姚 堯，羅婷文，肖 琳，李紅旮

(1. 國土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034； 2. 深圳市數(shù)字城市工程研究中心，廣東 深圳 518034； 3. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚 堯1,2，羅婷文1,2，肖 琳1,2，李紅旮3

(1. 國土資源部城市土地資源監(jiān)測(cè)與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034； 2. 深圳市數(shù)字城市工程研究中心，廣東 深圳 518034； 3. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

在土地資源緊缺等“城市病”問題愈發(fā)突出的背景下，提高土地集約利用效率是國土資源管理的重點(diǎn)研究方向。為支撐城市土地空間資源集約利用研究，本文在深入研究城市土地利用評(píng)價(jià)及空間演化模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于C#.NET開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合ArcGIS Engine組件技術(shù)，研發(fā)了城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土地空間利用評(píng)價(jià)、預(yù)警及政策仿真調(diào)控等功能，作為科學(xué)管理土地的輔助工具。本文對(duì)系統(tǒng)的總體需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，以期為土地資源管理研究及相關(guān)軟件研發(fā)提供參考。

土地空間評(píng)價(jià)；土地空間預(yù)警；土地空間調(diào)控；ArcGIS Engine

近年來隨著城市化進(jìn)程加快，人口向城市集中，城市空間快速擴(kuò)張蔓延，土地的無序利用嚴(yán)重制約著城市優(yōu)化發(fā)展。因此，轉(zhuǎn)化土地粗放開發(fā)方式，優(yōu)化土地資源空間配置，提高集約利用效率，是土地資源緊缺國情下，土地資源管理的重點(diǎn)研究方向[1]。

土地資源集約利用的基礎(chǔ)是掌握土地空間利用現(xiàn)狀并預(yù)測(cè)未來發(fā)展?fàn)顩r[2]，才能對(duì)城市低效用地空間進(jìn)行識(shí)別，并制定土地集約利用提升策略[3]；另外，需要有能力對(duì)制定的決策影響進(jìn)行仿真模擬[4-5]，以預(yù)估土地利用優(yōu)化方案的實(shí)施效果。為此，本文在深入研究城市土地空間利用評(píng)價(jià)及空間演化模擬技術(shù)及系統(tǒng)研發(fā)方法的基礎(chǔ)上[6-8]，設(shè)計(jì)與開發(fā)城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市土地空間利用質(zhì)量評(píng)價(jià)、空間演化模擬預(yù)警及政策仿真功能，為城市土地空間資源集約利用研究提供支持。

1 系統(tǒng)需求

城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)主要是根據(jù)城市土地空間利用狀況研究過程中信息處理需求，對(duì)多源多時(shí)序遙感影像、土地利用、建筑普查及各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)要素的空間及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并通過現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及時(shí)空演化模擬對(duì)城市土地空間利用狀況及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，從而支撐城市土地資源管理。根據(jù)這一目標(biāo)，系統(tǒng)主要功能需求可劃分為地圖瀏覽、土地空間利用評(píng)價(jià)、土地空間時(shí)空演化模擬及預(yù)警、政策仿真、數(shù)據(jù)管理模塊等。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)采用Esri的二次開發(fā)組件ArcGIS Engine，結(jié)合C#語言開發(fā)，根據(jù)模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想，由三層結(jié)構(gòu)組成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

第一層是數(shù)據(jù)層，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫兩部分組成?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫包括土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、遙感影像、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、建筑普查數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、DEM等；專題數(shù)據(jù)庫包括人口普查、經(jīng)濟(jì)普查等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及重要地物點(diǎn)分布數(shù)據(jù)等。

第二層是服務(wù)層，在GIS核心框架上，為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供服務(wù)功能，保障工作流程的順利運(yùn)轉(zhuǎn)，包括基本的GIS功能、指標(biāo)計(jì)算模型、空間演化模擬分析等。

第三層是應(yīng)用層，在服務(wù)層的基礎(chǔ)上，面向土地空間資源的評(píng)價(jià)、預(yù)警、調(diào)控等管理需求，提供應(yīng)用服務(wù)，如土地空間利用質(zhì)量評(píng)價(jià)、土地空間利用預(yù)警、土地空間利用政策仿真等應(yīng)用子系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，將各功能按類別進(jìn)行歸納，由系統(tǒng)通過主界面統(tǒng)一調(diào)用。主要由Ribbon菜單欄、地圖窗口、圖層管理窗口、制圖窗口、工具欄、狀態(tài)欄等部分組成，以選項(xiàng)卡與工具欄相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的快捷操作，如圖2所示。系統(tǒng)有4項(xiàng)核心模塊，分別是基礎(chǔ)GIS功能、土地空間利用質(zhì)量評(píng)價(jià)功能、土地空間利用演化模擬功能及土地空間利用預(yù)警與政策仿真功能。

圖2 系統(tǒng)界面

3.1 基礎(chǔ)GIS功能

本功能模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)土地空間數(shù)據(jù)管理、地圖瀏覽、空間信息查詢等GIS功能，并為用戶提供可視化操作界面。該部分功能主要通過ArcGIS Engine控件實(shí)現(xiàn)。

土地空間數(shù)據(jù)管理部分主要針對(duì)土地空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括工程管理、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理和圖層管理3個(gè)子模塊。工程管理實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目工程創(chuàng)建、地圖文檔導(dǎo)入導(dǎo)出、保存等；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理子模塊主要對(duì)實(shí)施城市土地利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控所必需的行政區(qū)劃圖、DEM、遙感影像、土地利用、建筑普查等多源多時(shí)序數(shù)據(jù)分別進(jìn)行管理，目前本系統(tǒng)已錄入了2010—2014年深圳市土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、建筑普查數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等，可通過選項(xiàng)卡進(jìn)行快捷讀取；圖層管理子模塊可對(duì)已載入的圖層文件(包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等格式)進(jìn)行圖層增減、顯示、隱藏，調(diào)整順序等操作。

地圖瀏覽功能主要實(shí)現(xiàn)地圖的顯示與瀏覽，包括地圖查看、漫游、縮放等功能，是本系統(tǒng)可視化操作的基礎(chǔ)?？臻g信息查詢功能提供了空間位置查詢和屬性信息查詢兩種查詢方式，包含點(diǎn)查詢、區(qū)域查詢、屬性查詢、屬性表搜索等功能，用戶可對(duì)土地空間數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方式的檢索查詢，對(duì)空間決策進(jìn)行支持。

3.2 土地空間利用質(zhì)量評(píng)價(jià)功能

土地空間利用質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊主要包含指標(biāo)體系和權(quán)重配置兩個(gè)功能。首先根據(jù)需要以土地空間信息數(shù)據(jù)計(jì)算評(píng)價(jià)土地空間利用質(zhì)量的單指標(biāo)結(jié)果，然后利用權(quán)重配置功能生成參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。如圖3所示。

指標(biāo)體系部分需要充分發(fā)揮ArcGIS Engine的空間數(shù)據(jù)分析能力，包括疊加分析、距離分析等工具。另外，根據(jù)指標(biāo)計(jì)算需求，還自主設(shè)計(jì)了克里金插值算法，并實(shí)現(xiàn)了香農(nóng)多樣性指數(shù)、空間破碎度等景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)。權(quán)重配置子模塊采用熵權(quán)法進(jìn)行計(jì)算，由系統(tǒng)根據(jù)各指標(biāo)的信息熵決定其權(quán)重大小，減少主觀影響。

圖3 土地利用評(píng)價(jià)界面

3.3 土地空間利用演化模擬功能

土地空間利用演化功能是實(shí)現(xiàn)土地空間利用預(yù)警及政策仿真的基礎(chǔ)。首先對(duì)城市土地空間利用總量建立預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)建設(shè)用地、居住用地及工業(yè)用地?cái)?shù)量變化；其次，采用時(shí)空演化模擬技術(shù)，模擬城市土地利用的空間發(fā)展趨勢(shì)[9]。

土地空間利用數(shù)量預(yù)測(cè)采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[4]，包含系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)和總量預(yù)測(cè)模型兩個(gè)子模塊。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型部件設(shè)置、參數(shù)設(shè)置及可視化繪制3個(gè)功能，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型部件設(shè)置結(jié)合可視化繪制子模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算流程的可視化設(shè)計(jì)?？偭款A(yù)測(cè)模型根據(jù)用戶需求，通過設(shè)置GDP、固定資產(chǎn)投資、企業(yè)景氣指數(shù)等量化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)用地、居住用地及建設(shè)用地等總量預(yù)測(cè)。如圖4所示。

圖4 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的用地?cái)?shù)量預(yù)測(cè)

城市土地利用空間預(yù)測(cè)采用元胞自動(dòng)機(jī)(CA)[10]分析模塊，配合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)，以總量預(yù)測(cè)作為迭代控制條件，利用Logistic回歸方法計(jì)算各土地利用類型演化概率作為CA算法的全局適應(yīng)度，通過年代設(shè)置總量，控制CA迭代次數(shù)，實(shí)現(xiàn)土地利用空間演化，以可視化界面顯示演化結(jié)果，并提供結(jié)果保存及分析工具。如圖5所示。

圖5 元胞自動(dòng)機(jī)土地空間預(yù)測(cè)

土地利用預(yù)測(cè)分析主要功能是對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)面積統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)圖顯示。預(yù)測(cè)面積統(tǒng)計(jì)功能包括按類別及按年代統(tǒng)計(jì)柱形圖顯示，預(yù)測(cè)圖顯示功能則按年代進(jìn)行地圖繪制。

3.4 土地空間利用預(yù)警及政策仿真功能

土地空間利用預(yù)警及政策仿真功能首先以空間演化模擬模塊預(yù)測(cè)未來土地利用空間分布狀況，在土地空間利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上建立預(yù)警指標(biāo)，識(shí)別土地空間利用風(fēng)險(xiǎn)。用戶根據(jù)警情問題設(shè)計(jì)政策調(diào)控方案，系統(tǒng)將調(diào)控參數(shù)進(jìn)行量化，通過政策仿真功能模擬調(diào)控效果，為科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。

土地空間利用預(yù)警功能采用模糊可拓物元法進(jìn)行預(yù)警，是一種以可拓學(xué)和物元模型結(jié)合而成的多指標(biāo)可拓綜合評(píng)價(jià)方法。利用可拓物元法建立預(yù)警指標(biāo)模型，并進(jìn)行指標(biāo)綜合計(jì)算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差將警情劃分為無警、輕警、中警、重警和巨警五級(jí)，并實(shí)現(xiàn)可視化結(jié)果顯示。如圖6所示。

圖6 社區(qū)尺度土地空間利用預(yù)警界面

土地空間利用政策仿真功能提供了總量政策仿真和空間政策仿真兩種模式?？偭空叻抡嬉韵到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬模塊為基礎(chǔ)，通過量化調(diào)整貨幣政策、人口政策、購房政策等參數(shù)，模擬政策方案對(duì)建設(shè)用地、居住用地及工業(yè)用地調(diào)控效果?？臻g政策仿真以CA分析模塊為核心，將政策方案轉(zhuǎn)化為概率分布圖，通過與對(duì)應(yīng)類別適應(yīng)度進(jìn)行乘積，提高或減小適應(yīng)度，反映政策的效果，進(jìn)而模擬政策方案空間調(diào)控效果。

4 結(jié) 語

根據(jù)城市土地空間資源集約高效利用的管理需求，本著實(shí)用性和可操作性原則，本文基于Visual Studio.NET平臺(tái)和ArcGIS Engine組件，建立了城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以深圳市為試點(diǎn)，開展了示范應(yīng)用，目前已建立110余層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及指標(biāo)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了可視化的城市空間利用評(píng)價(jià)及時(shí)空演化模擬，為城市土地集約高效研究和管理提供技術(shù)支撐。

土地空間立體化利用是提高城市土地資源集約性的重要方式，在下一步研究中，系統(tǒng)將嘗試結(jié)合三維GIS及BIM技術(shù)，構(gòu)建土地立體化利用評(píng)價(jià)指標(biāo)，并在系統(tǒng)中加以實(shí)現(xiàn)，以期支撐三維視角下的土地立體化利用管理技術(shù)研究。

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Urban Land Space Evaluation and Early Warning Control System： Design and Implementation

YAO Yao1,2,LUO Tingwen1,2,XIAO Lin1,2,LI Hongga3

(1. Key laboratory of Urban Land Resources Monitoring and Simulation，Ministry of Land and Resources of China，Shenzhen 518034,China;2. Shenzhen Research Center of Digital City Engineering，Shenzhen 518034，China;3. Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

In the background of increasing urban diseases such as the shortage of land resources，it is the key research direction of land resource management that increasing the efficiency of intensive land use.In order to support the intensive use of urban land space resources，the authors developed the urban land space evaluation and early warning control system based on the C#.NET and ArcGIS Engine.This system has realized the functions of land space evaluation，early warning and policy simulation to assist the land resource management.This paper concentrates on the overall needs，structure and the design ideas of this system to provide a reference for land resource management research and related software development.

land space evaluation; land space early warning; land sapce control; ArcGIS Engine

姚堯，羅婷文，肖琳,等.城市土地空間利用評(píng)價(jià)預(yù)警調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(8)：125-128.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0269.

2016-12-02；

2017-04-28

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAJ05B04)

姚 堯(1986—)，男，博士，工程師，主要從事土地資源管理和地理信息技術(shù)研究。E-mail: 583066400@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)08-0125-04