羅雁，劉福成，楊魁

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

1 緒論

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐加快，用地情況日益緊張，土地資源逐漸稀缺。部分地方政府為了保證經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，頻繁提出修編城市總體規(guī)劃的訴求。對(duì)城市總體規(guī)劃實(shí)施的情況進(jìn)行評(píng)估，已成為上級(jí)政府和規(guī)劃主管部門(mén)判讀規(guī)劃是否需要修編的依據(jù)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者提出利用遙感大范圍、高效性的特點(diǎn)來(lái)對(duì)城市總體規(guī)劃的實(shí)施進(jìn)行評(píng)估。但是受限于分辨率和處理方法，利用遙感技術(shù)進(jìn)行城市建設(shè)用地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并未大規(guī)模的使用［1～4］。

但是高分辨率、多時(shí)相、多源的遙感影像的出現(xiàn)，影像處理技術(shù)的快速化、自動(dòng)化發(fā)展使得大范圍短周期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能。特別是面向?qū)ο蟮亩喑叨确指畹某霈F(xiàn)，為遙感在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或自動(dòng)的變化信息提取提供了可能［5］。本研究以此方法為核心，利用遙感技術(shù)對(duì)城市用地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立起城市總體規(guī)劃動(dòng)態(tài)評(píng)估的數(shù)據(jù)獲取、分析和評(píng)估體系。

2 技術(shù)路線

利用遙感技術(shù)對(duì)城市總體規(guī)劃的實(shí)施情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜工程。受限于人口、交通等多源數(shù)據(jù)的限制，要從整體角度對(duì)城市總體規(guī)劃實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估的難度很大。本文主要以獲取城市建設(shè)用地為目的，從遙感數(shù)據(jù)處理和GIS分析等角度構(gòu)建一套城市總體規(guī)劃實(shí)施評(píng)估體系。主要包括有遙感影像預(yù)處理、變化信息提取、GIS分析、總體規(guī)劃評(píng)估等。

圖1 遙感評(píng)估總體規(guī)劃技術(shù)路線

3 變化信息提取

城市土地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)是研究城市用地的最基本問(wèn)題。本次研究中，主要根據(jù)天津市規(guī)劃局2010年頒布的《天津市城市用地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》。城市用地按主要使用性質(zhì)進(jìn)行歸類(lèi)，采用大類(lèi)、中類(lèi)和小類(lèi)的金字塔分類(lèi)體系，共分為11個(gè)大類(lèi)(居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、對(duì)外交通用地、道路廣場(chǎng)用地、市政公共設(shè)施用地、綠地、特殊用地、水域及其他用地、發(fā)展備用地)，46個(gè)中類(lèi)，73個(gè)小類(lèi)。受限于遙感影像的分辨率等因素的影響，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的深度主要到大類(lèi)，部分到中類(lèi)。

本研究中主要通過(guò)專(zhuān)題圖制作的方式來(lái)對(duì)變化圖斑進(jìn)行解譯，即根據(jù)上述用地標(biāo)準(zhǔn)將前期影像劃分為相應(yīng)類(lèi)型，然后用變化監(jiān)測(cè)的方法提取后期影像中的每類(lèi)用地的變化信息，從而完成城市建設(shè)變化的監(jiān)測(cè)工作，此方法可以有效提高工作效率［6］。該步驟由影像分割和屬性獲取組成，影像分割主要完成每類(lèi)用地變化信息的提取，屬性獲取則確保變化信息的歸類(lèi)工作。

3.1 影像分割

作為面向?qū)ο笥跋裉幚碇嘘P(guān)鍵的一步，影像分割主要作用于兩方面。一方面，它是目標(biāo)散射體的表達(dá)基礎(chǔ)，對(duì)特征信息的提取有重要影響;另一方面，影像分割及表達(dá)對(duì)象、提取特征等技術(shù)將影像轉(zhuǎn)化為更緊湊、抽象的形式，使得信息提取得以實(shí)用。影像分割的任務(wù)就是在特定的應(yīng)用需求下，基于一定的規(guī)則將影像劃分為各具特征的區(qū)域并提取出有意義目標(biāo)的技術(shù)和過(guò)程。在由影像輸入到影像分析的整個(gè)影像處理過(guò)程中，影像分割起到了承上啟下的瓶頸作用，如圖2所示。

圖2 影像分割在整個(gè)影像處理中的地位

遙感影像是由空間結(jié)構(gòu)上相互聯(lián)結(jié)的像元組成，反映和揭示地面物體固有尺度。由于實(shí)際地物的復(fù)雜性，在提取影像中各類(lèi)地物的信息時(shí)需要充分考慮到地物的紋理、結(jié)構(gòu)、空間特征以及相鄰地物的關(guān)系。本研究中采用面向?qū)ο蟮挠跋穹指罘椒ㄖ饕且詫?duì)象為最小單元進(jìn)行處理。根據(jù)變化信息提取的要求，獲取變化圖斑的多種特征，其中主要是光譜特征和形狀特征。從對(duì)象層次實(shí)現(xiàn)變化信息的有效提取，使得分割結(jié)果具有更豐富的語(yǔ)義信息［5］。

在采用專(zhuān)題圖制作的方式來(lái)對(duì)變化圖斑進(jìn)行解譯時(shí)，不同類(lèi)型地物在影像上具有的尺度是不同的，若用某一固定的尺度進(jìn)行影像分割，將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)分割的現(xiàn)象。如針對(duì)小面積的工業(yè)用地采用較大的分割尺度，就會(huì)出現(xiàn)分割不完全的欠分割現(xiàn)象(圖3);若對(duì)于大面積的綠地采用較小的分割尺度，就會(huì)產(chǎn)生分割過(guò)于破碎的過(guò)分割情況。因此，針對(duì)這種情況，應(yīng)當(dāng)采用基于多個(gè)分割尺度分別對(duì)不同地物進(jìn)行分割以獲取最優(yōu)效果的多尺度分割方法［5］。如圖4所示，因?yàn)楣I(yè)用地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、市政公共設(shè)施用地、公共設(shè)施用地等面積較小，采用小尺度進(jìn)行分割;居住用地、對(duì)外交通用地等面積較大，采用中等尺度進(jìn)行分割;而綠地、水域等用地，面積較大，采用大尺度進(jìn)行分割。

圖3 影像分割結(jié)果

圖4 影像對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)

3.2 屬性獲取

在研究中采用2008年遙感數(shù)據(jù)為前期數(shù)據(jù)，以2010年的遙感數(shù)據(jù)為后期數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取變化信息。在利用面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罴夹g(shù)獲取變化信息的基礎(chǔ)上，以該信息為模板，結(jié)合影像解譯判讀技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，采用人機(jī)交互方式，以2010年的地形圖數(shù)據(jù)為輔助，對(duì)變化信息賦以相應(yīng)的屬性，從而可以獲取覆蓋天津的2010年建設(shè)用地現(xiàn)狀圖。并通過(guò)運(yùn)用“先內(nèi)業(yè)后外業(yè)”的作業(yè)流程，在內(nèi)業(yè)采集的基礎(chǔ)上，外業(yè)對(duì)2010年建設(shè)用地中未能確定的地物進(jìn)行屬性調(diào)繪，并最終完成數(shù)據(jù)編輯和信息化處理工作(圖5)。

基于同樣的原理和作業(yè)流程，以2010年的建設(shè)用地現(xiàn)狀圖為模板，結(jié)合2011年的正射影像可以快速高質(zhì)量獲取2011年的建設(shè)用地現(xiàn)狀信息。

圖5 獲取變化信息屬性的作業(yè)流程圖

4 GIS分析

為更好地分析和管理天津市建設(shè)用地的實(shí)際情況，將GIS的三類(lèi)基本要素:空間、屬性和時(shí)間有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)基于GIS分析的一體化處理流程。它主要由三個(gè)模塊組成:①自動(dòng)拓?fù)浞治觥ⅱ谧詣?dòng)化空間分析、③自動(dòng)化制圖。自動(dòng)拓?fù)浞治鲋饕轻槍?duì)在前期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中難以避免的邊界線重疊等問(wèn)題，通過(guò)綜合采用屬性特征、緊致度等特征排除小型錯(cuò)誤，然后根據(jù)需要進(jìn)行人工編輯來(lái)獲取最終的分析成果。自動(dòng)化空間分析主要用于確定建設(shè)用地和變化信息的分布的整體特征和趨勢(shì)，它由空間統(tǒng)計(jì)分析和疊置分析兩部分組成;基于空間分析通過(guò)統(tǒng)計(jì)建設(shè)用地圖斑的屬性來(lái)對(duì)建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);通過(guò)疊置分析可以有效獲取所在時(shí)間序列內(nèi)的各類(lèi)變化信息。自動(dòng)化制圖模塊則針對(duì)總體規(guī)劃評(píng)估的需要，將各類(lèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)和分區(qū)域處理，通過(guò)自動(dòng)化形成專(zhuān)題地圖的形式實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地現(xiàn)狀信息和變化信息的可視化表達(dá)［7］。

5 主要評(píng)估內(nèi)容

本研究選擇天津市為實(shí)驗(yàn)區(qū)。天津地處華北平原東北部，北與首都北京毗鄰，東達(dá)渤海灣，西、南分別與河北省的唐山、廊坊、滄州地區(qū)接壤，覆蓋面積為12 000 km2。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)使用數(shù)據(jù)主要有2008年、2010年和2011年的遙感影像，天津市總體規(guī)劃，2008年、2010年和2011年的1∶2 000地形圖等數(shù)據(jù)。

依據(jù)遙感解譯和GIS分析可以得到2008、2010年和2011年的衛(wèi)星遙感解譯分析結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從2008年到2011年，天津市城市建設(shè)用地面積從1 192.3 km2增加到 1 276.47 km2(圖6)，城市建設(shè)用地年均增長(zhǎng)28.06 km2。對(duì)各區(qū)域的新增情況進(jìn)行分析，如表1所示。

圖6 2008年～2011年天津市建設(shè)用地變化圖

新增建設(shè)用地主要分布在《天津市城市總體規(guī)劃(2005年～2020年)》確定的空間主要發(fā)展地區(qū)。京津發(fā)展軸上的新增建用地占整個(gè)新增建設(shè)用地61.18%;環(huán)城四區(qū)新增建設(shè)用地占整個(gè)新增建設(shè)用地的50.83%，津?yàn)I走廊只涉及3個(gè)區(qū)縣，但是新增建設(shè)用地占整個(gè)新增建設(shè)用地48.7%(圖7)。說(shuō)明“十一五”期間新增的建設(shè)用地在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)中心指向、道路指向的空間特征。經(jīng)濟(jì)中心指向表現(xiàn)為圍繞經(jīng)濟(jì)中心外圍圈層拓展;道路指向是沿著兩個(gè)、或者三個(gè)之間高等級(jí)道路帶狀增長(zhǎng)。

重點(diǎn)地區(qū)新增建設(shè)用地在空間分布 表1

從空間上來(lái)看，天津市城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)一般依存于現(xiàn)狀已有的城區(qū)、鎮(zhèn)區(qū)、園區(qū)，在能夠更好利用交通區(qū)位優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也能充分利用既有的公共服務(wù)配套設(shè)施。

圖7 2008年～2011年天津市建設(shè)用地變化圖

6 結(jié)論

本研究主要針對(duì)遙感技術(shù)在總體規(guī)劃動(dòng)態(tài)評(píng)估的快速應(yīng)用需求，從遙感影像預(yù)處理、變化信息提取和GIS分析三個(gè)角度提出相應(yīng)的解決方案。通過(guò)基于已有的資料進(jìn)行快速DOM的制作，利用面向?qū)ο蠖喑叨确指畹姆椒▉?lái)提高變化信息提取的效率，基于GIS的分析功能實(shí)現(xiàn)建設(shè)用地信息的快速統(tǒng)計(jì)，成功的應(yīng)用于天津市建設(shè)用地的時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，并對(duì)總體規(guī)劃進(jìn)行初步評(píng)估，從而為總體規(guī)劃實(shí)施的評(píng)估提供了技術(shù)支撐，有效提高了規(guī)劃實(shí)施評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度和客觀性。

［1］吳志強(qiáng)，李德華.城市規(guī)劃原理［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］蒲向軍.城市總體規(guī)劃實(shí)施研究—以天津市為例［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

［3］張治清，何宗，黃瀟瑩.遙感技術(shù)支持下的城市總體規(guī)劃實(shí)施評(píng)估方法研究［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2010(10):186～193.

［4］袁超，張澤烈.服務(wù)于城市規(guī)劃管理的遙感信息平臺(tái)技術(shù)研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2010(1):179～181.

［5］楊魁.面向?qū)ο蟮臉O化SAR影像多尺度分割算法研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2011.

［6］李樹(shù)偉.城市總體規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究－以新鄉(xiāng)市為例［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2008.

［7］湯國(guó)安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.