鬼城指數(shù)遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

蘇浩然+張震+李傲+雷斌斌+李益峰

摘要：隨著城市的發(fā)展，房產的不合理開發(fā)，導致住房的空置率高、入住率低的空城或鬼城現(xiàn)象。傳統(tǒng)方式監(jiān)測鬼城耗時耗力，工作量較大。該研究利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術，基于夜間DMSP/OLS燈光數(shù)據和Landsat TM數(shù)據，提出一種宏觀監(jiān)測方法，并以C#為開發(fā)環(huán)境，采用ENVI/IDL和ArcGIS Engine的二次開發(fā)手段，并結合混合編程方式開發(fā)鬼城指數(shù)遙感監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)對城區(qū)的建筑面積進行提取，進而與城區(qū)的人口數(shù)量進行擬合，根據住建部規(guī)定的占地用地標準確定各個區(qū)域的“鬼城指數(shù)”。同時提供鬼城指數(shù)專題圖制作模塊，為城區(qū)的合理規(guī)劃和利用提供參考。

關鍵詞：鬼城指數(shù)；地理信息系統(tǒng)；遙感；ENVI/IDL；ArcGIS Engine

中圖分類號：TU984；TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0260-03

Abstract： With the development of the city， the irrational development of the property leads to the vacancy rate of the housing and the low occupancy rate of empty city or ghost city phenomenon. The traditional way of monitoring it is time-consuming and energy-consuming and needs to do lots of work. This study uses the technology of GIS and Remote Sensing and utilizes the data of DMSP and Landsat TM， which presents a visible way of Monitoring ghost city that bases on mixed programming of ENVI/IDL， ArcGIS Engine and C#. The system extracts the area of city building and matches with the population of city and further gain the Ghost city index compared with the covers an area of the standard provided by Ministry of housing and housing. At the same time， the system provides the model of making thematic map， which gives help on the plan and use of the city.

Key words： Ghost city index； Geographic Information System； Remote Sensing； ENVI/IDL； ArcGIS Engine

1 背景

鬼城是指資源枯竭并被廢棄的城市，屬于地理學名詞。隨著城市化進程的加快，涌現(xiàn)出越來越多的新城，然而這些城市新區(qū)入住率低、人煙稀少、夜間大部漆黑一片，被形象地稱為“鬼城” [1]。改革開放以來，經濟快速發(fā)展，城市化水平顯著 提高。目前，我國城市建成區(qū)面積較1984年而言實現(xiàn)質的飛躍，增長率驚人，但城市的無限擴張造成的嚴重結果已日益突出。相關統(tǒng)計資料顯示，全國各地在新城區(qū)規(guī)劃建設中或多或少都出現(xiàn)了“鬼城”，比較突出的有鄂爾多斯市康新區(qū)、京津新城等[2]?！肮沓恰睂ξ覈鞘谢l(fā)展帶來了嚴重的負面影響，造成土地資源浪費、巨額經濟損失和阻礙城市的發(fā)展等問題。如今，新城區(qū)的建設仍在進行，如何進行合理的監(jiān)測已成為刻不容緩的問題。

住房和城鄉(xiāng)建設部規(guī)定占用地標準：1平方公里容納一萬人口，根據此標準可建立鬼城指數(shù)，用以評價城市土地資源利用程度以及城市發(fā)展活力，同時可為未來城市規(guī)劃和現(xiàn)有新區(qū)的政策引導提供決策依據。目前，傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據獲取與監(jiān)測方式不能及時有效的監(jiān)測鬼城指數(shù)，不能及時合理的調配地方資源，進行科學的調控措施。遙感可以大面積同步觀測地物、得到的信息量豐富、受條件限制少，已廣泛應用于城市規(guī)劃、農業(yè)、林業(yè)、地質、環(huán)保等領域[3]。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有采集、處理、管理數(shù)據和強大的綜合空間分析數(shù)據的功能，在土地資源利用、生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃有廣泛應用 [4]?；诖耍狙芯坷靡归gDMSP/OLS燈光數(shù)據和Landsat TM數(shù)據，以C#為開發(fā)環(huán)境，采用ENVI/IDL和ArcGIS Engine的開發(fā)手段，SQL作為數(shù)據庫存儲信息，多種語言結合同時采用美化插件DevExpress作為系統(tǒng)界面美化，從而設計和實現(xiàn)鬼城指數(shù)遙感監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以快速地對選定區(qū)域任意時段的鬼城指數(shù)進行獲取，對建筑資源的利用率進行評估，為城市規(guī)劃和利用提供參考。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)目標與設計原則

系統(tǒng)從設計到開發(fā)過程中都遵循可靠性、安全性、適應性、先進性和規(guī)范性等要求，同時注重人機交互性原則，界面美化強度高。通過研究開發(fā)，可以快速、便捷地獲取城市鬼城指數(shù)，對建筑資源的利用率進行評估，準確有效地監(jiān)測城市活力，為城市規(guī)劃和利用提供參考。

2.2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構包括文件、影像預處理、影像處理與信息提取、地圖整飾與輸出、用戶管理、幫助六個模塊（圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 2007/2008/2010；語言環(huán)境：Visual Studio.NET 2010，C#；數(shù)據庫系統(tǒng)； SqLServer 2012，F(xiàn)ile GeoDataBase [5]。

ArcGIS Engine包括ArcObjects核心功能，根據特定需求可以獨立開發(fā)GIS桌面應用產品或對既有的應用程序進行修改、完善和擴展。ArcGIS Engine采用基于COM的集合，支持COM的編程語言可以ArcGIS Engine提供的應用程序接口（API）調用ArcGIS Engine。同時，應用程序接口（API）提供了詳細的幫助文檔，幫助解決開發(fā)過程中的某些問題。通過ArcGIS Engine編程，實現(xiàn)所需要的GIS功能，凸顯GIS功能的靈活配置 [6]。

交互式數(shù)據語言（IDL）與MatLab類似，是面向矩陣運算的語言，可以高效的進行科學數(shù)據分析和可可視化表達。遙感影像為二維或多維的數(shù)字圖像矩陣，IDL在數(shù)字圖像處理方面有其獨特功能，可以根據相應的函數(shù)高效地進行圖像處理同時其處理矩陣功能也是不可忽視的。IDL語法簡單，與其他語言有著良好的集成可視化開發(fā)和交互分析 [7]。IDL與ArcGIS Engine集成化，充分發(fā)揮各語言的特點，構建復雜的可視化應用與分析的系統(tǒng)，實現(xiàn)對遙感影像的高效處理和信息提取，達到集成化的效果。

C#（C Sharp）為面向對象的開發(fā)語言，綜合C、C++和Java的特點，采用組件的形式進行開發(fā)，可解決單純IDL開發(fā)過程中可視化表達的繁瑣，同時支持COM，可以很好地與ArcGIS Engine結合，達到集成開發(fā)的效果 [8]。

2.4 關鍵技術

2.4.1 建成區(qū)面積提取

利用Landsat TM4、TM5兩個波段，提取歸一化建筑指數(shù)（NDBI），再通過設定閾值來提取城鎮(zhèn)居民建筑用地雖然可以進行高精度的提取，但其閾值往往具有經驗性，不具有代表性，同時地物的提取需要依靠目視解譯，不適合進行系統(tǒng)開發(fā) [9]。系統(tǒng)首先利用Landsat對提取NDVI和NDBI，然后分別進行二值化處理，NDBI大于0和NDVI小于0.15的部分作為城區(qū)，但是直接提取出來的NDVI還包含水體，NDBI提取出來部分除了建筑用地還包含低密度的植被覆蓋區(qū)，故將兩者二值化后的結果進行相乘，可以消除水體和低密度的植被覆蓋區(qū)，提高了城市建成區(qū)提取的精度。

2.4.2 鬼城指數(shù)提取

鬼城指數(shù)，城區(qū)人口數(shù)量與建成區(qū)面積的比值，低于0.5或稍微高于0.5為鬼城。鬼城指數(shù)提取流程（圖2）。系統(tǒng)將DMSP影像的DN值以二分法進行迭代，直到達到某個DN閾值，在這個閾值下提取出的面積與Landsat影像提取出的建城區(qū)面積之差最小，即結束迭代，此時的DN值即為我們所需的閾值。在人口擬合所用的夜間DMSP/OLS燈光數(shù)據為安徽省各地級市燈光數(shù)據計算其大于等于該閾值的像元DN值的累加和，進而與安徽省各市區(qū)人口進行擬合，研究發(fā)現(xiàn)兩者之間的擬合程度非常高，擬合優(yōu)度達到0.92以上，符合程序要求，進而將其關系推廣，用作不同時段的提取依據。鬼城指數(shù)為提取的人口數(shù)量與建成區(qū)面積比值，每平方公里一萬人作為一個劃分依據，即每平方公里一萬人及以上設定鬼城指數(shù)為0，每一萬平方公里0人，則規(guī)定鬼城指數(shù)為1。

3 數(shù)據準備

系統(tǒng)采用的數(shù)據是基于安徽省的相關信息，主要包含矢量數(shù)據、遙感影像數(shù)據、統(tǒng)計數(shù)據。矢量數(shù)據為ArcGIS標準的Shapefile文件，同時以保證數(shù)據的安全性和準確性，將文件存儲于File Geodatabase數(shù)據庫。遙感影像為夜間DMSP/OLS數(shù)據和Landsat TM數(shù)據。夜間燈光信息由DMSP/OLS獲得的，圖像覆蓋全球，可以探測城市燈光信息、道路車流微弱燈光信息以及小規(guī)模居民地的燈光信息，可以與非城市用地夜間的黑暗信息進行對比，比較明顯的獲得城市相關信息。在對城市化進程中城市空間結構和城市經濟結構等城市問題研究發(fā)揮重要作用[10]。

主題成像儀（TM）到目前為止仍在工作，具有較高的空間分辨率和光譜分辨率，其空間分辨率在對城市擴張、土地利用方面可以滿足要求。同時數(shù)據獲取比較方便，各種理論研究和應用研究比較成熟，比較適合系統(tǒng)需求[11]。統(tǒng)計資料來源于人口統(tǒng)計年鑒，制作安徽省各地級市人口數(shù)量Excel文件，用來進行線性擬合，提取相關系數(shù)。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用ArcGIS Engine、IDL和SQL Sever混合開發(fā)模式，根據系統(tǒng)功能框架和計算機軟件開發(fā)遵從的原則完成“鬼城指數(shù)遙感監(jiān)測系統(tǒng)”（圖3）。

系統(tǒng)具有以下主要功能：

1） 圖形顯示。對矢量圖層和柵格圖層實現(xiàn)縮放至圖層、拉框放大、拉框縮小、漫游、全屏顯示和復位。可以對柵格圖層可以查詢影像信息和各波段統(tǒng)計信息以及RGB波段選擇顯示。同時，提供矢量數(shù)據和柵格數(shù)據的鷹眼窗口功能，實現(xiàn)圖層窗口、版面視圖窗口、鷹眼聯(lián)動。

2） 文件管理。添加矢量數(shù)據、打開影像、文件保存、文件另存為以及皮膚設置、退出系統(tǒng)功能。

3） 影像預處理。由于影像或多或少的受到其他因素的影響，系統(tǒng)根據數(shù)字圖像處理原理提供基本遙感影像預處理功能，主要包含輻射定標、大氣校正、掩膜裁剪、圖像鑲嵌、圖像融合、濾波處理、圖像增強功能。

4） 影像處理與信息提取。多種方式的遙感影像監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類、NDVI和NDBI指數(shù)提取、建成區(qū)面積提取、DN值提取、CSV統(tǒng)計數(shù)據的線性擬合、人口數(shù)量提取、鬼城指數(shù)提取以及采用SQL語言基于文件屬性查詢功能。

5） 地圖整飾與輸出制作專題。地圖的添加標題、指北針、指南針、比例尺、添加圖例功能（圖4），提供多種制圖模版，可以根據要素的屬性值進行標注，屬性信息的顏色分級和符號分級和各種格網添加功能以及打印輸出功能，其中專題圖中可高亮顯示鬼城以及通過城市符號大小區(qū)分城市活力程度。endprint

6） 用戶管理。為保證數(shù)據的安全性，對用戶設置不同的權限，可以執(zhí)行對應的操作。用戶分為普通用戶和管理員，普通用戶可以實現(xiàn)修改密碼功能，管理員可以實現(xiàn)對用戶信息的管理、審核等功能。

7） 幫助。詳細的系統(tǒng)功能介紹，以便解決用戶存在的問題

在鬼城指數(shù)專題圖中，“鬼城”高亮突出顯示，根據符號的大小可以直觀地得出各城市活力大小關系。系統(tǒng)仍然存在一些不足之處，表現(xiàn)為用以檢驗數(shù)據（人口統(tǒng)計數(shù)據）精度難免存在一些誤差；部分功能尚未完善等等；這些將是進一步研究的重點和核心。

5 結束語

綜上所述，根據功能結構和計算程序開發(fā)基本原則采用ArcGIS Engine和ENVI/IDL集成開發(fā)模式，以Visual Studio.NET為框架建立鬼城指數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用ArcGIS Engine空間分析、專題圖制作和ENVI/IDL科學數(shù)據分析、可視化表達，以及Visual Studio.NET快速可視化編程優(yōu)勢實現(xiàn)了對遙感影像的處理、相關信息提取、相關信息存儲、屬性查詢、專題圖制作等功能，便捷、快速、高效地監(jiān)測城市鬼城指數(shù)，對建筑資源的利用率進行評估，為城市的發(fā)展規(guī)劃、合理利用提供參考。

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