地理信息系统在城市规划中的应用

（一）空间数据和属性数据

1.空间数据

地理信息系统将所处理的数据分为两大类：第一类是关于事物空间位置的数据，一般用图形、图像表示，称为空间数据，也称地图数据、图形数据、图像数据。第二类是和空间位置有关，反映事物某些特性的数据，一般用数值、文字表示，也可用其他媒体表示（如示意性的图形或图像、声音、动画等），称为属性数据，也称文字数据、非空间数据。

在地理信息系统中，为了表达和管理现实世界，需要对其进行抽象。该抽象过程通常包括两个步骤，首先根据描述对象对现实世界进行分层，每层描述了一个专题；然后对于每层而言，根据其特征，抽象为离散的地理实体（如道路）或连续的地理现象（如土地利用）。

2.空间数据对地理实体的表达

空间数据对地理实体最基本的表示方法是点、线、面和三维体。

（1）点是该事物有确切的位置，但大小、长度可忽略不计，如客户分布、环保监测站、交通分析用的道路交叉口。

（2）线是该事物的面积可以忽略不计，但长度、走向很重要，如街道、地下管线。

（3）面是该事物具有封闭的边界、确定的面积，一般为不规则的多边形，如行政区域、房屋基底、规划地块。

在通常的地理信息系统实现中，将点、线、面等实体以文件方式储存在计算机中，通常称为空间数据。

3.属性数据

典型的属性数据如环保监测站的各种监测资料，道路交叉口的交通流量，道路路段的通行能力、路面质量，地下管线的用途、管径、埋深，行政区的常住人口、人均收入，房屋的产权人、质量、层数等。它们通常存放于关系数据库管理系统中，并基于一个唯一标识码与相应几何体进行连接。

4.三维表面

空间上连续分布的现象可以抽象为三维表面。所谓三维表面是该事物在一定地理范围内边界比较模糊，在空间上可能是逐渐或连续变化的，突变只是个别的，如不规则的地形表面、大气中的二氧化硫含量等。在地理信息系统中，三维表面一般以离散点、不规则三角网、等值线、格网等方式表示。

（二）栅格数据

1.栅格数据的概念

对于地理空间数据而言，GIS有两大基本存储模型，一种是矢量数据模型，一种是栅格数据模型。栅格数据模型与矢量数据模型是地理信息系统中空间数据组织的两种最基本的方式。

2.栅格数据的形式

同样信息的表达，在矢量数据模型中是清晰的点、线、面的实体，表达河流、湖泊、地块这样的信息。而在栅格数据模型中，则是一个个的格子，相同的像元值在地图上展示出相同的颜色，从而也呈现出河流、湖泊、地块的形态。

栅格数据是以二维矩阵（行和列或格网）的形式来表示空间地物或现象分布的数据组织方式，每个矩阵单位称为一个栅格单元（cell），每个像元都包含一个信息值（例如温度）。

栅格的每个数据表示地物或现象的属性数据。因此栅格数据有属性明显，定位隐含的特点。而矢量数据结构是利用点、线、面的形式来表达现实世界，具有定位明显，属性隐含的特点。

3.栅格数据模型

现实世界现象主要有三类可以用栅格数据模型来管理：

（1）专题数据（又称离散数据）：表示土地利用或土壤数据等要素。

（2）连续数据：表示温度、高程或光谱数据（如卫星影像或航空像片）等现象。

（3）图片类：包括扫描的地图或绘图，以及建筑物照片。

4.栅格数据模型要素

栅格在GIS中也称为格网或图像。栅格数据用单个像元作为点，用一系列相邻像元作为线，用连续像元的集合代表面。

（1）像元值：栅格的单元值可以是类别或数字。像元值应赋在像元的中心。

（2）像元大小：栅格的单元大小是指单个元胞所代表的面积大小。像元大小决定了栅格数据的空间分辨率。

（3）单元深度：栅格的单元深度是指用于存储单元值的比特数。较高的单元深度意味着可以存储更大范围的数值。

（4）栅格波段：栅格数据可能是单波段或多波段。单一波段栅格数据中每个像元只有一个像元值。

（5）空间参照：栅格数据必须具有空间参照信息，这样在GIS中，它们才可以和其他数据集进行空间配准。经过与投影坐标系匹配处理的栅格数据通常称为地理参照栅格数据。

5.栅格数据结构

栅格数据结构是指对栅格数据编码和存储在计算机中的方法。常用的三种结构是逐个像元编码、游程编码和四叉树编码。

（1）逐个像元编码：提供了最简单的数据结构，栅格模型被存为矩阵，其像元值写成一个行列式文件。

（2）游程编码：当栅格数据含有许多重复格网值是，像元依序编码方法就会显得效率不高了，这时候可用游程编码更有效的存储，它是以行和组来记录像元值的。每个组代表拥有相同像元值的相邻像元。

（3）四叉树编码：四叉树不再每次按行进行处理，而是用递归分解法将栅格分成具有层次的象限。递归分解指的是续分过程，直到四叉树的每个象限中仅有一个像元值。

（4）头文件：为导入栅格数据（如DEM或卫星影像），GIS软件包必须具有栅格数据的相关信息，如数据结构、区域范围、像元大小、波段数和用于表示无数据的值。此类信息通常包含在头文件中。

6.数据转换与综合

栅格化：矢量数据转化为栅格数据称为栅格化。

矢量化：栅格数据转换为矢量数据称为矢量化。

7.栅格数据的一般特征

在栅格数据集中，每个像元都有一个值，用来表达所描绘的现象，如类别、高度、量级或光谱等。其中的类别则可以是草地、森林或道路等土地利用类；高度（距离）则可表示平均海平面以上的表面高程，可以用来派生出坡度、坡向和流域属性；量级可以表示重力、噪声污染或降雨百分比；光谱可在卫星影像和航空摄影中表示光反射系数和颜色。

每个像元值可正可负，可以是整型也可以是浮点型。整型适合表达类别（离散）数据；浮点型则适合表达连续表面。另外，在像元值中，还可以使用　NoData　值来表示数据缺失。同时，每个像元所表示的区域（或表面）的高和宽都相等。例如，表示高程的一个栅格（即，数字高程模型）可能会覆盖100平方千米的区域，如果这份栅格数据包含了100个像元，那么每个像元的高和宽都是1千米，也就是说每个像元覆盖的面积是1平方千米（即：1km×1km）。

像元的尺寸可大可小，具体可根据栅格数据集所描述的表面的精细度来确定。像元的大小可以是平方千米、平方英尺，甚至是平方厘米，它的大小决定了栅格中要素呈现的粗细程度。像元越小，那么栅格所表达的数据就越平滑或越详细。相应地，像元越小，数量也就越多，所需的处理时间会越长，占据的存储空间也越大。但是，如果像元过大，也可能会出现信息丢失或图样模糊的情况。举个例子：如果像元大小超过道路的宽度，那么栅格数据集就很难辨别出道路。

历年真题

1.下列关于栅格数据的说法，错误的是（　）。［2020-45］

A.像元大小：栅格的单元大小，即单元的面积大小，决定了栅格数据的分辨率

B.像元值：栅格的单元值，栅格数值严格来说不是一个平均值

C.单元深度：栅格的单元深度是指用于存储单元值的比特数。较高的单元深度意味着可以存储更大范围的数值

D.栅格波段：栅格数据可以是单波段或者多个波段，单一波段中栅格数据中像元代表一个值

【答案】C

【解析】像元大小：栅格的单元大小是指单个元胞所代表的面积大小。像元大小决定了栅格数据的空间分辨率，A选项错误。像元值：栅格的单元值可以是类别或数字，像元值应赋在像元的中心，B选项错误。栅格波段：栅格数据可能是单波段或多波段。单一波段栅格数据中每个像元只有一个像元值，D选项错误。

2.下列不属于地理信息系统中的空间数据的是（　）。［2019-33］

A.建设项目的坐标　B.建设项目的长度

C.建设项目的时间　D.建设项目的走向

【答案】C

【解析】地理信息系统将所处理的数据分为两大类：第一类是关于事物空间位置的数据，能反映事物本身的物理特征，空间数据对地理实体最基本的表示方法是点、线、面和三维体。

3.在GIS数据管理中，下列哪项属于非空间属性数据？（　）［2013-42］

A.抽象为点的建筑物坐标　B.湖泊面积

C.河流走向　D.城市人口

【答案】D

【解析】GIS用于管理相应的属性数据，以支持各种查询分析，典型的属性数据如环保监测站的各种监测资料，地下管线的用途、管径、埋深，行政区的常住人口、人均收入等。城市人口是一个数字，不具备空间属性。

4.为了描述城市土地利用的情况，可以采用的空间数据方式为（　）。［2012-43］

A.离散点　B.等值线　C.三角网　D.多边形

【答案】D

【解析】空间数据对地理实体最基本的表示方法是点、线、面和三维体。所谓面是指该事物具有封闭的边界、确定的面积，一般为不规则的多边形，如行政区域、房屋基底、规划地块。而城市土地利用情况是用面来表示空间数据的。

5.下列哪种系统必须借助于二维GIS实现？（　）［2011-47］

A.城市规划系统　B.交通管理系统

C.地下管网系统　D.城市拆迁管理系统

【答案】A

【解析】地理信息系统（GIS）是一种以计算机为基础、处理地理空间信息的综合技术，在通常的地理信息系统实现中，将点、线、面等实体的文件方式储存在计算机中，称为空间数据。点：客户分布、环保监测站、交通分析用的通路交叉口站点。线：街道、地下管线。面：行政区域、房屋基底、规划地块。此外，在城市规划等信息系统中，需要表现建筑物的三维模型，以达到更好的模拟效果。综上所述，城市规划系统必须借助于三维GIS实现。

6.下列说法错误的是（　）。［2010-21］

A.GIS在绘图时可按要素的属性来控制符号的表达

B.GIS点、线、面的符号不可以自行设计

C.对于GIS，可以将要素的属性以文字形式注记到地图上

D.对于GIS，可以将要素的多重属性变为圆饼图、直方图、趋势线绘到地图上，制成统计地图

【答案】B

【解析】GIS点、线、面的符号可以自行设计。

7.根据样本的位置和属性推断整个区域内事物在空间上的变化，就是所谓的空间插值法，其结果是产生（　）。［2010-50］

A.栅格图像　B.矢量图形

C.三维表面模型　D.更精确的图形

【答案】C

【解析】某些事物在地表空间上是连续或近似连续变化的，如地形高程、人口密度、土地价格等，但调查工作只能在一定的范围内抽取少量点状的。合理调查对象属性的样本，如何根据样本的位置和属性推断整个区域内事物在空间上的变化，就是所谓的空间插值法，其结果是产生三维表面模型（如果是地形，也称数字高程模型）。

8.地理信息系统将所处理的数据分为（　）。［2010-82］

A.属性数据　B.统计数据

C.空间数据　D.地理数据

E.非文字数据

【答案】AC

【解析】地理信息系统将所处理的数据分为两大类：第一类是关于事物空间位置的数据，一般用图形、图像表示，称空间数据，也称地图数据、图形数据、图像数据；第二类是和空间位置有关，反映事物某些特征的数据，一般用数值、文字表示，也可用其他媒介表示，称属性数据，也称文字数据、非空间数据。

9.栅格数据一般也称图像数据，（　）也常称像素。［2010-49］

A.网格的单元　B.属性数据　C.线元　D.面元

【答案】A

【解析】栅格数据是按网格单元的行列排列，具有不同灰度或颜色的阵列数据。每一个单元（像素）的位置由它的行列号定义，所表示的实体位置隐含在栅格行列位置中。因此，网格的单元也称为像素。

（三）数据来源与输入

1.信息来源与数据输入方法

地理信息系统原始信息的获取途径主要有五种：野外实地测量，摄影测量与遥感，现场考察，社会调查与统计，利用已有资料。

野外实地测量是传统的地图测量方法，现在虽然可以采用电子测量仪器，直接将测到的距离、角度等数据传入计算机，但野外工作量仍然很大。因此，这种方法特别适合局部、零星、小范围、高精度的测量。在城市规划中，这种方式通常用来进行竣工测量。

基于专用人造卫星的全球定位系统（GPS），主要用于测绘控制网的坐标定位，直接用在一般地物的定位测量，尤其对野外、移动的物体特别有效。摄影测量和遥感在技术原理上是一致的，都是利用地面对电磁波的反射、吸收、辐射来判断地表物体的位置和属性。传统影测量获得的是感光照片（最常用的是航空摄影照片）。

现场考察和实地踏勘是城市规划工作必不可少的信息获取途径。社会调查与统计也是地理信息系统的重要数据来源，但目前国内绝大多数的统计资料缺乏确切的地理定位，给GIS在人文、社会领域的应用带来诸多不便。随着社会各领域逐渐向信息化迈进，现有的、历史的资料将成为实用地理信息系统的主要信息来源，这一趋势在发达国家已经显现。因此，GIS应用项目所需的信息并非都要从头收集，而是尽量利用已有的或外单位提供的数据。

2.数据输入

属性数据输入计算机的方法和非GIS的信息系统没有差异，一般是键盘输入，特殊情况下可以扫描输入、语音输入、汉字手写输入等。

空间信息输入计算机的途径是多种多样的。野外实地测量的信息转为矢量地图，目前比较实用而先进的办法是由测绘专业人员用光电测量仪器，再加特殊软件来实现。

摄影测量或遥感图像的原始信息是像片或栅格数据，从中获取矢量信息，由经过专门训练的技术人员利用专门的光学设备或专门的软件加计算机图形工作站完成。

规划行业经常需要将纸质地图输入计算机，常用方法为手工数字化仪输入和扫描仪输入。扫描输入速度快，精度高，但会带入原图上的污迹、杂点，一般不能自动分类、自动取舍。

3.数据质量(www.xing528.com)

人们往往以为，计算机储存的数据其质量肯定是可靠的，但事实远非如此。任何实用性的GIS均有数据质量问题，数据的质量问题或数据的误差主要有如下五种：

1）位置精度。测量工作存在误差是必然的，在很多情况下，不可能为了提高精度而增加很多工作量，投入很多设备。

2）属性精度。属性数据在调查、登记、分类、编码过程中往往因疏忽而产生误差。

3）逻辑上的一致性。从调查至输入计算机的过程中，往往存在数据分类不严密、数据定义模棱两可、多种解释或多重定义的问题，会给应用带来麻烦。

4）完整性。基础资料在地理空间上不能全覆盖，不同的历史资料在时间上无法同步，调查的内容有缺项等，也是常见的数据质量问题。

5）人为因素。为了某种利益或保密上的原因，需要人为地制造缺陷、增加误差。

历年真题

1.在国土空间规划中，GIS是常用的工具，下列属于GIS在使用过程中数据容易出现质量问题的是（　）。［2019-89］

A.位置精读误差　B.栅格数据差值误差

C.人为操作误差　D.软件计算错误

E.标准体系错误

【答案】ABC

【解析】测量工作存在误差是必然的，因此位置精读上有误差，A选项符合题意。在GIS的栅格数据叠加过程中，插值计算是线性插入的，没考虑地形、地貌等因素，存在误差，B选项符合题意。属性数据在调查、登记、分类、编码过程中往往因疏忽而产生误差，C选项符合题意。一般而言，软件计算不容易出现错误，标准体系本身是没问题的，只可能人工使用过程产生错误，但这个属于人为操作的错误。

2.当城市用配备GPS的出租车获取城市实时路况时，其所获取数据存在的主要质量问题是（　）。［2012-45］

A.位置精度，因为GPS定位不准确

B.完整性，因为出租车反映的路况并不全面

C.属性精度，因为无法获取每辆出租车的属性

D.时间精度，因为时间记录存在误差

【答案】B

【解析】出租车不能把所有的路段都跑到，所以出租车反映的路况并不全面，容易造成所获取的数据存在问题或质量误差。出租车的位置精度、车辆属性及时间精度都是实时精确数据，不存在精度误差或质量问题。

3.下列关于数据采集的表述哪项是错误的？（　）［2011-44］

A.遥感数据总是具有精度问题　B.GIS适合于野外移动物体的测量

C.摄影测量和遥感在原理上是一致的　D.GIS应用项目所需信息必须从头收集

【答案】D

【解析】随着社会各领域逐渐向信息化迈进，现有的、历史的资料将成为实用地理信息系统的主要信息来源，这一趋势在发达国家已经显现。因此，GIS应用项目所需的信息并非都要从头收集，而是尽量利用已有的或外单位提供的数据。

4.下面各项中哪些是手工数字化仪输入的优点？（　）［2010-83］

A.速度快，精度高　B.直接获得矢量图形

C.手工劳动时间短　D.可以和地图的分类、取舍结合起来

E.手工劳动时间长

【答案】BD

【解析】空间信息输入计算机的途径是多种多样的，目前，规划行业将纸质地图输入计算机常用的方法为手工数字化仪输入和扫面器输入。手工数字化仪输入的优点是可以和地图的分类、取舍结合起来，直接获得矢量图形；缺点是手工劳动时间长，人疲劳后容易产生误差。

（四）地理信息的查询、分析与表达

1.地理信息的表达

专题地图是GIS表达空间、属性信息最主要的方式，也是用户获得查询、分析结果的主要途径。专题地图，就是将专门的信息以地图的形式表达出来，它和通用地图的差别是相对的。城市规划中除工程设计图外，常用的现状图、规划图尤其是分析图大都可算作专题地图。专题地图可在屏幕上快速显示，也可添上图例、标题、说明、统计报表、文字注记、比例尺、指北针、图框、辅助线和背景图案等打印成正式图纸。

2.空间要素分类

根据属性对空间要素分类是GIS最基本的分析功能，据此可产生人口密度图、土地使用图、建筑类型图、环境质量评价图、交通流量图等，而且可以灵活地调整分类方法。

3.空间查询

GIS软件一般均允许用户在所显示的地图上用鼠标选择要素后立刻显示要素的属性信息，某些多媒体的信息，如文本、图像、动画、声音等也可作为要素的属性查询。可以在属性表中进行查询、选择后，立刻显示和属性相对应的图形要素。当用户选择或查询到某些要素后，可以进一步查出在空间上与它们相交的其他要素是什么，这些要素的属性如何。例如，可查出某地块中包括哪些建筑物，某条规划道路穿过哪些现状地块及其属性等。

4.几何量算

GIS软件可以自动计算不规则曲线的长度，不规则多边形的周长、面积，不规则地形的设计填挖方等。

5.属性查询

由于一般GIS的属性数据是按表状存储的，关系型数据库的查询功能也对GIS的属性有效；由于多数GIS软件具有属性查询功能，因此在查询属性纪录的同时，可同时将对应的空间要素以某种形式表达出来。

6.叠合

栅格和栅格的叠合是最简单的叠合，在叠合的同时还可加入栅格之间的算术运算，这种方法常用于社会、经济指标的分析，资源、环境指标的评价。例如，可根据过去十年中每年土地价格在空间上的变化分析其规律、趋势、分布。

矢量和矢量的叠合是在不同的矢量数据“层”之间进行的几何合并、交错计算。矢量叠合主要有三类：

（1）点和面的叠合，可用于公共服务设施和服务区域之间的关系分析，如分析各居住区内中、小学的情况。

（2）线和面的叠合。可计算道路网的密度，分析管线穿越地块的问题。

（3）面和面的叠合。可分析和规划地块有关的动迁人口、拆除的建筑物；评价土地使用的适宜性等。

7.邻近分析

产生离开某些要素一定距离的邻近区是GIS的常用分析功能（英语称Buffer，直译为缓冲区）。例如，产生点状设施的服务半径包络区、道路中心线两侧等距边线包络区、历史性保护建筑的等距影响范围，等等。在此基础上，利用多边形和多边形的叠合功能，将影响范围或服务范围多边形和人口统计多边形相叠合，可以获得不同服务半径或影响范围内大致的居住人口。

8.网络分析

估计交通的时间、成本，选择运输的路径，计算网络状公共设施的供需负荷，寻找最近的服务设施，产生在一定交通条件下的服务范围，沿着交通线路、市政管线分配点状供应设施的资源等，是GIS典型的网络分析功能。危机状况下人口的疏散也是网络分析的应用之一。

9.栅格分析

比较常用的栅格功能有：坡度、坡向、日照强度的分析，地形的任意断面图生成，可视性检验，工程填挖方计算，根据点状样本产生距离图、密度图等。比较复杂的格网分析有模拟资源在一定空间范围内的扩散等。前述的栅格和栅格的叠合分析也是格网分析的一种。此外，基于一些专业模型计算得到相应专题信息，如大气污染的空间扩散，也通常采用栅格的途径实现。

历年真题

1.下列不属于网络分析应用的是（　）。［2020-37］

A.选择运输路径　B.寻找最近的金拱门

C.文物保护单位的等距影响范围　D.地震状态下人口疏散的路径模型分析

【答案】C

【解析】估计交通的时间、成本，选择运输的路径，计算网络状公共设施的供需负荷，寻找最近的服务设施，产生在一定交通条件下的服务范围，沿着交通线路、市政管线分配点状供应设施的资源等，是GIS典型的网络分析功能。危机状况下人口的疏散也是网络分析的应用之一。

2.下列哪种空间分析手段适用于农作物种植区的多要素（如深度、地形、土壤等）综合分析？（　）［2017-38］

A.缓冲区分析　B.网络分析　C.可视域分析　D.叠加复合分析

【答案】D

【解析】叠加复合分析用于社会、经济指标的分析，资源、环境指标的评价。

3.下面哪种空间关系属于拓扑关系？（　）［2014-40］

A.远近　B.包含　C.南北　D.角度

【答案】B

【解析】拓扑关系，指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。即用节点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联、包含和连通关系。

4.下面哪项空间分析结果受地图比例尺影响最大？（　）［2014-41］

A.线地物长度　B.面地物面积　C.两点间距离　D.两点间方向

【答案】B

【解析】比例尺关系最直接地体现在长度上。线地物长度和两点间距离的影响倍数为K，而地物面积影响为K2，不影响方向。

5.在城市人口疏散规划中，通常采用下列哪种分析方法？（　）［2014-42］

A.网络分析　B.栅格分析

C.缓冲区分析　D.叠加分析

【答案】A

【解析】危机状况下人口的疏散也是网络分析的应用之一。

6.下列哪项内容不能基于地形数据分析计算？（　）［2013-43］

A.坡度　B.坡向

C.最短距离　D.可视域

【答案】D

【解析】栅格分析，比较常用的栅格功能有坡度、坡向，日照强度的分析，地形的任意断面图生成，可视性检验，工程填挖方计算，根据点状样本产生距离图、密度图等。可视域不能基于地形数据产生。

7.在制图输入中，下列哪项不是必需的输出要素？（　）［2012-47］

A.比例尺　B.指北针

C.图例　D.统计图表

【答案】D

【解析】图纸输出主要是书面化，其必须包括解析整个图纸的必需元素，如比例尺、指北针、图例等；也可添上标题、说明、统计报表、文字标记、图框、辅助线和背景图案等打印成正式图纸。统计图表不属于输出要素。

8.用于社会、经济指标的分析，资源、环境指标的评价的分析方法是（　）。［2011-41］

A.叠加复合分析　B.几何量算分析

C.缓冲区分析　D.网络分析

【答案】A

【解析】栅格和栅格的叠合是最简单的叠合，在叠合的同时还可加入栅格之间的算术运算，这种方法常用于社会、经济指标的分析，资源、环境指标的评价。

9.下列关于邻近分析的说法错误的是（　）。［2010-19］

A.产生相邻某些要素的邻近区为邻近分析

B.产生离开某些要素一定距离的邻近区是邻近分析

C.它是GIS的常用分析功能

D.常称为Buffer，意即邻近分析

【答案】A

【解析】产生离开某些要素一定距离的邻近区是GIS的常用分析功能（常称为Buffer，直译为缓冲区）。

10.GIS在城市规划中的实际应用不包括（　）。［2010-20］

A.空间查询、专题制图

B.空间和属性数据的综合管理和及时更新方面

C.利用互联网络向公众发布规划中的图形、属性信息

D.空间分析

【答案】D

【解析】GIS在城乡规划中的实际应用主要在空间查询、专题制图、空间和属性数据的综合管理和及时更新方面，可利用互联网络向公众发布规划中的图形、属性信息。空间分析，特别是比较复杂的分析，目前还只在少数科研、教学机构中开展，但是这方面的应用潜力很大，特别是可以将过去许多不是用GIS完成的分析工作和GIS结合在一起进行，明显提高工作的效率和分析深度。综上所述，空间分析在城市规划的GIS中暂未实际应用。