浅谈GIS在城市环境总体规划中的应用与探索

王成新，万军*，于雷，吕红迪，王依

（环境保护部环境规划院，北京 100012）

浅谈GIS在城市环境总体规划中的应用与探索

王成新，万军*，于雷，吕红迪，王依

（环境保护部环境规划院，北京 100012）

环保大数据结合地理信息系统是实现城市环境总体规划空间化、促使环境管理转型的重要举措。城市环境总体规划是我国环境规划制度中的一项尝试，实现环境管理由末端治理转向前端控制的基础性、空间性、综合性、战略性规划。本文在分析GIS在环境规划领域的技术优势基础上，提出城市环境总体规划中生态保护红线划定、环境（生态）功能区划、要素空间管控、环境风险防控、产业布局调控五大技术需求。总结GIS在城市环境总体规划中的五大技术应用：空间基础数据处理与评价模型应用、标准化制图与空间信息表达、信息系统管理平台建设、专业软件数据转换、衔接“多规合一”平台等。最后，提出GIS支持下的环境功能区划和生态保护红线评估等功能模块开发、城环总规信息系统上的环境影响评价模块开发以及环境详细规划控制图则编制方法等探索方向。

城市环境总体规划；地理信息系统；环境保护；大数据；应用

引言

随着环境大数据的发展及数据共享平台的建设，地理信息系统（GIS）在环保领域得以广泛应用。GIS具有强大的数据查询、分析、展示等功能，被广泛用于测绘与地图绘制、资源管理、规划设计、灾害监测、环境保护等领域。目前，GIS在环境专题图、环境地理信息系统、环境监测、环境应急预警预报、环境质量评价、水环境管理等方面均有成熟应用[1]。我国的环境规划制度滞后于城镇化发展，现有的环保规划内容重任务、重指标，缺乏系统的空间管控与引导。因此，2012年环境保护部正式发布《关于开展城市环境总体规划编制试点工作的通知》（环办函〔2012〕1088号），首批选择12个城市开展试点工作。城市环境总体规划（以下简称“城环总规”）是由末端治理向前端控制转变，探索编制的一种基础性、空间性、综合性、战略性规划[2]。2013年在此基础上增加12个城市（区）作为第二批试点，2015年启动第三批6个城市试点。通过三批30个试点城市的探索，城环总规的核心内容与技术方法逐渐形成体系，布局性、结构性环境问题得以从空间上解决。GIS空间技术为城环总规综合分析、空间表达提供了技术支持，本文总结GIS在城环总规编制过程中的技术应用与未来探索方向，对城环总规的技术规范编制及试点推广具有指导意义。

1 GIS在环境规划领域技术优势分析

一是能够实现基础环境规划信息管理。环境规划信息涉及基础地理信息、污染源、环境监测、产业布局等空间分布数据，可涵盖水、大气、生态、土壤、风险、固废、噪声等环境要素或领域。GIS能够实现不同要素信息的分层管理，“一张图”展示，实现环境规划信息的查询、分析、输出等功能。

二是能够实现与环境专业模型以及其他软件的数据转换。GIS具有强大的数据转换与处理能力，能够实现数据在不同软件间的双向转换，通过数据传输、格式转换、二次开发，实现GIS数据与各类专业软件之间的衔接。

三是能够实现规划技术图件的标准化输出。GIS具有强大的图形符号制作及图例调色功能，可根据环境规划内容制图需要，制作标准化的图形符号和配色，并通过图例存储、调入等功能，实现批量化图形处理。同时，GIS具有多种数据输出格式，可与其他制图软件配合使用。

2 城环总规中的主要空间内容及技术需求

目前，城环总规处于试点探索阶段，关于空间管控标准、划定方法及管控政策等研究是空间技术体系研究的主要内容。从试点城市的探索经验来看，城环总规中涉及空间管控的内容主要体现在生态保护红线划定、环境（生态）功能区划、要素空间管控、环境风险防控、产业布局调控五个方面。通过对环境空间的分区、分类、分级管控，制定管控政策与产业准入清单来优化生产、生活、生态等“三生”空间。

2.1 维护区域生态安全的城市生态保护红线划定技术

2015年环境保护部正式印发了《生态保护红线划定技术指南》用于指导全国范围内的生态保护红线划定工作。从地方划定工作来看，建立最为严格的生态保护制度，在城市层面划定生态保护红线，是最适宜的尺度。因此，试点城市将生态保护红线划定作为城环总规的重要内容之一。生态保护红线的划定需要经过技术评价、边界核定等技术工作，识别区域范围内生态重要区、敏感区以及脆弱区等生态空间。技术评价涉及大量地形地貌、气候气象、土壤、水文、植被等空间数据，技术评价模型需要GIS结合RS遥感技术完成。城市尺度的成果数据精度需求对技术评价参数与边界核定的准确性提出了更高要求。

2.2 体现环境质量维护的环境功能区划技术

城市尺度划定环境功能分区，是落实省级环境功能区划要求，维护城市生态环境质量的分区管理、分类指导的一个重要手段。2012年环境保护部印发了《环境功能区划编制技术指南（试行）》用于指导省级环境功能区划的划定。2014年浙江省先行探索了市县层面划定环境功能区划的技术可行性，印发了《浙江省市、县环境功能区划编制技术指南（试行）》，对省级层面的环境功能区划进行细化落实。有城市提出将市、县（市）环境功能区划编制为最基础的环境区划，作为探索生态环境空间管制的控制性详规的一种新形式[3]。福州、乌鲁木齐等城环总规中对环境功能区划划定技术在城市尺度进行探索和完善。城市尺度划定环境功能区划不仅对评价单元的尺度选择提出挑战，对评价数据参数的准确性要求更高。技术评估中涉及生态、经济、人口、污染排放、土地资源、水资源、环境质量等大量空间数据，对经济、社会、环保等数据精度与获取、处理提出更高要求。此外，市级生态功能区划划定方法在试点城市中也有尝试。

2.3 体现要素管理的水、大气、生态、土壤等空间管控技术

环境要素空间管控是前端引导产业布局的重要抓手。通过对环境要素“源头—过程—受体”三方面的技术评价，从空间上识别源头敏感区、过程脆弱区以及受体重要区。例如，大气环境空间管控中，分别对污染聚集脆弱区域、源头布局敏感区域以及人群集中区等重要受体区域，制定不同的环境准入要求。各环境要素的空间管控差异增加了综合管控分区划定难度，有学者在GIS支持下探索提出了基于环境要素“一张图”的环境网格化管理平台建设思路[4]。GIS中如何确定环境要素空间管控分类、分级标准，是管控分区划定合理与否的难点和关键，城市尺度的土壤、大气、植被、水文等参数数据的获取决定了划定结果的科学性。

2.4 基于区域风险评估的环境风险防控技术

从区域空间角度对环境风险进行评估是解决城市结构性、布局性环境风险的有效方法。区域风险评估需要通过GIS空间分析技术划分评估单元（公里网格），结合评估区域主要环境风险类型与特征，构建评估指标体系与量化方法，模拟“风险源—暴露途径—风险受体”之间的响应关系[5]。区域风险评估是划定风险地图的基础工作，评价模型涉及人口、经济、风险源、风速风向、水文、敏感目标等多种空间数据，涵盖突发环境风险、累积性环境风险、生态风险等类型。基于GIS在城市尺度进行环境风险综合评价具有技术可行性，但从评价参数的可获取性来看，评价方法需要进一步探索和完善。

2.5 基于资源与环境承载的空间布局调控技术

资源环境承载能力对人口和产业集聚约束与调控是城环总规优化城市布局的重要内容。主要技术途径是通过GIS空间分析技术结合专业模型，对土地资源、水资源、大气环境、水环境、生态环境等进行承载力评估，明确城市发展规模的“资源底线”和“排放上限”，为城市人口聚集、空间开发、产业布局等提供引导。从技术方法来看，需要在GIS中分析“污染排放格局—人口与产业布局—资源环境承载格局”之间的耦合关系。从试点工作来看，获取高质量的环境污染排放、人口与产业分布、环境质量监测等空间数据是技术评价的前提和难点。

3 GIS在城环总规中的五大技术应用

城环总规是在城市层面开展的全要素、多领域、全覆盖的空间型规划探索，不仅要细化落实上位规划要求，又要与城市总体规划、土地利用总体规划等同级规划相衔接。基础地理信息数据的普及与发展，为国土、住建、环保等提供了统一的工作底图。GIS强大的空间分析、数据处理及二次开发能力，结合遥感等技术能够满足城环总规的空间技术需求，实现城环总规空间基础数据处理与模型评价、标准化制图与空间信息表达、信息系统管理与展示平台、专业模型软件数据转换、与“多规合一”系统平台衔接等应用。

3.1 空间基础数据处理与模型评价应用

城环总规的主要空间内容与评价模型中涉及海量空间数据管理与分析，包括环境监测、污染排放、地表影像、社会经济、产业分布等数据类型，分为矢量数据空间分析与栅格数据空间分析。在城环总规空间内容体系中生态保护红线划定、环境功能区划、要素空间管控、环境风险防控、资源环境承载等空间评价模型应用需要用到栅格计算、网络分析、水文分析、缓冲区、空间插值等空间数据处理方法，如图1所示。

3.2 标准化制图与空间信息表达应用

城环总规不同于环境专项规划与五年环境保护规划，规划内容的空间表达是一项重要内容。从大连、宜昌、福州等城市探索来看，制图过程需要经数据收集与输入、分析与处理、制图与输出三个步骤。技术图纸按照性质可分环境现状图、技术评价图与环境规划图三种类型。技术图纸按类型可分为基础信息类、环境要素类两个类型。其中，基础信息类涉及地理信息、地形、水系、植被、土壤类型等自然地理图纸，环境要素类主要包括水、大气、生态、土壤、风险等方面，涉及环境信息现状分布图、技术评价图以及环境要素空间管控图等类型。在具体实践中，根据需要可增加固废、电磁辐射、噪声分区、产业布局等图纸内容[6]。

3.3 信息系统管理与展示平台应用

图1 GIS与城环总规五大核心空间技术

城环总规信息系统是在规划成果基础上开发的信息管理平台。大连、宜昌等试点城市在规划基础上，利用GIS基础数据库，开发环境总规管理系统[7]。宜昌市还对生态保护红线等重要内容进行了手机App开发，通过手机定位功能实现生态保护红线的实时查询与信息反馈[8]。规划信息系统管理通过综合运用GIS、海量空间数据管理、SOA架构、瓦片地图分发等技术，实现生态保护红线、环境功能区划等五大空间管控数据的在线查询、可视化及统计分析，实现环境影响评价、环境监测、总量减排、项目审批、规划会商、环境预警、环境应急等辅助决策功能，为城市宏观决策和多目标开发提供依据。

3.4 专业模型软件数据转换应用

GIS数据转换与多格式数据输入、输出功能为其他模型软件空间数据交互提供接口。在试点城环总规中大气空间管控分为源头布局敏感区、污染聚集敏感区及环境受体敏感区，构建了基于WRF/CALMET/CALPUFF模型结合GIS空间插值的空间划定技术方法[9]。水环境空间管控分为水环境重要区、敏感区与脆弱区，划定方法主要基于GIS水文分析模块或SWAT模型中的流域区划模块划定控制单元，并建立评价指标体系[10]。生态环境空间管控主要结合遥感分析软件进行影像技术处理，通过GIS栅格计算进行相关评价模型的分析。此外，GIS结合ET GeoWizards可实现文本坐标到矢量数据（SHP）的批量转换及属性关联，实现文本格式数据整理、转换和建库。

3.5 与“多规合一”系统平台衔接应用

环境总规划信息系统与“多规合一”平台衔接，实现空间规划成果的共享与交互融合。“多规合一”系统平台建设是市县“多规合一”试点探索的重要内容之一。广州市环境总体规划在编制过程中将生态保护红线划定方案与“多规合一”平台数据进行多次对接，避免后编制规划产生的空间冲突问题。“多规合一”平台主要依托GIS技术建立，结合环保专项数据库建设，能够实现环保数据的共享服务，满足“多规合一”平台各部门的信息共享要求[11]。通过WebGIS技术，设计开发出“多规合一”辅助决策WebGIS系统，实现发改、国土、规划、环保、林业等多部门数据的浏览、查询、检索、统计分析、冲突检测，实现多源数据的集成[12]，如图2所示。

图2 城环总规与“多规合一”系统平台衔接路线

4 GIS在城环总规中的三大探索方向

4.1 环境评估功能模块开发

基于GIS的环境功能区划、生态保护红线评估等功能模块开发。环境功能区划与生态保护红线划定需要对生态系统进行重要性与敏感性评价。GIS在生态系统评价中应用广泛，主要包括水源涵养、水土保持、生物多样性保护、防风固沙等评价方法，评价数据包括气象、土壤、生态等多个因子，具有数据量大、模型复杂等特点，不易操作。GIS具有强大的二次开发能力，可探索基于GIS空间分析技术，利用ArcObjects开发生态系统评价模块，实现栅格与矢量数据的转换、归一化、分级、计算等标准化处理，简化环境功能区划与生态保护红线系统评价过程，为后期修改提供技术支持。

4.2 环境影响评价模块开发

城环总规是规划项目环评的重要依据之一，未来可基于城环总规信息系统进行环境影响评价模块开发。城环总规是空间型规划，对环境空间格局进行前端控制与优化，是规划环境影响评价的依据。目前，除环境要素类的环境影响评价模型软件外，基于GIS的水、生态、大气环境污染扩散模型等建模与系统开发方面均有单独研究[13,14]。在城环总规信息系统基础上，研究开发水、大气、生态等环境污染影响评价模型，能够实现空间管控方案、环境质量数据与规划方案的模拟评价，是未来需要探索的方向。

4.3 环境详规制图与空间表达

完善制图技术体系，探索环境详细规划控制图则编制方法。制图是规划内容的空间表达，能够提高城环总规的空间约束力。制图技术规范化一方面要探索制图标准化设计，实现环境符号、规划内容等标准设计，为提高输出效率，需要对图框进行标准化设计；另一方面要探索总图与分图的标准化设计。城环总规需要对生态保护红线、重点保护区域进行大比例尺的分图设计，以提高重点区域管控效力。如图3所示，福州市环境总体规划编制过程中探索了下一步环境详规分区图则的空间表达方式。探索重点保护区域的空间管控要求、落实管控指标与准入条件，为下一阶段的环境详规编制提供参考。

图3 城市环境详细规划分图示例

5 结语

GIS在环保领域的应用具有其他软件无法比拟的优势，能够实现海量环保数据的信息查询、管理、格式转换、制图输出等。在环境保护规划滞后于其他部门规划的背景下，为应对环保格局性、布局性环境问题，环境保护部开展城环总规试点工作。城环总规空间性主要体现在生态保护红线划定、环境（生态）功能区划、要素空间管控、环境风险防控、产业布局调控五个方面，涉及经济、人口、地形、植被、土壤、水文、污染源、环境监测、产业园区等空间数据，在评价内容与空间数据多有交叉，建立环境数据库能够实现空间规划内容的协同编制，提高城环总规的编制效率。

GIS具有强大的空间分析、数据管理及二次开发能力，是编制城环总规的有力工具。GIS在城环总规中主要运用在空间基础数据处理与评价模型、标准化制图与空间信息表达、信息系统管理平台建设、专业模型软件数据转换、“多规合一”平台衔接等方面。当前，城环总规正处于试点探索阶段，内容体系与制图规范尚需完善，在GIS支持下的生态评估功能模块开发、城环总规信息系统下的环境影响评价模块开发以及环境详细规划控制图则编制等内容是未来探索与完善的主要方向。同时，实现环保、国土、住建、林业等部门空间大数据共享是推动规划内容空间落地的有力推手。

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Analysis on the Application and Exploration of GIS in the Urban Environmental Master Planning

WANG Chengxin, WAN Jun*, YU Lei, LV Hongdi, WANG Yi
(Chinese Academy for Environmental Planning, MEP, Beijing 100012)

Environmental protection big data combined with geographic information system is an important measure to achieve the spatialization of urban environmental master planning, and promote the transformation of environmental management. The urban environmental master planning is an attempt to realize the transformation from the end control to the forward control, which is the basic, spatial, comprehensive and strategic planning. Based on the analysis of GIS technology advantage in environmental planning, five major technical requirements were put forward, such as ecological red-line delineation, environmental function zoning, space environmental factors control, environmental risk prevention, industrial layout adjustment. Five technology applications of GIS in the urban environmental master planning were summarized, for example, spatial data processing and evaluation model application, standardized mapping and spatial symbol expression, information system management platform construction, professional software data conversion, convergence of the platform of “multi planning and unity”. At last, the article pointed out that several aspects of urban environmental master planning supported by GIS need to be further explored, including development of functional modules of environmental function zoning and ecological protection red-line assessment, development of environmental impact assessment module on urban environmental master planning information system and control chart preparation method of environmental detailed planning.

urban environmental master planning; geographic information system; environmental protection; big data; application

X32

1674-6252（2017）02-0086-05

A

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.02.086

王成新（1982—），男，助研，硕士，主要从事地理信息系统、环境规划、生态规划研究，E-mail: wangcx@ caep.org.cn。

*责任作者： 万军（1975—），男，研究员，博士，主要从事环境规划与管理、生态评价、环保政策研究，E-mail:wanjun@caep. org.cn。