基于空间信息技术的城市开放空间信息系统设计

 由于城市可持续发展问题的日益突出，城市开放空间系统的研究日渐深入；空间信息技术发展日新月异，以“3S”技术为主体的空间信息技术可以为解决因信息量急剧增加而产生的诸多问题提供了技术指导和帮助，“数字城市”的研究风起云涌，城市地理信息系统设计方面的研究方兴未艾。同样，空间信息技术为城市开放空间系统的管理与研究提供了新的理念和技术平台，文章意在借助空间信息技术平台对城市开放空间信息系统的设计进行有益的探索。

    　　　　1　空间信息技术与城市开放空间系统

    1.1　空间信息技术
    信息和信息技术对当代的经济、社会、文化、生活等产生了巨大的影响。空间信息技术是20世纪60年代以来逐步发展起来的以获取、管理、分析与地理位置相关的空间信息为主的信息技术的总称。它包括遥感（remote sensing，RS）、地理信息系统（geography information system, GIS）、全球定位系统（global positioning system, GPS）（简称3S技术）等。利用遥感技术可以远距离无接触地快速获取地面各种地物的实时信息；借助地理信息系统技术对整个或部分地球表面与空间有关的数据进行采集、存储、管理、分析、显示和应用；全球定位系统能在任何时刻为全球任何地方的用户提供三维位置、三维运动速度和精确的时间等信息。遥感技术的优势在于它的短周期、视野广阔、信息量丰富及可定时定位观测；地理信息系统的强大之处在于它将空间信息的处理与属性信息完美结合起来，为用户提供了空间检索和分析功能。以“3S”技术为代表的空间信息技术不再局限于数据的采集，而是强调对地球空间数据和信息从采集、处理、量测、分析到管理、存储、显示和发布的信息流全过程[1]。空间信息技术把整个人类的生活环境作为主要的研究对象，具有信息获取的客观性、信息定位的准确性、信息管理的灵活性、信息分析的空间性、信息表达的直观性等特点[2]。
    3S技术集成已成为现代空间信息技术发展的必然趋势。全球定位系统的组合技术系统为遥感对地观测信息提供了准实时或实时的定位信息和地面高程模型，遥感对地观测的海量波普信息为目标识别及科学规律的探测提供了定性或定量数据；遥感、全球定位系统、地理信息系统的集成将使地理信息系统具有获取准确、快速定位的现势遥感信息能力，实现数据库的快速更新和在分析决策模型支持下，快速完成多位、多元复合分析[3]。遥感、全球定位系统和地理信息系统的集成技术将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统，形成快速、高精度的信息处理流程。
    在自然、经济、社会中出现更多的是空间数据，空间数据是指与空间位置和空间关系相联系的数据。数据库是20世纪后期迅速发展起来的、应用范围广泛的计算机数据管理技术。地理信息系统数据库是地理信息系统的关键支撑技术，它具有数据量特别大、地理要素的属性数据和空间数据结合紧密、数据应用面广等特点。以地理信息系统数据库为依托，社会、资源、环境、经济等多种信息可以组成更庞大的空间信息数据库。空间信息数据库的主要任务是建立资源、环境、社会、经济等多种信息资料的采集、传输、处理、分析、分发、反馈、决策的网络服务体系，它是信息社会和知识经济时代必不可少的基础设施[4]。很多国家和地区已经建立了自己的空间数据库，但是技术平台的差异导致数据很难实现共享，这在GIS数据库中尤其突出。为了实现GIS数据的共享，有关专家学者提出了建立分布式多空间数据库系统来实现异构空间数据源的互操作，以达到空间信息共享的目的[5]。
    1.2　城市开放空间与城市开放空间系统
    现代城市开放空间系统的建构是在生态概念的思想基础上产生的，是生态规划设计观的表现之一。具有现代意义的城市开放空间概念大约出现于1887年的英国，之后人们出于不同的目的分别从不同的角度对其进行了诠释和应用。城市开放空间是指在一定的城市地域内，具有一定结构和多重功能的存在于城市建筑实体之外的开敞空间体[6]。它包括绿地、河湖水体、待建与非待建的空地、广场、道路及农林地、山地、滩地等空间。它们担负着城市多样的生活、活动、生物的自然消长、隔离避灾、通风导流、表现地景以及限制城市无限蔓延等多种功能，是城市生态与城市生活的多重载体。这就意味着城市开放空间是一个空间体概念、一个载体概念，它具有生态、娱乐、文化、美学等多重目标和功能。开放空间研究与可持续发展的概念相一致[7]。
    城市开放空间系统则是具有一定要素构成、结构形态和功能组合的各类开放空间的集合体[6]。系统的构成要素按照基本功能的不同可以分为绿色开放空间系统和灰色开放空间系统两大类。绿色开放空间包括绿地、园林和水体，灰色开放空间包括对外交通空间、对内交通空间、广场、未绿化的闲置空地等。城市开放空间系统与城市的生态系统、经济系统、社会系统相互支撑、相互交叉重叠共同构成城市巨系统。城市开放空间系统具有实用功能、生态功能、文化功能、景观功能和调控功能等，它是城市地域内人与环境协调共处的空间前提，是改善城市结构和功能的空间调节器，也是城市建设体现生态思想、促使城市发展进入可持续状态的重要空间载体[7，8]。
1.3　建立城市开放空间信息系统的必要性
    城市化浪潮席卷全球，与城市化迅速发展并存的是城市的可持续发展问题，建设生态城市是实现城市可持续发展的重要支撑，城市开放空间系统是城市系统的重要组成部分，又是城市生态与城市生活的重要载体，它与城市建筑空间之间存在耦合互动关系，从而又是城市生态和城市生活的重要反映，通过对城市开放空间系统的研究人们可以对整个城市系统进行明晰的解剖和辨识。同时，城市环境的空间布局是一项刚性很强的战略任务，一旦确立了空间布局的框架并将其落实到用地上，就很难在短时期内将其改变[6]。而作为城市巨系统的重要组成部分，城市开放空间系统内部要素的变化不但会导致城市开放空间系统的变化，而且会导致整个城市巨系统的变化，而系统变化的程度和结果却正是人们想预知的。以飞速发展的计算机技术和空间信息技术为支撑的城市开放空间信息系统，可以获得确定空间区域的实时空间信息数据、实现对区域空间信息数据和属性数据的各种分析、实现对城市开放空间系统的空间模拟和发展模拟等功能，并进一步实现城市开放空间系统的空间布局、社会经济发展对城市生态环境后果的预测与模拟。这样，人们就可以借助城市开放空间信息系统预测城市开放空间设计方案，从而可以实现城市开放空间系统的优化，这对实现城市的可持续发展具有重要意义。

    　　　　2　设计思想、可行性研究与开发流程

    2.1　设计思想
    信息系统设计采用原型法思想。原型法的基本思路是：先确定部分基本要求，设计一个初步的原型，并用较短时间开发出一个实验性的简易原型，投入试运行；根据运行中出现的问题进行修改补充；然后再运行，再修改；如此反复迭代，不断完善原型（本质上称为进化型原型），最终开发成完善的信息系统[9]。
    2.2　系统开发的可行性研究
    在进行信息系统设计之前，首先要进行系统分析，包括任务的提出、初步调研和可行性分析等[10]。城市开放空间信息系统的可行性论证包括4个方面：通过初步调查和对本部门业务工作的分析研究，确认信息系统近期和远期应用目标的可行性；论证项目的投资规模（包括硬件、软件、数据和人力资源的投资），编制预算，并估计实施后带来的经济、社会效益和实施中可能遇到的风险；论证几种可供选择的实施方案，确认技术上的可行性，确定最终方案；编制项目初步实施计划，确认实践上的可行性。
    2.3　系统开发工作流程
    城市开放空间信息系统设计是在可行性研究的基础之上进行的，基本上可分为城市开放空间信息系统总体设计、子系统设计及系统评价等3个方面， 在对信息系统各项评价结果基本满意的基础上，可对城市开放空间信息系统的功能模块进行进一步的扩展与优化。具体工作流程如图1。
   
    图1　基于原型法的城市开放空间信息系统设计基本流程 (略)
    Fig.1 Steps of design of urban open space information system with prototype method

    　　　　3　总体设计

    城市开放空间信息系统总体设计为全系统确定了整体框架和结构，它是系统研制工作的核心和系统开发的依据。信息系统总体设计流程如图2。
   
    图2　城市开放空间信息系统总体设计流程 (略)
    Fig.2　Steps of general design of urban open space information system
    3.1　用户需求调查分析
    用户需求调查分析是对用户现行业务运行管理系统的现状和用户对系统的要求进行详细的调查和分析，是系统设计和开发的准备阶段。用户需求调查分析要弄清楚包括潜在用户在内的所有用户对系统的功能、数据内容、应用范围等方面的要求，并详细考察用户原来的业务范围、工作流程以及部门之间的分工和相互关系等。

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0425/fontbr />   3.2　系统逻辑设计
    在用户调查分析的基础上，提出系统的逻辑模型，即确定系统的功能。逻辑模型的基本成分是逻辑结构、子系统划分和子系统功能分析。逻辑结构包括硬件、软件、数据库和人员等。硬件主要指信息系统运行的设备环境，包括计算机、输出输入设备以及网络；软件主要包括系统软件和应用软件，系统软件主要指计算机操作系统如WINDOWS系列，UNIX，LINIX等。城市开放空间信息系统的应用软件主要指遥感软件和地理信息系统软件如CAD，ERDAS，GeoWay Image Station，EPSCHECK，ARC＼INFO，MapGIS，SuperMap GIS等。它们可以实现数据采集与输入、数据存贮与管理、数据处理与分析、成果生成与输出等功能。数据库是信息系统的核心部分，主要存贮城市开放空间的各种数据信息、城市的各种相关社会经济信息等。人员包括系统设计开发人员、系统运行和维护管理人员、操作人员和最终用户。城市开放空间信息系统（图3）包括专题信息子系统和应用信息子系统等2个一级子系统。专题信息子系统主要用于某一专题信息的管理和应用，并将获得新的信息数据返回城市开放空间信息数据库，进行必要的信息数据库更新与维护。具体而言，城市开放空间信息系统的专题子系统包括绿色开放空间信息和灰色开放空间信息等2个二级子系统。绿色开放空间信息子系统包括绿地信息、园林信息和水体信息等3 个三级子系统；灰色开放空间信息子系统包括对外交通空间信息、对内交通空间信息、广场信息、未绿化的闲置空地信息等4个三级子系统。 绿地信息子系统用以处理城市开放空间中与绿地相关的信息数据，它可以实现城市开放空间中绿地的布局分析、规划分析，并可以预测城市绿地布局对城市开放空间系统乃至城市巨系统造成的生态后果，从而为城市开放空间设计乃至城市整体规划中的绿地设计提供有价值的参考；园林信息子系统用以处理与园林相关的信息数据，分析园林规划的各种可能性，进一步分析园林布局变更造成的生态影响，为城市园林设计提供一定参考；水体信息子系统用以分析水体质量及其对开放空间环境质量的影响，并根据现实数据预测未来时段水体环境质量的变化情况及对开放空间环境质量的可能影响，为城市各种水体的管理提供信息和帮助；对外交通空间信息子系统用来进行城市实施对外交通时所需城市内部空间的预测与布局分析，并根据现有的信息数据进一步预测布局的可能后果；对内交通空间信息子系统基于分析现实交通线路状况的基础之上，依据现有的信息数据为未来的对内交通线路布局提供参考方案和相关分析；广场信息子系统用以分析开放空间内广场布局的合理性，进一步提供广场的需求信息，并为开放空间的广场布局提供参考方案；未绿化的闲置空地信息子系统基于各种信息数据分析闲置空地的可能用途。应用信息子系统是在综合各种因素的基础上向用户提供有关城市开放空间系统的查询和运算结果，它将专题信息子系统的运算结果进行进一步的综合、分析，得到城市开放空间中某一个或几个因子布局对于城市开放空间系统的效应，进一步预测其布局改变或者社会经济状况改变对其他因子、城市开放空间系统乃至城市巨系统的影响及其生态响应，以最终满足用户需求；可以将最终查询结果或运算结果输出成图。借助大量分布的城市开放空间信息系统的客户端，公众可以了解自己所在的城市开放空间的各种信息，了解开放空间内正在进行的某一项建设对城市造成的诸多影响，借此也可以提高公众参与城市建设的积极性。
 图3　城市开放空间信息系统组成 (略)
    Fig.3　The structure of urban open space information system
    3.3　数据组织与数据库设计    具体包括数据库实体设计、标准化设计、软硬件配置、系统开发计划、经费预算和组织实施。数据库是城市开放空间信息系统的核心部分，其设计质量的好坏直接影响到系统的应用、维护管理和数据更新。数据库设计的基本要求是：对数据体用非冗余结构定义；在插入、修改和删除冗余数据元素时，数据元素的结构、相互关系和从属性应保持不变；数据独立；保持数据的安全性；系统要保证数据在逻辑意义上的正确性、有效性和兼容性；要有利于数据库维护以及经常性的组织和必要的数据库操作辅助程序；要便于用户对数据的独立写入、修改、补充和删除；要有不断的扩充和更新的能力。城市开放空间信息系统数据库包括社会经济信息数据、空间信息数据、元数据和其他信息数据等。社会经济信息数据主要属于非空间型属性数据，主要包括开放空间所在城市的社会经济文化等信息数据；空间信息数据主要包括城市开放空间地形图、政区图、交通图、各类地物的空间分布图等空间型数据及其附属的属性数据等，也包括经过处理的遥感影像数据。元数据是关于数据的数据，是关于数据的质量、内容、条件和其他特性的数据，其在数据的共享中具有重要作用。所有的数据库都可以归结为地理信息系统基础数据库、元数据库和综合信息数据库。数据的管理模式为GIS管理空间数据、DBMS管理属性数据，并通过关键字段在空间和属性数据间建立关联，这种模式为空间和属性数据的单独处理提供了较大的灵活性，能发挥空间数据和属性数据管理系统各自的优点。

    　　　　4　子系统设计

    城市开放空间信息系统详细设计是根据总体设计方案确定目标的阶段开发计划，对子系统进行详细设计，指导子系统的开发[10，11]。子系统设计以对用户需求作进一步的详细调查分析为基础，子系统设计的内容包括：子系统逻辑结构设计、数据库设计、功能模块设计和用户界面设计。
    4.1　子系统逻辑结构设计
    每个子系统的逻辑结构包括硬件、软件、数据库和人员。软硬件应根据子系统的功能和规模并兼顾到与其他子系统的兼容来购买，城市开放空间信息系统的系统软件一般采用WINDOWS系列或者国产的LINIX系统，应用软件主要为ERDAS，ARC／INFO系列，CAD及其MapGIS系列软件；城市开放空间信息系统数据库包括社会经济信息数据、空间信息数据、元数据和其他信息数据等；人员包括子系统开发人员、运行人员、维护管理人员、操作人员和最终用户。
    4.2　系统数据库设计[12]
    主要内容包括数据源的分析与选择；数据采集方式的确定；数据更新的技术方法；数据采集前的预处理；数据采集技术要求和技术规定；数据编辑处理和拓扑关系建立；属性项的选择、定义和属性文件的建立，与已有关系数据库的连接；数据质量控制和检查验收；平面坐标的配准、投影参数设置、与国家统一坐标系间的转换；数据接边问题；其他有关问题等。
    4.3　系统功能模块设计
    系统应具有数据输入、图形或属性信息的查询检索、数据处理与分析、坐标变化和投影转换、图形图表显示或输出以及数据更新等功能，还应针对不同的专题子系统，涉及专题应用和辅助业务管理功能。
    4.4　系统用户界面设计
    用户界面设计应该体现友好、方便、快捷的原则，采用汉化的菜单式用户界面，用户只需进行简单的操作就可以实现相应的功能。具体地，在系统维护管理、操作等的用户界面应该具有用于数据库维护与管理的数据输入与修改模块、数据查询模块、图形查询模块、运算结果的输出包括图形打印模块等，而在面向公众的用户查询界面和前者相比减少了数据库的维护与管理模块，数据的输出模块的功能也相对简单，其他基本相同。

    　　　　5　城市开放空间信息系统评价

    城市开放空间信息系统评价是从技术和经济的角度对信息系统进行功能和效益评定，基本做法是将系统的运行和预期目标进行比较，评价主要包括以下项目[11，13]：系统效率评价、系统可靠性评价、系统的可扩展性评价、系统的可移植性评价、系统效益评价等5个方面， 信息系统评价可采用定量评价和定性评价相结合的方法进行。
    5.1　效率评价
    信息系统的各种功能指标、技术指标和经济指标均是系统效率的反映。初期的评价主要为城市开放空间信息系统的各项功能是否可以实现，是否可以满足用户的各项需求，所提供数据的质量是否达到了预期的设想；然后根据信息系统设计方案中系统的技术指标和经济指标体系进行城市开放空间信息系统效率的评价。
  5.2　可靠性评价
    可靠性评价主要考察城市开放空间信息系统在运行时的稳定性、系统的数据文件和程序是否妥善保存以及系统是否具备后备开发体系等，并要进一步评价系统运行期间出现事故的可能概率、信息系统出现事故后的自我恢复状况、系统事故恢复后继续运行的稳定性等。此外，还要评价信息系统出现事故后对运算结果的处理状况，特别是对数据库文件的处理结果。
    5.3　可扩展性评价
    城市开放空间信息系统基于原型法的设计思想，系统功能模块的开发是基于由少到多、由简单到复杂的设计思路进行的。首先开发出一个功能简单的信息系统，然后在此基础之上增加其他的功能模块，完善系统的功能。在已有信息系统的基础之上增加其他的功能模块时，不需要进行大的改动或者不影响整个信息系统的结构，不会影响整个系统运行的稳定性，是对城市开放空间新型系统设计的基本要求。
    5.4　可移植性评价
    可移植性是包括城市开放空间信息系统在内的所有信息系统是否具有开放应用价值的关键指标。可移植性要求城市开放空间信息系统不仅能在本机上运行，而且还可以在其他型号的机器上稳定运行。要实现此功能就要求系统的设计必须基于国家标准规范或通行的标准进行，以保证软硬件、数据的匹配和共享，这也是不同城市的开放空间信息系统之间实现连接、数据共享的重要保证。
    5.5　效益评价
    系统效益包括经济效益和社会效益。由于系统运行之初体现的主要是它的社会效益，而后才是经济效益，所以对系统的效益评价应该着重从它的社会效益进行评价。评价内容应该包括信息共享效果、地学综合分析能力、系统决策的定量化和科学化、系统应用的模型化、系统解决问题的能力、工作时间的缩短和技术水平的提高等。当然，随着信息系统的运行、功能的不断完善和应用范围的不断拓展，其经济效益也会不断提高，然后要进一步进行信息系统社会效益和经济效益的双重评价。
    伴随着城市可持续发展问题研究的日渐深入，城市开放空间系统优化的研究也日益突显。借助空间信息技术建立的城市开放空间信息系统，在实现城市开放空间系统的功能模拟、发展模拟及环境评价方面具有较大的优势。但是，如何建立一个集模拟和预测于一体、包含有多种功能、又区别于一般的城市地理信息系统的城市开放空间信息系统，是我们首先应该探讨的一个问题。文章对建立城市开放空间信息系统进行了一定的探索，但还有许多尚待继续努力的地方，如城市开放空间信息系统模拟功能和环境评价功能的实现、多个城市开放空间信息系统（如城市群区域内部诸城市开放空间信息系统）资源的共享、联合运作机理及方式等。

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