馮存均，丁明雷，左石磊，吳　慧

(浙江省地理信息中心地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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

?

城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查地理信息應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)展的浙江省第一次地理國(guó)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(xué)真實(shí)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(shí)現(xiàn)了遙感信息自動(dòng)提取、城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍劃分、建成區(qū)變化監(jiān)測(cè)等功能，是開(kāi)展城鎮(zhèn)建成區(qū)調(diào)查的重要輔助工具。本文對(duì)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，并對(duì)目前系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)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(gè)城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模與速度，是判斷城鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因而準(zhǔn)確衡量城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍面積尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)不一致等問(wèn)題，且劃分方式大多是依據(jù)遙感影像進(jìn)行人工勾繪或軟件提取。這些劃分方式劃分誤差較大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，而且劃分標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍自動(dòng)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(xué)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(jiǎn)稱“規(guī)程”)，對(duì)城鎮(zhèn)建成區(qū)的統(tǒng)計(jì)口徑、統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)范，提出了一套多指標(biāo)綜合分析評(píng)價(jià)體系，將城鎮(zhèn)建成區(qū)的定義細(xì)化為可定量操作的調(diào)查技術(shù)規(guī)程，規(guī)定了對(duì)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍進(jìn)行快速提取的操作細(xì)則。同時(shí)，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(jì)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(shí)現(xiàn)，為相關(guān)部門(mén)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(cè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合Microsoft Visual Studio 2010和C#語(yǔ)言進(jìn)行組件式開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展、易維護(hù)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?yàn)榻ǔ蓞^(qū)劃分流程涉及大量的數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)計(jì)算工作，且運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)遙感信息自動(dòng)提取、城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍的自動(dòng)劃分、影像信息提取、人工修正和變化范圍變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍自動(dòng)劃分和人工劃分相結(jié)合的系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)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(guò)程中涉及大量的數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)計(jì)算，而這些指標(biāo)計(jì)算要求以充足的數(shù)據(jù)作為計(jì)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(dāng)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(shí)無(wú)法獲取當(dāng)年的遙感影像數(shù)據(jù)，須使用距離調(diào)查時(shí)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(xì)情況見(jiàn)表1。

表1　專題數(shù)據(jù)

2. 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)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(yù)處理、通用GIS功能、建成區(qū)范圍劃分、建成區(qū)變化監(jiān)測(cè)、打印輸出和系統(tǒng)維護(hù)管理6個(gè)模塊，各個(gè)模塊之間相互依賴，存在著緊密的聯(lián)系。基于數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊提取的遙感影像分類數(shù)據(jù)，通過(guò)建成區(qū)劃分模塊進(jìn)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(cè)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(jìn)行空間分析，得到研究區(qū)域不同時(shí)期建成區(qū)范圍變化情況；最后，通過(guò)通用GIS功能模塊和打印輸出模塊進(jìn)行結(jié)果的展示和輸出。

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)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(xiàng)功能。

信息提取基于遙感影像數(shù)據(jù)，針對(duì)調(diào)查區(qū)域的地形地貌特征，充分利用對(duì)象信息(色調(diào)、形狀)與類間信息(與鄰近對(duì)象的相關(guān)特征)，使用制定的分類規(guī)則集，對(duì)遙感影像進(jìn)行信息自動(dòng)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(shí)別區(qū)域)兩種類型。

數(shù)據(jù)檢查主要是對(duì)導(dǎo)入系統(tǒng)的輔助數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性、坐標(biāo)系和拓?fù)涞葯z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(gè)步驟。屬性修正主要是對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(jiǎn)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(biāo)進(jìn)行定性化和定量化處理，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的自動(dòng)化計(jì)算，最后依據(jù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)的權(quán)重值對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行評(píng)分，剔除低分區(qū)域。功能修正評(píng)價(jià)體系見(jiàn)表2。

表2　功能修正基礎(chǔ)與服務(wù)設(shè)施評(píng)價(jià)指標(biāo)

形態(tài)修正是將功能修正的結(jié)果進(jìn)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(cè)

基于不同時(shí)期的建成區(qū)范圍，動(dòng)態(tài)生成調(diào)查區(qū)域建成區(qū)范圍變化數(shù)據(jù)；同時(shí)，使用相應(yīng)的模型和方法，基于建成區(qū)范圍不同時(shí)期的變化數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)某個(gè)時(shí)期的建成區(qū)范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3. 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)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(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了建成區(qū)范圍的劃分試驗(yàn)。通過(guò)試點(diǎn)，對(duì)規(guī)程及系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，試點(diǎn)結(jié)果也得到了主管部門(mén)的充分認(rèn)可。在正在開(kāi)展的浙江省第一次地理國(guó)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(jìn)行劃分流程和劃分結(jié)果的詳細(xì)說(shuō)明。

試驗(yàn)區(qū)域采用的遙感影像是成像時(shí)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(yàn)區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域建成區(qū)范圍進(jìn)行劃分。劃分結(jié)果如圖4所示，(a)為研究區(qū)域綜合評(píng)分結(jié)果，(d)為建成區(qū)最終劃分結(jié)果。通過(guò)將劃分結(jié)果與武康鎮(zhèn)0.2 m航片進(jìn)行對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)劃分結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況比較吻合。

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(yǔ)

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(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(xiàng)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(shì)性等影響建成區(qū)劃分的指標(biāo)，并進(jìn)行了定量化處理。與國(guó)內(nèi)建成區(qū)劃分過(guò)程中多采用對(duì)照遙感影像進(jìn)行人工勾繪的方式不同，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)劃分和人工劃分的有機(jī)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(biāo)權(quán)重體系，更好地適應(yīng)不同區(qū)域的實(shí)際情況，盡可能減少人工參與修正的比例；同時(shí)，系統(tǒng)將結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)(CA)等技術(shù)對(duì)建成區(qū)范圍的發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行更精確的預(yù)測(cè)。

2012年，在浙江省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳組織的專家驗(yàn)收會(huì)上，項(xiàng)目驗(yàn)收專家一致認(rèn)為該項(xiàng)成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍劃分領(lǐng)域的空白，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，在國(guó)家測(cè)繪與地理信息局和浙江省人民政府共同組織的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目專家驗(yàn)收會(huì)上也得到了與會(huì)

領(lǐng)導(dǎo)和專家的一致認(rèn)可和好評(píng)。目前，系統(tǒng)已申請(qǐng)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(yù)見(jiàn)，在未來(lái)幾年開(kāi)展的城鎮(zhèn)建成區(qū)變化監(jiān)測(cè)工作中，本系統(tǒng)必將扮演更重要的角色。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡憶東,吳志華,熊偉. 城市建成區(qū)界定方法研究[J].城市規(guī)劃,2008,32(4)：88-96.

[2]王躍,程丹. 蘇州建成區(qū)范圍界定及形態(tài)分析[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011(3)：70-73.

[3]華晨,楊揚(yáng),黃娜. 超常規(guī)發(fā)展中杭州城市建成區(qū)界定方法探討[J].特區(qū)經(jīng)濟(jì),2004(11)：157-159.

[4]趙昕,胡召玲. 基于RS和GIS的徐州市建成區(qū)擴(kuò)展研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2006,4(4)：61-63.

[5]賈維華,楊鋒杰. 基于RS和GIS的濟(jì)寧市城區(qū)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)變化研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(2)：35-37.

[6]湯君友,楊貴山. 基于RS和GIS的無(wú)錫市城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展時(shí)空特征分析[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2004,13(5)：423-428.

[7]牟鳳云,張?jiān)鱿?譚文彬. 基于遙感和GIS的重慶市近30年城市形態(tài)演化特征分析[J].云南地理環(huán)境研究,2008,20(5)：2-4.

[8]周一星,史育龍．建立中國(guó)城市的實(shí)體地域概念[J]. 地理學(xué)報(bào),1995，50(4)：289-301.

[9]陳友華,趙民. 城市規(guī)劃概論[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2005.

[10]談明洪,呂昌河．以建成區(qū)面積表征的中國(guó)城市規(guī)模分布[J].地理學(xué)報(bào),2003，58(2)：285-293.

[11]左大康．現(xiàn)代地理學(xué)辭典[M]．北京：商務(wù)印書(shū)館，1990.

[12]張韶巖,曹昊,紀(jì)大勇． 基于AutoCAD 的土地勘測(cè)定界成果管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究[J]． 測(cè)繪通報(bào),2014(1)：103-105.

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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，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(jiǎn)介：馮存均(1971—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)研究等工作。E-mail：fcjgis@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)專項(xiàng)(測(cè)國(guó)土函[2011]59號(hào))

收稿日期：2014-08-24

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)03-0105-03