城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馮存均，丁明雷，左石磊，吳　慧

(浙江省地理信息中心地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，浙江 杭州 310012)

Design and Implementation of Geographic Information Application System for

Urban Built-up Area

FENG Cunjun，DING Minglei，ZUO Shilei，WU Hui

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城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馮存均，丁明雷，左石磊，吳慧

(浙江省地理信息中心地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，浙江 杭州 310012)

Design and Implementation of Geographic Information Application System for

Urban Built-up Area

FENG Cunjun，DING Minglei，ZUO Shilei，WU Hui

摘要：城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查是正在開展的浙江省第一次地理國情普查之省情普查的重要內(nèi)容之一，旨在基于遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、相關(guān)專題數(shù)據(jù)，依據(jù)統(tǒng)一的《浙江省城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，形成科學真實的城市建成區(qū)范圍邊界。城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)立足于《浙江省城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，充分利用RS和GIS技術(shù)，實現(xiàn)了遙感信息自動提取、城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍劃分、建成區(qū)變化監(jiān)測等功能，是開展城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查的重要輔助工具。本文對系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)進行了闡述，并對目前系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行了介紹。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)建成區(qū)；地理信息系統(tǒng)；遙感

一、引言

城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍及其變化情況反映的是一個城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模與速度，是判斷城鎮(zhèn)社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因而準確衡量城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍面積尤為重要。目前，國內(nèi)對于城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍界定方面存在著概念模糊、界定方法標準不一致等問題，且劃分方式大多是依據(jù)遙感影像進行人工勾繪或軟件提取。這些劃分方式劃分誤差較大、耗費時間長，而且劃分標準和劃分方式的不同容易造成不同單位產(chǎn)生不同的劃分結(jié)果[1-3]。因此，建立一套完整的城鎮(zhèn)建成區(qū)界定方法和規(guī)程，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍自動劃分系統(tǒng)顯得尤為重要。

2012年6月，浙江省地理信息中心聯(lián)合浙江省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳、浙江大學制定了《浙江省城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱“規(guī)程”)，對城鎮(zhèn)建成區(qū)的統(tǒng)計口徑、統(tǒng)計方法進行規(guī)范，提出了一套多指標綜合分析評價體系，將城鎮(zhèn)建成區(qū)的定義細化為可定量操作的調(diào)查技術(shù)規(guī)程，規(guī)定了對城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍進行快速提取的操作細則。同時，基于RS和GIS技術(shù)，建立城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用軟件系統(tǒng)，以規(guī)程為主要設(shè)計依據(jù)，將規(guī)程中的城鎮(zhèn)建成區(qū)劃分流程在軟件系統(tǒng)中予以實現(xiàn)，為相關(guān)部門提供快捷、高效的城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍面積調(diào)查與監(jiān)測途徑。

二、總體技術(shù)框架

城市建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)采用Esri的ArcGIS 10.1和ENVI 4.8作為軟件開發(fā)平臺，結(jié)合Microsoft Visual Studio 2010和C#語言進行組件式開發(fā)，實現(xiàn)開發(fā)可擴展、易維護的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為C/S(客戶端/服務(wù)器)，采用C/S體系結(jié)構(gòu)是因為建成區(qū)劃分流程涉及大量的數(shù)據(jù)處理和指標計算工作，且運算所涉及的專題數(shù)據(jù)多為涉密數(shù)據(jù)，C/S架構(gòu)可以有效地保證系統(tǒng)的運行效率和處理數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和相關(guān)專題數(shù)據(jù)為依托，基于《浙江省城市建成區(qū)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，采用GIS和RS技術(shù)，實現(xiàn)遙感信息自動提取、城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍的自動劃分、影像信息提取、人工修正和變化范圍變化動態(tài)監(jiān)測等功能，為浙江省城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查工作提供工具支持。

該系統(tǒng)是國內(nèi)首個實現(xiàn)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍自動劃分和人工劃分相結(jié)合的系統(tǒng)，填補了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白，具有極大的應(yīng)用價值。

三、系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

1. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求

城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)在劃分建成區(qū)的過程中涉及大量的數(shù)據(jù)處理和指標計算，而這些指標計算要求以充足的數(shù)據(jù)作為計算基礎(chǔ)，主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)。

遙感影像數(shù)據(jù)應(yīng)使用研究區(qū)域當年獲取的2.5 m或更高分辨率的衛(wèi)星遙感影像。若調(diào)查時無法獲取當年的遙感影像數(shù)據(jù)，須使用距離調(diào)查時相最近的影像數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括行政境界數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)。

輔助數(shù)據(jù)包括用地分類資料數(shù)據(jù)(有城鄉(xiāng)用地分類資料和土地利用現(xiàn)狀分類資料兩種類型)、城市已批用地紅線數(shù)據(jù)和建制范圍數(shù)據(jù)。

專題數(shù)據(jù)主要是調(diào)查區(qū)域的一些基礎(chǔ)性、服務(wù)性設(shè)施分布資料數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳細情況見表1。

表1　專題數(shù)據(jù)

2. 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)以模塊化結(jié)構(gòu)為主體，按類別將所有功能模塊歸納在一起，程序界面統(tǒng)一調(diào)用各大功能模塊。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2　城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)預處理、通用GIS功能、建成區(qū)范圍劃分、建成區(qū)變化監(jiān)測、打印輸出和系統(tǒng)維護管理6個模塊，各個模塊之間相互依賴，存在著緊密的聯(lián)系?；跀?shù)據(jù)預處理模塊提取的遙感影像分類數(shù)據(jù)，通過建成區(qū)劃分模塊進行劃分，生成研究區(qū)域建成區(qū)范圍數(shù)據(jù)；利用建成區(qū)變化監(jiān)測模塊將系統(tǒng)生成的建成區(qū)數(shù)據(jù)和已有的建成區(qū)范圍數(shù)據(jù)進行空間分析，得到研究區(qū)域不同時期建成區(qū)范圍變化情況；最后，通過通用GIS功能模塊和打印輸出模塊進行結(jié)果的展示和輸出。

(1) 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理包括遙感影像信息提取、輔助數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)檢查兩項功能。

信息提取基于遙感影像數(shù)據(jù)，針對調(diào)查區(qū)域的地形地貌特征，充分利用對象信息(色調(diào)、形狀)與類間信息(與鄰近對象的相關(guān)特征)，使用制定的分類規(guī)則集，對遙感影像進行信息自動提取，提取結(jié)果分為人工化區(qū)域(包括建制鎮(zhèn)區(qū)域、鄉(xiāng)村及部分采礦用地等特殊區(qū)域)和自然原始區(qū)域(包括水系、山體和農(nóng)林用地等植被覆蓋及未識別區(qū)域)兩種類型。

數(shù)據(jù)檢查主要是對導入系統(tǒng)的輔助數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)進行屬性、坐標系和拓撲等檢查。

(2) 建成區(qū)范圍劃分

建成區(qū)范圍劃分模塊是系統(tǒng)的核心模塊。建成區(qū)劃分流程分為屬性修正、功能修正和形態(tài)修正3個步驟。屬性修正主要是對預處理數(shù)據(jù)結(jié)果進行行政境界、建制范圍和水域等修正，剔除一些不必要的信息，簡化信息量，便于后于操作。

功能修正是將影響建成區(qū)范圍劃分的一些抽象指標進行定性化和定量化處理，實現(xiàn)指標的自動化計算，最后依據(jù)指標計算結(jié)果和相應(yīng)的權(quán)重值對研究區(qū)域進行評分，剔除低分區(qū)域。功能修正評價體系見表2。

表2　功能修正基礎(chǔ)與服務(wù)設(shè)施評價指標

形態(tài)修正是將功能修正的結(jié)果進行飛地修正、邊界圓滑和空心地修正等操作，最終得到調(diào)查區(qū)域的建成區(qū)范圍。

(3) 建成區(qū)變化監(jiān)測

基于不同時期的建成區(qū)范圍，動態(tài)生成調(diào)查區(qū)域建成區(qū)范圍變化數(shù)據(jù)；同時，使用相應(yīng)的模型和方法，基于建成區(qū)范圍不同時期的變化數(shù)據(jù)，對未來某個時期的建成區(qū)范圍進行預測。

3. 系統(tǒng)應(yīng)用實例

系統(tǒng)已在浙江省德清縣武康鎮(zhèn)、寧波市海曙區(qū)、杭州市江東、建德市等試點區(qū)域進行了建成區(qū)范圍的劃分試驗。通過試點，對規(guī)程及系統(tǒng)進行了驗證，試點結(jié)果也得到了主管部門的充分認可。在正在開展的浙江省第一次地理國情普查之城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查工作中，軟件系統(tǒng)已下發(fā)給全省所有的市、縣使用，極大地提高了建成區(qū)劃分效率。本文以德清縣武康鎮(zhèn)建成區(qū)范圍的劃分為例進行劃分流程和劃分結(jié)果的詳細說明。

試驗區(qū)域采用的遙感影像是成像時間為2010年、分辨率為2.5 m的ALOS影像。遙感影像信息提取結(jié)果如圖3所示。

圖3　遙感影像提取結(jié)果

以遙感影像提取數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)前面所述的劃分方法，結(jié)合試驗區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)對研究區(qū)域建成區(qū)范圍進行劃分。劃分結(jié)果如圖4所示，(a)為研究區(qū)域綜合評分結(jié)果，(d)為建成區(qū)最終劃分結(jié)果。通過將劃分結(jié)果與武康鎮(zhèn)0.2 m航片進行對比分析，可發(fā)現(xiàn)劃分結(jié)果與當?shù)貙嶋H情況比較吻合。

圖4　武康鎮(zhèn)建成區(qū)范圍不同劃分階段成果

四、結(jié)束語

城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)以《浙江省城市建成區(qū)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，針對目前國內(nèi)對建成區(qū)范圍劃分和提取的不足和缺陷，全面綜合考慮了影響建成區(qū)劃分的多項因素，如土地權(quán)屬、空間形態(tài)、飛地、功能性和服務(wù)性設(shè)施分布、城中村、現(xiàn)勢性等影響建成區(qū)劃分的指標，并進行了定量化處理。與國內(nèi)建成區(qū)劃分過程中多采用對照遙感影像進行人工勾繪的方式不同，本系統(tǒng)實現(xiàn)了自動劃分和人工劃分的有機結(jié)合，大大提高了劃分效率和精度。在下一步研究中，系統(tǒng)將制定更多的指標權(quán)重體系，更好地適應(yīng)不同區(qū)域的實際情況，盡可能減少人工參與修正的比例；同時，系統(tǒng)將結(jié)合元胞自動機(CA)等技術(shù)對建成區(qū)范圍的發(fā)展變化趨勢進行更精確的預測。

2012年，在浙江省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳組織的專家驗收會上，項目驗收專家一致認為該項成果填補了國內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍劃分領(lǐng)域的空白，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，有較高的推廣和應(yīng)用價值；同時，在國家測繪與地理信息局和浙江省人民政府共同組織的地理國情監(jiān)測試點項目專家驗收會上也得到了與會

領(lǐng)導和專家的一致認可和好評。目前，系統(tǒng)已申請軟件著作權(quán)登記。在浙江省省情普查的城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查工作中，本系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，并取得了良好的效果?？梢灶A見，在未來幾年開展的城鎮(zhèn)建成區(qū)變化監(jiān)測工作中，本系統(tǒng)必將扮演更重要的角色。

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引文格式： 馮存均，丁明雷，左石磊，等. 城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2015(3)：105-107.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0089

通信作者：丁明雷。E-mail：dml19860701@163.com

作者簡介：馮存均(1971—)，男，教授級高級工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)開發(fā)、地理國情監(jiān)測研究等工作。E-mail：fcjgis@163.com

基金項目：國家測繪地理信息局重點專項(測國土函[2011]59號)

收稿日期：2014-08-24

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)03-0105-03