué)科與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，GIS已經(jīng)深入到各行各業(yè)，成為現(xiàn)代管理、決策、指揮的重要組成部分，在人們生活中扮演越來(lái)越重要的角色。GIS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)并不是孤立的，其中涉及多種交叉學(xué)科的相互影響、相互支撐。GIS技術(shù)將隨著時(shí)間的推移而逐漸走入人們的日常生活，成為人們生活中不可分割的一部分。

3.2 城市土地利用科學(xué)問(wèn)題

土地資源是城市生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)于城市發(fā)展意義重大。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，對(duì)自然資源和生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生了較大的影響，引發(fā)了一系列的矛盾和問(wèn)題，其中土地利用問(wèn)題尤為顯著。

1)城市用地規(guī)模擴(kuò)張過(guò)快，用地供需矛盾尖銳。城市用地規(guī)模的擴(kuò)大既是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的結(jié)果，又是數(shù)量擴(kuò)張和粗放式土地利用的后果。一些城市在建設(shè)過(guò)程中，以工業(yè)園、物流園、大學(xué)城等多種形式占用土地，使有限的土地資源在數(shù)量上難以滿足日益增長(zhǎng)的城市用地需求。

2)城市土地利用功能性重疊，缺乏明確合理的規(guī)劃。不同政府部門(mén)之間僅僅從自身的微觀用途來(lái)規(guī)劃用地，而未能從宏觀整體區(qū)域發(fā)展的角度考慮，使土地利用出現(xiàn)規(guī)劃功能的重疊。

3)城市已占用土地利用效率低下。城市土地開(kāi)發(fā)利用程度與其所處環(huán)境及自身基礎(chǔ)設(shè)施狀況密切相關(guān)，一些城市建成區(qū)內(nèi)或多或少都有一定數(shù)量的閑置或廢棄地，土地集約利用程度較低。

4)城市土地利用結(jié)構(gòu)不合理。這樣會(huì)造成城市住房緊缺，交通擁堵，中心城區(qū)缺乏發(fā)展空間，住宅生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題。

5)城市土地利用空間布局不合理。城市土地整體粗放開(kāi)發(fā)，局部地區(qū)卻利用強(qiáng)度過(guò)高，使土地價(jià)值得不到合理發(fā)揮。

6)城市土地利用信息管理不完善。城市土地利用數(shù)據(jù)反映了當(dāng)前城市土地利用情況，是對(duì)各類城市用地進(jìn)行有效控制、提高土地利用集約度，科學(xué)制定城市土地利用規(guī)劃的基礎(chǔ)。同時(shí)城市土地規(guī)劃部門(mén)對(duì)各類土地的利用情況掌握不足必然會(huì)導(dǎo)致土地利用效率低下、布局不合理等問(wèn)題。

3.3 GIS與城市土地利用的互補(bǔ)

針對(duì)城市土地利用規(guī)模擴(kuò)張過(guò)快、規(guī)劃功能重疊、效率低下、結(jié)構(gòu)和空間布局不合理、信息管理不完善等問(wèn)題，GIS作為集信息處理、空間分析、科學(xué)管理等于一體的綜合系統(tǒng)，其發(fā)展趨勢(shì)與城市土地利用科學(xué)問(wèn)題可以互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。一方面，GIS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以為解決城市土地利用科學(xué)問(wèn)題提供技術(shù)支持; 另一方面，城市土地利用科學(xué)問(wèn)題的解決又可以促進(jìn)GIS技術(shù)的發(fā)展。

對(duì)于城市土地利用規(guī)模擴(kuò)張過(guò)快的問(wèn)題，集成化GIS作為高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的GIS系統(tǒng)，可以自動(dòng)實(shí)時(shí)地采集、處理、分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，結(jié)合空間分析功能，研究得到城市土地利用擴(kuò)展?fàn)顩r、時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)因素，進(jìn)而為城市土地利用規(guī)模提供科學(xué)的解決方案。對(duì)于城市土地規(guī)劃功能重疊的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)及開(kāi)放式GIS可通過(guò)為不同系統(tǒng)用戶提供遠(yuǎn)程異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享，高效而精確地實(shí)現(xiàn)“多規(guī)合一”。對(duì)于城市土地利用效率低下的問(wèn)題，通過(guò)GIS空間分析、建立相關(guān)模型及利用多媒體GIS，能以更加生動(dòng)直觀、高效快捷的形式呈現(xiàn)結(jié)果，并進(jìn)一步分析城市土地利用效率低下的原因，找出解決方案。對(duì)于城市土地利用結(jié)構(gòu)和空間布局不合理的問(wèn)題，虛擬GIS可從聲音、圖像等方面讓用戶體驗(yàn)城市土地利用空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在面積、景觀生態(tài)等方面進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于城市土地利用信息管理不完善的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)化、集成化及融合了SOA、移動(dòng)通信等技術(shù)的GIS不僅能夠收集到城市土地的資源信息，而且能夠以移動(dòng)端的形式為用戶提供查詢、管理等功能，使城市土地利用信息管理得到完善，在此基礎(chǔ)上提高城市土地利用效率，完善城市合理布局，實(shí)現(xiàn)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

4 總結(jié)及展望

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市土地利用的供需矛盾日益尖銳。合理的城市土地利用能促進(jìn)城市功能的正常發(fā)揮及用地效益的不斷提升，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧發(fā)展?；贕IS的城市土地利用研究在一定程度上呈現(xiàn)了關(guān)于城市土地利用的類型、結(jié)構(gòu)、綜合效益以及驅(qū)動(dòng)因素等方面的內(nèi)容，為優(yōu)化城市土地利用提供了依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)和指導(dǎo)意義?？傮w上說(shuō),我國(guó)GIS在城市土地利用方面的研究已取得了豐碩的成果，為城市規(guī)劃及城市土地合理利用提供了理論基礎(chǔ)，但是現(xiàn)有研究還存在以下不足及亟需改進(jìn)的方面：

1)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市土地利用方面的理論仍然是相互獨(dú)立的、分割的，主要局限于傳統(tǒng)的規(guī)劃學(xué)、地理學(xué)等單學(xué)科階段，多學(xué)科穿插、融合的交叉研究體系尚未成熟，需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，對(duì)各學(xué)科相關(guān)理論進(jìn)行科學(xué)的歸納總結(jié)，以GIS這一土地利用研究的重要抓手為支撐，形成新的城市土地利用理論體系。

2)雖然越來(lái)越多的研究者認(rèn)識(shí)到城市土地利用的合理配置將直接影響到城市功能的發(fā)揮，但鮮有學(xué)者研究不同產(chǎn)業(yè)的不同發(fā)展階段影響城市土地利用的一般規(guī)律。目前基于GIS的城市土地利用評(píng)價(jià)方法單一，評(píng)價(jià)體系尚不完善，學(xué)者們應(yīng)從城市功能合理配置的角度，開(kāi)展城市功能與城市土地利用關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)研究，形成系統(tǒng)的理論體系，使GIS與城市土地利用緊密結(jié)合。

3)大多數(shù)研究樣本多集中在國(guó)內(nèi)大城市和較發(fā)達(dá)省份，對(duì)于中小城市和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的研究較少。雖然部分原因是出于樣本數(shù)據(jù)獲得的難易程度，但鑒于不同職能、不同規(guī)模及不同地域城市土地利用存在明顯的差異性，所以應(yīng)分散研究對(duì)象的分布，深入研究不同類型城市的功能性用地及用地比例，為GIS在城市土地利用方面的應(yīng)用指明方向。

4)雖然“3S”技術(shù)發(fā)展迅速，但“3S”技術(shù)與城市土地利用模型庫(kù)缺乏一定的融合。RS技術(shù)與衛(wèi)星定位技術(shù)相結(jié)合，可得到城市土地利用圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，從而成為GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)源。GIS技術(shù)作為城市土地利用的數(shù)據(jù)組織、管理、分析與可視化工具，可再結(jié)合城市土地利用模型庫(kù)，進(jìn)行諸如空間疊置分析、空間格局分析、空間自相關(guān)分析等城市土地利用的空間信息分析，進(jìn)一步完善GIS在城市土地利用方面的應(yīng)用機(jī)制。