基于二维GIS的空间规划辅助决策支持系统研究

杨 晨，韩华瑞

（浙江华东工程数字技术有限公司，杭州310000）

引言

在当今时代，规划显然不是一句话所能概括的问题，小到一张土地建设的总平面图，大到整个城市的功能布局，从“三区三线”到“多规合一”，规划这一概念跨越了诸多空间。在《辞海》中可以找到规划的概念是“谋划，筹划”，同时也指“较全面或长远的计划”。在我国，空间规划指一个国家或地区政府部门对所辖国土空间资源和布局进行的长远谋划和统筹安排，旨在实现对国土空间有效管控和科学治理。

伴随着我国城市建设进入加速发展阶段，传统的城市规划和管理手段已不能解决城市一体化与精细化管理中存在的诸多问题，而地理信息系统（GIS）凭借其能直观展现和处理二维数据的优势能有效帮助规划人员做出恰当的关于位置的决策。目前国内外基于GIS的空间规划辅助决策系统已经在一些城市进行了试点应用，而如何合理、高效地利用GIS对空间规划进行合理决策成为目前国内外研究的热点。

文献[1]提出利用GIS技术为城市规划提供准确的空间分析数据，从而建立立体化城市规划，该文献分别从城市总体规划、地下空间规划利用、城市交通规划和城市景观规划方面对GIS的应用进行阐述。文献[2]提出将三维GIS技术应用于城市地下空间规划中，对影响地下空间规划的各种因素进行综合的分析处理。文献[3]设计了一种基于2D GIS和3D GIS的城市规划辅助决策系统，实现城市空间形态和城市景观的统筹布局与协调发展。文献[4]阐述了在智慧城市建设背景下，GIS技术在土地利用规划设计上的应用，得出GIS技术与规划问题可相互补充，共同促进的结论。Mae等[5]对近年来各学科领域利用GIS技术整合社会和生态空间信息的案例研究实践和应用实例进行综述，分别从五个方面指导GIS技术在海洋空间规划（MSP）上的未来研究方向。

文献[6]提出一种国土空间规划辅助决策平台，为政府部门、规划人员等提供了可定制、智能化的国土空间规划服务，大数据、云计算等新技术的应用，使该平台具有很好的扩展性和灵活性。文献[7]提出一种省级空间规划辅助决策系统，将计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术等综合应用于国土空间规划与管理的集成系统，实现了对国土空间规划工具的有效集成和国土空间规划决策模型库的构建。文献[8]设计了城市规划三维决策支持系统，研究了三维建模方法，空间分析等技术，对于提高规划水平和效率具有重要意义。Vavatsikos等[9]利用GIS技术对风电场投资进行适宜性分析与模拟，将GIS和多准则决策分析（MCDA）模型协同作用，以提高相关决策的质量。Sara等[10]设计了一个针对GIS环境的交互式多准则空间决策支持系统，应用于城市能源规划，有助于定义有意义的建筑能源改造方案，为相关工作者提供了决策过程的便利。Aminu等[11]提出将网络分析法（ANP）与GIS综合运用到可持续旅游规划中，利用ANP评价高原旅游业可持续发展的相对优先次序。

目前，基于GIS技术进行水利等大型工程项目的空间规划辅助决策支持系统的研究较少，因此本文在结合前人研究成果和新理论新科技的支持下，提出一种基于二维GIS的空间辅助决策支持系统，该系统的设计目标和意义是能够为规划人员在空间规划过程中提供一体化、可靠、高效并更直观、更科学的辅助决策手段，同时规划人员可以在该系统上进行规划选址等专业分析操作。

1 框架设计

本文通过研究国内外各类地理信息系统的系统架构以及功能特点，将其与自身实际应用需求相结合，从而确定了本文所搭建的空间规划辅助决策支持系统的框架和功能。系统搭建框架选用SuperMap 9D，超图软件是一款融合了云端一体化GIS、空间大数据等技术体系的新一代GIS系统软件，其所具有的易操作性和可视化性很契合系统搭建和系统展示的需要。系统整体框架结构图如图1所示。

1.1 基础层

基础层由GIS服务器与Web服务器组成，基于超图Java开发工具进行二次开发，GIS服务器采用SuperMap JAVA用于实现对基础数据和二维场景的支持，Web服务器采用SuperMap iServer将系统部署到服务器供网络内用户访问。

服务器后端开发采用微服务框架Spring boot。Spring boot是一个简化Spring开发的开源轻量级框架，使用了特定的方式来进行配置，从而使开发人员不再需要定义样板化的配置，其优势在于简化了开发，也无需配置XML，同时拥有与云计算天然集成的特性。

考虑到该系统在后期要嵌入到其他系统中，需要具有优良的可移植性和包容性，因此采用原生的Java Script进行前端开发。由于JavaScript运行在客户端，可以节省web服务器的请求时间和带宽，运行结果和处理相对比较快，且是比较轻量级的脚本语言，易于维护。

1.2 数据层

数据层包括基础地理信息数据库以及规划信息专题数据库。基础地理信息数据库集合了多种自然和人文数据，包含电子地图数据、地名地址数据、数字高程数据和三维模型数据等[12]，通过将不同时间、空间、维度的工程项目GIS数据与统计数据等进行系统性整理，整合到一个系统下，实现“多源数据合一”，以满足服务决策的要求。其中自然数据包括地理高程、温度、降水、水资源、植被等数据，均采集于地理空间数据云等权威网站，人文数据包括行政规划信息、人口普查信息、电力消费量信息等。在专题图层界面，通过图层控制实现各种资源分布的可视化查看与分析。

对于各种数据的融合，由于其标准以及精度上的不统一，本文首先对数据进行了初步的预处理。具体操作包括：（1）统一图层像元精度；（2）栅格内记录计算值。

1.3 应用层

根据规划人员对系统的需求，在专题图层界面实现了图层展示、图属联动、历史数据滚动查看、地图风格自定义等功能，在规划选址图层界面实现了规划类型选择、规划区域选择、规划因子选择等功能。具体功能实现方式在下一章详细阐述。

2 功能设计

基于二维GIS的空间规划辅助决策支持系统的功能界面主要包括三个部分：规划交互功能、规划选址功能和已规划项目，如图2所示。其中已规划项目是对已经审批的规划工程进行展示，并汇聚了工程建设、运营阶段全生命周期数据。本章对规划交互功能和规划选址功能进行详细介绍。

图1 系统整体框架结构图

图2 系统功能界面

2.1 规划交互功能

交互的主要功能点集中在专题图层界面，专题图层上能够实现不同时间序列的图表联动，并根据用户喜好设置图层风格，查看各种资源的分布情况，从而对市场前景作出有效评估，实现资源开发与经济社会的协调发展。

点击专题图层按钮可展示或者收起，具体实现方式如下。

2.1.1 图层展示：展示方式分为三类：第一类是只展示图层效果，无图例无图表信息，如图3（a）所示；第二类是有图例无图表信息，如图3（b）所示；第三类是有图例有图表信息，可分为两种：展示时间轴和无时间轴，如图 3（c）和图 3（d）所示。

2.1.2 图属联动：图例、地图、数据表、统计图以及时间轴可进行实时联动。例如，在有图例有图表的界面上选择数据表中的专题数据，专题图会随之切换，相应的统计图和数据也会添加到对应的图层和数据表中。

2.1.3 历史数据滚动查看：如果有时间轴的可以在数据表中点击相应的时间节点数据，且对应的数据表、统计图以及图例的数字也会随之发生改变。

2.1.4 地图风格自定义：可手动更改该专题图的地图颜色、图例的颜色、分段个数以及透明度。

图3 专题图层展示界面

2.1.5 辅助工具：可在右边选择多种辅助规划工具，包括搜索、标记、测距、测面、缩放、复位、全屏以及地图切换等工具，如图4所示。

2.2 规划选址功能

规划选址功能基于微服务架构，使用超图Java开发工具进行开发。数据计算采用综合评价法，根据用户的设置为每一个规划图层赋予权重，后台将规划范围内的量化图层分割成网格矩阵，计算各网格内的规划因子数值，再根据规划专业的加权平均法，计算各规划参数的加权值，实现后台超大数据的秒级计算，前端进行计算结果的实时渲染。根据计算结果将数值分成5个等级，第4级表示最适宜区域。规划选址功能界面如图5所示。

具体的做法如下。

2.2.1 规划工程类型的选择：可供规划选址的项目有水利、光伏等，各个项目所侧重的影响因子都不同，由于本文在水利上的项目规划经验更为充足并且更易于验证规划的科学性，因次本文以水利工程为例进行规划。

2.2.2 规划区域的选择：功能设计上共有省份、矩形和多边形三种选址规划的方式，需要选择其中一种，选择省份则会选取对应省份的外接矩形，选择矩形和多边形则可以手动绘画规划区域。

2.2.3 评价单元的确定：Fishnet网格是在规划中常用的分割工具，有利于展示数据的多样性结果，本文的系统也以此为工具。在功能设计上，用户可手动输入Fishnet的长和宽，也可通过输入行和列的数目来自动划分Fishnet，结果会按照相应指标将规划区域划分成等积的评价单元。

2.2.4 规划选址的计算：本文采用了加权平均法，根据工程规划影响因子的重要性赋予权重，公式如下：

图4 辅助工具

图5 规划选址功能界面展示

经过加权计算后，前端页面对每个网格的计算结果进行渲染，并将其进行分级，其中第4级代表最佳规划地点。

3 应用案例

本章以长江三峡水电站的实际位置与在线实时规划选择的位置进行对比，以验证本系统的科学性和实用性。

3.1 实验环境介绍

本文的实验平台为：至强W-2123 4核8线程处理器、NVIDIA Quadro P2000显卡的工作站，后端采用Java语言实现，基于Spring boot微服务框架，前端采用原生的JavaScript。

3.2 规划范围选择

本文以水利规划决策为例，期望通过辅助决策系统生成一个最佳的实时位置并能够与长江三峡水电站的实际位置进行对比，因此本文选取了三峡水电站所在的湖北省为规划区域。

3.3 影响因子级权重选择

影响水电站规划的因素有很多，本文选取影响比较大的四个指标，分别是人口密度、年径流量、河流落差以及年降雨量为评价依据，同时依据专家意见将河流落差的影响权重设置为3，年降雨量设置为2，人口密度设置为-1，年径流量设置为1。

3.4 规划结果展示

系统规划结果如图6所示，从中可以看到，规划结果分为4级，颜色由淡到深，对应规划结果更加精确，其中第4级为最合理结果。将实时规划结果与三峡水电站的实际位置进行对比，如图7所示，结果显示，二者地理位置十分接近，符合预期的实验结果，说明该系统能够对空间规划进行合理决策。规划过程的运行时间为5秒，运行速度快，基本能够满足规划人员对于实时性的要求。

4 总结与展望

信息时代中，各种资源数据鱼龙混杂，如何对各种数据进行综合并提取出有效信息供规划人员使用，是一个亟待解决的问题，也是当前二维GIS研究的一个热点。本文针对目前基于二维GIS进行空间规划所存在的需要人工判别的问题，提出了自动化的解决方案，进行了基于二维的空间规划辅助决策支持系统的设计与实现。该系统可用于嵌入各个规划系统的平台，同时由于前端基于原生JavaScript，具有良好的封装性和扩展性。

当然，本文所设计的系统还存在诸多不足：1）此次数据处理与计算未涉及三维数据资源，仅仅局限于二维，会限制规划的工程类型选择以及规划方式的多样性；2）目前该系统实现的功能较为单一，但未来可以从很多方面进行功能的扩展，并实现更多的计算分析功能，后续可以根据规划人员的需要添加对应的扩展分析功能。

图6 系统规划结果

图7 规划结果与三峡水电站实际位置对比