GIS在产业园空间组织中的应用研究进展

李东和刘春路赵继龙孔亚暐

(1.迪肯大学建筑与环境学院，澳大利亚 维多利亚州 吉朗 3216；2.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101)

0 引言

现代产业园区是区域经济发展及产业调整、升级的主要空间聚集形式，担负着聚集创新资源、培育新兴产业、推动城市化建设等一系列的重要使命[1]。产业园的空间组织是产业、产业链、产业组织在产业园区空间内进行更加合理布局与集聚的过程[2]。产业园空间组织与设计是产业园建设的核心内容。

随着我国城市化快速发展的进程，中国目前正处于产业园发展建设的高潮时期，国内大多数城市内各种产业园开始兴建，产业园区的空间规模不断扩大，进入了产城融合的发展模式[3]。为了适应产业园区的快速发展，能够更好地指导园区空间组织及开发建设，迫切需要针对产业园区空间主体多元化、空间综合化的更高、更新的发展需求，做出相应科学、合理、可操作的空间组织响应，尤其是对产业园空间组织规划与设计方案的水平质量、科学性和可操作性都提出了更高的要求。为此，寻求一种科学、理性的手段和技术作为三维以及产业园空间组织与设计方案的强有力的支撑和支持，已成为迫切需要研究的重要课题[4-5]。

地理信息系统GIS(Geographical Information System)可以利用其强大的空间分析功能和三维模拟功能，不仅可以实现空间数据与属性数据的有机结合，更为设计人员提供了一种非常有效的分析工具与辅助决策工具[5]。能够在很大程度上帮助设计人员对产业园空间组织设计进行直观、理性的模拟、选择和评估，从而有效改善传统产业园空间组织中重文本、图形以及定性分析和定量分析脱节的缺点。

文章阐述了GIS技术在产业园空间组织中应用的意义与价值，概述了 GIS的概念与内涵、构成和类型，总结了GIS技术的基本功能和应用功能，分析了GIS技术在产业园空间组织中的应用前景与优势。以期对GIS技术在产业园空间组织中的应用提供一定的借鉴和参考。

1 GIS技术在产业园空间组织中应用的意义与价值

1.1 传统产业园的空间组织存在的缺陷

产业园的空间组织研究的内容是城市要素和各种产业园的空间要素在三维立体中组成的产业园空间结构的研究。目前，产业园区正在经历由传统的、单纯以生产要素聚集的工业园区模式向以研发、生产、生活、生态等复合要素聚集的产业新城模式转变[6]；随着产业园的发展越来越反映了传统产业园的空间组织的不足，主要表现在以下2个方面[7]:

(1)收集和处理资料 由于产业园空间组织的前期基础资料繁多复杂，设计人员需要事先向有关部门收集相关自然、地貌、水文气象等基础资料，再经过实地调研与现场拍照，或通过网络、图书等查阅等收集相关资料，但是此种资料收集的方法存在以下局限性:

①由于文件资料来源多样，导致时间、格式、版本等不同，如果要实现文件资料之间的汇总和分析，是相当繁琐、费工费力的工作。

②由于基础数据数量庞大而且复杂，其在设计人员使用时不便于管理与查找，非常容易出现“见过却找不到”的状况。

(2)空间组织方案设计 传统的产业园空间组织方案设计往往是凭借设计专业人员的专业知识背景和设计经验来组织空间布局或者以自己的创意理念来进行空间组织的创作。此种背景和方式下进行的空间组织设计方案缺乏理性的、科学的手段做支撑，存在着与城市发展衔接不畅、各功能之间缺乏衔接、各要素缺乏有机整合、没有与城市配套设施相结合等诸多问题，极大降低了空间组织的科学性[6-8]。

而GIS技术是将图形和属性数据库融于一体的计算机技术，通过GIS技术强大的数据及空间分析和处理的能力，不仅可以有效的管理与处理海量空间数据，而且可将空间数据和属性数据进行必要的关联从而达到对各种数据的有效使用的目标。

1.2 GIS技术在产业园的空间组织中的应用意义

产业园是一个综合体，在其空间组织设计中，需要考虑综合复杂的每一个因素才能创作出合理、可行且科学的空间组织方案。所以，现代产业园空间组织需求一种更加理性、科学的分析方法与先进的技术手段来支撑并指导其空间模拟分析和设计方案的创作[9-10]。

但是，传统的产业园空间组织大都停留在传统城市规划模式的层面，功能单一、同质化现象严重[11]；而当前的产业园空间组织研究，目前仍主要停留在概念的阐述与理论解释阶段，缺乏一种科学、有效的技术手段来支撑实现城市设计思想与空间组织要素相结合。

GIS作为一门介于信息科学、计算机科学、地理学和测绘学之间的新兴边缘学科，在对地理空间要素分析与和信息数据的整合上拥有绝对优势，通过其在复杂的数据信息与空间地理信息的完美结合以及强大的空间信息分析能力，能够使城市设计思想在具体的产业园空间组织项目中得以实施，尤其是对增强空间组织的前期分析、方案设计等方面的科学性和合理性上，具有非常重要的作用和指导意义。

目前，我国中微观尺度GIS技术的应用刚刚起步，尤其是在产业园空间组织的应用方面尚属空白。通过GIS技术强大的数据及空间分析和处理的能力，不仅可以有效的管理与处理海量空间数据，而且可将空间数据和属性数据进行必要的关联从而达到对各种数据的有效使用的目标。因此，比起传统的空间组织方法，GIS独特而强大的空间分析与处理的能力可提供常规方法难以得到的重要信息；GIS技术能够在很大程度上帮助设计人员对产业园空间组织设计进行直观、理性的模拟、选择和评估，从而有效改善传统产业园空间组织中重文本、图形以及定性分析和定量分析脱节的缺点；凭借ArcGIS参数化建模的优势，实现方案设计和方案分析的高度融合。

由于我国在产业园空间组织及设计中的GIS技术的应用尚处于空白阶段，其空间数据和属性数据的管理还处于分离的状态。为此，将GIS技术引入城市设计的空间组织中，意义深远而重大。

1.3 GIS技术在产业园的空间组织中的应用价值

近年来，计算机技术以其技术先进、成熟、技术速度快等强大的功能和优势广泛应用于城市设计和建筑设计中，并有效的提高了建筑设计的工作效率和设计的准确度。各类计算机应用软件(Photoshop、CAD、SketchUp等)己成为设计师们必备的技能。

城市空间组织与设计是对城市空间和形体环境所进行的立体空间的设计，三维空间的形态设计与表达一直是其中的重要工作内容。然而，现有的计算机技术在城市空间和城市环境三维模拟上的应用，基本上仅限于在城市设计成果的表现上，非常缺乏在城市空间组织和设计过程中为方案设计内容和模拟分析提供的科学支撑及可操作实现的计算机模拟技术。

GIS技术具有强大的数据及空间分析和处理的能力，使其对地理空间信息能够高效、快捷、灵活和全方位的把握，随着GIS三维分析技术的迅速发展，对空间数据的完善、组织、管理分析能力成为GIS最突出的特征，尤其是在ArcGIS中已可以快速创建基地三维场景模型，可使城市的规划布局、空间组织设计、空间信息管理及城市建设等各方面获得有力的三维技术支持，方便对海量且种类繁多的空间与属性数据和信息数据等信息数据进行高效组织和统一综合管理，从而提高空间组织方案和空间组织成果的科学性与可实施性。

目前，我国大尺度城市设计中GIS的应用已开始起步，正步入一个不断完善的阶段。但我国在中观尺度的空间组织尤其是产业园空间组织及设计中GIS技术的应用尚处于空白阶段，其空间数据和属性数据的管理还处于分离的状态。随着城市建设的快速发展，对产业园空间组织水平质量要求日益提高，迫切需要具有强大的空间数据处理与分析功能的GIS技术做支撑。

2 GIS技术概述

2.1 GIS的概念与内涵

地理信息系统，GIS亦称地学信息系统、空间信息系统或资源与环境信息系统，虽然其各自包括的范围略有不同，但在研究内容和使用方法基本上是一致的。

GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，是以地理空间数据库为基础，并采用地理模型分析方法，适时提供，用计算机对多种空间和动态的地理信息相关数据进行采集、存储、管理、操作、分析、模拟和显示及应用描述的空间信息系统[12-13]，其概念框架如图1所示。

图1 GIS概念框架图

GIS技术是随着计算机辅助制图和空间分析技术的迅速发展而产生的，是近年来迅速发展起来的、为各领域研究和决策服务而建立起来的软件系统。GIS是集地图学、测绘学、遥感学、计算机科学等多门科学为一体，用于分析和管理海量地理数据的一种重要技术[14]；是融合计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理地理空间信息的高新技术[13，15] 。

GIS是多学科交叉的产物，其技术的发展与地理地图学、测量学、遥感技术等相关学科是密不可分的，是以地理空间数据库为基础，运用系统工程和信息科学的理论，采用地理模型分析方法，通过提供多种空间和动态的地理信息，产生对资源环境、灾害防治、区域规划和空间组织及管理决策等方面的有用信息，其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，将自然发生的或思维规划的过程加在模型上，以获得对自然过程的分析和预测信息，用于管理和决策。

2.2 GIS的构成

GIS主要由4个基本部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据(或空间数据)和系统管理操作人员[16]。其系统构成如图2所示。

图2 GIS系统的构成图

GIS技术应用的基本构成一般包含5个主要部分，即系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型，如图3所示。

图3 GIS技术应用的基本构成图

2.3 GIS的类型

地理信息系统按照不同的研究范围、内容及使用的数据模型有不同的相应分类类型:(1)GIS根据其研究的范围可分为全球性信息系统和区域性信息系统；(2)根据其研究内容可分为专题信息系统和综合系统；(3)根据其使用的数据模型可分为矢量、栅格和混合型信息系统。如图4所示。

图4 GIS的分类图

2.4 GIS技术的功能

2.4.1 基本功能

GIS技术基本功能包括:数据的采集和提取、数据的编辑与管理、空间分析与统计以及成果输出[12，17-18]，主要包括输入、分析与处理以及输出3个层面，如图5所示。其中，GIS空间分析和统计功能是地理信息系统的最核心、最强大、最关键、最重要的功能，是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。

图5 GIS技术功能示意图

2.4.2 应用功能

GIS是解决资源与环境等全球性问题而迅速发展起来的、以计算机为核心的空间信息处理与分析技术，在资源与环境应用领域中发挥着技术先导的作用。

GIS把地理环境和与之相关的属性信息等各类要素准确而快速的收集、储存、提取、转换和显示，并将各类要素之间的内在联系等进行获取、整理、储存、查询和分析，生成和输出统计与分析的图示化，可以高效的将那些零散的数据和图像资料进行综合存储于同一个系统中，并借助其独有的空间分析和可视化表达功能，为相关政府部门行政管理提供更为精准的辅助决策，以便解决各类复杂的空间组织规划及管理等问题，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持[13]。

GIS在自然地理要素的分析与整合上的绝对优势，以及把地图的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作等集成在一起的功能，吸引了不少国内专家学者及规划设计工作者去尝试[19]。

资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，另外随着GIS理论的产生发展以及方法和技术的成熟，在农业领域、土地的资源管理、灾害预警的应用也逐步深入；尤其是在灾害预警、城市规划管理、专题制图和数据可视化、国土监测及辅助决策等方面得到了非常广泛的应用。

3 GIS在产业园空间组织中的应用研究进展

3.1 国外相关研究

20世纪50年代，由于电子计算机技术的兴起以及在航空摄影测量与地图制图学中的应用，使人们利用电子计算机来搜集、存储和处理各种与空间和地理分布有关的图形和数据开始成为可能，并通过计算机对数据的分析，直接为管理和决策部门服务，因此导致了GIS的诞生和问世。

随着科技的快速发展，可以获取大量复杂空间地理信息并具有强大空间处理能力的GIS在国外应用非常广泛。1966年，卡尔·斯坦尼兹应用SYMAP进行了GIS应用的初步尝试，通过GIS进行了加权评价、引力模拟、土地单元对植物的适宜性分析等许多复杂的分析和计算对得拉维尔、佛吉尼亚半岛景观规划进行了研究[19-20]。这一尝试开创了GIS技术与景观规划相结合的新纪元，为GIS在城市设计、城市规划、空间组织、景观规划与设计等方面的应用与发展起到了开创和奠基作用。之后，卡尔·斯坦尼兹和其他许多学者以此技术为基础，相继开展了诸多领域与方向的系列评价与规划工作，研究显示了GIS在多解规划和空间组织等方面的应用潜力。

自20世纪70年代起，相关专家学者从多个角度对GIS技术的应用开展了基础性的研究，但在广泛应用方面有一定的局限性。20世纪90年代以后，随着计算机技术的飞速发展和信息化的普及，GIS技术作为集空间数据采集、存储、检索、分析、传输和显示功能为一体的、且功能强大的一门新兴的、综合性的、特殊的多学科交叉技术，已成为各行各业广泛运用建立各类信息管理与服务平台的重要技术手段。

总的来看，国外GIS技术的发展经历了60年代——GIS提出建立并初始发展、70年代——发展巩固、80年代——突破推广应用(地理信息系统成熟阶段)和90年代——蓬勃发展(应用与产业化)4个阶段。

3.2 国内相关研究

我国对GIS技术的研制与应用是从80年代开始，1987年8月由城乡建设与环境保护部在昆明召开的“遥感、计算机技术在城市规划中应用交流会”是国内开始起步应用GIS技术的重要标志，虽然起步较晚，但发展迅猛。我国GIS的发展经历了准备阶段(1970—1980)、起步阶段(1981—1985)、初步发展阶段(1986—2013)和迅速发展应用阶段(2013至今)3个阶段。

近年来，GIS技术在我国得到了广泛应用，涉及了传统的城市规划到生态环保、测绘、土地利用以及各类资源调查与管理等诸多领域的各个方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。李玲[19]研究了在GIS技术的支持下，通过GIS的最佳路径分析功能，开展山地别墅区的环山主干道选线研究等；南晓娜[21]在GIS平台上，进行叠加分析，建立山地城市用地适宜性评价的指标体系。钮心毅[22]总结了GIS在城市设计中应用的基本框架；杨丽等[23]、朱庆等[24]分别探讨了GIS在“绿色城市设计”及不同层次城市设计中的应用。

目前，城市的设施选址及各类规划的土地适宜性评价等相关领域中得到了充分的应用。GIS作为一项重要的技术手段己经涉及城市土地适宜性评价、生态敏感性评价、城市防灾规划等各个方面。但是，产业园的空间组织与GIS相结合的研究未见报道。主要相关的研究成果有:贺志军[7]在生态城市设计实践过程中提出相应的基于GIS技术的具体应用框架；徐红[25]利用GIS技术对工业园选址进行分析，进而提出一定的工业园空间布局原则。

总之，国内对于GIS技术在规划设计及选址方面的应用也比较广泛，但多集中在大型的区域方面的研究，且大部分是宏观角度上面的一些分析与评价，对于产业园这类中小型区域中空间组织及具体操作层面上的研究较少。

4 展望

利用GIS强大的空间分析能力，能够在很大程度上帮助设计人员对产业园空间组织方案进行直观、理性的模拟、选择和评估，从而有效改善传统产业园空间组织中重文本、图形以及定性分析和定量分析脱节的缺点。因此，GIS技术在产业园空间组织与设计中的应用等相关方面的研究与实践，已成为必然趋势。伴随着信息技术以及相关知识的深入研究与发展，GIS将会更加广泛、科学、有效并充分的运用于城市空间组织设计及相关领域中。