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
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]。 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]。 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
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]。 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。
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) Steps of design of urban open space
information system with prototype metho
3 总体设
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) Steps of general design of urban open
space information system 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
4 子系统设
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。 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。 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。 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。 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
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。 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。 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。 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。
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。 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
