城市信息系統(第一章)

河南大學環境與規劃學院主講教師：王海鷹第一講緒論公眾生產、生活的信息80%與地理空間位置有關“數字城市”本質上是建設以信息基礎設施為核心的完整的城市信息系統體系，即積極利用現代高科技手段，建設空間信息基礎設施并在此基礎上充分采集、整合和挖掘城市各種信息資源，建立面向政府、企業、社區與鄉鎮的公眾信息服務平臺、信息應用系統和政策法規保障體系,從而提升和改善城市的各項機能，為新型城市化的可持續發展和城市規劃、建設、管理與服務水平的提高提供支撐和保障。城市地理信息城市地理信息城市地理信息研究范圍劃分城市地理信息的特征城市地理信息概述城市是一種超大型的、復雜的人文與自然的復合系統，是人口、資源、環境和社會經濟要素高度密集的、以獲得綜合集聚效益為目的地理綜合體。城市概念地理信息概念地理信息:地理信息是對表達地理現象的地理數據的解釋，地理現象可以從不同側面進行描述，形成不同類型的地理數據，通常分為幾何數據、屬性數據和時間數據，分別描述地理現象的空間位置、屬性特征及時間特征三個側面。幾何數據：地理現象的空間位置、空間形態、空間關系等方面。屬性數據：又稱非空間數據，是描述地理現象專題性質的定性或定量數據。時間特征：地理數據采集或地理現象發生的時刻、時段，以及地理現象的動態變化。城市地理信息概念城市地理信息:城市地理空間分布有關的各種要素的圖形信息、屬性信息以及相互空間關系的總稱，是有關城市地理實體的性質、特征和運動狀態表征的一切有用的知識城市地理信息研究范圍劃分城市地理信息以復雜的城市社會、經濟、歷史、文化等的空間表達為主要研究對象，因而需要引入更為寬廣和更為深入的系統分析觀點。城市信息范圍分為宏觀、中觀、微觀三個層次宏觀層次城市看成是區域空間的一個點、增長中心或核心中觀層次對應于城市市域、城市本身、城市中的區，將城市本身看成一個面；對應于城市市域、城市本身或城市中的一個區。微觀層次對應于街區、規劃小區，將城市看成一種立體空間城市地理信息的普遍特征空間分布特征：離散分布的城市地理信息（離散性質：居民點、商業網點等）連續分布的城市地理信息（連續性質：地面高程、氣溫、雨量等）多維結構特征：同一XY位置上具有多個專題和屬性的信息結構，如某一點的高程、地耐力、噪聲、污染、交通等多種信息。時序特征:動態變化特征，及時更新采集數據，預測預報。城市地理信息劃分基礎地理信息包括各種平面和高程控制點、建筑物、道路、水系、境界、地形、植被、地名及某些屬性信息等，用于表示城市基本面貌并作為各種專題信息空間位置的載體；專題地理信息各種專題性城市地理信息，包括城市規劃、土地利用、交通、綜合管網、房地產、地籍、環境等，用于表示城市某一專業領域要素的空間分布及規律。城市地理信息的基本特征數據量大

具有空間特征，時間特征，容量很大、具有不同時間版本。數據分布不均勻

空間分布不均勻，大都市復雜，中小城市簡單。拓撲關系復雜

復雜的空間關系，建筑物與街道的鄰接關系、公路城市穿越關系等。多重屬性結構同一城市地理現象有多方面屬性特征：如城市屬性包括面積、人口、工業產值等不同城市地理現象占據同樣空間位置，地理現象在空間位置上的重疊和部分重疊。城市地理信息的基本特征多尺度特征

同樣的地理現象，如采用不同尺度來研究，研究的結果往往也會不同。所以，一定要采用合適的尺度來研究。時空尺度：市域尺度、城區尺度、街區尺度、甚至到樓幢和門牌號、等。時間尺度：不同時期的城市遙感影像、城市地形圖，城市政區圖。數據來源多樣化

地圖數字化、實測數據、試驗數據、遙感與GPS數據、統計普查數據、理論推測與估計數據、歷史紀錄數據等。多種數據需要預處理。表現形象性利用地圖進行城市空間信息可視化，直觀反映城市地理信息。電子地圖、三維地圖等多種表現方式，豐富了城市地圖的內容。城市地理信息的認知客觀性與抽象性的認知客觀存在性是指地理信息是地理客體存在方式、運動狀態和屬性的反映，是識別地理信息的客觀依據。抽象性是指地理信息已經擺脫了地理客體本身，是地理客體的抽象化，表現為符號、形狀、公式、數字等。時空統一性的認知時空特征，空間的差異、時間過程的不同空間特征是區別于其他信息的標志時間特征，隨時間變化，階段性、周期性、順序性、不可逆性。城市地理信息的認知可存儲性與可傳輸性的認知地理信息的可存儲性與可傳輸性是指借助于一定的載體可以對地理信息進行記錄并借助一定動力進行傳輸的?？啥攘啃耘c近似性的認知可度量性信息是可以度量的，按照ClaudeShannon的觀點，信息量的大小通常用熵表示：H(x)為信源熵，Pi是大于0小于1的概率值，信息量越大，負熵越大。城市地理信息的認知可度量性思考下面三幅圖信息量的大??？？像素值全為0像素值全為255遙感灰度影像在圖像中，Pi是某個像素值出現的概率。城市地理信息的認知可轉換性與可擴充性的認知可轉換性表現在地理信息的產生和形式的轉換。可擴充性人們在認識地理客體本質屬性的過程中，有一個不斷深化、不斷擴充的過程。例如：在規劃城市商業網點時，按通常概念商業網點分布的疏密程度與人口分布的密度有關。通過進一步分析和研究發現，商業網點分布的疏密程度還與道路的通達情況、商業的性質有關。再進一步分析和研究還可以發現商業網點分布的疏密程度與居住在不同城區居民的文化程度、居民的生活習慣、民族分布等諸多方面因素有關。城市地理信息的地位和作用國家政策：《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》、《國務院關于促進地理信息產業發展的意見》將地理信息產業提升為國家戰略。機構設置：國家測繪局更名為國家測繪與地理信息局產業發展：2011年中國地理信息產業1500億元，十五期間年均增長超過25%。十二五期間，地理信息產業將保持總產值25%以上的年平均增長率，到2020年形成萬億元的年產值。數字城市的實施：截至到2012年上半年，全國啟動數字城市建設的城市已達到267個，占比80%，增幅為20%，其中，東北、華東等地區的發展力度最大。城市地理信息的地位和作用城市地理信息的作用主要表現在以下幾個方面：可以把城市地理空間及其過程進行壓縮，重視城市的過去，預測城市未來發展態勢。實現地理信息的采集、傳輸、預測預報和決策一體化，使決策反饋周期縮短，使驗證成為可能。為解決城市發展諸多問題，提供空間數據基礎，實現數據的融合、知識的挖掘?？深A見的實現途徑是“數字城市/智慧城市”城市地理信息的研究意義城市規劃、建設與管理城市規劃管理信息系統、規劃管理數據庫、規劃業務一站式服務平臺、規劃評估與趨勢預測等。城市化與城市可持續發展解決城市化發展帶來的一系列問題：布局混亂、環境危機、資源危機、耕地浪費等。廣義建筑學與周圍環境的協調，實現人、建筑、自然環境的動態、和諧發展。小城鎮規劃與建設構建小城鎮發展規劃的空間格局，城鄉一體化、城鄉統籌城市住宅產業發展社區規劃設計、房地產評估、房地產三維瀏覽系統、地價評估社會與公眾服務導航、安保、應急、旅游、公共衛生服務等。信息技術在城市規劃管理中的應用輔助城市規劃師完成城市規劃、詳細規劃等，主要模型有：優化分析模型可用于城市功能區的劃分、選址、規劃方案的評價、土地評價、環境質量評價等。比較分析模型

主要目的是反映城市的空間發展與變化特征，即同一地區、不同時間的城市土地利用柵格層，經比較分析后不但要能反映變化數量，而且要能反映變化的空間位置和分布。規劃者與管理者可從數量和空間位置兩方面了解城市發展的趨勢。聚類與統計模型

聚類分析主要針對柵格數據的再分類和多層柵格疊置結果的再分析等操作。統計模型包括單因素不同狀況的統計，多因素交叉統計，頻率統計等簡單運算和統計學涉及的多種統計與檢驗模型。預測模型根據一定數字模型，估算人口、用地、經濟發展規模。結合CA，多智能體在空間上進行分布預測。城市地理信息系統的形成與發展城市地理信息系統（UGIS，UrbanGeographicInformationSystem）是融計算機圖形和數據庫于一體，儲存和處理空間信息的高新技術。它把城市的地理位置和相關屬性有機結合起來，根據實際需要準確真實、圖文并茂地輸出給用戶，滿足城市建設、企業管理、居民生活對空間信息的要求，同時借助其獨有的空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策。UGIS在城市中得到了廣泛的應用（行業的信息分析、政府、企業、個人的數字化生存、共享與服務），隨著數字城市的進一步發展，城市不再是工廠、住宅、道路等的簡單空間組合體，而將是一個在計算機網絡、電子通信技術控制下的復雜生態系統，UGIS將成為城市復合生態系統的神經中樞。UGIS的功能從數據處理分析和表達的技術角度

概括為數據獲取、轉換和編輯、數據重構和轉換、數據分析與表達、查詢檢索以及成果輸出等六種主要功能，這是面向城市地理信息系統專業人員的概括；從用戶應用的角度

從用戶使用UGIS對城市進行管理與規劃的角度去描述，可概括為三種功能：管理功能

建立城市地理信息系統，實現各種信息的數字化、標準化和計算機化，從而達到統一管理、數據共享和促進辦公自動化目的，實現信息的快速查詢檢索、實時交換以及可視化表達和輸出，逐步形成一個以計算機為核心的城市動態管理系統，對城市實行現代化管理。UGIS的功能評價分析功能

通過建立不同的分析模型和輔助決策支持系統，對城市某單一或綜合性問題，如交通網絡、投資環境、規劃管理、企業選址或工程效益等，進行綜合評價分析，提出方案，供主管部門決策參考，也包括應付一些突發性事件，如城市洪水、火災等災害，也可通過相關的分析評價，作出快速反應。規劃與預測功能

根據城市現狀、發展趨勢和潛在能力等綜合因素，通過不同預測模型來展現可能的前景，供中長期規劃和宏觀調控作參考之用，UGIS是支持這種規劃與預測功能的有力工具。UGIS的歷史和現狀從地理信息系統在城市管理、規劃和輔助科學決策的應用角度來看，其歷史進程一般如下文所述：首先是應用于靜態的城市資源管理，如建立城市的基礎地理信息數據庫、地籍數據庫和地下管網數據庫等，實現城市資源的計算機管理。在登錄、查詢、檢索和圖形輸出等方面，比傳統工作有了很大的提高。（建立信息系統）然后，面向城市規劃，推進辦公自動化，擴大服務范圍，提高城市動態模擬和監測的能力，初步實現對城市的規劃管理和評估分析。（提高應用能力）第三步是面向城市可持續能力的建設，隨著城市化的不斷發展，城市群落逐漸形成，城市發展由速度向質量的轉型，網絡化管理和動態調控需求增加，以及遙感、全球定位系統、計算機和網絡通訊技術的進步和綜合應用，城市地理信息系統因其具有動態監測管理和宏觀調控能力，必然在城市持續發展能力的建設上日益發揮其龍頭作用。（宏觀、全面、智能、大數據量處理、面向服務）UGIS的歷史和現狀國外“數字城市”的發展歷程和趨勢，大體經歷四個階段：（1）信息基礎設施建設階段；（2）政府、企業的信息系統建設階段；（3）信息系統的相互聯通階段；（4）以數字社區為代表的信息資源共享和深度應用階段。就目前總體狀況而言，大部分國家處于前兩個階段，少數發達國家已基本完成前三個階段的發展，正在向第四階段邁進。UGIS的歷史和現狀國別啟動時間建設特點電子政務與公共服務情況美國1993年由政府主導建設，重視信息基礎設施建設，首先實現電子政務，再逐漸向公眾一站式服務方向發展?？臻g數據豐富,服務規范和應用領域廣泛和深入,服務和產品商業化程度高,普及程度高。日本2000年加強組織領導，實施城市信息化戰略。較早完成地理空間信息基礎設施建設，注重面向公眾的信息基礎設施建設。重點實施電子政務，電子政務與公共信息服務同時推進。減少數字鴻溝，讓城市信息網絡服務惠及每個市民信息基礎設施發達，較早實現了電子化、無紙化辦公?！皵底稚鐓^”逐步形成。德國1999年由國家主導率先推行電子政務，有計劃實行全國的電子政務整合。重視電子商務的發展。電子政務重視為企業服務，通過電子政務，采用先進的通信技術，努力促進電子商務的發展。新加坡1986年政府強勢主導，推進電子政府建設。重視信息通信基礎設施建設，建立聯系政府、公民、企業的電子社會。提升資源整合的能力，實現城市綜合信息共享和網絡的融合。已經建立電子政府，政府、公眾、企業的溝通通過信息通信技術更聯系緊密起來，通過深度整合電子政府，向智能化國家的目標邁進。重視和加強政府主導，積極引導市場參與。以電子政務作為突破口，加快推進數字城市建設。加強基礎設施建設，整合信息資源，消除數字化鴻溝。UGIS的歷史和現狀部門建設模式示范城市住房與城鄉建設部城市規劃、建設、管理與服務的數字化；綜合運用GIS、遙感、遙測、網絡、多媒體及虛擬仿真等技術對城市的基礎設施、功能機制進行信息自動采集、動態監測管理和輔助決策服務。北京、武漢、寧波、杭州等測繪地理信息局海量城市空間數據與三維城市地理信息系統、時序城市地理信息系統的融合；建設空間信息基礎設施，進一步深化和完善城市地理信息系統建設，并在此基礎上深度開發和整合應用各種信息資源。鄭州、佛山、泰州、潛江等工業和信息化部通過建設寬帶多媒體信息網絡、地理信息系統等基礎設施平臺，整合城市信息資源，實現城市經濟信息化，建立城市電子政府、電子商務企業、電子社區；并通過發展信息家電、遠程教育、網上醫療，建立信息化社區。鄂爾多斯東勝區城市規劃與管理的數字化城市地理空間框架的搭建就國內情況看，北京、上海等大城市起步較早，就全國而言，發展很不平衡，基本處于起步階段。數字化系統的建設與集成UGIS的框架結構體系UGIS的框架結構應該包括以下三層：基礎層

即基礎信息子系統，主要包括大比例尺（例如1：500—1：2000）地形圖的地形要素，為所有專題子系統提供統一的空間定位基礎；這類數據庫應由市政府支撐建立，壟斷發行權，不準重復建設。專題層

即公共基礎加專業信息形成的專題信息子系統，一般應首先發展城市土地、城市規劃、城市交通、市政建設等帶有專題基礎作用的子系統。綜合層

即最上層的城市綜合地理信息系統，從開始建設地理信息系統之日起，理應對它有所考慮，但要等到基礎層和專題層建成之后，方能著手進行。綜合層對城市的綜合規劃、管理和決策有著重要意義。UGIS的框架結構體系UGIS的框架結構體系要素提取、加工數組重組、產品制作數字正射影像圖數字線劃圖影像地圖電子地圖三維景觀地理信息公共平臺WFS、WMS

WCS、…應用系統數字高程模型基礎地理信息數據庫面向服務的產品數據UGIS的框架結構體系哇！真方便，點點鼠標就能查到各部門數據了！公安局房產局公用事業局規劃局市政府旅游局國土局公共服務平臺旅游地理信息系統搭建式綜合式金土工程應用系統領導決策支持系統嵌入式房產信息服務系統接口式地名管理信息系統還能快速搭建應用系統呢！UGIS與GISUGIS是基于城市空間的地理信息系統，是地理信息系統在城市規劃、建設和管理中的綜合應用。其內容涉及城市和區域的各種社會、經濟和環境要素以及人類大部分社會活動。UGIS具有下面一些主要的特點：數據類型的多樣性和服務對象的多層性。

基礎地理數據、各種專題數據、社會經濟統計數據等。政府、企業、公眾的需要，管理、評價、規劃、預測的需要。精度高、現勢性強。

UGIS是地理信息系統在大比例尺地學中的應用。例如，它用于房地產和地籍的管理，為此要采集和處理宗地數據，其精度要求甚高。另外，城市化進程和城市發展加快，對信息更新的時效性要求也隨之提高，已經提出“逐日更新”的要求，以確保系統內信息良好的現勢性。UGIS與GIS模型化、智能化和多功能性。

UGIS既要實現管理現代化，又要實現策略的制訂和優化，它必然要有一整套分析、評價、預測和優化的模型，并具備管理、評價分析和預測預報等多種功能，它比一般地理信息系統應有更綜合和更高級的智能化需求。與辦公自動化的一體化。

城市政府業務部門的辦公自動化是UGIS應具備的功能之一，也是確保UGIS具有生命力和信息更新能力的一個非常重要的途徑。因此，政府職能部門的辦公自動化最好能充分應用UGIS的技術，并形成一體化的系統結構。UGIS的特點嚴格的層次結構和高度統一的規范標準

城市的職能部門很多，結構相對復雜。因此，對于一個UGIS，從其底層的基礎地理信息子系統，到中層的各種專題子系統和高層的綜合子系統，在