优化城市：GIS 新技术书写新蓝图
近年来，我国进入城市化快速发展的阶段，城乡建设规模达到空前的程度，引发的种种经济社会问题给城市造成越来越大的压力，城乡空间规划、决策、管理的工作负荷急剧加重，城市和区域空间结构优化与应用现代信息技术辅助规划决策管理的需求日趋强烈。伴随着科学技术的进步，GIS通过不断改进分析工具、不断完善各项分析功能，从而将在城市规划决策管理等越来越多的领域，胜任更多更复杂的分析任务，提供更加客观准确且及时的分析结论。
现象 GIS应用范围越来越广、程度越来越深
随着城市规划信息系统日益完善，越来越多的规划工作者开始将“地理信息系统”（Geographic Information System 或 Geo － Information system，GIS）应用于规划编制研究的过程中。
GIS是能够搜集、存储、操作、分析、管理，并展现空间或地理数据的信息系统。基于计算机硬、软件系统支持下，GIS可对整个或部分地球表面（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。GIS自诞生至今，其应用领域已经由自动制图、资源管理、土地利用发展到与地理位置相关的水利电力、环境保护、金融保险、地质矿产、交通运输等多个领域。
纵观国内近期在将GIS技术用于规划编制相关领域的研究，大都属于总体规划层面，如：《北京城市总体规划（2004-2020年）》中应用GIS多因子分析技术，综合生态规划对城市空间发展进行生态限制性区分。《深圳市城市总体规划（2007-2020年）》根据资源环境、工程地质等城市安全条件，结合城市可持续发展目标，建立评价指标体系，基于GIS进行多因子综合评价，将城市用地规划定为禁建区、限建区、已建区和适建区，并加强对四区的空间管制和建设引导。《无锡市总体城市设计》中利用GIS的空间分析能力，对影响城市环境的因子进行量化分析与综合评价，最终建立基于空间分析的高度与开敞度控制模型，为城市总体形态控制给出理性分析依据。
在国家发改委指导下，江苏，河南，山东等省份依据主体功能区的科学内涵和划分原则，建构具有应用价值的分类指标体系，并应用GIS技术方法，根据指标的表征属性以及分类单元，对指标进行赋值和计算，得出主体功能区划的研究成果。《江阴市域主体功能区与可持续性发展研究》以GIS技术为平台，将江阴市的几十种社会经济数据和十余种自然地理数据统一落实到单元中，进行综合分析计算，将江阴市按行政区域界限划分为适合建设、优化建设、限制建设、禁止建设四种主体功能区。《京杭大运河遗产保护规划—常州段》建立了“大运河常州段历史遗产”数据库，以此为基础分析运河及其周边的地理、社会、经济数据，综合判断大运河及其周边遗产的价值，探索合理保护的方法。
在城市空间分析与管理方面，GIS分析的对象是城市及区域空间的多种实体数据（如建筑、地块、街道等）及其关系，通过分析城市空间分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策、管理问题。在城市空间的规划与设计当中，可首先建立一个地理数据库，然后用GIS进行各构筑物的规划、选址，等等。
GIS具有计算机辅助设计的功能，能为设计人员提供车道、交叉路口等的设计工具，为城市空间的优化设计提供方便，大大提高了规划的工作效率，使规划研究人员从繁重的设计工作中解脱出来，将主要精力投入于方案的综合比选分析中。同时，GIS可直接用计算机对模型图进行各种修改，且非常简单明了，可提高规划设计的速度和质量。GIS在规划设计中主要解决了信息管理、提供分析工具并满足决策的要求。
背景 城市结构优化需求让GIS彰显神通
在中国经济快速发展的背景下，我国城市空间结构剧烈演变。一方面是城市空间向外的迅速扩展，其表现为用地扩展规模大，速度快；另一方面是城市空间内部的急剧变化，表现为城市空间结构的复杂化和空间结构的多样化。同时，城市界限日益模糊，主要表现为城市和乡村的交错。
我国城市空间结构的这些新特征，是在中国长期片面追求经济增长的制度机制下产生的。由于对社会、生态等外部成本的忽视，不可避免地出现了一系列“城市病”，对我国城市的进一步发展，乃至整个国民经济社会的健康和谐发展，造成了很大的威胁。
现在，通过城市空间结构的改善实现城市全面、协调、可持续发展，就是要在城市转型发展的背景下，实现优化城市空间的结构。眼下，我国城市空间结构优化主要包括两个层面的内容：平衡城市结构和重塑城市空间。
东南大学建筑学院城市规划系熊国平教授指出：平衡城市结构主要是从改善城市结构失衡现状的角度出发，实现城市内部各要素之间的均衡，像新区和老城的均衡发展，公共服务设施的均等化，以及如何实现城市与郊区、开发区与周边的融合。
伴随着中国经济的快速发展，城市规模迅速扩大，城镇化进程不断加快，引发的种种经济社会问题，给城市造成越来越大的压力，很多城市选择建设新区，缓解老城压力。一方面，处于城市中心地带的老城通常愈来愈难以满足居民的生活要求，尤其是无法与周边新区的快速发展相匹配，而全国各地的旧城区改造往往是“大拆大建”，导致老城原有肌理，包括很多珍贵的历史遗迹，都遭到严重的破坏。另一方面，新区建设主要来自于对已有开发区或其他城市功能区的重构和二次开发。然而，开发区和新区在开发初期通常都功能单一，例如依靠工业发展起来的经开区、只具备居住功能的大型住宅区，这些区域功能的单一化导致其缺乏活力，造成建设浪费，以及形成“钟摆式”交通。
公共服务设施方面，有的城市在缺乏统一规划情况下，公共设施建布局不合理、等级划分不清淅，相应的优质资源集中于部分地区，而忽视了大多数群众的需求，有的城市在政府引导缺位和经济利益作用背景之下，高档场所重复建设而公益性公共设施不足……一系列构成公共设施和服务种类不全、分级不清、体系不健、质量不佳、分布不均的问题，也对社会经济、文化生活的进步产生相当程度的阻滞。
多年以来，城市边缘区是城市空间扩张影响最集中的地方，受城区与农村两股力量的交互影响作用，在缺乏统一管理和有力领导之下“任性”发展，使得城市边缘区土地利用结构复杂，用地无序蔓延，土地利用效率低下；同时，开发区的地理边界几乎是严格封闭的（大部分开发区都是具有明确管理范围的独立行政区），忽略了与其周边地区的联系，与周边地区缺乏充分的协作和沟通，使得开发区呈现一种封闭式的高速发展，在空间上成为“孤岛”，而开发区周边地区由于缺少经济活力，发展缓慢，产生了区域增长的额“断层”。
重塑城市空间是眼下优化城市空间结构另一关键措施。熊国平教授指出，中国城市发展的多元化和多边形，减弱了城市形态的自组织能力，城市要素构成更为复杂、无序，导致城市空间失当。重塑城市空间就是梳理各类城市构成要素，完善各类城市空间功能，在城市建设中实现社会经济的协调发展，实现人与自然的和谐发展。重塑城市空间主要包括：保护生态空间、完善休闲空间、混均居住空间、升级产业空间、共享交通空间等。
焦点 GIS既有的优势和不断增强的优势
在GIS技术应用于城市空间信息管理之前，城市规划师主要使用计算机辅助设计软件（computer Aided design，CAD）来处理空间信息。
实际上，CAD目前仍然是国内规划制图时使用最普遍的软件。常用的CAD软件主要有AutoCAD MicroStation等。
CAD与GIS的基本原理迥异，尽管两者都有坐标系统，但CAD把世界看成是一个立方体，而GIS把世界看成一个球面。CAD的主要优点是编辑功能非常强大，可以非常方便地对研究对象进行拉伸、剪裁、复制，等等。相比而言，GIS的制图编辑功能则较弱。不过，CAD的主要功能在于辅助空间图形处理，其数据模型缺乏对属性数据的支持，因此在数据分析、统计和查询等方面远不如GIS。
GIS在城市空间分析与管理方面的应用具有非常显著的优势。GIS把其分析对象的空间位置和特征属性关联起来，极大方便用户查询“在什么地方某分析对象有什么特点”。GIS对空间分析对象的统计、分析功能极其全面，比如查找适宜位置，进行出行成本分析，确定两个位置间的最佳路径等。
美国北卡罗来纳大学城市与区域规划系的相关学者指出：GIS具备空间数据库的概念，可把空间数据和属性数据捆绑起来，创建中心数据库来储存和管理这两方面信息（用户可以通过电脑桌面、服务区或移动环境调用和存储这些数据）；GIS具备强大的空间分析功能，并且，其空间分析功能的开展是基于统计及数学的一系列量化模型，从而可对空间现象进行准确的描述与预测，并辅助城市空间政策的科学化决策。GIS可以提供对数据执行完整性检查的机制，由于其可进行拓扑分析，此外，还可以使用拓扑为要素之间的空间关系建模、为多种分析（如查找相邻要素、处理要素间的重叠边界，以及沿连接要素进行导航）提供支持；GIS可以高效快捷地对一个要素生成多张专题地图（例如人口图、经济状况图、设施数量图，等等），由于GIS的一个空间要素常常对应多个属性（譬如街道边界对应的街道人口、经济状况、设施数量，等等）。
当前，新互联网时代的来临更强化了GIS在信息查询方面的优势。很多城市或区域建立了在线交互式GIS信息共享平台，这些平台不但允许广大公众查询空间信息（如城市街道便利程度评分、地块法定用途，等等），用户还可以根据这些平台提供的人口、经济、社会等方面的GIS数据绘制专题地图。
随着大数据的深化发展，越来越多的GIS网络互动平台更是允许用户利用移动终端随时随地产生新的空间信息并上传至平台（如行为踪迹、服务评价，等等），进一步扩展了交互式GIS数据库的信息量及用途。
同时，GIS可结合虚拟现实技术使方案的筛选、优化显得非常形象、直观，直接用计算机就可对模型图进行各种修改（如各构筑物位置的布局、规模的大小、与其他构筑物的连接方式等），且非常简单明了，可提高规划设计的速度和质量。
此外，GIS还通过多种途径与许多相关专业软件实现了融合。ESRI公司开发的ArcGIS就成功地使GIS与CAD在采用通用的存储环境等方面实现了完美融合。ArcGIS与城市建模软件也能实现内嵌、耦合。（见表格）
启示 利用GIS更好地为城市结构优化服务
伴随着科学技术的进步，GIS不断改进分析工具、不断完善各项分析功能，其优势难以尽数，而相关学者更加重视的是如何利用GIS更好地为城市结构优化服务。
在规划编制阶段，规划部门需要根据城市一系列现状特征和发展趋势对城市空间进行合理布局，确定土地使用性质和强度。GIS的数据库和空间查询统计功能可以帮助规划师掌握城市社会、经济、人口、交通、土地权属等现状，并对未来的城市功能的空间分配进行规划；GIS的空间统计分析功能可以帮助规划师估测不同城市土地利用的规划方案给土地资源、环境和交通带来的影响；GIS的可视化表现功能可以帮助规划师快速生成情景规划图，并向公众展示这样的结果，有助推动规划编制阶段的公众参与。
在规划管理里阶段，规划部门不仅要对一些常规项目进行精细化管理，还要对一些突发问题进行快速判断和行动。西方发达国家的很多城市建成GIS土地及建筑信息集成系统，储存地块及地块上建筑物的权属、拥有人或使用人、法定使用强度及用途、土地保护（或限制开发）政策、土地价值、交易、功能转换等信息。这个系统集成管理分散在不同政府部门（如规划、国土、环境部门等）的关于土地利用的信息，支持对应不同管理任务的统一决策。这样的信息系统可大大方便规划业务审批。例如，在城市建设与改造项目报建审批过程中，可通过土地及建筑信息集成系统对申请工程项目进行准确定位，并查询其允许功能、所受环境保护政策限制等，辅助规划审批工作。GIS系统还可以积极响应临时突发任务要求，通过图文互查、统计分析等支持快速决策。例如，一些城市建立GIS应急信息处理系统：社区一旦发生火灾、暴力等紧急事件，智能视频监控马上将感应到的信息传输到GIS应急信息处理系统上，并迅速激活对话框显示预警信息及应急预案，帮助救援人员迅速开展救援行动。
在规划评估及反馈阶段，GIS可帮助规划师掌握土地利用的动态变化信息，判断城市发展的实际速度和规模与规划的偏差。通过比较不同年段反映城市发展的GIS数据（如土地利用、植被等），可清晰查看现状与规划愿景之间的差异。GIS的空间分析功能还可帮助规划师对土地利用密度等土地指标、城市交通可达性等城市关心的指标进行计算，从而判断城市发展状况是否达成规划目标，为下一轮城市规划的编制提供有效的反馈信息。
