通信學(xué)論文-基于空間信息技術(shù)的城市開放空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

通信學(xué)論文-基于空間信息技術(shù)的城市開放空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于城市可持續(xù)發(fā)展問題的日益突出，城市開放空間系統(tǒng)的研究日漸深入；空間信息技術(shù)發(fā)展日新月異，以“3S”技術(shù)為主體的空間信息技術(shù)可以為解決因信息量急劇增加而產(chǎn)生的諸多問題提供了技術(shù)指導(dǎo)和幫助，“數(shù)字城市”的研究風(fēng)起云涌，城市地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究方興未艾。同樣，空間信息技術(shù)為城市開放空間系統(tǒng)的管理與研究提供了新的理念和技術(shù)平臺(tái)，文章意在借助空間信息技術(shù)平臺(tái)對(duì)城市開放空間信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行有益的探索。1空間信息技術(shù)與城市開放空間系統(tǒng)1.1空間信息技術(shù)信息和信息技術(shù)對(duì)當(dāng)代的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、生活等產(chǎn)生了巨大的影響?？臻g信息技術(shù)是20世紀(jì)60年代以來逐步發(fā)展起來的以獲取、管理、分析與地理位置相關(guān)的空間信息為主的信息技術(shù)的總稱。它包括遙感（remotesensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（geographyinformationsystem,GIS）、全球定位系統(tǒng)（globalpositioningsystem,GPS）（簡稱3S技術(shù)）等。利用遙感技術(shù)可以遠(yuǎn)距離無接觸地快速獲取地面各種地物的實(shí)時(shí)信息；借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)整個(gè)或部分地球表面與空間有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示和應(yīng)用；全球定位系統(tǒng)能在任何時(shí)刻為全球任何地方的用戶提供三維位置、三維運(yùn)動(dòng)速度和精確的時(shí)間等信息。遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它的短周期、視野廣闊、信息量豐富及可定時(shí)定位觀測(cè)；地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大之處在于它將空間信息的處理與屬性信息完美結(jié)合起來，為用戶提供了空間檢索和分析功能。以“3S”技術(shù)為代表的空間信息技術(shù)不再局限于數(shù)據(jù)的采集，而是強(qiáng)調(diào)對(duì)地球空間數(shù)據(jù)和信息從采集、處理、量測(cè)、分析到管理、存儲(chǔ)、顯示和發(fā)布的信息流全過程1?？臻g信息技術(shù)把整個(gè)人類的生活環(huán)境作為主要的研究對(duì)象，具有信息獲取的客觀性、信息定位的準(zhǔn)確性、信息管理的靈活性、信息分析的空間性、信息表達(dá)的直觀性等特點(diǎn)2。3S技術(shù)集成已成為現(xiàn)代空間信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。全球定位系統(tǒng)的組合技術(shù)系統(tǒng)為遙感對(duì)地觀測(cè)信息提供了準(zhǔn)實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)的定位信息和地面高程模型，遙感對(duì)地觀測(cè)的海量波普信息為目標(biāo)識(shí)別及科學(xué)規(guī)律的探測(cè)提供了定性或定量數(shù)據(jù)；遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)的集成將使地理信息系統(tǒng)具有獲取準(zhǔn)確、快速定位的現(xiàn)勢(shì)遙感信息能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的快速更新和在分析決策模型支持下，快速完成多位、多元復(fù)合分析3。遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的集成技術(shù)將最終建成新型的地面三維信息和地理編碼影像的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取與處理系統(tǒng)，形成快速、高精度的信息處理流程。在自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)中出現(xiàn)更多的是空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是指與空間位置和空間關(guān)系相聯(lián)系的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫是20世紀(jì)后期迅速發(fā)展起來的、應(yīng)用范圍廣泛的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理技術(shù)。地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，它具有數(shù)據(jù)量特別大、地理要素的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)結(jié)合緊密、數(shù)據(jù)應(yīng)用面廣等特點(diǎn)。以地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為依托，社會(huì)、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多種信息可以組成更龐大的空間信息數(shù)據(jù)庫。空間信息數(shù)據(jù)庫的主要任務(wù)是建立資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多種信息資料的采集、傳輸、處理、分析、分發(fā)、反饋、決策的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系，它是信息社會(huì)和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施4。很多國家和地區(qū)已經(jīng)建立了自己的空間數(shù)據(jù)庫，但是技術(shù)平臺(tái)的差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)很難實(shí)現(xiàn)共享，這在GIS數(shù)據(jù)庫中尤其突出。為了實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的共享，有關(guān)專家學(xué)者提出了建立分布式多空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)空間數(shù)據(jù)源的互操作，以達(dá)到空間信息共享的目的5。1.2城市開放空間與城市開放空間系統(tǒng)現(xiàn)代城市開放空間系統(tǒng)的建構(gòu)是在生態(tài)概念的思想基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，是生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)觀的表現(xiàn)之一。具有現(xiàn)代意義的城市開放空間概念大約出現(xiàn)于1887年的英國，之后人們出于不同的目的分別從不同的角度對(duì)其進(jìn)行了詮釋和應(yīng)用。城市開放空間是指在一定的城市地域內(nèi)，具有一定結(jié)構(gòu)和多重功能的存在于城市建筑實(shí)體之外的開敞空間體6。它包括綠地、河湖水體、待建與非待建的空地、廣場、道路及農(nóng)林地、山地、灘地等空間。它們擔(dān)負(fù)著城市多樣的生活、活動(dòng)、生物的自然消長、隔離避災(zāi)、通風(fēng)導(dǎo)流、表現(xiàn)地景以及限制城市無限蔓延等多種功能，是城市生態(tài)與城市生活的多重載體。這就意味著城市開放空間是一個(gè)空間體概念、一個(gè)載體概念，它具有生態(tài)、娛樂、文化、美學(xué)等多重目標(biāo)和功能。開放空間研究與可持續(xù)發(fā)展的概念相一致7。城市開放空間系統(tǒng)則是具有一定要素構(gòu)成、結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能組合的各類開放空間的集合體6。系統(tǒng)的構(gòu)成要素按照基本功能的不同可以分為綠色開放空間系統(tǒng)和灰色開放空間系統(tǒng)兩大類。綠色開放空間包括綠地、園林和水體，灰色開放空間包括對(duì)外交通空間、對(duì)內(nèi)交通空間、廣場、未綠化的閑置空地等。城市開放空間系統(tǒng)與城市的生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)相互支撐、相互交叉重疊共同構(gòu)成城市巨系統(tǒng)。城市開放空間系統(tǒng)具有實(shí)用功能、生態(tài)功能、文化功能、景觀功能和調(diào)控功能等，它是城市地域內(nèi)人與環(huán)境協(xié)調(diào)共處的空間前提，是改善城市結(jié)構(gòu)和功能的空間調(diào)節(jié)器，也是城市建設(shè)體現(xiàn)生態(tài)思想、促使城市發(fā)展進(jìn)入可持續(xù)狀態(tài)的重要空間載體7，8。1.3建立城市開放空間信息系統(tǒng)的必要性城市化浪潮席卷全球，與城市化迅速發(fā)展并存的是城市的可持續(xù)發(fā)展問題，建設(shè)生態(tài)城市是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，城市開放空間系統(tǒng)是城市系統(tǒng)的重要組成部分，又是城市生態(tài)與城市生活的重要載體，它與城市建筑空間之間存在耦合互動(dòng)關(guān)系，從而又是城市生態(tài)和城市生活的重要反映，通過對(duì)城市開放空間系統(tǒng)的研究人們可以對(duì)整個(gè)城市系統(tǒng)進(jìn)行明晰的解剖和辨識(shí)。同時(shí)，城市環(huán)境的空間布局是一項(xiàng)剛性很強(qiáng)的戰(zhàn)略任務(wù)，一旦確立了空間布局的框架并將其落實(shí)到用地上，就很難在短時(shí)期內(nèi)將其改變6。而作為城市巨系統(tǒng)的重要組成部分，城市開放空間系統(tǒng)內(nèi)部要素的變化不但會(huì)導(dǎo)致城市開放空間系統(tǒng)的變化，而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)城市巨系統(tǒng)的變化，而系統(tǒng)變化的程度和結(jié)果卻正是人們想預(yù)知的。以飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和空間信息技術(shù)為支撐的城市開放空間信息系統(tǒng)，可以獲得確定空間區(qū)域的實(shí)時(shí)空間信息數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域空間信息數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的各種分析、實(shí)現(xiàn)對(duì)城市開放空間系統(tǒng)的空間模擬和發(fā)展模擬等功能，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)城市開放空間系統(tǒng)的空間布局、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市生態(tài)環(huán)境后果的預(yù)測(cè)與模擬。這樣，人們就可以借助城市開放空間信息系統(tǒng)預(yù)測(cè)城市開放空間設(shè)計(jì)方案，從而可以實(shí)現(xiàn)城市開放空間系統(tǒng)的優(yōu)化，這對(duì)實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2設(shè)計(jì)思想、可行性研究與開發(fā)流程2.1設(shè)計(jì)思想信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用原型法思想。原型法的基本思路是：先確定部分基本要求，設(shè)計(jì)一個(gè)初步的原型，并用較短時(shí)間開發(fā)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的簡易原型，投入試運(yùn)行；根據(jù)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行修改補(bǔ)充；然后再運(yùn)行，再修改；如此反復(fù)迭代，不斷完善原型（本質(zhì)上稱為進(jìn)化型原型），最終開發(fā)成完善的信息系統(tǒng)9。2.2系統(tǒng)開發(fā)的可行性研究在進(jìn)行信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括任務(wù)的提出、初步調(diào)研和可行性分析等10。城市開放空間信息系統(tǒng)的可行性論證包括4個(gè)方面：通過初步調(diào)查和對(duì)本部門業(yè)務(wù)工作的分析研究，確認(rèn)信息系統(tǒng)近期和遠(yuǎn)期應(yīng)用目標(biāo)的可行性；論證項(xiàng)目的投資規(guī)模（包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)和人力資源的投資），編制預(yù)算，并估計(jì)實(shí)施后帶來的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和實(shí)施中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)；論證幾種可供選擇的實(shí)施方案，確認(rèn)技術(shù)上的可行性，確定最終方案；編制項(xiàng)目初步實(shí)施計(jì)劃，確認(rèn)實(shí)踐上的可行性。2.3系統(tǒng)開發(fā)工作流程城市開放空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在可行性研究的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，基本上可分為城市開放空間信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)評(píng)價(jià)等3個(gè)方面，在對(duì)信息系統(tǒng)各項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果基本滿意的基礎(chǔ)上，可對(duì)城市開放空間信息系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展與優(yōu)化。具體工作流程如圖1。圖1基于原型法的城市開放空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程(略)Fig.1Stepsofdesignofurbanopenspaceinformationsystemwithprototypemethod3總體設(shè)計(jì)城市開放空間信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為全系統(tǒng)確定了整體框架和結(jié)構(gòu)，它是系統(tǒng)研制工作的核心和系統(tǒng)開發(fā)的依據(jù)。信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖2。圖2城市開放空間信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程(略)Fig.2Stepsofgeneraldesignofurbanopenspaceinformationsystem3.1用戶需求調(diào)查分析用戶需求調(diào)查分析是對(duì)用戶現(xiàn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和用戶對(duì)系統(tǒng)的要求進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和分析，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的準(zhǔn)備階段。用戶需求調(diào)查分析要弄清楚包括潛在用戶在內(nèi)的所有用戶對(duì)系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)內(nèi)容、應(yīng)用范圍等方面的要求，并詳細(xì)考察用戶原來的業(yè)務(wù)范圍、工作流程以及部門之間的分工和相互關(guān)系等。3.2系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)在用戶調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的邏輯模型，即確定系統(tǒng)的功能。邏輯模型的基本成分是邏輯結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)劃分和子系統(tǒng)功能分析。邏輯結(jié)構(gòu)包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫和人員等。硬件主要指信息系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)備環(huán)境，包括計(jì)算機(jī)、輸出輸入設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)；軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件主要指計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)如WINDOWS系列，UNIX，LINIX等。城市開放空間信息系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要指遙感軟件和地理信息系統(tǒng)軟件如CAD，ERDAS，GeoWayImageStation，EPSCHECK，ARCINFO，MapGIS，SuperMapGIS等。它們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)存貯與管理、數(shù)據(jù)處理與分析、成果生成與輸出等功能。數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的核心部分，主要存貯城市開放空間的各種數(shù)據(jù)信息、城市的各種相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等。人員包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員、系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)管理人員、操作人員和最終用戶。城市開放空間信息系統(tǒng)（圖3）包括專題信息子系統(tǒng)和應(yīng)用信息子系統(tǒng)等2個(gè)一級(jí)子系統(tǒng)。專題信息子系統(tǒng)主要用于某一專題信息的管理和應(yīng)用，并將獲得新的信息數(shù)據(jù)返回城市開放空間信息數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行必要的信息數(shù)據(jù)庫更新與維護(hù)。具體而言，城市開放空間信息系統(tǒng)的專題子系統(tǒng)包括綠色開放空間信息和灰色開放空間信息等2個(gè)二級(jí)子系統(tǒng)。綠色開放空間信息子系統(tǒng)包括綠地信息、園林信息和水體信息等3個(gè)三級(jí)子系統(tǒng)；灰色開放空間信息子系統(tǒng)包括對(duì)外交通空間信息、對(duì)內(nèi)交通空間信息、廣場信息、未綠化的閑置空地信息等4個(gè)三級(jí)子系統(tǒng)。綠地信息子系統(tǒng)用以處理城市開放空間中與綠地相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，它可以實(shí)現(xiàn)城市開放空間中綠地的布局分析、規(guī)劃分析，并可以預(yù)測(cè)城市綠地布局對(duì)城市開放空間系統(tǒng)乃至城市巨系統(tǒng)造成的生態(tài)后果，從而為城市開放空間設(shè)計(jì)乃至城市整體規(guī)劃中的綠地設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考；園林信息子系統(tǒng)用以處理與園林相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，分析園林規(guī)劃的各種可能性，進(jìn)一步分析園林布局變更造成的生態(tài)影響，為城市園林設(shè)計(jì)提供一定參考；水體信息子系統(tǒng)用以分析水體質(zhì)量及其對(duì)開放空間環(huán)境質(zhì)量的影響，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來時(shí)段水體環(huán)境質(zhì)量的變化情況及對(duì)開放空間環(huán)境質(zhì)量的可能影響，為城市各種水體的管理提供信息和幫助；對(duì)外交通空間信息子系統(tǒng)用來進(jìn)行城市實(shí)施對(duì)外交通時(shí)所需城市內(nèi)部空間的預(yù)測(cè)與布局分析，并根據(jù)現(xiàn)有的信息數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)測(cè)布局的可能后果；對(duì)內(nèi)交通空間信息子系統(tǒng)基于分析現(xiàn)實(shí)交通線路狀況的基礎(chǔ)之上，依據(jù)現(xiàn)有的信息數(shù)據(jù)為未來的對(duì)內(nèi)交通線路布局提供參考方案和相關(guān)分析；廣場信息子系統(tǒng)用以分析開放空間內(nèi)廣場布局的合理性，進(jìn)一步提供廣場的需求信息，并為開放空間的廣場布局提供參考方案；未綠化的閑置空地信息子系統(tǒng)基于各種信息數(shù)據(jù)分析閑置空地的可能用途。應(yīng)用信息子系統(tǒng)是在綜合各種因素的基礎(chǔ)上向用戶提供有關(guān)城市開放空間系統(tǒng)的查詢和運(yùn)算結(jié)果，它將專題信息子系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的綜合、分析，得到城市開放空間中某一個(gè)或幾個(gè)因子布局對(duì)于城市開放空間系統(tǒng)的效應(yīng)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)其布局改變或者社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況改變對(duì)其他因子、城市開放空間系統(tǒng)乃至城市巨系統(tǒng)的影響及其生態(tài)響應(yīng)，以最終滿足用戶需求；可以將最終查詢結(jié)果或運(yùn)算結(jié)果輸出成圖。借助大量分布的城市開放空間信息系統(tǒng)的客戶端，公眾可以了解自己所在的城市開放空間的各種信息，了解開放空間內(nèi)正在進(jìn)行的某一項(xiàng)建設(shè)對(duì)城市造成的諸多影響，借此也可以提高公眾參與城市建設(shè)的積極性。圖3城市開放空間信息系統(tǒng)組成(略)Fig.3Thestructureofurbanopenspaceinformationsystem3.3數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)具體包括數(shù)據(jù)庫實(shí)體設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、軟硬件配置、系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃、經(jīng)費(fèi)預(yù)算和組織實(shí)施。數(shù)據(jù)庫是城市開放空間信息系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的應(yīng)用、維護(hù)管理和數(shù)據(jù)更新。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基本要求是：對(duì)數(shù)據(jù)體用非冗余結(jié)構(gòu)定義；在插入、修改和刪除冗余數(shù)據(jù)元素時(shí)，數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系和從屬性應(yīng)保持不變；數(shù)據(jù)獨(dú)立；保持?jǐn)?shù)據(jù)的安全性；系統(tǒng)要保證數(shù)據(jù)在邏輯意義上的正確性、有效性和兼容性；要有利于數(shù)據(jù)庫維護(hù)以及經(jīng)常性的組織和必要的數(shù)據(jù)庫操作輔助程序；要便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的獨(dú)立寫入、修改、補(bǔ)充和刪除；要有不斷的擴(kuò)充和更新的能力。城市開放空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息數(shù)據(jù)、空間信息數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和其他信息數(shù)據(jù)等。社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息數(shù)據(jù)主要屬于非空間型屬性數(shù)據(jù)，主要包括開放空間所在城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化等信息數(shù)據(jù)；空間信息數(shù)據(jù)主要包括城市開放空間地形圖、政區(qū)圖、交通圖、各類地物的空間分布圖等空間型數(shù)據(jù)及其附屬的屬性數(shù)據(jù)等，也包括經(jīng)過處理的遙感影像數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是關(guān)