城市地理信息系统的功能和内容，本文主要内容关键词为：地理信息系统论文,功能论文,内容论文,城市论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 城市地理信息系统的主要功能
城市地理信息系统（UGIS）具有地理信息系统（GIS ）通用的六种功能，数据获取、转换和编辑、数据集成、数据结构重构和数据转移、查询检索、空间分析、空间显示和成果输出。此外，城市GIS 对功能有着特殊要求，主要体现在对大比例、高精度数据的获取和分析，对多维空间数据的存贮和集成，对时空数据的存贮和复合。城市地理信息系统对空间分析层次要求更高，既重视模型分析能力，又重视模型对策略优化的支持。随着理论和技术的发展，城市地理信息系统将会具有空间数据误差检验和分析，快速更新大比例数据库，模型与数据的一体化，和广义空间模型分析等功能。
1.1 数据获取、转换和编辑
这一功能是制约城市地理信息系统的瓶颈，是建立城市地理信息系统最昂贵的任务，城市地理信息系统空间数据获取的方法有许多，可依赖于全球定位系统（GPS），野外测量、遥感及摄影测量， 另一种常用的方法是利用室内采集装置。由于城市地理信息系统高精度的数据要求，仅靠室内采集是不行的。实地采集仍然是城市GIS 数据更新和获取的重要手段。随着卫星接收机硬、软件价格的降低，GPS 会逐渐成为城市GIS实地测量最廉价的手段。室内采集装置包括栅格电子扫描仪， 半自动化二维数字化仪和用于三维数据采集的立体测图仪。属性数据的录入也有许多不同的方法，如自动、半自动化数据录入器。
转换是城市GIS应有的另一种功能，为了增强城市GIS空间数据获取的能力， 城市GIS 应具有转换其它格式数据的能力， 如具有系统独立性的ARC／INFO输出格式，INTERGRAPH标准交换格式和AUTOCAD.DXF格式，甚至包括不独立于系统的一些数据格式。
无论是实地测量数据或室内数字化和扫描数据，无论空间数据或属性数据，都存在着错误或不完善，城市GIS应具有数据编辑功能。
1.2 数据集成
空间数据的存贮类型有：格网、矢量和混合三种类型，格网数据可进一步分为规则和不规则两种，规则地理格网结构包括诸如二进制图像和栅格图像的非结构性数据，简单结构的以游程存贮的栅格结构，以及较复杂的四叉树的栅格结构，主要的不规则格栅结构是不规则三角形网络（TIN）。 规则的栅格方法在城市地理信息系统中被广泛应用于存贮空间面状统计数据，如人口、经济等要素统计数据。
矢量结构分为拓扑结构和非结构两类，非结构类型主要在计算机辅助设计中应用，在这样的数据库中，基本要素就是代表建筑物道路，交通设施的符号等，这些符号能够被交互地移动和定位，该方法仍然在计算机辅助城市规划中沿用。另一种非结构类型是将地理特征都编为整体单位，例如多边形，但没有拓扑关系，如此非结构化方法被广泛应用于绘制简单的图形和图表。拓扑结构有效地描述了空间目标的几何特征，位置和毗邻关系，可以有效地应用于空间分析。在城市GIS 中广泛应用的拓扑结构有，类似美国统计局的DIME编码系统的直接拓扑系统，类似于哈夫计算机制图和空间分析实验室的POLYURT的简单拓扑关系系统， 以及最近广泛应用的诸如ESRI和ARC／INFO、Geovision所使用的全拓扑结构。
第一个混合结构是综合了格网和矢量结构的共同特点，在这个模型中，基本的单元是刈幅，它和在栅格中连续扫描线相一致，每刈幅有一个矢量和栅格组成成份，在处理过程中允许两个系统逻辑一起作用。
组织属性数据的结构有三种，层状、网状和关系型，层状在实现一对多的关系中是十分有效的，但它不能充分处理多对多的关系，这一不足极大地限制了它在GIS中的应用，网状结构克服了层状结构的不足，可以实现多水平的多对多关系，这一结构过于复杂，也难以广泛应用，关系模型有一个相对简单的结构，数据被组织在键值相关联的一系列表结构中，关系模型容易理解和建立，在城市地理信息系统中被广泛应用。
1.3 数据结构重构和数据变换
重构涉及到空间数据或属性数据结构的变化，例如城市地理信息系统的分析经常要求进行栅格结构和矢量结构之间的转换。
空间数据的转换包括比例尺的缩放、旋转平移和转换，属性数据的转换包括线性、非线性函数转换。
1.4 查询、检索
空间查询检索是双向的，即从空间位置检索空间物体以及检索满足一定属性条件的空间对象，地理信息系统的空间检索可以分为两部分，一是用来表达用户空间概念的方式，二是响应空间检索技术。用户空间概念大多是通过扩展的SQL语言来描述，但存在着两个方面的不足， 一是SQL缺乏表达图形显示成份，二是SQL语言不能进行定性的、智能的检索，而扩展SQL来满足GIS的要求将威胁SQL的基石——关系代数， 现在开放全新的SQL仍需大量的工作要做。
1.5 空间分析
城市地理信息系统的空间分析可以分为四个层次，一是简单的空间搜索，空间叠加分析，这只是实现了传统手工操作的计算机化；二是城市结构空间格局的评价分析，城市结构要素空间格局的评价分析包括时间序列分析和空间序列分析，通过城市要素各空间单元时间序列的分析，可以发现城市要素空间格局随时间变化的过程和规律，通过空间序列的分析可以发现城市要素的空间聚散度。时间序列和空间序列的趋势和相关分析被广泛应用于城市结构，城市公共政策的评价和分析，以此发现城市结构所存在的问题和城市公共政策的作用；三是城市增长预测和城市发展模拟，城市作为一个动态的系统，城市要素的增长和变化是一个持续的过程，预测城市的增长不仅要预测其量的增长和变化，而且要预测城市空间增长的格局，不仅要从动力机制上去考虑，而且要从增长机理上去考察。城市空间增长的动力机制决定了城市要素增长和变化的量，而城市空间增长机理决定了城市要素的空间格局。城市地理信息系统不仅仅是信息的载体，它更应重视城市要素空间格局变化机理的研究，更重视对城市增长和发展的预测和动态模拟；四是策略优化，策略优化应包括城市规划的制订和城市政策的优化，城市规划的制订和优化是在城市结构评价和城市空间增长预测的基础上规划城市未来的最优结构，城市策略优化是基于最优化原理的系统模型。
1.6 空间显示和成果输出
空间查询结构和分析结果可以多样方式输出，包括图形、统计报表、表格等，这些功能都需城市地理信息系统提供。随着多媒体的技术和动画技术的发展，现代的城市地理信息系统应具有更为丰富的成果表达方式，如三维显示和动态模拟显示。
2 城市地理信息系统的内容、模型和界面
城市地理信息系统是一个多学科的组合，既有自然，也有社会、经济，既有技术也有科学，所以城市地理信息系统除了解决诸如信息的压缩、存贮、传输、输出等技术问题，也要解决模拟分析、预测、优化等理论问题。城市是一个集人文、自然、经济、环境为一体的复合系统，城市地理信息系统可以看做是对城市系统的模拟，城市信息系统（包括非地理信息和地理信息），应该是对城市系统物理结构的模拟，也就是要模拟城市的社会、经济、人口、设施、生态、资源要素空间结构，是对城市静态特性的描述。而用于模拟、预测、分析、优化的模型体系应该是对城市功能信息的模拟，是描述了城市动态特性。系统的另一个组成部分是驱动界面，驱动界面必须解决两方面的问题，既要完成模型和地理信息系统的接口，又要完成用户和系统的接口。所以城市地理信息系统应包含着以下内容：
2.1 数据内容
城市地理信息系统的功能是多层次的，广泛服务于政策、管理、操作等部门，政策制订部门要根据城市的发展和问题决定城市的法规，该部门侧重城市政策评价、城市发展预测和策略优化，而管理部门需要将城市政策变为行动框架。两者都需要大量的关于城市、社会、人文、经济、土地利用、设施、生态等方面的现状和历史信息，要组织和管理这一海量的数据，需要一个综合的数据库。城市地理信息是多样的，不仅有空间数据，又有属性数据；不仅有基于栅格的数据，又有矢量数据；不仅有点状和面状数据，又有网络数据。这决定了城市地理信息数据库结构的复杂性，表（1）列出了城市地理信息系统主要的数据内容。 城市地理信息系统是以物理空间为单元来组织城市的结构要素，目标间的关系是以拓扑和距离来反映的。现今，城市地理信息系统对物理空间的描述还仅仅停留在二维平面上，然而现代的城市，由于地价的飞涨及第三产业的兴起，城市厚度越来越大，因而只在二维空间上已难以有效地描述城市的空间结构信息，而且对城市动态的分析和模拟，需要大量的历史数据，所以城市GIS迫切需要解决时空数据的存贮和分析。
表一
1 土地数据
4 网络设施数据
宗地 宗地号 排水
管道特性
法律描述供水
电缆特性
拥有者 电信
污水特性
建筑物记录 排洪
电压
土地使用类别煤气
信道数
2 街道数据5 环境数据
道路中心线
道路特征 表面地理 土壤类型
道路交叉点
调度记录 土壤 土地类型
街道相关设施 街道设施 地形 水文数据
交通记录 噪声 环境监测数据
地址索引 水体 地震数据
与街道相关的许可 文物古迹 文物古迹位置
权限
6 基础数据
3 面状数据测量控制点控制点数据
人口分区统计 人口统计数据 等高线测量数据
税率分区 规划数据 街道边界 高程数据
公共规划区土使用政策数据
建筑物基线建筑物数据
警区 税率数据
2.2 模型体系
城市地理信息系统的重要作用在于分析，模拟、预测和优化，如城市策略优化，城市增长模拟等，要支撑这些功能，城市GIS 应具有一套模型体系，如下列出城市地理信息系统的主要模型类。
2.2.1 模型创建和检验
该模型支持模型参数选取、参数辩识和模型检验。
2.2.2 功能模型
（1）分区与空间配置模型
分区模型是根据一定参数（可能权重不同）进行多目标综合分区，配置模型要完成不同空间统计单元要素的配准。
（2）评价与分析模型
评价模型根据城市特征单元上时间序列和空间序列上各社会、经济、生态、设施等要素的比较和相关分析，寻找影响城市正常运营的症结，分析模型完成城市空间目标的相互影响和相互作用分析。
（3）城市增长和变化预测模型
根据城市增长的动力机制和空间增长机理，预测城市要素空间增长及要素空间格局的变化。
（4）最优区位模型
根据城市要素的空间分析及相互作用机制，来决定新目标的最优区位。
（5）模拟最优规划模型
这是将城市系统模拟模型与城市最优规划相结合的综合模型，支持城市规划方案的产生，并能依据城市规划方案动态模拟城市发展的新状态。
2.3 驱动界面
城市地理信息系统包含着结构信息和功能信息的模拟，如何实现结构信息和功能信息的一体化正是城市GIS所要解决的问题之一。 同时驱动界面也要完成人机接口。信息系统和模型体系的集成是现今GIS 关注的热点，当今地理信息系统与模型体系的集成主要有嵌入式和松散式。嵌入式方法是集成的方向，而松散式是集成的有效补充，驱动界面的另一作用在于使人能方便地操纵模型和数据。所以驱动界面是城市GIS 的重要组成部分，驱动界面的发展目标应是面向事务，基于政策的，而不是面向过程的。
*资源与环境信息系统国家重点实验室
收稿日期：1996—04—21
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