楊 晨，韓華瑞

（浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，杭州310000）

引言

在當今時代，規(guī)劃顯然不是一句話所能概括的問題，小到一張土地建設(shè)的總平面圖，大到整個城市的功能布局，從“三區(qū)三線”到“多規(guī)合一”，規(guī)劃這一概念跨越了諸多空間。在《辭?！分锌梢哉业揭?guī)劃的概念是“謀劃，籌劃”，同時也指“較全面或長遠的計劃”。在我國，空間規(guī)劃指一個國家或地區(qū)政府部門對所轄國土空間資源和布局進行的長遠謀劃和統(tǒng)籌安排，旨在實現(xiàn)對國土空間有效管控和科學(xué)治理。

伴隨著我國城市建設(shè)進入加速發(fā)展階段，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃和管理手段已不能解決城市一體化與精細化管理中存在的諸多問題，而地理信息系統(tǒng)（GIS）憑借其能直觀展現(xiàn)和處理二維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢能有效幫助規(guī)劃人員做出恰當?shù)年P(guān)于位置的決策。目前國內(nèi)外基于GIS的空間規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)已經(jīng)在一些城市進行了試點應(yīng)用，而如何合理、高效地利用GIS對空間規(guī)劃進行合理決策成為目前國內(nèi)外研究的熱點。

文獻[1]提出利用GIS技術(shù)為城市規(guī)劃提供準確的空間分析數(shù)據(jù)，從而建立立體化城市規(guī)劃，該文獻分別從城市總體規(guī)劃、地下空間規(guī)劃利用、城市交通規(guī)劃和城市景觀規(guī)劃方面對GIS的應(yīng)用進行闡述。文獻[2]提出將三維GIS技術(shù)應(yīng)用于城市地下空間規(guī)劃中，對影響地下空間規(guī)劃的各種因素進行綜合的分析處理。文獻[3]設(shè)計了一種基于2D GIS和3D GIS的城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，實現(xiàn)城市空間形態(tài)和城市景觀的統(tǒng)籌布局與協(xié)調(diào)發(fā)展。文獻[4]闡述了在智慧城市建設(shè)背景下，GIS技術(shù)在土地利用規(guī)劃設(shè)計上的應(yīng)用，得出GIS技術(shù)與規(guī)劃問題可相互補充，共同促進的結(jié)論。Mae等[5]對近年來各學(xué)科領(lǐng)域利用GIS技術(shù)整合社會和生態(tài)空間信息的案例研究實踐和應(yīng)用實例進行綜述，分別從五個方面指導(dǎo)GIS技術(shù)在海洋空間規(guī)劃（MSP）上的未來研究方向。

文獻[6]提出一種國土空間規(guī)劃輔助決策平臺，為政府部門、規(guī)劃人員等提供了可定制、智能化的國土空間規(guī)劃服務(wù)，大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的應(yīng)用，使該平臺具有很好的擴展性和靈活性。文獻[7]提出一種省級空間規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，將計算機技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)等綜合應(yīng)用于國土空間規(guī)劃與管理的集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了對國土空間規(guī)劃工具的有效集成和國土空間規(guī)劃決策模型庫的構(gòu)建。文獻[8]設(shè)計了城市規(guī)劃三維決策支持系統(tǒng)，研究了三維建模方法，空間分析等技術(shù)，對于提高規(guī)劃水平和效率具有重要意義。Vavatsikos等[9]利用GIS技術(shù)對風電場投資進行適宜性分析與模擬，將GIS和多準則決策分析（MCDA）模型協(xié)同作用，以提高相關(guān)決策的質(zhì)量。Sara等[10]設(shè)計了一個針對GIS環(huán)境的交互式多準則空間決策支持系統(tǒng)，應(yīng)用于城市能源規(guī)劃，有助于定義有意義的建筑能源改造方案，為相關(guān)工作者提供了決策過程的便利。Aminu等[11]提出將網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）與GIS綜合運用到可持續(xù)旅游規(guī)劃中，利用ANP評價高原旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展的相對優(yōu)先次序。

目前，基于GIS技術(shù)進行水利等大型工程項目的空間規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的研究較少，因此本文在結(jié)合前人研究成果和新理論新科技的支持下，提出一種基于二維GIS的空間輔助決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計目標和意義是能夠為規(guī)劃人員在空間規(guī)劃過程中提供一體化、可靠、高效并更直觀、更科學(xué)的輔助決策手段，同時規(guī)劃人員可以在該系統(tǒng)上進行規(guī)劃選址等專業(yè)分析操作。

1 框架設(shè)計

本文通過研究國內(nèi)外各類地理信息系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)以及功能特點，將其與自身實際應(yīng)用需求相結(jié)合，從而確定了本文所搭建的空間規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的框架和功能。系統(tǒng)搭建框架選用SuperMap 9D，超圖軟件是一款融合了云端一體化GIS、空間大數(shù)據(jù)等技術(shù)體系的新一代GIS系統(tǒng)軟件，其所具有的易操作性和可視化性很契合系統(tǒng)搭建和系統(tǒng)展示的需要。系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層由GIS服務(wù)器與Web服務(wù)器組成，基于超圖Java開發(fā)工具進行二次開發(fā)，GIS服務(wù)器采用SuperMap JAVA用于實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和二維場景的支持，Web服務(wù)器采用SuperMap iServer將系統(tǒng)部署到服務(wù)器供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶訪問。

服務(wù)器后端開發(fā)采用微服務(wù)框架Spring boot。Spring boot是一個簡化Spring開發(fā)的開源輕量級框架，使用了特定的方式來進行配置，從而使開發(fā)人員不再需要定義樣板化的配置，其優(yōu)勢在于簡化了開發(fā)，也無需配置XML，同時擁有與云計算天然集成的特性。

考慮到該系統(tǒng)在后期要嵌入到其他系統(tǒng)中，需要具有優(yōu)良的可移植性和包容性，因此采用原生的Java Script進行前端開發(fā)。由于JavaScript運行在客戶端，可以節(jié)省web服務(wù)器的請求時間和帶寬，運行結(jié)果和處理相對比較快，且是比較輕量級的腳本語言，易于維護。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫以及規(guī)劃信息專題數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫集合了多種自然和人文數(shù)據(jù)，包含電子地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)等[12]，通過將不同時間、空間、維度的工程項目GIS數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)等進行系統(tǒng)性整理，整合到一個系統(tǒng)下，實現(xiàn)“多源數(shù)據(jù)合一”，以滿足服務(wù)決策的要求。其中自然數(shù)據(jù)包括地理高程、溫度、降水、水資源、植被等數(shù)據(jù)，均采集于地理空間數(shù)據(jù)云等權(quán)威網(wǎng)站，人文數(shù)據(jù)包括行政規(guī)劃信息、人口普查信息、電力消費量信息等。在專題圖層界面，通過圖層控制實現(xiàn)各種資源分布的可視化查看與分析。

對于各種數(shù)據(jù)的融合，由于其標準以及精度上的不統(tǒng)一，本文首先對數(shù)據(jù)進行了初步的預(yù)處理。具體操作包括：（1）統(tǒng)一圖層像元精度；（2）柵格內(nèi)記錄計算值。

1.3 應(yīng)用層

根據(jù)規(guī)劃人員對系統(tǒng)的需求，在專題圖層界面實現(xiàn)了圖層展示、圖屬聯(lián)動、歷史數(shù)據(jù)滾動查看、地圖風格自定義等功能，在規(guī)劃選址圖層界面實現(xiàn)了規(guī)劃類型選擇、規(guī)劃區(qū)域選擇、規(guī)劃因子選擇等功能。具體功能實現(xiàn)方式在下一章詳細闡述。

2 功能設(shè)計

基于二維GIS的空間規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的功能界面主要包括三個部分：規(guī)劃交互功能、規(guī)劃選址功能和已規(guī)劃項目，如圖2所示。其中已規(guī)劃項目是對已經(jīng)審批的規(guī)劃工程進行展示，并匯聚了工程建設(shè)、運營階段全生命周期數(shù)據(jù)。本章對規(guī)劃交互功能和規(guī)劃選址功能進行詳細介紹。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功能界面

2.1 規(guī)劃交互功能

交互的主要功能點集中在專題圖層界面，專題圖層上能夠?qū)崿F(xiàn)不同時間序列的圖表聯(lián)動，并根據(jù)用戶喜好設(shè)置圖層風格，查看各種資源的分布情況，從而對市場前景作出有效評估，實現(xiàn)資源開發(fā)與經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。

點擊專題圖層按鈕可展示或者收起，具體實現(xiàn)方式如下。

2.1.1 圖層展示：展示方式分為三類：第一類是只展示圖層效果，無圖例無圖表信息，如圖3（a）所示；第二類是有圖例無圖表信息，如圖3（b）所示；第三類是有圖例有圖表信息，可分為兩種：展示時間軸和無時間軸，如圖 3（c）和圖 3（d）所示。

2.1.2 圖屬聯(lián)動：圖例、地圖、數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計圖以及時間軸可進行實時聯(lián)動。例如，在有圖例有圖表的界面上選擇數(shù)據(jù)表中的專題數(shù)據(jù)，專題圖會隨之切換，相應(yīng)的統(tǒng)計圖和數(shù)據(jù)也會添加到對應(yīng)的圖層和數(shù)據(jù)表中。

2.1.3 歷史數(shù)據(jù)滾動查看：如果有時間軸的可以在數(shù)據(jù)表中點擊相應(yīng)的時間節(jié)點數(shù)據(jù)，且對應(yīng)的數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計圖以及圖例的數(shù)字也會隨之發(fā)生改變。

2.1.4 地圖風格自定義：可手動更改該專題圖的地圖顏色、圖例的顏色、分段個數(shù)以及透明度。

圖3 專題圖層展示界面

2.1.5 輔助工具：可在右邊選擇多種輔助規(guī)劃工具，包括搜索、標記、測距、測面、縮放、復(fù)位、全屏以及地圖切換等工具，如圖4所示。

2.2 規(guī)劃選址功能

規(guī)劃選址功能基于微服務(wù)架構(gòu)，使用超圖Java開發(fā)工具進行開發(fā)。數(shù)據(jù)計算采用綜合評價法，根據(jù)用戶的設(shè)置為每一個規(guī)劃圖層賦予權(quán)重，后臺將規(guī)劃范圍內(nèi)的量化圖層分割成網(wǎng)格矩陣，計算各網(wǎng)格內(nèi)的規(guī)劃因子數(shù)值，再根據(jù)規(guī)劃專業(yè)的加權(quán)平均法，計算各規(guī)劃參數(shù)的加權(quán)值，實現(xiàn)后臺超大數(shù)據(jù)的秒級計算，前端進行計算結(jié)果的實時渲染。根據(jù)計算結(jié)果將數(shù)值分成5個等級，第4級表示最適宜區(qū)域。規(guī)劃選址功能界面如圖5所示。

具體的做法如下。

2.2.1 規(guī)劃工程類型的選擇：可供規(guī)劃選址的項目有水利、光伏等，各個項目所側(cè)重的影響因子都不同，由于本文在水利上的項目規(guī)劃經(jīng)驗更為充足并且更易于驗證規(guī)劃的科學(xué)性，因次本文以水利工程為例進行規(guī)劃。

2.2.2 規(guī)劃區(qū)域的選擇：功能設(shè)計上共有省份、矩形和多邊形三種選址規(guī)劃的方式，需要選擇其中一種，選擇省份則會選取對應(yīng)省份的外接矩形，選擇矩形和多邊形則可以手動繪畫規(guī)劃區(qū)域。

2.2.3 評價單元的確定：Fishnet網(wǎng)格是在規(guī)劃中常用的分割工具，有利于展示數(shù)據(jù)的多樣性結(jié)果，本文的系統(tǒng)也以此為工具。在功能設(shè)計上，用戶可手動輸入Fishnet的長和寬，也可通過輸入行和列的數(shù)目來自動劃分Fishnet，結(jié)果會按照相應(yīng)指標將規(guī)劃區(qū)域劃分成等積的評價單元。

2.2.4 規(guī)劃選址的計算：本文采用了加權(quán)平均法，根據(jù)工程規(guī)劃影響因子的重要性賦予權(quán)重，公式如下：

圖4 輔助工具

圖5 規(guī)劃選址功能界面展示

經(jīng)過加權(quán)計算后，前端頁面對每個網(wǎng)格的計算結(jié)果進行渲染，并將其進行分級，其中第4級代表最佳規(guī)劃地點。

3 應(yīng)用案例

本章以長江三峽水電站的實際位置與在線實時規(guī)劃選擇的位置進行對比，以驗證本系統(tǒng)的科學(xué)性和實用性。

3.1 實驗環(huán)境介紹

本文的實驗平臺為：至強W-2123 4核8線程處理器、NVIDIA Quadro P2000顯卡的工作站，后端采用Java語言實現(xiàn)，基于Spring boot微服務(wù)框架，前端采用原生的JavaScript。

3.2 規(guī)劃范圍選擇

本文以水利規(guī)劃決策為例，期望通過輔助決策系統(tǒng)生成一個最佳的實時位置并能夠與長江三峽水電站的實際位置進行對比，因此本文選取了三峽水電站所在的湖北省為規(guī)劃區(qū)域。

3.3 影響因子級權(quán)重選擇

影響水電站規(guī)劃的因素有很多，本文選取影響比較大的四個指標，分別是人口密度、年徑流量、河流落差以及年降雨量為評價依據(jù)，同時依據(jù)專家意見將河流落差的影響權(quán)重設(shè)置為3，年降雨量設(shè)置為2，人口密度設(shè)置為-1，年徑流量設(shè)置為1。

3.4 規(guī)劃結(jié)果展示

系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果如圖6所示，從中可以看到，規(guī)劃結(jié)果分為4級，顏色由淡到深，對應(yīng)規(guī)劃結(jié)果更加精確，其中第4級為最合理結(jié)果。將實時規(guī)劃結(jié)果與三峽水電站的實際位置進行對比，如圖7所示，結(jié)果顯示，二者地理位置十分接近，符合預(yù)期的實驗結(jié)果，說明該系統(tǒng)能夠?qū)臻g規(guī)劃進行合理決策。規(guī)劃過程的運行時間為5秒，運行速度快，基本能夠滿足規(guī)劃人員對于實時性的要求。

4 總結(jié)與展望

信息時代中，各種資源數(shù)據(jù)魚龍混雜，如何對各種數(shù)據(jù)進行綜合并提取出有效信息供規(guī)劃人員使用，是一個亟待解決的問題，也是當前二維GIS研究的一個熱點。本文針對目前基于二維GIS進行空間規(guī)劃所存在的需要人工判別的問題，提出了自動化的解決方案，進行了基于二維的空間規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)可用于嵌入各個規(guī)劃系統(tǒng)的平臺，同時由于前端基于原生JavaScript，具有良好的封裝性和擴展性。

當然，本文所設(shè)計的系統(tǒng)還存在諸多不足：1）此次數(shù)據(jù)處理與計算未涉及三維數(shù)據(jù)資源，僅僅局限于二維，會限制規(guī)劃的工程類型選擇以及規(guī)劃方式的多樣性；2）目前該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能較為單一，但未來可以從很多方面進行功能的擴展，并實現(xiàn)更多的計算分析功能，后續(xù)可以根據(jù)規(guī)劃人員的需要添加對應(yīng)的擴展分析功能。

圖6 系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果

圖7 規(guī)劃結(jié)果與三峽水電站實際位置對比