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国内城市GIS面临的机遇和挑战

  城市地理信息系统(简称城市GIS)是地理信息技术(包括地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS,统称3S技术)及其它相关信息技术在城市政府、企业的管理与决策及市民社会生活中的应用。它利用地理信息技术将城市系统中地理环境的组成要素及其相互关系映射到信息空间(Cyberspace),建立城市现实地理环境的空间信息模型,构造一个与现实城市相对应的虚拟"数字城市",为城市政府和企业的管理与决策及市民社会生活提供信息服务。

  城市GIS是由人、软件、数据、硬件、网络等要素构成的系统,它与城市现实社会的物理接口是由计算机、网络及相关设备实现的。

  城市系统是一个人地(地理环境)关系系统,它体现人与人、地与地、人与地相互作用和相互关系,城市系统由政府、企业、市民、地理环境等,既相对独立又密切相关的子系统构成。政府管理、企业的商业活动、市民的生产与生活无不体现出城市的这种人地关系。

  信息化的浪潮席卷全球,城市作为一定区域内的政治、文化、经济和信息中心,则首当其冲。城市的信息化实质上是城市人地关系系统的数字化,它体现“人”的主导地位,通过城市信息化更好地把握城市系统的运动状态和规律,对城市人地关系进行调控,实现系统优化,使城市成为有利于人类生存与可持续发展的空间。城市信息化过程表现为政府管理与决策的信息化(数字政府),企业管理、决策与服务的信息化(数字企业),市民生活的信息化(数字城市生活),即数字城市。

  城市GIS是“数字城市”是核心的部分,城市中“人”的一切活动,从城市管理到企业为市民提供各种服务,以及每一个市民生产与生活,都离不开“地”;。没有城市GIS的数字城市,如同没有市区的城市,不能称其为“数字城市”。理想化的城市GIS由政府GIS、企业GIS和社会GIS构成,通过网络(局域网、Internet、宽带网、有线电视网、公用电话网等)将政府、企业和社会联成一个整体,实现资源的共享。

  国内城市GIS的发展过程是一个从政府GIS向企业GIS乃至社会GIS发展的过程。

  政府GIS

  国内早期的城市GIS建设主要侧重于政府GIS。城市GIS是投资大、见效慢的项目,只有政府才有条件率先建立城市GIS。因为,政府部门,尤其是城市规划、土地、房产部门是城市空间数据的主要生产者、管理者和使用者,政府对城市空间数据的采集、使用和处理拥有垄断地位,而城市空间数据是建立城市GIS的必要条件;政府管理与决策迫切需要GIS的支持。

  八十年代中期,应城市规划管理世界银行贷款项目的要求,洛阳、常州、沙市等城市开始着手建立为城市规划GIS。八十代末,上海建立了2.5平方公里的样区实验系统。九十年代初,由于城市建设的高速发展,海口、深圳、北海、淄博等城市纷纷建立了为城市规划管理服务的政府GIS,城市规划GIS得到了迅速的发展。早期的城市GIS主要是为城市规划管理服务的政府GIS,它体现了城市规划在城市管理中的龙头作用和城市决策者希望对城市建设总体把握的要求。到九十代中期,为土地管理服务的政府GIS开始引起重视,南宁、南京等城市开始建设土地信息系统。九十代后期,随着国家对土地资源的重视,土地信息系统的建设热潮开始形成。与此同时,政府的其它部门也在开始应用GIS技术,如"110"、"12315"、"120"系统开始把GIS与GPS技术纳入应用范畴,环保部门利用GIS建立环境GIS。在第三次人口普查中,提出了建立人口地理信息系统的要求。

  建设部提出的"城市规划、建设、管理与服务数字化工程"十五重点科研项目,抓住了城市信息化建设的关键,为城市GIS的发展带来了新的机遇。国土资源部提出的"数字国土工程"也将从国土资源管理的角度推动城市GIS的发展。

  目前,政府GIS还停留在部门GIS水平,各政府部门之间由于条条块块的分割,相互封锁,形成了各自为政的政府GIS孤岛。从"数字城市"的角度,政府部门的GIS应该是一个整体,才能实现系统资源(数据、软件、硬件、网络和人才)的共享。从城市规划、土地、房产及城市建设管理中的人地关系(见图3)可以反映出这种整体性的要求。如果,城市规划、土地、房产和城市建设管理部门的GIS能围绕业务所涉及的人地关系这一管理的中心环节,实现数据共享,将可以大大地提高管理的质量和效率,减少工作失误,同时也可以为政府其它部门及企业和市民提供更多的信息服务。如可以由开发商的资料,可以查询开发商开发房地产项目过程中,办理各种许可证、房地产抵押和查封的情况,以及土地、房屋的空间位置和配套设施的情况,反过来,也可以由土地、房屋的资料查询开发商的有关情况。这样,通过城市GIS将各管理部门联成一体,可以避免缺乏信息共享所造成的管理失误,如没有办理土地证,先办房产证的情况,也就相应减少了房地产纠纷。同时,有关的数据(土地、房屋、市政设施)可以用于小区的物业管理系统建立,拓宽企业GIS的应用领域。从整体考虑政府GIS建设,将为城市GIS的发展提供更多发展空间。

  企业GIS

  政府GIS的发展为企业GIS建立提供经验和数据基础。企业是以赢利为目的,企业应用信息技术是为企业的管理与决策服务,通过提高管理与决策水平,最终到达提高企业利润的最终目的。GIS如果不能满足企业发展需要,企业不会投资建立GIS系统。

  GIS在企业中的应用主要可以解决两方面的问题:

  一、企业设施管理问题;

  二、商业管理与决策问题。

  九十年代中后期,为城市提供基础和公用设施服务的企业开始着手建立设施管理GIS系统,主要是城市供电、供水、煤气、电讯、有线电视和交通GIS。一些大型的企业开始建设企业内部设施管理GIS。通过建立企业的设施管理GIS,企业可从设施空间分布的角度了解设施的状况,摸清家底,提高企业设施管理和维护的效率,充分合理地利用各种设施,优化服务,节约成本,从而产生经济效益。虽然,目前企业设施管理GIS应用水平不高,但随着国内设施管理GIS技术的成熟,它将成为城市GIS的主要增长点。

  GIS作为一种空间分析与决策技术,可以在商业管理与决策中应有,如在商业网点的布设、物流管理、客户关系管理(CRM)、电子商务中发挥作用。GIS有助于企业了解客户及其需求、合作伙伴、资源、商业竞争对手等商业要素的空间分布及规律,为企业管理与决策提供依据,提高企业的服务质量、效率与水平,使企业在竞争中立于不败之地。目前,这方面的应用在国内尚属空白,但在国外已经有较多的应用,并形成了商业地理分析这门技术。随着,市场经济的发展,这方面应用将可能在企业中普及,但应用的关键是企业能较方便的获得所需的空间信息和实用的GIS软件。

  企业GIS所需的数据,尤其是基础地理数据主要来源于政府GIS,这将有利于政府GIS直接经济效益的产生,从而推动政府GIS的发展。而政府GIS的发展反过来将促进企业GIS的发展。

  社会GIS

  九十年代后期,一些GIS公司开始开发集软件与数据于一体的城市电子地图光盘,如《北京通》、《广州之窗》,为市民和游客在城市中的衣、食、住、行提供方便,这些光盘可进一步发展可以成为汽车导航以及商务地理分析的工具。随着Internet和WebGIS技术的发展,为企业和市民提供城市空间信息服务的GIS网站开始出现,比较有影响网站的主要有Chinaquest和Go2map,这些网站尝试通过Internet提供网上地图浏览服务,为电子商务提供城市空间信息基础平台。这些应用标志着社会GIS的发展,城市GIS的应用领域的拓宽,同时也加深社会对GIS的认识,GIS技术将通过社会GIS深入千家万户,扩展GIS的市场空间。

  随着,戈尔的"数字地球"概念的提出,"数字城市"作为"数字地球"概念的引伸,使城市GIS迈入了更为广阔的发展空间,城市GIS作为"数字城市"的核心部分,要求突破条条块块的制约,从城市系统的整体考虑,将政府、企业和社会GIS通过网络联成一个整体,实现资源的共享和系统的互动,为城市建造一个虚拟的地理信息空间,使人们将生活在现实空间与虚拟信息空间之中,过着"现实生活"与"数字化生活"水乳交融的城市生活。数字化生活是现实生活的反映,同时也是现实生活的一种发展,它将改变人类生活方式和人类与环境之间的关系(人地关系),使人类生存和发展发生根本性的变化。

  城市GIS发展的技术基础

  信息技术尤其是GIS技术的发展为城市GIS发展奠定了基础。

  首先,硬件的性能按摩尔定律在不断提高而相对价格不断地降低,使微机成为GIS应用的主流机型,Windows系列操作系统的发展,使大量的GIS软件可以在微机环境下运行,结束了GIS必须在UNIX工作站下运行的历史,使GIS软、硬件投资大幅度降低。

  组件式GIS的发展使GIS可与其它IT应用紧密的集成,使GIS不再曲高和寡。长期以来,困扰着政府GIS应用的"图文一体化",即办公自动化与GIS应用一体化集成问题,迎刃而解。

  面向对象技术的应用,改变了GIS的传统设计方法与思想,使GIS系统能更好地反映现实地理空间各种空间要素及其相互关系,甚至空间现象与过程。目前,GIS数据对象,除了具有图形(Geometry)和属性(Attribute),已经开始被赋予行为(Behavior),甚至规则(Rule),为GIS的智能化奠定了基础。GIS对象数据模型在不断的完善和发展,使GIS描述现实地理空间时,更加得心应手。

  采用关系数据库管理空间数据,解决了海量空间数据的管理问题,使GIS系统的C/S结构得以真正地实现,为B/S结构发展奠定了基础。同时也为多用户并发操作、历史空间数据的管理提供解决方案。使空间数据对象可与非空间对象在关系数据库中并存,并建立关联。利用SQL进行空间数据与非空间数据的操作。GIS已经得到了数据库厂商的重视,如Oracle、Informix,这些厂商推出了各自的空间资料的解决方案,如OracleSpatial、InformixSpatialBlade,这也从侧面反映了GIS在IT中地位的提升。

  基于离散小波变换(DWT)的影像压缩技术为航空、卫星遥感影像在GIS中的应用提供新的技术手段。这种影像压缩技术可以将影像压缩率为1:20-1:30,甚至更高,并且可以实现多幅影像拼接压缩,虽然是有损压缩,但不影响视觉效果,而且能快速地按需解压,所占用的内存非常少,不影响GIS软件的运行。目前基于离散小波变换(DWT)影像压缩格式主要有ERmapper的ECW和Lizardtech的MrSID,并得到许多GIS软件的支持。香港政府地政署曾将全港的彩色航空影像压缩为一个ECW文件,可以进行快速的浏览。海量影像资料在GIS中的应用已成为现实,而小卫星高分辨率(1米分辨率)遥感影像商业化为城市空间数据的获取提供了新的手段,如IKNOS、KOSMOS等。

  OpenGIS联盟所提出的一系列OpenGIS规范为空间数据共享和互操作奠定了基础。另外,XML技术的发展,为GIS空间数据在Internet上交换与应用提供了可能,OpenGIS联盟已经提出了基于XML的GML规范。

  WebGIS技术发展使通过Internet浏览空间数据成为现实,大大增加了城市GIS的用户群,促进了GIS应用领域的扩展。随着网络带宽的提高,WebGIS将有可能进一步发展为InternetGIS,现有GIS的许多数据分析、处理功能可以在Internet上实现,而不仅仅限于数据的查询和浏览。

  国产GIS软件正在迅速地发展与成熟,国产GIS软件有可能如同国产电视机一样,在国内市场占主导地位。这将大大地降低GIS软件的价格,促进GIS应用的普及,以此同时,国产GIS将走向世界。

  总之,GIS技术不断地发展和完善,为城市GIS的发展奠定了坚实的基础,同时,也为城市GIS的应用提供了更多的机会。

  城市GIS面临的挑战

  机遇往往伴随着挑战,城市GIS发展将面临许多方面的挑战。实际上,城市GIS发展面临的挑战不是技术问题,最根本的还是空间数据及其共享的问题,归根结底是管理体制和观念的问题。

  空间数据的形式、内容、质量、现势性及空间数据的共享问题,是制约当前城市GIS发展的最大问题。

  空间数据不同于一般的非空间数据,其主要来源是地形图、地籍图、房产图及其它专题地图,其采集需要专业的人员和采用复杂的技术手段,而且工作量大、投资大,其工作主要由测绘部门承担,由政府管理和投资。

  地形图、地籍图与房产图,在城市基础地理数据方面的内容基本上是一致的,只是地籍图与房产图增加了地籍与房产的专题内容(如宗地、丘、房屋栋号),而城市中的宗地和丘是一致,反映土地的权属范围和界线。建立GIS以后,完全有条件实现三图的统一。由于地形图、地籍图和房产图分属规划管理、土地管理和房产管理部门,各种图的测绘由各主管部门各自为政进行,标准不统一,多数情况下没有真正实现基础地理数据的共享,三图中的基础地理数据出现了重复测绘和重复建库的现象,造成了巨大的浪费。一些GIS专家和开发人员提出了"三图统一"的设想,由于没有统一的标准和规范,难以在全国范围内的实施。实现"三图统一"有利于数据的共享,将促进城市GIS的发展,但必须从法规、政策和标准上加以明确,否则,相关的主管部门将从部门利益角度,人为地设置障碍,影响"三图统一"。

  国内现有的地形图图式主要沿用苏联的标准,图式复杂,主要满足手工制图的要求,现有的大多数GIS软件制图功能都难于达到这一标准,出现了一些国外的GIS软件水土不服的情况,而开发人员则要花费大量的精力解决制图问题,而忽略了数据内容(数据对象及它们之间的逻辑关系),以致于90年代中期,CAD软件在GIS应用中盛行。但CAD软件善于表现形式,能够在形式上满足人们对地图的要求,而不善于表现内容,系统应用拓宽时,要提取专题数据和进行分析,却非常困难。另外,CAD软件虽然编辑和修改数据非常方便,但数据对象及它们之间逻辑关系缺乏约束,系统运行几年下来,数据是一团乱麻,存在隐患。因此,90年代后期,GIS的软件又重新得到重视。但是,如果不从根本上解决地形图的图式问题,城市GIS的发展要取得突破,将是非常困难的,可以说,现有的地形图图式制约着城市GIS的发展,现在到了改变这种只重表现形式,而不重视数据内容的观念的时候了。

  在手工条件下,政府部门日常管理中所使用的空间数据质量问题是无法发现的,当采用计算机管理以后,数据的质量问题便暴露出来,这需要政府部门花大力气和长时间的努力长能解决,政府部门要有清醒的认识。对于计算机来说,输入的是垃圾,出来的还是垃圾,不大可能变成金子。

  传统的城市空间数据更新主要采用阶段性更新方法,四、五年一个周期,进行大面积的修测和补测,这种方式不能满足数据现势性的要求。GIS系统建立后,是有条件和有可能进行小范围的局部更新,政府可以通过竣工验收的方式,进行竣工测量,把数据更新工作化整为零,达到及时更新的目的。这就要求,政府下决心建立竣工测量制度,解决竣工测量的职责分工和经费的问题。政府GIS中心最好能把城市测绘纳入中心的管理范畴,使数据更新得到保障。城市测绘与城市GIS结合将营造一种双赢的局面,近期城市测绘可以为GIS可以为城市GIS的发展提供一些经费的支持,远期城市GIS的发展可以拓展城市测绘的服务空间和促进服务的多样化,从而促进城市测绘的发展。

  城市GIS要体现城市的社会、经济统计要素的空间分布,以便为管理、决策服务。而社会经济要素的统计往往是以行政单元为单位进行的,按区、街道办事处、居委会分级统计,据笔者了解,目前国内没有一个城市能准确地将居委会一级的区域范围划分出来,也就难以实现城市社会经济要素信息的空间定位与空间分析。

  企业在建设GIS首先面临的是如何获得城市空间基础数据的问题,政府GIS中心常开出高价,企业难以接受,要么不做,要么投入一笔钱自己做,有时企业自己重新数字化建库,比买现成的数据库还要便宜,这种现象是不正常的。实际上,政府GIS中心完全可以采用数据租用和提供后续服务的方式,为企业提供更廉价的数据,但因为缺乏数据产权保护的法规,而不愿意采取这种方式,形成了一个死结。一方面,政府GIS的数据只能局限于政府内部使用,政府却缺乏资金更新数据,另一方面,企业想利用合理的价格购买数据,却办不到。

  现阶段,政府GIS往往只有系统建设投资,而没有运行与维护的费用,缺乏GIS信息服务收费的配套政策与标准,政府GIS中心往往作为事业单位甚至自收自支的事业单位,因在经济上缺乏保障,技术人员只能疲于寻找挣钱的项目,根本无暇顾及系统建成以后的完善与发展,几年下来,数据没有更新、软件落后了,变成了死系统。许多系统往往是验收之日,就是系统生命周期的结束之时。与此同时,政府GIS中心的人才在原本不足的情况下,为GIS广阔的市场所吸引,开始流失,影响系统的发展。最后出现"猴子捡包谷,捡一个,丢一个",没有多少真正具有生命力的城市GIS系统,这种浪费是惊人!

  另外,许多城市决策者还没有真正认识到城市GIS在城市管理与决策、城市投资软环境改善中的重要性,对城市GIS并没有引起足够的重视,往往热衷于城市有形的基础建设,而忽视城市GIS这种无形的信息基础设施建设。某种意义上,城市GIS首先是城市决策者的信息系统,决策者不重视,没有决策者的组织与协调,城市GIS是没有生命力。

  总之,国内城市GIS十多年的自由发展,已经积累了许多经验和暴露了一些问题,现在到了需要规范化的时候,要尽快建立城市GIS的一些法规、标准和制度,从体制根本解决问题,否则,城市GIS的发展就会如同没有交通规则的高速公路,将出现惨不忍睹的交通事故和交通堵塞现象,损失难以想象。

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