GIS技術(shù)在空間組織中的應(yīng)用分析研究

李東和劉春路趙繼龍孔亞暐劉甦

(1.迪肯大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，澳大利亞 維多利亞州 吉朗3216；2.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

產(chǎn)業(yè)園的空間組織是產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)業(yè)組織在產(chǎn)業(yè)園區(qū)空間內(nèi)進(jìn)行更加合理布局與集聚的過程，是產(chǎn)業(yè)園建設(shè)的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)園空間組織設(shè)計(jì)大都停留在傳統(tǒng)城市規(guī)劃模式的層面，其功能單一，既忽視了對綜合效益的需求，又缺乏對特色功能的思考，難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)園快速發(fā)展的需要[1-2]。為了更好地指導(dǎo)園區(qū)空間的開發(fā)建設(shè)，產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展迫切需要做出相應(yīng)科學(xué)、合理、可操作的空間組織響應(yīng)和規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。為此，尋求一種科學(xué)和理性的手段、技術(shù)作為三維分析以及產(chǎn)業(yè)園空間組織與設(shè)計(jì)方案的支撐和支持，已成為迫切需要研究的重要課題[3-5]。

地理信息系統(tǒng)GIS(Geo-Information System)三維分析技術(shù)發(fā)展迅速，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)及空間分析和處理的能力，尤其是在ArcGIS中可快速創(chuàng)建基地三維場景模型，使其在城市的規(guī)劃布局、空間組織設(shè)計(jì)、空間信息管理等方面的應(yīng)用成為可能，從而提高了空間組織方案和成果的科學(xué)性與可實(shí)施性[6-8]。因此，GIS技術(shù)在產(chǎn)業(yè)園空間組織與設(shè)計(jì)中應(yīng)用等相關(guān)方面的研究、實(shí)踐，已成為必然趨勢。

文章闡述了GIS技術(shù)在產(chǎn)業(yè)園空間組織中應(yīng)用的途徑與方法，總結(jié)了其在產(chǎn)業(yè)園空間組織中的應(yīng)用前景與優(yōu)勢，分析了其在數(shù)據(jù)的采集與管理、三維可視化、空間分析與統(tǒng)計(jì)等空間組織中的應(yīng)用，以期對產(chǎn)業(yè)園的空間組織規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

1 GIS技術(shù)在產(chǎn)業(yè)園空間組織中的應(yīng)用途徑與方法

1.1 應(yīng)用途徑

產(chǎn)業(yè)園空間組織的核心目標(biāo)是在空間上相互協(xié)調(diào)并合理配置園區(qū)空間資源。GIS在空間組織方面的應(yīng)用途徑如圖1所示。以GIS技術(shù)為支撐，不僅可以發(fā)揮其強(qiáng)大的空間分析與處理功能為空間組織提供技術(shù)支持和服務(wù)，而且能夠使空間組織的宏觀與微觀、定性與定量相互結(jié)合得以真正實(shí)現(xiàn)，從而可為GIS技術(shù)在空間組織方面的應(yīng)用提供了廣闊途徑。

圖1 GIS在空間組織方面的應(yīng)用途徑圖

1.2 應(yīng)用方法

GIS技術(shù)在城市或區(qū)域的空間組織設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用的方法與步驟[8-10]有:

(1)在建成空間信息數(shù)據(jù)庫之后，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)基地特點(diǎn)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，直接運(yùn)用ArcGIS空間分析手段對基地進(jìn)行空間組織方面的專項(xiàng)分析，如地形分析、現(xiàn)狀建設(shè)、設(shè)施服務(wù)區(qū)評價(jià)等；

(2)在各專項(xiàng)分析的基礎(chǔ)上，可利用ArcGIS疊加分析技術(shù)，在疊加兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上得出新的數(shù)據(jù)層，從而發(fā)掘不同信息之間的關(guān)系，深化對基地的理解；

(3)依據(jù)影響設(shè)計(jì)的重要參變量，可用上述手段建立參數(shù)模型，對基地的用地適宜性、用地價(jià)值等進(jìn)行綜合評價(jià)，為細(xì)化方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

GIS技術(shù)與空間組織的適應(yīng)情況見表1。

表1 GIS技術(shù)與空間組織工作的適應(yīng)情況表

2 GIS技術(shù)在空間組織中應(yīng)用的前景與優(yōu)勢

2.1 GIS技術(shù)在空間組織中應(yīng)用的前景

近年來，GIS技術(shù)的發(fā)展尤為迅猛，并向著大型化、集成化、專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化和社會化方向不斷發(fā)展，已成為一門綜合性的技術(shù)，尤其是利用空間產(chǎn)業(yè)共生潛力分析和決策支持工具的開發(fā)已成為當(dāng)前新的研究熱點(diǎn)[11]。

GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)及空間分析和處理的能力，對空間數(shù)據(jù)的完善、組織、管理分析能力成為其最突出的特征，不僅可以有效地管理和處理海量、多源數(shù)據(jù)，而且可將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到對各空間組織與規(guī)劃數(shù)據(jù)的有效管理的目標(biāo)。目前，已廣泛地運(yùn)用到資源環(huán)境、城鄉(xiāng)規(guī)劃、國土監(jiān)測以及環(huán)境評估等諸多領(lǐng)域[11-15]。

另外，目前城市與區(qū)域空間組織等方面的模擬評價(jià)、敏感性與發(fā)展趨勢預(yù)測等研究領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)難以充分分析處理，針對此難題，充分發(fā)揮GIS的強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)操作優(yōu)勢，將GIS技術(shù)與空間組織數(shù)值模擬有機(jī)地耦合在一起，相互取長補(bǔ)短，彌補(bǔ)了其計(jì)算能力相對不足的問題。由于GlS技術(shù)具有諸如OVERI.AY和FILTER等強(qiáng)大的模塊功能，能夠直接服務(wù)于空間組織規(guī)劃數(shù)值模擬，從而可以方便地提取所研究系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)期、不同方面的多種空間指標(biāo)和數(shù)據(jù)，不斷加工分析處理；將各種變化作用于數(shù)據(jù)模型組中，為各個(gè)規(guī)劃管理部門提供準(zhǔn)確的預(yù)測信息，為相應(yīng)的評價(jià)預(yù)測及管理尋求一種科學(xué)的解決方案[13，16]。

2.2 GIS技術(shù)在空間組織中應(yīng)用的作用與優(yōu)勢

GIS技術(shù)可以在城市空間組織與規(guī)劃的各個(gè)階段發(fā)揮作用，尤其是在空間分析研究和空間組織管理信息系統(tǒng)方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。特別是相較于傳統(tǒng)的項(xiàng)目選址和空間組織方法，GIS獨(dú)特而強(qiáng)大的空間分析與處理的能力、快速的空間產(chǎn)業(yè)定位搜索和復(fù)雜的搜索功能、強(qiáng)大的空間組織設(shè)計(jì)基礎(chǔ)圖形的處理、顯示和表達(dá)以及空間模擬和空間決策支持等，可獲得常規(guī)方法難以得到的重要信息。多年的實(shí)踐證明，GIS技術(shù)引入空間組織中主要有如下價(jià)值和優(yōu)勢[17]:

(1)GIS技術(shù)引入空間組織設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)非常直觀和理性的工具 以往的空間組織設(shè)計(jì)方案，常常缺乏有效、快速而準(zhǔn)確的輔助信息分析工具，往往是設(shè)計(jì)者從個(gè)人主觀和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，以感性的角度分析處理各類信息數(shù)據(jù)，缺乏科學(xué)、理性的對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，主觀隨意性較大。特別是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手法往往都是以感性為主、理性為輔，側(cè)重結(jié)果而不注重過程，重視物質(zhì)規(guī)劃研究，不注重社會以及經(jīng)濟(jì)等問題的考慮與研究；不僅會直接導(dǎo)致規(guī)劃成果的內(nèi)涵不足，而且由于過于注重圖面效果，往往影響規(guī)劃后期實(shí)施的可操作性。GIS技術(shù)的引入不僅豐富了空間組織成果的表達(dá)方式，而且使空間組織更加直觀和理性。

(2)GIS技術(shù)為空間組織的設(shè)計(jì)手法帶來了質(zhì)的飛躍 傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)園空間組織設(shè)計(jì)方法往往表達(dá)內(nèi)容是靜態(tài)或終極狀態(tài)的圖紙，缺乏對空間組織和信息等諸多內(nèi)容的連續(xù)考慮。而依托GIS技術(shù)的支持，可以極大地提高產(chǎn)業(yè)園空間數(shù)據(jù)的圖形表達(dá)與屬性數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，通過對數(shù)據(jù)庫不斷的更新、移植，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、可持續(xù)的空間分析和綜合管理目標(biāo)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)上從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)上的轉(zhuǎn)變，這稱得上是空間組織體系的一種變革。

(3)為空間組織的動(dòng)態(tài)調(diào)整以及多種方案的比較篩選提供了有力的技術(shù)支持 GIS由于數(shù)據(jù)更新的快捷性、空間分析的實(shí)時(shí)性以及更有效的信息訪問能力，能夠通過更多更廣泛的渠道獲取信息，對空間組織的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了良好的技術(shù)支持。尤其是運(yùn)用空間模擬分析能力可使其在更大范圍內(nèi)探討多種空間組織方案成為可能。

(4)增強(qiáng)了空間組織決策分析的合理性 利用GIS技術(shù)對空間信息數(shù)據(jù)具有強(qiáng)大的分析和存儲管理的能力，可以輔助設(shè)計(jì)師對空間組織方案的模擬、選擇、評估等做出最優(yōu)且合理的設(shè)計(jì)決策，并可實(shí)現(xiàn)對空間組織區(qū)域內(nèi)自然、社會、經(jīng)濟(jì)條件等各要素的多因子疊加分析。通過對GIS中圖層的疊加緩沖區(qū)以及最佳路徑自動(dòng)匹配等空間分析，從而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)園的空間規(guī)劃，如功能區(qū)、公共空間、公共設(shè)施的選址、人流車流、居住區(qū)、最佳路線等做出合理最優(yōu)安排與決策等，這些是傳統(tǒng)空間組織設(shè)計(jì)手法所無法完成和達(dá)到的。

(5)空間信息數(shù)據(jù)繁多量大、使用方便、便于交流與溝通 空間組織主要涉及到大量的社會、經(jīng)濟(jì)資料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、自然地理空間數(shù)據(jù)等等，如人工處理大量數(shù)據(jù)不僅速度慢，而且效率低。GIS技術(shù)可以管理大容量的數(shù)據(jù)，支持多種形式的空間數(shù)據(jù)，不但具有查詢、疊加、聚類、網(wǎng)絡(luò)、鄰近空間信息的能力，還具有良好的數(shù)據(jù)維護(hù)更新能力，對空間組織分析的理性化具有重要的意義和價(jià)值。

(6)GIS介入空間組織領(lǐng)域，改進(jìn)制圖能力，提高空間組織的可視性、通用性和空間組織的效率，縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)保證了空間組織成果的質(zhì)量。

(7)借助GIS可以對空間組織的實(shí)施進(jìn)行監(jiān)督反饋，并對空間組織方案進(jìn)行調(diào)整，使空間組織處于一個(gè)順暢的良性循環(huán)中。

2.3 GIS技術(shù)在產(chǎn)業(yè)園空間組織中應(yīng)用的特點(diǎn)與優(yōu)勢

目前，產(chǎn)業(yè)園空間組織方案常規(guī)的設(shè)計(jì)方式是先手繪草圖，然后在自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD(Autodesk Computer Aided Design)中進(jìn)行二維的深化設(shè)計(jì)。雖然制圖直接，但由于整個(gè)工作過程自始至終是面向設(shè)計(jì)結(jié)果而不是面向設(shè)計(jì)過程，所以造成方案設(shè)計(jì)與前期的現(xiàn)狀分析及后期的方案分析之間的相互割裂和銜接不暢，尤其是可能導(dǎo)致分析圖制作、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等后期工作費(fèi)工費(fèi)力。而在產(chǎn)業(yè)園空間組織中，應(yīng)用GIS技術(shù)可以有如下的特點(diǎn)和優(yōu)勢[17]。

(1)基于GIS的產(chǎn)業(yè)園空間組織的應(yīng)用方法在此階段是運(yùn)用地理信息設(shè)計(jì)工具，直接在現(xiàn)狀分析圖上進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，通過GIS平臺直觀分析數(shù)據(jù)，從而真正地將設(shè)計(jì)與分析結(jié)合起來。在方案深化和多方案比較的工作中，憑借ArcGIS參數(shù)化建模的優(yōu)勢，每次調(diào)整方案，其指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和專題分析結(jié)果都可以半自動(dòng)刷新，從而動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地反饋方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)和分析的高度融合。

(2)成果輸出階段，在GIS中顯示或隱藏特定的數(shù)據(jù)層就可以直接輸出方案和分析圖紙，無需后期加工。由于這種參數(shù)化制圖的工作量比利用AutoCAD、圖像處理軟件Adobe Photoshop等軟件的工作量小得多，設(shè)計(jì)師得以從繁重的圖紙繪制工作中解放出來，從而聚焦于產(chǎn)業(yè)園空間組織設(shè)計(jì)本身。伴隨著信息技術(shù)以及相關(guān)知識的深入研究與發(fā)展，GIS將會更加廣泛、科學(xué)、有效并充分地運(yùn)用于城市空間組織設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域中去。

3 GIS技術(shù)在空間組織中應(yīng)用的領(lǐng)域

3.1 GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)的采集與管理方面的應(yīng)用

GIS技術(shù)在城市規(guī)劃中數(shù)據(jù)的采集與管理方面的廣泛應(yīng)用，不僅使空間組織的數(shù)據(jù)采集與管理向信息化、定量化和科學(xué)化的方向發(fā)展，而且使其更加適應(yīng)城市快速發(fā)展的需要[12]。在數(shù)據(jù)的采集與管理方面的應(yīng)用實(shí)例如圖2所示[17]。數(shù)據(jù)整理的應(yīng)用實(shí)例如圖2(a)所示，可以整理原有資料和遙感數(shù)據(jù)源，通過與傳統(tǒng)CAD等軟件的聯(lián)合，方便查詢、統(tǒng)計(jì)與成果輸出。信息管理的應(yīng)用實(shí)例如圖2(b)所示，將不同規(guī)劃成果進(jìn)行整體管理，可以優(yōu)化管理數(shù)據(jù)、為管理者提供更好的統(tǒng)計(jì)與查詢服務(wù)。因子統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例如圖2(c)所示，GIS可以將用地屬性、地形地貌、水文地理、社會經(jīng)濟(jì)、人口分布、人口構(gòu)成、建筑強(qiáng)度、建筑的高度等影響因子的空間位置、分布特征、相互關(guān)系作描述和統(tǒng)計(jì)，輔助進(jìn)行空間組織設(shè)計(jì)。

圖2 GIS技術(shù)在規(guī)劃數(shù)據(jù)的采集與管理方面的應(yīng)用實(shí)例圖

3.2 GIS技術(shù)在三維可視化方面的應(yīng)用

GIS技術(shù)的三維可視化是將空間數(shù)據(jù)與復(fù)雜的屬性數(shù)據(jù)整合在一起顯示，簡單而直觀。在城市內(nèi)的規(guī)劃和建筑過程中，GIS技術(shù)可以用更加生動(dòng)形象的動(dòng)態(tài)三維可視化模型顯示城市內(nèi)自然地理和社會經(jīng)濟(jì)等各個(gè)因素的空間位置與關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，可以通過GIS的空間分析功能為設(shè)計(jì)人員和決策者提供更加科學(xué)合理的設(shè)計(jì)建議與意見。

目前，三維可視化工具不僅逐漸廣泛的被政府決策者、城市規(guī)劃人員、建筑師和土地審批部門所使用，而且也被相關(guān)人員應(yīng)用到考察設(shè)計(jì)項(xiàng)目、參與土地利用以及評估可持續(xù)的效果等方面[14]。GIS技術(shù)在三維可視化方面的應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。

地形可視化應(yīng)用實(shí)例如圖3(a)所示，利用GIS技術(shù)的創(chuàng)建不規(guī)則四面體網(wǎng)格TIM(Tetrahedralized Irregular Mesh)功能，可以快速產(chǎn)生三維場景建模。能夠在數(shù)字環(huán)境中形象、直觀、快速的了解地形地貌和場地氛圍特征。通過模型，還可以進(jìn)行坡度、坡向、地表徑流等分析，為空間組織提供便利。

地表物體可視化應(yīng)用實(shí)例如圖3(b)所示，在不規(guī)則三角網(wǎng)TIN(Triangulated Irregular Network)模型的基礎(chǔ)上，GIS技術(shù)可以根據(jù)現(xiàn)狀圖片或資料所提供的建筑外輪廓和建筑高度快速生成建筑立體模型，能夠明確表達(dá)建筑的空間分布、建筑密度、建設(shè)用地狀況、道路布局等城市信息，為設(shè)計(jì)人員提供三維可視的地表物體分布情況。

方案模擬應(yīng)用實(shí)例如圖3(c)所示，將其他計(jì)算機(jī)技術(shù)的三維數(shù)據(jù)(如草圖大師SketchUp模型等)與GIS相結(jié)合，可以對方案的細(xì)節(jié)進(jìn)行建模，從而達(dá)到方案細(xì)節(jié)的即時(shí)模擬。

圖3 GIS技術(shù)在三維可視化方面的應(yīng)用實(shí)例圖

3.3 GIS技術(shù)在空間分析與統(tǒng)計(jì)方面的應(yīng)用

空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，GIS技術(shù)可以在空間成像的基礎(chǔ)上對目標(biāo)進(jìn)行不同的分析，主要進(jìn)行地形分析、柵格數(shù)據(jù)分析、緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析等4個(gè)方面的分析，可分別運(yùn)用于現(xiàn)狀分析、方案設(shè)計(jì)、規(guī)劃管理等多個(gè)階段[15-16]。在GIS的空間分析方面的應(yīng)用實(shí)例如圖4所示。

圖4 GIS技術(shù)在空間分析方面的應(yīng)用實(shí)例圖

地形分析應(yīng)用實(shí)例如圖4(a)所示，在城市設(shè)計(jì)中需要對用地進(jìn)行坡度、坡向、水文等方面的分析，通過GIS軟件對等高線、高程點(diǎn)等信息的分析，建立TIM模型或者數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)可以準(zhǔn)確地了解其地形條件，為之后的設(shè)計(jì)和分析提供參考依據(jù)。

柵格分析應(yīng)用實(shí)例如圖4(b)所示，城市設(shè)計(jì)往往受到多個(gè)因子的影響，通過對因子?xùn)鸥窕?，可以將區(qū)域多因子問題簡化成單位空間的多因子問題，可以快速而科學(xué)地獲得量化評價(jià)結(jié)果。

緩沖分析應(yīng)用實(shí)例如圖4(c)所示，在城市設(shè)計(jì)中，許多影響因素對鄰近區(qū)域的影響會隨著距離的遠(yuǎn)近而改變。通過GIS技術(shù)的緩沖分析可以準(zhǔn)確反映距離對各個(gè)因素的影響，使其在空間上的分析更加科學(xué)合理。

網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用實(shí)例如圖4(d)所示，交通網(wǎng)絡(luò)、市政管網(wǎng)等對城市設(shè)計(jì)有著重要的影響，通過GIS技術(shù)可以模擬現(xiàn)實(shí)中交通等網(wǎng)絡(luò)，然后在此基礎(chǔ)上，針對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化資源配置方面的計(jì)算與分析。

4 結(jié)語

目前，我國大尺度城市設(shè)計(jì)中GIS的應(yīng)用已開始起步，正步入一個(gè)不斷完善的階段。但在中觀尺度的空間組織尤其是產(chǎn)業(yè)園空間組織及設(shè)計(jì)中，GIS技術(shù)的應(yīng)用尚處于空白階段，其空間和屬性數(shù)據(jù)的管理還處于分離的狀態(tài)。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對產(chǎn)業(yè)園空間組織水平的要求日益提高，迫切需要具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理與分析功能的GIS技術(shù)做支撐。利用GIS強(qiáng)大的空間分析能力，能夠在很大程度上幫助設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)業(yè)園空間組織方案進(jìn)行直觀、理性的模擬、選擇和評估，從而有效改善傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)園空間組織中重文本、圖形以及定性分析和定量分析脫節(jié)的缺點(diǎn)。伴隨著相關(guān)知識的深入研究，GIS將更加廣泛、科學(xué)、有效并充分地運(yùn)用于城市空間組織設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域中。