GIS技术在空间组织中的应用分析研究

李东和刘春路赵继龙孔亚暐刘甦

(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

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，是产业园建设的核心内容。传统的产业园空间组织设计大都停留在传统城市规划模式的层面，其功能单一，既忽视了对综合效益的需求，又缺乏对特色功能的思考，难以适应产业园快速发展的需要[1-2]。为了更好地指导园区空间的开发建设，产业园区的发展迫切需要做出相应科学、合理、可操作的空间组织响应和规划设计方案。为此，寻求一种科学和理性的手段、技术作为三维分析以及产业园空间组织与设计方案的支撑和支持，已成为迫切需要研究的重要课题[3-5]。

地理信息系统GIS(Geo-Information System)三维分析技术发展迅速，具有强大的数据及空间分析和处理的能力，尤其是在ArcGIS中可快速创建基地三维场景模型，使其在城市的规划布局、空间组织设计、空间信息管理等方面的应用成为可能，从而提高了空间组织方案和成果的科学性与可实施性[6-8]。因此，GIS技术在产业园空间组织与设计中应用等相关方面的研究、实践，已成为必然趋势。

文章阐述了GIS技术在产业园空间组织中应用的途径与方法，总结了其在产业园空间组织中的应用前景与优势，分析了其在数据的采集与管理、三维可视化、空间分析与统计等空间组织中的应用，以期对产业园的空间组织规划、设计提供一定的借鉴和参考。

1 GIS技术在产业园空间组织中的应用途径与方法

1.1 应用途径

产业园空间组织的核心目标是在空间上相互协调并合理配置园区空间资源。GIS在空间组织方面的应用途径如图1所示。以GIS技术为支撑，不仅可以发挥其强大的空间分析与处理功能为空间组织提供技术支持和服务，而且能够使空间组织的宏观与微观、定性与定量相互结合得以真正实现，从而可为GIS技术在空间组织方面的应用提供了广阔途径。

图1 GIS在空间组织方面的应用途径图

1.2 应用方法

GIS技术在城市或区域的空间组织设计中进行应用的方法与步骤[8-10]有:

(1)在建成空间信息数据库之后，设计人员可以根据基地特点和设计目标，直接运用ArcGIS空间分析手段对基地进行空间组织方面的专项分析，如地形分析、现状建设、设施服务区评价等；

(2)在各专项分析的基础上，可利用ArcGIS叠加分析技术，在叠加两个或多个数据层的基础上得出新的数据层，从而发掘不同信息之间的关系，深化对基地的理解；

(3)依据影响设计的重要参变量，可用上述手段建立参数模型，对基地的用地适宜性、用地价值等进行综合评价，为细化方案设计提供依据。

GIS技术与空间组织的适应情况见表1。

表1 GIS技术与空间组织工作的适应情况表

2 GIS技术在空间组织中应用的前景与优势

2.1 GIS技术在空间组织中应用的前景

近年来，GIS技术的发展尤为迅猛，并向着大型化、集成化、专业化、产业化和社会化方向不断发展，已成为一门综合性的技术，尤其是利用空间产业共生潜力分析和决策支持工具的开发已成为当前新的研究热点[11]。

GIS技术具有强大的数据及空间分析和处理的能力，对空间数据的完善、组织、管理分析能力成为其最突出的特征，不仅可以有效地管理和处理海量、多源数据，而且可将空间数据和属性数据进行必要的关联，从而达到对各空间组织与规划数据的有效管理的目标。目前，已广泛地运用到资源环境、城乡规划、国土监测以及环境评估等诸多领域[11-15]。

另外，目前城市与区域空间组织等方面的模拟评价、敏感性与发展趋势预测等研究领域的海量数据难以充分分析处理，针对此难题，充分发挥GIS的强大空间数据操作优势，将GIS技术与空间组织数值模拟有机地耦合在一起，相互取长补短，弥补了其计算能力相对不足的问题。由于GlS技术具有诸如OVERI.AY和FILTER等强大的模块功能，能够直接服务于空间组织规划数值模拟，从而可以方便地提取所研究系统在各个时期、不同方面的多种空间指标和数据，不断加工分析处理；将各种变化作用于数据模型组中，为各个规划管理部门提供准确的预测信息，为相应的评价预测及管理寻求一种科学的解决方案[13，16]。

2.2 GIS技术在空间组织中应用的作用与优势

GIS技术可以在城市空间组织与规划的各个阶段发挥作用，尤其是在空间分析研究和空间组织管理信息系统方面发挥着不可替代的重要作用。特别是相较于传统的项目选址和空间组织方法，GIS独特而强大的空间分析与处理的能力、快速的空间产业定位搜索和复杂的搜索功能、强大的空间组织设计基础图形的处理、显示和表达以及空间模拟和空间决策支持等，可获得常规方法难以得到的重要信息。多年的实践证明，GIS技术引入空间组织中主要有如下价值和优势[17]:

(1)GIS技术引入空间组织设计，为设计人员提供了一个非常直观和理性的工具 以往的空间组织设计方案，常常缺乏有效、快速而准确的辅助信息分析工具，往往是设计者从个人主观和经验出发，以感性的角度分析处理各类信息数据，缺乏科学、理性的对基础数据的分析，主观随意性较大。特别是传统的设计手法往往都是以感性为主、理性为辅，侧重结果而不注重过程，重视物质规划研究，不注重社会以及经济等问题的考虑与研究；不仅会直接导致规划成果的内涵不足，而且由于过于注重图面效果，往往影响规划后期实施的可操作性。GIS技术的引入不仅丰富了空间组织成果的表达方式，而且使空间组织更加直观和理性。

(2)GIS技术为空间组织的设计手法带来了质的飞跃 传统的产业园空间组织设计方法往往表达内容是静态或终极状态的图纸，缺乏对空间组织和信息等诸多内容的连续考虑。而依托GIS技术的支持，可以极大地提高产业园空间数据的图形表达与属性数据的有机结合，通过对数据库不断的更新、移植，实现动态的、可持续的空间分析和综合管理目标，从而达到设计上从静态到动态上的转变，这称得上是空间组织体系的一种变革。

(3)为空间组织的动态调整以及多种方案的比较筛选提供了有力的技术支持 GIS由于数据更新的快捷性、空间分析的实时性以及更有效的信息访问能力，能够通过更多更广泛的渠道获取信息，对空间组织的动态调整提供了良好的技术支持。尤其是运用空间模拟分析能力可使其在更大范围内探讨多种空间组织方案成为可能。

(4)增强了空间组织决策分析的合理性 利用GIS技术对空间信息数据具有强大的分析和存储管理的能力，可以辅助设计师对空间组织方案的模拟、选择、评估等做出最优且合理的设计决策，并可实现对空间组织区域内自然、社会、经济条件等各要素的多因子叠加分析。通过对GIS中图层的叠加缓冲区以及最佳路径自动匹配等空间分析，从而实现对产业园的空间规划，如功能区、公共空间、公共设施的选址、人流车流、居住区、最佳路线等做出合理最优安排与决策等，这些是传统空间组织设计手法所无法完成和达到的。

(5)空间信息数据繁多量大、使用方便、便于交流与沟通 空间组织主要涉及到大量的社会、经济资料基础数据、自然地理空间数据等等，如人工处理大量数据不仅速度慢，而且效率低。GIS技术可以管理大容量的数据，支持多种形式的空间数据，不但具有查询、叠加、聚类、网络、邻近空间信息的能力，还具有良好的数据维护更新能力，对空间组织分析的理性化具有重要的意义和价值。

(6)GIS介入空间组织领域，改进制图能力，提高空间组织的可视性、通用性和空间组织的效率，缩短设计周期的同时保证了空间组织成果的质量。

(7)借助GIS可以对空间组织的实施进行监督反馈，并对空间组织方案进行调整，使空间组织处于一个顺畅的良性循环中。

2.3 GIS技术在产业园空间组织中应用的特点与优势

目前，产业园空间组织方案常规的设计方式是先手绘草图，然后在自动计算机辅助设计软件AutoCAD(Autodesk Computer Aided Design)中进行二维的深化设计。虽然制图直接，但由于整个工作过程自始至终是面向设计结果而不是面向设计过程，所以造成方案设计与前期的现状分析及后期的方案分析之间的相互割裂和衔接不畅，尤其是可能导致分析图制作、指标统计等后期工作费工费力。而在产业园空间组织中，应用GIS技术可以有如下的特点和优势[17]。

(1)基于GIS的产业园空间组织的应用方法在此阶段是运用地理信息设计工具，直接在现状分析图上进行草图设计，通过GIS平台直观分析数据，从而真正地将设计与分析结合起来。在方案深化和多方案比较的工作中，凭借ArcGIS参数化建模的优势，每次调整方案，其指标统计和专题分析结果都可以半自动刷新，从而动态实时地反馈方案设计，实现方案设计和分析的高度融合。

(2)成果输出阶段，在GIS中显示或隐藏特定的数据层就可以直接输出方案和分析图纸，无需后期加工。由于这种参数化制图的工作量比利用AutoCAD、图像处理软件Adobe Photoshop等软件的工作量小得多，设计师得以从繁重的图纸绘制工作中解放出来，从而聚焦于产业园空间组织设计本身。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、有效并充分地运用于城市空间组织设计及相关领域中去。

3 GIS技术在空间组织中应用的领域

3.1 GIS技术在数据的采集与管理方面的应用

GIS技术在城市规划中数据的采集与管理方面的广泛应用，不仅使空间组织的数据采集与管理向信息化、定量化和科学化的方向发展，而且使其更加适应城市快速发展的需要[12]。在数据的采集与管理方面的应用实例如图2所示[17]。数据整理的应用实例如图2(a)所示，可以整理原有资料和遥感数据源，通过与传统CAD等软件的联合，方便查询、统计与成果输出。信息管理的应用实例如图2(b)所示，将不同规划成果进行整体管理，可以优化管理数据、为管理者提供更好的统计与查询服务。因子统计的应用实例如图2(c)所示，GIS可以将用地属性、地形地貌、水文地理、社会经济、人口分布、人口构成、建筑强度、建筑的高度等影响因子的空间位置、分布特征、相互关系作描述和统计，辅助进行空间组织设计。

图2 GIS技术在规划数据的采集与管理方面的应用实例图

3.2 GIS技术在三维可视化方面的应用

GIS技术的三维可视化是将空间数据与复杂的属性数据整合在一起显示，简单而直观。在城市内的规划和建筑过程中，GIS技术可以用更加生动形象的动态三维可视化模型显示城市内自然地理和社会经济等各个因素的空间位置与关系，在此基础上，可以通过GIS的空间分析功能为设计人员和决策者提供更加科学合理的设计建议与意见。

目前，三维可视化工具不仅逐渐广泛的被政府决策者、城市规划人员、建筑师和土地审批部门所使用，而且也被相关人员应用到考察设计项目、参与土地利用以及评估可持续的效果等方面[14]。GIS技术在三维可视化方面的应用实例如图3所示。

地形可视化应用实例如图3(a)所示，利用GIS技术的创建不规则四面体网格TIM(Tetrahedralized Irregular Mesh)功能，可以快速产生三维场景建模。能够在数字环境中形象、直观、快速的了解地形地貌和场地氛围特征。通过模型，还可以进行坡度、坡向、地表径流等分析，为空间组织提供便利。

地表物体可视化应用实例如图3(b)所示，在不规则三角网TIN(Triangulated Irregular Network)模型的基础上，GIS技术可以根据现状图片或资料所提供的建筑外轮廓和建筑高度快速生成建筑立体模型，能够明确表达建筑的空间分布、建筑密度、建设用地状况、道路布局等城市信息，为设计人员提供三维可视的地表物体分布情况。

方案模拟应用实例如图3(c)所示，将其他计算机技术的三维数据(如草图大师SketchUp模型等)与GIS相结合，可以对方案的细节进行建模，从而达到方案细节的即时模拟。

图3 GIS技术在三维可视化方面的应用实例图

3.3 GIS技术在空间分析与统计方面的应用

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，GIS技术可以在空间成像的基础上对目标进行不同的分析，主要进行地形分析、栅格数据分析、缓冲分析、网络分析等4个方面的分析，可分别运用于现状分析、方案设计、规划管理等多个阶段[15-16]。在GIS的空间分析方面的应用实例如图4所示。

图4 GIS技术在空间分析方面的应用实例图

地形分析应用实例如图4(a)所示，在城市设计中需要对用地进行坡度、坡向、水文等方面的分析，通过GIS软件对等高线、高程点等信息的分析，建立TIM模型或者数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)可以准确地了解其地形条件，为之后的设计和分析提供参考依据。

栅格分析应用实例如图4(b)所示，城市设计往往受到多个因子的影响，通过对因子栅格化，可以将区域多因子问题简化成单位空间的多因子问题，可以快速而科学地获得量化评价结果。

缓冲分析应用实例如图4(c)所示，在城市设计中，许多影响因素对邻近区域的影响会随着距离的远近而改变。通过GIS技术的缓冲分析可以准确反映距离对各个因素的影响，使其在空间上的分析更加科学合理。

网络分析应用实例如图4(d)所示，交通网络、市政管网等对城市设计有着重要的影响，通过GIS技术可以模拟现实中交通等网络，然后在此基础上，针对网状结构体系进行优化资源配置方面的计算与分析。

4 结语

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的要求日益提高，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。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。伴随着相关知识的深入研究，GIS将更加广泛、科学、有效并充分地运用于城市空间组织设计及相关领域中。