基于ArcGIS的龍巖市城市綠地信息系統(tǒng)的建立

高鵬，徐志剛，黃金華， 金鑫， 吳江平

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012;2.龍巖市中正測繪有限公司，福建 龍巖364012)

基于ArcGIS的龍巖市城市綠地信息系統(tǒng)的建立

高鵬1，2，徐志剛1，2，黃金華1， 金鑫1， 吳江平1

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012;2.龍巖市中正測繪有限公司，福建 龍巖364012)

文章首先闡述了城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃與傳統(tǒng)管理方法的不足以及面臨的問題，提出了建立基于ArcGIS綠地信息系統(tǒng)對綠地信息進(jìn)行存儲與管理.通過資料的收集及預(yù)處理、綠地信息的提取、建立GIS數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建龍巖市城市綠地信息系統(tǒng).該系統(tǒng)的運(yùn)用可以解決綠地信息的準(zhǔn)確高效的采集、處理、獲取、存儲、管理，并實(shí)現(xiàn)綠地的分析與評價(jià)，為綠地規(guī)劃的政府管理與決策部門提供科學(xué)的依據(jù).

地理信息系統(tǒng);城市綠地系統(tǒng);ArcGIS;龍巖市

0 引 言

龍巖市是全國著名革命老區(qū)和中央蘇區(qū)，又是客家的發(fā)祥地和客家人的聚集地，也是山區(qū)、林區(qū)、礦區(qū)，地處臺灣海峽西岸，福建省的西部，通稱閩西.隨著海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，福建龍巖城市化進(jìn)程不斷加快，原始生態(tài)環(huán)境受到破壞.目前亟待解決的問題是如何在有限的土地資源內(nèi)，對城市綠地進(jìn)行合理規(guī)劃，優(yōu)化綠地的空間結(jié)構(gòu)，使城市綠地更好地發(fā)揮其生態(tài)效益和使用功能.

一方面，傳統(tǒng)城市綠地在具體查詢、管理上由于使用的是紙質(zhì)文檔，查閱、翻新和改建極為不便，雖然部分城市建立了相關(guān)管理系統(tǒng)，但系統(tǒng)功能單一，無法進(jìn)行定量分析.另一方面，在城市綠地覆蓋信息獲取方面主要采用人工普查的方法，存在多為手工作業(yè)，資金和人力投入大;數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計(jì)量任務(wù)重，周期長;統(tǒng)計(jì)過程中人為因素影響大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低;多為統(tǒng)計(jì)分析，空間分析弱;調(diào)查、統(tǒng)計(jì)結(jié)果多為表格或測繪圖件，可視化程度低，不便于綜合分析評價(jià)等不足[1-2].因此，必須根據(jù)遙感技術(shù)迅速獲取及時(shí)、準(zhǔn)確、高質(zhì)量的城市綠地規(guī)劃信息，利用現(xiàn)代GIS技術(shù)，才能及時(shí)提取綠地信息、建立城市綠地GIS、分析綠地現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)，為在有限的土地資源條件下，實(shí)現(xiàn)城市綠地的合理布局，優(yōu)化綠地的空間結(jié)構(gòu)，使城市綠地有效地發(fā)揮其生態(tài)效益和使用功能.

本論文以城市綠地為研究對象，以計(jì)算機(jī)為載體，以傳統(tǒng)的城市綠地基礎(chǔ)理論為依據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)，對龍巖市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃體系進(jìn)行系統(tǒng)的分析與構(gòu)建.

1 建立龍巖市城市綠地系統(tǒng)的技術(shù)路線

為使建立的城市綠地系統(tǒng)實(shí)施動態(tài)更新，以城市的1∶1萬紙制地圖、土地利用現(xiàn)狀圖作為地理基礎(chǔ)底圖，將城市的高分辨率遙感圖像作為主要數(shù)據(jù)源用來提取綠地的專題信息，以綠地建設(shè)相關(guān)資料以及統(tǒng)計(jì)年鑒、市志作為輔助數(shù)據(jù)對專題信息進(jìn)行補(bǔ)充.

遙感圖像主要通過ERDAS、ARCGIS等相關(guān)軟件，進(jìn)行圖像校正、增強(qiáng)、融合，綠地信息提取等步驟提取城市綠地系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的制定提供科學(xué)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息;通過ARCGIS軟件建立城市綠地系統(tǒng)的圖形數(shù)據(jù)庫及屬性數(shù)據(jù)庫;建立系統(tǒng)模塊;進(jìn)行綠地分析;指導(dǎo)規(guī)劃，具體技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 技術(shù)路線圖

2 綠地信息的提取與分類

2.1 遙感圖像預(yù)處理

原始遙感影像圖灰度級低，很難準(zhǔn)確地提取所需的綠地信息.因此，在進(jìn)行綠地信息提取前需要利用ERDAS遙感圖像處理軟件，對遙感影像圖進(jìn)行預(yù)處理，使得其有好的解譯效果[1].首先輻射校正消除或改正因輻射誤差而引起影像畸變，然后幾何校正消除遙感圖像由于遙感器姿態(tài)角的變化、物鏡系統(tǒng)的光學(xué)畸變、掃描速度不穩(wěn)定、地球自轉(zhuǎn)、地面曲率及地形起伏等引起的幾何畸變[2].

對遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理后，接著進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識別效果;最后進(jìn)行圖像融合將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，使得融合后圖像的綠地空間分辨率得到增強(qiáng)，尤其是確定綠地斑塊的邊界性;從而最終獲得比較清晰、對比度強(qiáng)、位置準(zhǔn)確的遙感圖像[2].處理后的圖像如圖2所示.

圖2 圖像增強(qiáng)前后對比

2.2 地圖數(shù)據(jù)預(yù)處理

地圖數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源，有著極其重要的作用.首先應(yīng)該對紙制圖紙進(jìn)行掃描并數(shù)字化，進(jìn)行掃描數(shù)字化作業(yè)時(shí)，結(jié)合外業(yè)采集數(shù)據(jù)，嚴(yán)格捕捉點(diǎn)位，確保矢量化數(shù)據(jù)的精度與外業(yè)數(shù)據(jù)一致[3].將所需的行政區(qū)劃要素進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)據(jù)格式為ESRI的SHAPE文件，數(shù)據(jù)預(yù)處理后如圖3所示.

圖3 龍巖市行政區(qū)劃界線圖

2.3 綠地信息提取及分類

2.3.1 綠地信息提取及分類的原理

綠地信息提取就是從通過校正以后的遙感圖像上提取綠地，將綠地和其他各種用途的土地區(qū)分開來.與其他物體相比較，各類綠色植物由于均進(jìn)行光合作用，其在紅光波段具有強(qiáng)吸收及近紅外波段具有高反射的特征，所以在提取綠地信息時(shí)選擇了植被指數(shù)提取方法[4].常用的植被指數(shù)有歸一化差異植被指數(shù)NDVI(Normal Different Vegetation Index)，其計(jì)算公式為:NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中，NIR指近紅外波段的反射值;R指紅光波段的反射值.

遙感圖像分類主要依據(jù)是地物的光譜特征，既地物電磁波輻射的多波段測量值，這些測量值可以用作遙感圖像分類的原始特征變量.圖像分類就是基于圖像像元的數(shù)據(jù)文件值，將像元?dú)w并成有限幾種類型、等級或數(shù)據(jù)集的過程[5].

2.3.2 綠地信息提取及分類

對處理好的遙感圖像在ERDAS軟件中進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類.首先在Viewer中打開需要分類的圖像，單擊ClassiferClassificationSignature editor，打開分類模板編輯器定義分類模板，具體如圖4、圖5所示;然后應(yīng)用AOI繪圖工具在遙感圖像上通過識別獲取分類模板信息，逐一將綠地區(qū)域加載到Signature分類模板中.本研究中將城市綠地分為公園綠地、附屬綠地、防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地4類.通過矢量化對綠地按照上述分類進(jìn)行目視解譯，提取綠地專題信息，然后分層存儲管理.執(zhí)行了監(jiān)督分類之后，要對分類結(jié)果進(jìn)行評價(jià)和處理，盡量剔除那些太小或不符合已有資料的斑塊.

圖5 將選擇樣區(qū)逐一添加到Signature分類模板屬性表

3 基于ArcGIS建立城市綠地?cái)?shù)據(jù)庫

要實(shí)現(xiàn)城市綠地系統(tǒng)的建立，必須先建立綠地?cái)?shù)據(jù)庫.文中利用ArcGIS軟件提取綠地矢量數(shù)據(jù)并進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)與添加，接著將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)涮幚恚缓筮M(jìn)行綠地面積等各項(xiàng)綠地分類統(tǒng)計(jì).

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是GIS的血液，作為組織數(shù)據(jù)的有效手段，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和建設(shè)是十分重要的.數(shù)據(jù)庫中將實(shí)現(xiàn)對多種信息的綜合管理.GIS數(shù)據(jù)庫包括圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫.

3.1.1 圖形數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

圖形數(shù)據(jù)庫主要用于輔助綠地信息的獲取，并提供GIS環(huán)境下進(jìn)行城市綠地空間分析評價(jià)所必需的各類相關(guān)空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如行政區(qū)劃、道路、水系、居民地等，空間數(shù)據(jù)分層存儲，根據(jù)地圖上的地理信息數(shù)據(jù)，將綠地現(xiàn)狀圖分為9個(gè)圖層如表1所示.各圖層分層數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，用ArcGIS軟件編輯完成后分層存儲管理，形成空間數(shù)據(jù)庫.

表1 龍巖市城市綠地現(xiàn)狀圖的圖層劃分

3.1.2 屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由與其相連的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所決定的，而且屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定受系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)等功能所控制.屬性數(shù)據(jù)庫中各字段名稱應(yīng)按簡潔、直觀、無歧義、唯一、適用、可擴(kuò)展的原則進(jìn)行編碼，各字段的取值依據(jù)各字段值的取值范圍和國家規(guī)定行業(yè)慣例進(jìn)行編碼.數(shù)據(jù)編碼是建立規(guī)劃信息數(shù)據(jù)庫的最基本的內(nèi)容之一，它表達(dá)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對規(guī)劃信息表達(dá)的抽象，用以標(biāo)明不同類別、區(qū)段、專題性質(zhì)的信息所存放的文件，是各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)連接的紐帶，并提供了數(shù)據(jù)查詢手段[6].屬性數(shù)據(jù)庫中還應(yīng)包括各類綠地的有關(guān)屬性，如綠地類型、綠地面積、植物類型、生長狀況等.

3.2 圖形數(shù)據(jù)庫

利用ArcGIS對遙感圖像、地形圖進(jìn)行數(shù)字化和圖形信息編輯，并參考龍巖市統(tǒng)計(jì)年鑒、市志以及綠地現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)作為圖斑的屬性數(shù)據(jù)輸入屬性數(shù)據(jù)庫.矢量化后的綠地現(xiàn)狀圖如圖6所示.

圖6 矢量化后的綠地現(xiàn)狀圖

3.3 空間數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫的建立是在ArcCatalog基礎(chǔ)上建立的.建庫的主要流程是，首先在ArcCatalog下建庫及要素集，并在要素集下建立要素類，然后導(dǎo)入坐標(biāo)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)模板，最后建立拓?fù)潢P(guān)系及對導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查[7-9].

圖7 建庫Personal Geodatabase及要素集Feature Dataset

在ArcCatalog中選擇一個(gè)本地目錄，新建庫Personal Geodatabase，在其下創(chuàng)建一個(gè)要素集Feature Dataset，并設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖7所示;在要素集下創(chuàng)建要素類，然后導(dǎo)入將要進(jìn)行拓?fù)浞治龅臄?shù)據(jù)，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)，每導(dǎo)入一個(gè)不同地類，對應(yīng)庫文件添加所導(dǎo)入地類編碼;再進(jìn)入到該數(shù)據(jù)集下，新建拓?fù)鋞opology，添加拓?fù)湟?guī)則對導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查，包含的拓?fù)湟?guī)則有:

1)Must not have dangles(不存在懸掛)

2)Must not intersect(禁止相交)

3)Must not overlap wits(不許重疊);

在ArcMap中打開由拓?fù)湟?guī)則產(chǎn)生的文件，利用topology工具條中的錯(cuò)誤記錄信息進(jìn)行修改，不斷拓?fù)錂z查所構(gòu)的面，直到所構(gòu)的面無拓?fù)溴e(cuò)誤，完善構(gòu)面[10-11].

3.4 城市綠地GIS系統(tǒng)的基本功能

以遙感圖像和地形圖為基礎(chǔ)，在GIS軟件的支持下，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，建立研究區(qū)域的數(shù)字圖像地圖，然后對不同綠地類型進(jìn)行遙感解譯，并建立綠地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫.城市綠地GIS的基本模塊主要包括:地理數(shù)據(jù)查詢與瀏覽模塊、屬性查詢與更新模塊、圖形編輯與更新模塊、查詢與統(tǒng)計(jì)模塊、專題圖制作模塊、圖件打印輸出模塊等.城市綠地GIS系統(tǒng)的這些基本功能模塊使得城市綠地規(guī)劃人員能夠隨時(shí)提取并顯示所需了解的城市綠地空間信息，實(shí)現(xiàn)了圖文結(jié)合、報(bào)表生成、統(tǒng)計(jì)查詢一體化.相對于傳統(tǒng)的以人工為主要工作方式查詢、計(jì)算及統(tǒng)計(jì)綠地信息而言，GIS手段帶來了前所未有的便利，提高了工作效率[12-13].

4 結(jié)果與分析

建立龍巖市城市綠地系統(tǒng)的目的主要是分析綠地現(xiàn)狀與結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)城市綠地的合理布局，優(yōu)化綠地的空間結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)綠地的有效管理，為綠地規(guī)劃與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).本系統(tǒng)是在ArcGIS軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)建立的，系統(tǒng)的基本功能一般包括輸入輸出、查詢?yōu)g覽、制圖表達(dá)、空間分析、查詢統(tǒng)計(jì)等功能.基于ArcGIS的龍巖市城市綠地系統(tǒng)區(qū)別于一般的管理系統(tǒng)主要在于空間分析與查詢統(tǒng)計(jì)功能.通過構(gòu)建的系統(tǒng)對綠地分析如下.

4.1 龍巖市綠地現(xiàn)狀分析

通過ArcGIS統(tǒng)計(jì)出公園綠地、附屬綠地、防護(hù)綠地、生產(chǎn)綠地四類綠地面積.龍巖市全市建成區(qū)范圍內(nèi)1440 hm2綠地中，公園綠地293.9 hm2，附屬綠地 442.7 hm2，防護(hù)綠地 598.4 hm2，生產(chǎn)綠地80 hm2，它們分別占龍巖市綠地總量的22%、32%、44%和2%，具體如表2所示.

表2 龍巖市城市綠地現(xiàn)狀分析

通過現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)龍巖市城市綠地規(guī)劃主要存在問題是未能形成一個(gè)功能齊全的綠地系統(tǒng)，公共綠地少，類型單一，衛(wèi)生防護(hù)林帶不足形成體系，生產(chǎn)綠地不足，居住區(qū)、單位附屬綠地均未能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn).

4.2 綠地結(jié)構(gòu)分析

對龍巖市的各類綠地面積及所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，龍巖市綠地結(jié)構(gòu)如圖8所示，可以看出龍巖市綠地結(jié)構(gòu)不合理，空間分布不均衡.從城區(qū)綠地系統(tǒng)的現(xiàn)狀來看，主要是公園綠地、附屬綠地，缺乏生產(chǎn)綠地和防護(hù)綠地，這很不利于龍巖市的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展.

圖8 龍巖市綠地結(jié)構(gòu)組成

5 結(jié)論

隨著RS與GIS技術(shù)自身的發(fā)展和日趨成熟，傳統(tǒng)人工綠地覆蓋信息的獲取與管理正逐步被先進(jìn)的3S技術(shù)所取代.本研究以龍巖市綠地系統(tǒng)建立為例，探討了GIS技術(shù)在城市綠地系統(tǒng)建立方面的應(yīng)用.試驗(yàn)證明該技術(shù)在綠地系統(tǒng)的建立，無論是數(shù)據(jù)存儲、處理和各種資料信息的統(tǒng)計(jì)分析，都是高效可行的，也為綠地信息的采集、存儲、管理、分析、統(tǒng)計(jì)提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，同時(shí)為政府管理與決策部科學(xué)合理地進(jìn)行綠地規(guī)劃分析提供科學(xué)依據(jù).

本研究主要局限于綠地系統(tǒng)的建立，并對綠地現(xiàn)狀進(jìn)行簡單的分析與評價(jià)，未來研究的方向應(yīng)該是在建立的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行城市綠地生態(tài)效益、社會效益與經(jīng)濟(jì)效益相結(jié)合全面的評價(jià)和分析.

[1]徐志剛，高鵬，陳雪玲.基于RS和GIS的城市綠地系統(tǒng)建立及綜合效益評價(jià)初探[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(5):28-30.

[2]杜培軍.遙感原理與應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006: 32-48.

[3]劉志輝，肖煒枝，郭朝暉.基于MGE的廣州市1:500地形圖修測及入庫方案探索[J].城市勘測，2006(5):24-26.

[4]詹慶明，肖映輝.城市遙感技術(shù)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2001: 102-103.

[5]章孝燦，黃智才，戴企成，等.遙感數(shù)字圖像處理[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，2008:80-96.

[6]汪紅松，王海坤，袁偉.GIS在城市規(guī)劃信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2004，103(3):47-49.

[7]Alata Vienneau，Jonathan Bailey，Simon Woo等.ArcCatalog使用手冊[M].北京:ESRI中國(北京)有限公司，2004:156-201.

[8]Alan Hatakeyama，Cory Eicher，Jan Sims等.ArcMap使用手冊[M].北京:ESRI中國(北京)有限公司，2008:256-267.

[9]王紅亮.GIS在城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃和管理中的應(yīng)用研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué)，2008.

[10]王蕾，劉平，王偉勝，等.城市綠地自動分類管理信息系統(tǒng)研究——以烏魯木齊新市區(qū)為研究對象[J].福建林業(yè)科技，2006，33 (1):164-167.

[11]李星墨，段廣德.基于GIS呼和浩特城市擴(kuò)展軸上的綠地景觀格局梯度分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31 (2):89-94.

[12]盧文喜，李娟.基于GIS的城市綠地信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制——以長春市城區(qū)為例[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，36(2): 95-98.

[13]賀光旭.GIS在城市園林綠化中的研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011(11):54-57.

Establishment of greenbelt information system based on ArcGIS in Longyan city

GAO Peng1，2，XU Zhigang1，2，HUANG Jinhua1，JIN Xin1，WU Jiangping1
(1.Institute of Resource，Longyan University，Longyan 364012，China;2.Longyan Zhongzheng Co.Ltd，Longyan 364012，China)

Firstly，this paper describes the shortcomings and the facing problems of urban greenbelt system planning and traditional management methods.It proposes the advanced technology about the establishment of greenbelt information system based on ArcGIS.This system has the function of storing and managing information of greenbelt.GIS database is established through data collection，data preprocessing，greenbelt information extraction，and constructs the greenbelt information system in Longyan city.The application of this system can reach the goal of accurately，efficiently acquiring，processing，obtaining，storing，managing the greenbelt information，and realize the analysis and evaluation of green space.It provides scientific basis for government management and decision-making departments of greenbelt planning.

GIS;urban greenbelt system;ArcGIS;Longyan city

2095-3046(2015)01-0074-07

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.013

P258

A

2014-09-09

福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013Y0068);福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA12317，JA13312);龍巖市科技局項(xiàng)目(2013LY50);福建省省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311312014)

高鵬(1983- )，女，講師，主要從事“3S”技術(shù)應(yīng)用、基礎(chǔ)測繪等方面的研究，E-mail:ddd0505@qq.com.