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基于空間信息技術(shù)的城市開(kāi)放空間信息系統設計
由于城市可持續發(fā)展問(wèn)題的日益突出，城市開(kāi)放空間系統的研究日漸深入；空間信息技術(shù)發(fā)展日新月異，以“3S”技術(shù)為主體的空間信息技術(shù)可以為解決因信息量急劇增加而產(chǎn)生的諸多問(wèn)題提供了技術(shù)指導和幫助，“數字城市”的研究風(fēng)起云涌，城市地理信息系統設計方面的研究方興未艾。同樣，空間信息技術(shù)為城市開(kāi)放空間系統的管理與研究提供了新的理念和技術(shù)平臺，文章意在借助空間信息技術(shù)平臺對城市開(kāi)放空間信息系統的設計進(jìn)行有益的探索。
1 空間信息技術(shù)與城市開(kāi)放空間系統
1.1 空間信息技術(shù)
信息和信息技術(shù)對當代的經(jīng)濟、社會(huì )、文化、生活等產(chǎn)生了巨大的影響�？臻g信息技術(shù)是20世紀60年代以來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的以獲取、管理、分析與地理位置相關(guān)的空間信息為主的信息技術(shù)的總稱(chēng)。它包括遙感（remote sensing，RS）、地理信息系統（geography information system, GIS）、全球定位系統（global positioning system, GPS）（簡(jiǎn)稱(chēng)3S技術(shù)）等。利用遙感技術(shù)可以遠距離無(wú)接觸地快速獲取地面各種地物的實(shí)時(shí)信息；借助地理信息系統技術(shù)對整個(gè)或部分地球表面與空間有關(guān)的數據進(jìn)行采集、存儲、管理、分析、顯示和應用；全球定位系統能在任何時(shí)刻為全球任何地方的用戶(hù)提供3維位置、3維運動(dòng)速度和精確的時(shí)間等信息。遙感技術(shù)的優(yōu)勢在于它的短周期、視野廣闊、信息量豐富及可定時(shí)定位觀(guān)測；地理信息系統的強大之處在于它將空間信息的處理與屬性信息完美結合起來(lái)，為用戶(hù)提供了空間檢索和分析功能。以“3S”技術(shù)為代表的空間信息技術(shù)不再局限于數據的采集，而是強調對地球空間數據和信息從采集、處理、量測、分析到管理、存儲、顯示和發(fā)布的信息流全過(guò)程[1]�？臻g信息技術(shù)把整個(gè)人類(lèi)的生活環(huán)境作為主要的研究對象，具有信息獲取的客觀(guān)性、信息定位的準確性、信息管理的靈活性、信息分析的空間性、信息表達的直觀(guān)性等特點(diǎn)[2]。
3S技術(shù)集成已成為現代空間信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。全球定位系統的組合技術(shù)系統為遙感對地觀(guān)測信息提供了準實(shí)時(shí)或實(shí)時(shí)的定位信息和地面高程模型，遙感對地觀(guān)測的海量波普信息為目標識別及科學(xué)規律的探測提供了定性或定量數據；遙感、全球定位系統、地理信息系統的集成將使地理信息系統具有獲取準確、快速定位的現勢遙感信息能力，實(shí)現數據庫的快速更新和在分析決策模型支持下，快速完成多位、多元復合分析[3]。遙感、全球定位系統和地理信息系統的集成技術(shù)將最終建成新型的地面3維信息和地理編碼影像的實(shí)時(shí)或準實(shí)時(shí)獲取與處理系統，形成快速、高精度的信息處理流程。
在自然、經(jīng)濟、社會(huì )中出現更多的是空間數據，空間數據是指與空間位置和空間關(guān)系相聯(lián)系的數據。數據庫是20世紀后期迅速發(fā)展起來(lái)的、應用范圍廣泛的計算機數據管理技術(shù)。地理信息系統數據庫是地理信息系統的關(guān)鍵支撐技術(shù)，它具有數據量特別大、地理要素的屬性數據和空間數據結合緊密、數據應用面廣等特點(diǎn)。以地理信息系統數據庫為依托，社會(huì )、資源、環(huán)境、經(jīng)濟等多種信息可以組成更龐大的空間信息數據庫�？臻g信息數據庫的主要任務(wù)是建立資源、環(huán)境、社會(huì )、經(jīng)濟等多種信息資料的采集、傳輸、處理、分析、分發(fā)、反饋、決策的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)體系，它是信息社會(huì )和知識經(jīng)濟時(shí)代必不可少的基礎設施[4]。很多國家和地區已經(jīng)建立了自己的空間數據庫，但是技術(shù)平臺的差異導致數據很難實(shí)現共享，這在GIS數據庫中尤其突出。為了實(shí)現GIS數據的共享，有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者提出了建立分布式多空間數據庫系統來(lái)實(shí)現異構空間數據源的互操作，以達到空間信息共享的目的[5]。
1.2 城市開(kāi)放空間與城市開(kāi)放空間系統
現代城市開(kāi)放空間系統的建構是在生態(tài)概念的思想基礎上產(chǎn)生的，是生態(tài)規劃設計觀(guān)的表現之1。具有現代意義的城市開(kāi)放空間概念大約出現于1887年的英國，之后人們出于不同的目的分別從不同的角度對其進(jìn)行了詮釋和應用。城市開(kāi)放空間是指在1定的城市地域內，具有1定結構和多重功能的存在于城市建筑實(shí)體之外的開(kāi)敞空間體[6]。它包括綠地、河湖水體、待建與非待建的空地、廣場(chǎng)、道路及農林地、山地、灘地等空間。它們擔負著(zhù)城市多樣的生活、活動(dòng)、生物的自然消長(cháng)、隔離避災、通風(fēng)導流、表現地景以及限制城市無(wú)限蔓延等多種功能，是城市生態(tài)與城市生活的多重載體。這就意味著(zhù)城市開(kāi)放空間是1個(gè)空間體概念、1個(gè)載體概念，它具有生態(tài)、娛樂(lè )、文化、美學(xué)等多重目標和功能。開(kāi)放空間研究與可持續發(fā)展的概念相1致[7]。
城市開(kāi)放空間系統則是具有1定要素構成、結構形態(tài)和功能組合的各類(lèi)開(kāi)放空間的集合體[6]。系統的構成要素按照基本功能的不同可以分為綠色開(kāi)放空間系統和灰色開(kāi)放空間系統兩大類(lèi)。綠色開(kāi)放空間包括綠地、園林和水體，灰色開(kāi)放空間包括對外交通空間、對內交通空間、廣場(chǎng)、未綠化的閑置空地等。城市開(kāi)放空間系統與城市的生態(tài)系統、經(jīng)濟系統、社會(huì )系統相互支撐、相互交叉重疊共同構成城市巨系統。城市開(kāi)放空間系統具有實(shí)用功能、生態(tài)功能、文化功能、景觀(guān)功能和調控功能等，它是城市地域內人與環(huán)境協(xié)調共處的空間前提，是改善城市結構和功能的空間調節器，也是城市建設體現生態(tài)思想、促使城市發(fā)展進(jìn)入可持續狀態(tài)的重要空間載體[7，8]。
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1.3 建立城市開(kāi)放空間信息系統的必要性
城市化浪潮席卷全球，與城市化迅速發(fā)展并存的是城市的可持續發(fā)展問(wèn)題，建設生態(tài)城市是實(shí)現城市可持續發(fā)展的重要支撐，城市開(kāi)放空間系統是城市系統的重要組成部分，又是城市生態(tài)與城市生活的重要載體，它與城市建筑空間之間存在耦合互動(dòng)關(guān)系，從而又是城市生態(tài)和城市生活的重要反映，通過(guò)對城市開(kāi)放空間系統的研究人們可以對整個(gè)城市系統進(jìn)行明晰的解剖和辨識。同時(shí)，城市環(huán)境的空間布局是1項剛性很強的戰略任務(wù)，1旦確立了空間布局的框架并將其落實(shí)到用地上，就很難在短時(shí)期內將其改變[6]。而作為城市巨系統的重要組成部分，城市開(kāi)放空間系統內部要素的變化不但會(huì )導致城市開(kāi)放空間系統的變化，而且會(huì )導致整個(gè)城市巨系統的變化，而系統變化的程度和結果卻正是人們想預知的。以飛速發(fā)展的計算機技術(shù)和空間信息技術(shù)為支撐的城市開(kāi)放空間信息系統，可以獲得確定空間區域的實(shí)時(shí)空間信息數據、實(shí)現對區域空間信息數據和屬性數據的各種分析、實(shí)現對城市開(kāi)放空間系統的空間模擬和發(fā)展模擬等功能，并進(jìn)1步實(shí)現城市開(kāi)放空間系統的空間布局、社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展對城市生態(tài)環(huán)境后果的預測與模擬。這樣，人們就可以借助城市開(kāi)放空間信息系統預測城市開(kāi)放空間設計方案，從而可以實(shí)現城市開(kāi)放空間系統的優(yōu)化，這對實(shí)現城市的可持續發(fā)展具有重要意義。
2 設計思想、可行性研究與開(kāi)發(fā)流程
2.1 設計思想
信息系統設計采用原型法思想。原型法的基本思路是：先確定部分基本要求，設計1個(gè)初步的原型，并用較短時(shí)間開(kāi)發(fā)出1個(gè)實(shí)驗性的簡(jiǎn)易原型，投入試運行；根據運行中出現的問(wèn)題進(jìn)行修改補充；然后再運行，再修改；如此反復迭代，不斷完善原型（本質(zhì)上稱(chēng)為進(jìn)化型原型），最終開(kāi)發(fā)成完善的信息系統[9]。
2.2 系統開(kāi)發(fā)的可行性研究
在進(jìn)行信息系統設計之前，首先要進(jìn)行系統分析，包括任務(wù)的提出、初步調研和可行性分析等[10]。城市開(kāi)放空間信息系統的可行性論證包括4個(gè)方面：通過(guò)初步調查和對本部門(mén)業(yè)務(wù)工作的分析研究，確認信息系統近期和遠期應用目標的可行性；論證項目的投資規模（包括硬件、軟件、數據和人力資源的投資），編制預算，并估計實(shí)施后帶來(lái)的經(jīng)濟、社會(huì )效益和實(shí)施中可能遇到的風(fēng)險；論證幾種可供選擇的實(shí)施方案，確認技術(shù)上的可行性，確定最終方案；編制項目初步實(shí)施計劃，確認實(shí)踐上的可行性。
2.3 系統開(kāi)發(fā)工作流程
城市開(kāi)放空間信息系統設計是在可行性研究的基礎之上進(jìn)行的，基本上可分為城市開(kāi)放空間信息系統總體設計、子系統設計及系統評價(jià)等3個(gè)方面， 在對信息系統各項評價(jià)結果基本滿(mǎn)意的基礎上，可對城市開(kāi)放空間信息系統的功能模塊進(jìn)行進(jìn)1步的擴展與優(yōu)化。具體工作流程如圖1。
圖1 基于原型法的城市開(kāi)放空間信息系統設計基本流程
Fig.1 Steps of design of urban open space information system with prototype method
3 總體設計
城市開(kāi)放空間信息系統總體設計為全系統確定了整體框架和結構，它是系統研制工作的核心和系統開(kāi)發(fā)的依據。信息系統總體設計流程如圖2。
圖2 城市開(kāi)放空間信息系統總體設計流程
Fig.2 Steps of general design of urban open space information system
3.1 用戶(hù)需求調查分析
用戶(hù)需求調查分析是對用戶(hù)現行業(yè)務(wù)運行管理系統的現狀和用戶(hù)對系統的要求進(jìn)行詳細的調查和分析，是系統設計和開(kāi)發(fā)的準備階段。用戶(hù)需求調查分析要弄清楚包括潛在用戶(hù)在內的所有用戶(hù)對系統的功能、數據內容、應用范圍等方面的要求，并詳細考察用戶(hù)原來(lái)的業(yè)務(wù)范圍、工作流程以及部門(mén)之間的分工和相互關(guān)系等。
3.2 系統邏輯設計
在用戶(hù)調查分析的基礎上，提出系統的邏輯模型，即確定系統的功能。邏輯模型的基本成分是邏輯結構、子系統劃分和子系統功能分析。邏輯結構包括硬件、軟件、數據庫和人員等。硬件主要指信息系統運行的設備環(huán)境，包括計算機、輸出輸入設備以及網(wǎng)絡(luò )；軟件主要包括系統軟件和應用軟件，系統軟件主要指計算機操作系統如WINDOWS系列，UNIX，LINIX等。城市開(kāi)放空間信息系統的應用軟件主要指遙感軟件和地理信息系統軟件如CAD，ERDAS，GeoWay Image Station，EPSCHECK，ARC＼INFO，MapGIS，SuperMap GIS等。它們可以實(shí)現數據采集與輸入、數據存貯與管理、數據處理與分析、成果生成與輸出等功能。數據庫是信息系統的核心部分，主要存貯城市開(kāi)放空間的各種數據信息、城市的各種相關(guān)社會(huì )經(jīng)濟信息等。人員包括系統設計開(kāi)發(fā)人員、系統運行和維護管理人員、操作人員和最終用戶(hù)。城市開(kāi)放空間信息系統（圖3）包括專(zhuān)題信息子系統和應用信息子系統等2個(gè)1級子系統。專(zhuān)題信息子系統主要用于某1專(zhuān)題信息的管理和應用，并將獲得新的信息數據返回城市開(kāi)放空間信息數據庫，進(jìn)行必要的信息數據庫更新與維護。具體而言，城市開(kāi)放空間信息系統的專(zhuān)題子系統包括綠色開(kāi)放空間信息和灰色開(kāi)放空間信息等2個(gè)2級子系統。綠色開(kāi)放空間信息子系統包括綠地信息、園林信息和水體信息等3 個(gè)3級子系統；灰色開(kāi)放空間信息子系統包括對外交通空間信息、對內交通空間信息、廣場(chǎng)信息、未綠化的閑置空地信息等4個(gè)3級子系統。 綠地信息子系統用以處理城市開(kāi)放空間中與綠地相關(guān)的信息數據，它可以實(shí)現城市開(kāi)放空間中綠地的布局分析、規劃分析，并可以預測城市綠地布局對城市開(kāi)放空間系統乃至城市巨系統造成的生態(tài)后果，從而為城市開(kāi)放空間設計乃至城市整體規劃中的綠地設計提供有價(jià)值的參考；園林信息子系統用以處理與園林相關(guān)的信息數據，分析園林規劃的各種可能性，進(jìn)1步分析園林布局變更造成的生態(tài)影響，為城市園林設計提供1定參考；水體信息子系統用以分析水體質(zhì)量及其對開(kāi)放空間環(huán)境質(zhì)量的影響，并根據現實(shí)數據預測未來(lái)時(shí)段水體環(huán)境質(zhì)量的變化情況及對開(kāi)放空間環(huán)境質(zhì)量的可能影響，為城市各種水體的管理提供信息和幫助；對外交通空間信息子系統用來(lái)進(jìn)行城市實(shí)施對外交通時(shí)所需城市內部空間的預測與布局分析，并根據現有的信息數據進(jìn)1步預測布局的可能后果；對內交通空間信息子系統基于分析現實(shí)交通線(xiàn)路狀況的基礎之上，依據現有的信息數據為未來(lái)的對內交通線(xiàn)路布局提供參考方案和相關(guān)分析；廣場(chǎng)信息子系統用以分析開(kāi)放空間內廣場(chǎng)布局的合理性，進(jìn)1步提供廣場(chǎng)的需求信息，并為開(kāi)放空間的廣場(chǎng)布局提供參考方案；未綠化的閑置空地信息子系統基于各種信息數據分析閑置空地的可能用途。應用信息子系統是在綜合各種因素的基礎上向用戶(hù)提供有關(guān)城市開(kāi)放空間系統的查詢(xún)和運算結果，它將專(zhuān)題信息子系統的運算結果進(jìn)行進(jìn)1步的綜合、分析，得到城市開(kāi)放空間中某1個(gè)或幾個(gè)因子布局對于城市開(kāi)放空間系統的效應，進(jìn)1步預測其布局改變或者社會(huì )經(jīng)濟狀況改變對其他因子、城市開(kāi)放空間系統乃至城市巨系統的影響及其生態(tài)響應，以最終滿(mǎn)足用戶(hù)需求；可以將最終查詢(xún)結果或運算結果輸出成圖。借助大量分布的城市開(kāi)放空間信息系統的客戶(hù)端，公眾可以了解自己所在的城市開(kāi)放空間的各種信息，了解開(kāi)放空間內正在進(jìn)行的某1項建設對城市造成的諸多影響，借此也可以提高公眾參與城市建設的積極性。
圖3 城市開(kāi)放空間信息系統組成
Fig.3 The structure of urban open space information system
3.3 數據組織與數據庫設計 具體包括數據庫實(shí)體設計、標準化設計、軟硬件配置、系統開(kāi)發(fā)計劃、經(jīng)費預算和組織實(shí)施。數據庫是城市開(kāi)放空間信息系統的核心部分，其設計質(zhì)量的好壞直接影響到系統的應用、維護管理和數據更新。數據庫設計的基本要求是：對數據體用非冗余結構定義；在插入、修改和刪除冗余數據元素時(shí)，數據元素的結構、相互關(guān)系和從屬性應保持不變；數據獨立；保持數據的安全性；系統要保證數據在邏輯意義上的正確性、有效性和兼容性；要有利于數據庫維護以及經(jīng)常性的組織和必要的數據庫操作輔助程序；要便于用戶(hù)對數據的獨立寫(xiě)入、修改、補充和刪除；要有不斷的擴充和更新的能力。城市開(kāi)放空間信息系統數據庫包括社會(huì )經(jīng)濟信息數據、空間信息數據、元數據和其他信息數據等。社會(huì )經(jīng)濟信息數據主要屬于非空間型屬性數據，主要包括開(kāi)放空間所在城市的社會(huì )經(jīng)濟文化等信息數據；空間信息數據主要包括城市開(kāi)放空間地形圖、政區圖、交通圖、各類(lèi)地物的空間分布圖等空間型數據及其附屬的屬性數據等，也包括經(jīng)過(guò)處理的遙感影像數據。元數據是關(guān)于數據的數據，是關(guān)于數據的質(zhì)量、內容、條件和其他特性的數據，其在數據的共享中具有重要作用。所有的數據庫都可以歸結為地理信息系統基礎數據庫、元數據庫和綜合信息數據庫。數據的管理模式為GIS管理空間數據、DBMS管理屬性數據，并通過(guò)關(guān)鍵字段在空間和屬性數據間建立關(guān)聯(lián)，這種模式為空間和屬性數據的單獨處理提供了較大的靈活性，能發(fā)揮空間數據和屬性數據管理系統各自的優(yōu)點(diǎn)。
4 子系統設計
城市開(kāi)放空間信息系統詳細設計是根據總體設計方案確定目標的階段開(kāi)發(fā)計劃，對子系統進(jìn)行詳細設計，指導子系統的開(kāi)發(fā)[10，11]。子系統設計以對用戶(hù)需求作進(jìn)1步的詳細調查分析為基礎，子系統設計的內容包括：子系統邏輯結構設計、數據庫設計、功能模塊設計和用戶(hù)界面設計。
4.1 子系統邏輯結構設計
每個(gè)子系統的邏輯結構包括硬件、軟件、數據庫和人員。軟硬件應根據子系統的功能和規模并兼顧到與其他子系統的兼容來(lái)購買(mǎi)，城市開(kāi)放空間信息系統的系統軟件1般采用WINDOWS系列或者國產(chǎn)的LINIX系統，應用軟件主要為ERDAS，ARC／INFO系列，CAD及其MapGIS系列軟件；城市開(kāi)放空間信息系統數據庫包括社會(huì )經(jīng)濟信息數據、空間信息數據、元數據和其他信息數據等；人員包括子系統開(kāi)發(fā)人員、運行人員、維護管理人員、操作人員和最終用戶(hù)。
4.2 系統數據庫設計[12]
主要內容包括數據源的分析與選擇；數據采集方式的確定；數據更新的技術(shù)方法；數據采集前的預處理；數據采集技術(shù)要求和技術(shù)規定；數據編輯處理和拓撲關(guān)系建立；屬性項的選擇、定義和屬性文件的建立，與已有關(guān)系數據庫的連接；數據質(zhì)量控制和檢查驗收；平面坐標的配準、投影參數設置、與國家統1坐標系間的轉換；數據接邊問(wèn)題；其他有關(guān)問(wèn)題等。
4.3 系統功能模塊設計
系統應具有數據輸入、圖形或屬性信息的查詢(xún)檢索、數據處理與分析、坐標變化和投影轉換、圖形圖表顯示或輸出以及數據更新等功能，還應針對不同的專(zhuān)題子系統，涉及專(zhuān)題應用和輔助業(yè)務(wù)管理功能。
4.4 系統用戶(hù)界面設計
用戶(hù)界面設計應該體現友好、方便、快捷的原則，采用漢化的菜單式用戶(hù)界面，用戶(hù)只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作就可以實(shí)現相應的功能。具體地，在系統維護管理、操作等的用戶(hù)界面應該具有用于數據庫維護與管理的數據輸入與修改模塊、數據查詢(xún)模塊、圖形查詢(xún)模塊、運算結果的輸出包括圖形打印模塊等，而在面向公眾的用戶(hù)查詢(xún)界面和前者相比減少了數據庫的維護與管理模塊，數據的輸出模塊的功能也相對簡(jiǎn)單，其他基本相同。
5 城市開(kāi)放空間信息系統評價(jià)
城市開(kāi)放空間信息系統評價(jià)是從技術(shù)和經(jīng)濟的角度對信息系統進(jìn)行功能和效益評定，基本做法是將系統的運行和預期目標進(jìn)行比較，評價(jià)主要包括以下項目[11，13]：系統效率評價(jià)、系統可靠性評價(jià)、系統的可擴展性評價(jià)、系統的可移植性評價(jià)、系統效益評
[1]
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