城镇建成区调查地理信息应用系统的设计与实现

2015-02-19冯存均丁明雷左石磊

测绘通报 2015年3期

关键词：建成区城镇浙江省

冯存均，丁明雷，左石磊，吴　慧

(浙江省地理信息中心地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室，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

城镇建成区调查地理信息应用系统的设计与实现

冯存均，丁明雷，左石磊，吴慧

(浙江省地理信息中心地理国情监测国家测绘地理信息局重点实验室，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：城镇建成区调查是正在开展的浙江省第一次地理国情普查之省情普查的重要内容之一，旨在基于遥感影像、基础地理信息数据、相关专题数据，依据统一的《浙江省城镇建成区调查技术规程》，形成科学真实的城市建成区范围边界。城镇建成区调查地理信息应用系统立足于《浙江省城镇建成区调查技术规程》，充分利用RS和GIS技术，实现了遥感信息自动提取、城镇建成区范围划分、建成区变化监测等功能，是开展城镇建成区调查的重要辅助工具。本文对系统的功能设计与实现进行了阐述，并对目前系统的应用情况进行了介绍。

关键词：城镇建成区；地理信息系统；遥感

一、引言

城镇建成区范围及其变化情况反映的是一个城镇发展规模与速度，是判断城镇社会经济发展的基础数据，因而准确衡量城镇建成区范围面积尤为重要。目前，国内对于城镇建成区范围界定方面存在着概念模糊、界定方法标准不一致等问题，且划分方式大多是依据遥感影像进行人工勾绘或软件提取。这些划分方式划分误差较大、耗费时间长，而且划分标准和划分方式的不同容易造成不同单位产生不同的划分结果[1-3]。因此，建立一套完整的城镇建成区界定方法和规程，并以此为基础开发城镇建成区范围自动划分系统显得尤为重要。

2012年6月，浙江省地理信息中心联合浙江省住房与城乡建设厅、浙江大学制定了《浙江省城镇建成区调查技术规程》(以下简称“规程”)，对城镇建成区的统计口径、统计方法进行规范，提出了一套多指标综合分析评价体系，将城镇建成区的定义细化为可定量操作的调查技术规程，规定了对城镇建成区范围进行快速提取的操作细则。同时，基于RS和GIS技术，建立城镇建成区调查地理信息应用软件系统，以规程为主要设计依据，将规程中的城镇建成区划分流程在软件系统中予以实现，为相关部门提供快捷、高效的城镇建成区范围面积调查与监测途径。

二、总体技术框架

城市建成区调查地理信息应用系统采用Esri的ArcGIS 10.1和ENVI 4.8作为软件开发平台，结合Microsoft Visual Studio 2010和C#语言进行组件式开发，实现开发可扩展、易维护的应用系统。系统体系结构为C/S(客户端/服务器)，采用C/S体系结构是因为建成区划分流程涉及大量的数据处理和指标计算工作，且运算所涉及的专题数据多为涉密数据，C/S架构可以有效地保证系统的运行效率和处理数据的安全性。系统框架结构如图1所示。

图1　系统框架结构

系统以基础地理信息数据、遥感影像数据和相关专题数据为依托，基于《浙江省城市建成区调查技术规程》，采用GIS和RS技术，实现遥感信息自动提取、城镇建成区范围的自动划分、影像信息提取、人工修正和变化范围变化动态监测等功能，为浙江省城镇建成区调查工作提供工具支持。

该系统是国内首个实现城镇建成区范围自动划分和人工划分相结合的系统，填补了国内该领域的空白，具有极大的应用价值。

三、系统设计实现

1. 系统数据需求

城镇建成区调查地理信息应用系统在划分建成区的过程中涉及大量的数据处理和指标计算，而这些指标计算要求以充足的数据作为计算基础，主要包括遥感影像数据、基础地理信息数据、辅助数据和专题数据。

遥感影像数据应使用研究区域当年获取的2.5 m或更高分辨率的卫星遥感影像。若调查时无法获取当年的遥感影像数据，须使用距离调查时相最近的影像数据。

基础地理信息数据主要包括行政境界数据、水系数据和路网数据。

辅助数据包括用地分类资料数据(有城乡用地分类资料和土地利用现状分类资料两种类型)、城市已批用地红线数据和建制范围数据。

专题数据主要是调查区域的一些基础性、服务性设施分布资料数据，数据详细情况见表1。

表1　专题数据

2. 系统功能设计与实现

系统以模块化结构为主体，按类别将所有功能模块归纳在一起，程序界面统一调用各大功能模块。系统主界面如图2所示。

图2　城镇建成区调查地理信息应用系统主界面

系统分为数据预处理、通用GIS功能、建成区范围划分、建成区变化监测、打印输出和系统维护管理6个模块，各个模块之间相互依赖，存在着紧密的联系。基于数据预处理模块提取的遥感影像分类数据，通过建成区划分模块进行划分，生成研究区域建成区范围数据；利用建成区变化监测模块将系统生成的建成区数据和已有的建成区范围数据进行空间分析，得到研究区域不同时期建成区范围变化情况；最后，通过通用GIS功能模块和打印输出模块进行结果的展示和输出。

(1) 数据预处理

数据预处理包括遥感影像信息提取、辅助数据和专题数据检查两项功能。

信息提取基于遥感影像数据，针对调查区域的地形地貌特征，充分利用对象信息(色调、形状)与类间信息(与邻近对象的相关特征)，使用制定的分类规则集，对遥感影像进行信息自动提取，提取结果分为人工化区域(包括建制镇区域、乡村及部分采矿用地等特殊区域)和自然原始区域(包括水系、山体和农林用地等植被覆盖及未识别区域)两种类型。

数据检查主要是对导入系统的辅助数据和专题数据进行属性、坐标系和拓扑等检查。

(2) 建成区范围划分

建成区范围划分模块是系统的核心模块。建成区划分流程分为属性修正、功能修正和形态修正3个步骤。属性修正主要是对预处理数据结果进行行政境界、建制范围和水域等修正，剔除一些不必要的信息，简化信息量，便于后于操作。

功能修正是将影响建成区范围划分的一些抽象指标进行定性化和定量化处理，实现指标的自动化计算，最后依据指标计算结果和相应的权重值对研究区域进行评分，剔除低分区域。功能修正评价体系见表2。

表2　功能修正基础与服务设施评价指标

形态修正是将功能修正的结果进行飞地修正、边界圆滑和空心地修正等操作，最终得到调查区域的建成区范围。

(3) 建成区变化监测

基于不同时期的建成区范围，动态生成调查区域建成区范围变化数据；同时，使用相应的模型和方法，基于建成区范围不同时期的变化数据，对未来某个时期的建成区范围进行预测。

3. 系统应用实例

系统已在浙江省德清县武康镇、宁波市海曙区、杭州市江东、建德市等试点区域进行了建成区范围的划分试验。通过试点，对规程及系统进行了验证，试点结果也得到了主管部门的充分认可。在正在开展的浙江省第一次地理国情普查之城镇建成区调查工作中，软件系统已下发给全省所有的市、县使用，极大地提高了建成区划分效率。本文以德清县武康镇建成区范围的划分为例进行划分流程和划分结果的详细说明。

试验区域采用的遥感影像是成像时间为2010年、分辨率为2.5 m的ALOS影像。遥感影像信息提取结果如图3所示。

图3　遥感影像提取结果

以遥感影像提取数据为基础，依据前面所述的划分方法，结合试验区域基础地理信息数据和专题数据对研究区域建成区范围进行划分。划分结果如图4所示，(a)为研究区域综合评分结果，(d)为建成区最终划分结果。通过将划分结果与武康镇0.2 m航片进行对比分析，可发现划分结果与当地实际情况比较吻合。

图4　武康镇建成区范围不同划分阶段成果

四、结束语

城镇建成区调查地理信息应用系统以《浙江省城市建成区调查技术规程》为基础，针对目前国内对建成区范围划分和提取的不足和缺陷，全面综合考虑了影响建成区划分的多项因素，如土地权属、空间形态、飞地、功能性和服务性设施分布、城中村、现势性等影响建成区划分的指标，并进行了定量化处理。与国内建成区划分过程中多采用对照遥感影像进行人工勾绘的方式不同，本系统实现了自动划分和人工划分的有机结合，大大提高了划分效率和精度。在下一步研究中，系统将制定更多的指标权重体系，更好地适应不同区域的实际情况，尽可能减少人工参与修正的比例；同时，系统将结合元胞自动机(CA)等技术对建成区范围的发展变化趋势进行更精确的预测。

2012年，在浙江省住房与城乡建设厅组织的专家验收会上，项目验收专家一致认为该项成果填补了国内城镇建成区范围划分领域的空白，达到了国内领先水平，有较高的推广和应用价值；同时，在国家测绘与地理信息局和浙江省人民政府共同组织的地理国情监测试点项目专家验收会上也得到了与会

领导和专家的一致认可和好评。目前，系统已申请软件著作权登记。在浙江省省情普查的城镇建成区调查工作中，本系统发挥了重要的作用，并取得了良好的效果。可以预见，在未来几年开展的城镇建成区变化监测工作中，本系统必将扮演更重要的角色。

参考文献：

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[2]王跃,程丹. 苏州建成区范围界定及形态分析[J].苏州科技学院学报：自然科学版，2011(3)：70-73.

[3]华晨,杨扬,黄娜. 超常规发展中杭州城市建成区界定方法探讨[J].特区经济,2004(11)：157-159.

[4]赵昕,胡召玲. 基于RS和GIS的徐州市建成区扩展研究[J].淮海工学院学报：社会科学版，2006,4(4)：61-63.

[5]贾维华,杨锋杰. 基于RS和GIS的济宁市城区扩展动态变化研究[J].山东科技大学学报,2005,24(2)：35-37.

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[9]陈友华,赵民. 城市规划概论[M]．上海：上海科学技术文献出版社,2005.