城市空間信息開放設計論文

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由于城市可持續發展問題的日益突出,城市開放空間系統的研究日漸深入;空間信息技術發展日新月異,以“3S”技術為主體的空間信息技術可以為解決因信息量急劇增加而產生的諸多問題提供了技術指導和幫助,“數字城市”的研究風起云涌,城市地理信息系統設計方面的研究方興未艾。同樣,空間信息技術為城市開放空間系統的管理與研究提供了新的理念和技術平臺,文章意在借助空間信息技術平臺對城市開放空間信息系統的設計進行有益的探索。

1空間信息技術與城市開放空間系統

1.1空間信息技術

信息和信息技術對當代的經濟、社會、文化、生活等產生了巨大的影響。空間信息技術是20世紀60年代以來逐步發展起來的以獲取、管理、分析與地理位置相關的空間信息為主的信息技術的總稱。它包括遙感(remotesensing,RS)、地理信息系統(geographyinformationsystem,GIS)、全球定位系統(globalpositioningsystem,GPS)(簡稱3S技術)等。利用遙感技術可以遠距離無接觸地快速獲取地面各種地物的實時信息;借助地理信息系統技術對整個或部分地球表面與空間有關的數據進行采集、存儲、管理、分析、顯示和應用;全球定位系統能在任何時刻為全球任何地方的用戶提供三維位置、三維運動速度和精確的時間等信息。遙感技術的優勢在于它的短周期、視野廣闊、信息量豐富及可定時定位觀測;地理信息系統的強大之處在于它將空間信息的處理與屬性信息完美結合起來,為用戶提供了空間檢索和分析功能。以“3S”技術為代表的空間信息技術不再局限于數據的采集,而是強調對地球空間數據和信息從采集、處理、量測、分析到管理、存儲、顯示和的信息流全過程[1]。空間信息技術把整個人類的生活環境作為主要的研究對象,具有信息獲取的客觀性、信息定位的準確性、信息管理的靈活性、信息分析的空間性、信息表達的直觀性等特點[2]。

3S技術集成已成為現代空間信息技術發展的必然趨勢。全球定位系統的組合技術系統為遙感對地觀測信息提供了準實時或實時的定位信息和地面高程模型,遙感對地觀測的海量波普信息為目標識別及科學規律的探測提供了定性或定量數據;遙感、全球定位系統、地理信息系統的集成將使地理信息系統具有獲取準確、快速定位的現勢遙感信息能力,實現數據庫的快速更新和在分析決策模型支持下,快速完成多位、多元復合分析[3]。遙感、全球定位系統和地理信息系統的集成技術將最終建成新型的地面三維信息和地理編碼影像的實時或準實時獲取與處理系統,形成快速、高精度的信息處理流程。

在自然、經濟、社會中出現更多的是空間數據,空間數據是指與空間位置和空間關系相聯系的數據。數據庫是20世紀后期迅速發展起來的、應用范圍廣泛的計算機數據管理技術。地理信息系統數據庫是地理信息系統的關鍵支撐技術,它具有數據量特別大、地理要素的屬性數據和空間數據結合緊密、數據應用面廣等特點。以地理信息系統數據庫為依托,社會、資源、環境、經濟等多種信息可以組成更龐大的空間信息數據庫。空間信息數據庫的主要任務是建立資源、環境、社會、經濟等多種信息資料的采集、傳輸、處理、分析、分發、反饋、決策的網絡服務體系,它是信息社會和知識經濟時代必不可少的基礎設施[4]。很多國家和地區已經建立了自己的空間數據庫,但是技術平臺的差異導致數據很難實現共享,這在GIS數據庫中尤其突出。為了實現GIS數據的共享,有關專家學者提出了建立分布式多空間數據庫系統來實現異構空間數據源的互操作,以達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

現代城市開放空間系統的建構是在生態概念的思想基礎上產生的,是生態規劃設計觀的表現之一。具有現代意義的城市開放空間概念大約出現于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其進行了詮釋和應用。城市開放空間是指在一定的城市地域內,具有一定結構和多重功能的存在于城市建筑實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、道路及農林地、山地、灘地等空間。它們擔負著城市多樣的生活、活動、生物的自然消長、隔離避災、通風導流、表現地景以及限制城市無限蔓延等多種功能,是城市生態與城市生活的多重載體。這就意味著城市開放空間是一個空間體概念、一個載體概念,它具有生態、娛樂、文化、美學等多重目標和功能。開放空間研究與可持續發展的概念相一致[7]。

城市開放空間系統則是具有一定要素構成、結構形態和功能組合的各類開放空間的集合體[6]。系統的構成要素按照基本功能的不同可以分為綠色開放空間系統和灰色開放空間系統兩大類。綠色開放空間包括綠地、園林和水體,灰色開放空間包括對外交通空間、對內交通空間、廣場、未綠化的閑置空地等。城市開放空間系統與城市的生態系統、經濟系統、社會系統相互支撐、相互交叉重疊共同構成城市巨系統。城市開放空間系統具有實用功能、生態功能、文化功能、景觀功能和調控功能等,它是城市地域內人與環境協調共處的空間前提,是改善城市結構和功能的空間調節器,也是城市建設體現生態思想、促使城市發展進入可持續狀態的重要空間載體[7,8]。

1.3建立城市開放空間信息系統的必要性

城市化浪潮席卷全球,與城市化迅速發展并存的是城市的可持續發展問題,建設生態城市是實現城市可持續發展的重要支撐,城市開放空間系統是城市系統的重要組成部分,又是城市生態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關系,從而又是城市生態和城市生活的重要反映,通過對城市開放空間系統的研究人們可以對整個城市系統進行明晰的解剖和辨識。同時,城市環境的空間布局是一項剛性很強的戰略任務,一旦確立了空間布局的框架并將其落實到用地上,就很難在短時期內將其改變[6]。而作為城市巨系統的重要組成部分,城市開放空間系統內部要素的變化不但會導致城市開放空間系統的變化,而且會導致整個城市巨系統的變化,而系統變化的程度和結果卻正是人們想預知的。以飛速發展的計算機技術和空間信息技術為支撐的城市開放空間信息系統,可以獲得確定空間區域的實時空間信息數據、實現對區域空間信息數據和屬性數據的各種分析、實現對城市開放空間系統的空間模擬和發展模擬等功能,并進一步實現城市開放空間系統的空間布局、社會經濟發展對城市生態環境后果的預測與模擬。這樣,人們就可以借助城市開放空間信息系統預測城市開放空間設計方案,從而可以實現城市開放空間系統的優化,這對實現城市的可持續發展具有重要意義。

2設計思想、可行性研究與開發流程

2.1設計思想

信息系統設計采用原型法思想。原型法的基本思路是:先確定部分基本要求,設計一個初步的原型,并用較短時間開發出一個實驗性的簡易原型,投入試運行;根據運行中出現的問題進行修改補充;然后再運行,再修改;如此反復迭代,不斷完善原型(本質上稱為進化型原型),最終開發成完善的信息系統[9]。

2.2系統開發的可行性研究

在進行信息系統設計之前,首先要進行系統分析,包括任務的提出、初步調研和可行性分析等[10]。城市開放空間信息系統的可行性論證包括4個方面:通過初步調查和對本部門業務工作的分析研究,確認信息系統近期和遠期應用目標的可行性;論證項目的投資規模(包括硬件、軟件、數據和人力資源的投資),編制預算,并估計實施后帶來的經濟、社會效益和實施中可能遇到的風險;論證幾種可供選擇的實施方案,確認技術上的可行性,確定最終方案;編制項目初步實施計劃,確認實踐上的可行性。

2.3系統開發工作流程

城市開放空間信息系統設計是在可行性研究的基礎之上進行的,基本上可分為城市開放空間信息系統總體設計、子系統設計及系統評價等3個方面,在對信息系統各項評價結果基本滿意的基礎上,可對城市開放空間信息系統的功能模塊進行進一步的擴展與優化。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設計基本流程(略)

Fig.1Stepsofdesignofurbanopenspaceinformationsystemwithprototypemethod

3總體設計

城市開放空間信息系統總體設計為全系統確定了整體框架和結構,它是系統研制工作的核心和系統開發的依據。信息系統總體設計流程如圖2。

圖2城市開放空間信息系統總體設計流程(略)

Fig.2Stepsofgeneraldesignofurbanopenspaceinformationsystem

3.1用戶需求調查分析

用戶需求調查分析是對用戶現行業務運行管理系統的現狀和用戶對系統的要求進行詳細的調查和分析,是系統設計和開發的準備階段。用戶需求調查分析要弄清楚包括潛在用戶在內的所有用戶對系統的功能、數據內容、應用范圍等方面的要求,并詳細考察用戶原來的業務范圍、工作流程以及部門之間的分工和相互關系等。

3.2系統邏輯設計

在用戶調查分析的基礎上,提出系統的邏輯模型,即確定系統的功能。邏輯模型的基本成分是邏輯結構、子系統劃分和子系統功能分析。邏輯結構包括硬件、軟件、數據庫和人員等。硬件主要指信息系統運行的設備環境,包括計算機、輸出輸入設備以及網絡;軟件主要包括系統軟件和應用軟件,系統軟件主要指計算機操作系統如WINDOWS系列,UNIX,LINIX等。城市開放空間信息系統的應用軟件主要指遙感軟件和地理信息系統軟件如CAD,ERDAS,GeoWayImageStation,EPSCHECK,ARC\INFO,MapGIS,SuperMapGIS等。它們可以實現數據采集與輸入、數據存貯與管理、數據處理與分析、成果生成與輸出等功能。數據庫是信息系統的核心部分,主要存貯城市開放空間的各種數據信息、城市的各種相關社會經濟信息等。人員包括系統設計開發人員、系統運行和維護管理人員、操作人員和最終用戶。城市開放空間信息系統(圖3)包括專題信息子系統和應用信息子系統等2個一級子系統。專題信息子系統主要用于某一專題信息的管理和應用,并將獲得新的信息數據返回城市開放空間信息數據庫,進行必要的信息數據庫更新與維護。具體而言,城市開放空間信息系統的專題子系統包括綠色開放空間信息和灰色開放空間信息等2個二級子系統。綠色開放空間信息子系統包括綠地信息、園林信息和水體信息等3個三級子系統;灰色開放空間信息子系統包括對外交通空間信息、對內交通空間信息、廣場信息、未綠化的閑置空地信息等4個三級子系統。綠地信息子系統用以處理城市開放空間中與綠地相關的信息數據,它可以實現城市開放空間中綠地的布局分析、規劃分析,并可以預測城市綠地布局對城市開放空間系統乃至城市巨系統造成的生態后果,從而為城市開放空間設計乃至城市整體規劃中的綠地設計提供有價值的參考;園林信息子系統用以處理與園林相關的信息數據,分析園林規劃的各種可能性,進一步分析園林布局變更造成的生態影響,為城市園林設計提供一定參考;水體信息子系統用以分析水體質量及其對開放空間環境質量的影響,并根據現實數據預測未來時段水體環境質量的變化情況及對開放空間環境質量的可能影響,為城市各種水體的管理提供信息和幫助;對外交通空間信息子系統用來進行城市實施對外交通時所需城市內部空間的預測與布局分析,并根據現有的信息數據進一步預測布局的可能后果;對內交通空間信息子系統基于分析現實交通線路狀況的基礎之上,依據現有的信息數據為未來的對內交通線路布局提供參考方案和相關分析;廣場信息子系統用以分析開放空間內廣場布局的合理性,進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基于各種信息數據分析閑置空地的可能用途。應用信息子系統是在綜合各種因素的基礎上向用戶提供有關城市開放空間系統的查詢和運算結果,它將專題信息子系統的運算結果進行進一步的綜合、分析,得到城市開放空間中某一個或幾個因子布局對于城市開放空間系統的效應,進一步預測其布局改變或者社會經濟狀況改變對其他因子、城市開放空間系統乃至城市巨系統的影響及其生態響應,以最終滿足用戶需求;可以將最終查詢結果或運算結果輸出成圖。借助大量分布的城市開放空間信息系統的客戶端,公眾可以了解自己所在的城市開放空間的各種信息,了解開放空間內正在進行的某一項建設對城市造成的諸多影響,借此也可以提高公眾參與城市建設的積極性。

圖3城市開放空間信息系統組成(略)

Fig.3Thestructureofurbanopenspaceinformationsystem

3.3數據組織與數據庫設計具體包括數據庫實體設計、標準化設計、軟硬件配置、系統開發計劃、經費預算和組織實施。數據庫是城市開放空間信息系統的核心部分,其設計質量的好壞直接影響到系統的應用、維護管理和數據更新。數據庫設計的基本要求是:對數據體用非冗余結構定義;在插入、修改和刪除冗余數據元素時,數據元素的結構、相互關系和從屬性應保持不變;數據獨立;保持數據的安全性;系統要保證數據在邏輯意義上的正確性、有效性和兼容性;要有利于數據庫維護以及經常性的組織和必要的數據庫操作輔助程序;要便于用戶對數據的獨立寫入、修改、補充和刪除;要有不斷的擴充和更新的能力。城市開放空間信息系統數據庫包括社會經濟信息數據、空間信息數據、元數據和其他信息數據等。社會經濟信息數據主要屬于非空間型屬性數據,主要包括開放空間所在城市的社會經濟文化等信息數據;空間信息數據主要包括城市開放空間地形圖、政區圖、交通圖、各類地物的空間分布圖等空間型數據及其附屬的屬性數據等,也包括經過處理的遙感影像數據。元數據是關于數據的數據,是關于數據的質量、內容、條件和其他特性的數據,其在數據的共享中具有重要作用。所有的數據庫都可以歸結為地理信息系統基礎數據庫、元數據庫和綜合信息數據庫。數據的管理模式為GIS管理空間數據、DBMS管理屬性數據,并通過關鍵字段在空間和屬性數據間建立關聯,這種模式為空間和屬性數據的單獨處理提供了較大的靈活性,能發揮空間數據和屬性數據管理系統各自的優點。

4子系統設計

城市開放空間信息系統詳細設計是根據總體設計方案確定目標的階段開發計劃,對子系統進行詳細設計,指導子系統的開發[10,11]。子系統設計以對用戶需求作進一步的詳細調查分析為基礎,子系統設計的內容包括:子系統邏輯結構設計、數據庫設計、功能模塊設計和用戶界面設計。

4.1子系統邏輯結構設計

每個子系統的邏輯結構包括硬件、軟件、數據庫和人員。軟硬件應根據子系統的功能和規模并兼顧到與其他子系統的兼容來購買,城市開放空間信息系統的系統軟件一般采用WINDOWS系列或者國產的LINIX系統,應用軟件主要為ERDAS,ARC/INFO系列,CAD及其MapGIS系列軟件;城市開放空間信息系統數據庫包括社會經濟信息數據、空間信息數據、元數據和其他信息數據等;人員包括子系統開發人員、運行人員、維護管理人員、操作人員和最終用戶。

4.2系統數據庫設計[12]

主要內容包括數據源的分析與選擇;數據采集方式的確定;數據更新的技術方法;數據采集前的預處理;數據采集技術要求和技術規定;數據編輯處理和拓撲關系建立;屬性項的選擇、定義和屬性文件的建立,與已有關系數據庫的連接;數據質量控制和檢查驗收;平面坐標的配準、投影參數設置、與國家統一坐標系間的轉換;數據接邊問題;其他有關問題等。

4.3系統功能模塊設計

系統應具有數據輸入、圖形或屬性信息的查詢檢索、數據處理與分析、坐標變化和投影轉換、圖形圖表顯示或輸出以及數據更新等功能,還應針對不同的專題子系統,涉及專題應用和輔助業務管理功能。

4.4系統用戶界面設計

用戶界面設計應該體現友好、方便、快捷的原則,采用漢化的菜單式用戶界面,用戶只需進行簡單的操作就可以實現相應的功能。具體地,在系統維護管理、操作等的用戶界面應該具有用于數據庫維護與管理的數據輸入與修改模塊、數據查詢模塊、圖形查詢模塊、運算結果的輸出包括圖形打印模塊等,而在面向公眾的用戶查詢界面和前者相比減少了數據庫的維護與管理模塊,數據的輸出模塊的功能也相對簡單,其他基本相同。

5城市開放空間信息系統評價

城市開放空間信息系統評價是從技術和經濟的角度對信息系統進行功能和效益評定,基本做法是將系統的運行和預期目標進行比較,評價主要包括以下項目[11,13]:系統效率評價、系統可靠性評價、系統的可擴展性評價、系統的可移植性評價、系統效益評價等5個方面,信息系統評價可采用定量評價和定性評價相結合的方法進行。

5.1效率評價

信息系統的各種功能指標、技術指標和經濟指標均是系統效率的反映。初期的評價主要為城市開放空間信息系統的各項功能是否可以實現,是否可以滿足用戶的各項需求,所提供數據的質量是否達到了預期的設想;然后根據信息系統設計方案中系統的技術指標和經濟指標體系進行城市開放空間信息系統效率的評價。

5.2可靠性評價

可靠性評價主要考察城市開放空間信息系統在運行時的穩定性、系統的數據文件和程序是否妥善保存以及系統是否具備后備開發體系等,并要進一步評價系統運行期間出現事故的可能概率、信息系統出現事故后的自我恢復狀況、系統事故恢復后繼續運行的穩定性等。此外,還要評價信息系統出現事故后對運算結果的處理狀況,特別是對數據庫文件的處理結果。

5.3可擴展性評價

城市開放空間信息系統基于原型法的設計思想,系統功能模塊的開發是基于由少到多、由簡單到復雜的設計思路進行的。首先開發出一個功能簡單的信息系統,然后在此基礎之上增加其他的功能模塊,完善系統的功能。在已有信息系統的基礎之上增加其他的功能模塊時,不需要進行大的改動或者不影響整個信息系統的結構,不會影響整個系統運行的穩定性,是對城市開放空間新型系統設計的基本要求。

5.4可移植性評價

可移植性是包括城市開放空間信息系統在內的所有信息系統是否具有開放應用價值的關鍵指標。可移植性要求城市開放空間信息系統不僅能在本機上運行,而且還可以在其他型號的機器上穩定運行。要實現此功能就要求系統的設計必須基于國家標準規范或通行的標準進行,以保證軟硬件、數據的匹配和共享,這也是不同城市的開放空間信息系統之間實現連接、數據共享的重要保證。

5.5效益評價

系統效益包括經濟效益和社會效益。由于系統運行之初體現的主要是它的社會效益,而后才是經濟效益,所以對系統的效益評價應該著重從它的社會效益進行評價。評價內容應該包括信息共享效果、地學綜合分析能力、系統決策的定量化和科學化、系統應用的模型化、系統解決問題的能力、工作時間的縮短和技術水平的提高等。當然,隨著信息系統的運行、功能的不斷完善和應用范圍的不斷拓展,其經濟效益也會不斷提高,然后要進一步進行信息系統社會效益和經濟效益的雙重評價。

伴隨著城市可持續發展問題研究的日漸深入,城市開放空間系統優化的研究也日益突顯。借助空間信息技術建立的城市開放空間信息系統,在實現城市開放空間系統的功能模擬、發展模擬及環境評價方面具有較大的優勢。但是,如何建立一個集模擬和預測于一體、包含有多種功能、又區別于一般的城市地理信息系統的城市開放空間信息系統,是我們首先應該探討的一個問題。文章對建立城市開放空間信息系統進行了一定的探索,但還有許多尚待繼續努力的地方,如城市開放空間信息系統模擬功能和環境評價功能的實現、多個城市開放空間信息系統(如城市群區域內部諸城市開放空間信息系統)資源的共享、聯合運作機理及方式等。