城市綠地聚集度評價系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳 川，唐致偉，竇長娥，費鮮蕓

（1.淮海工學院 測繪工程學院，江蘇 連云港 222005）

城市綠地聚集度評價系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳 川1，唐致偉1，竇長娥1，費鮮蕓1

（1.淮海工學院 測繪工程學院，江蘇 連云港 222005）

隨著現(xiàn)代城市化進程的快速發(fā)展，城市綠地的研究和規(guī)劃成為目前城市建設的重中之重。為能有效反映綠地在城市中的分布狀況和綠地的輻射效應，設計和開發(fā)了基于卷積運算的城市綠地聚集度評價系統(tǒng)。在分析需求的基礎上提出系統(tǒng)的設計思路及體系結構，并對功能模塊進行分析。利用德州和棗莊的矢量數(shù)據(jù)、溫度反演圖像等數(shù)據(jù)，結合SuperMap iObjects 7C組件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)城市綠地的聚集度評價以及綠地聚集度與熱島效應相關性分析。該系統(tǒng)有助于用戶了解城市綠地聚集度情況，同時為城市管理規(guī)劃相關部門決策提供依據(jù)。

卷積運算；網(wǎng)格化；城市綠地聚集度；城市綠地熱島效應相關性

城市綠地在發(fā)揮各項功能時，具有輻射效應[1,2]，但受可操作性和可比性影響，只有緩沖區(qū)分析方法在綠地評價實踐中得到廣泛應用[1]，任意區(qū)域綠地聚集度應由區(qū)域內(nèi)部和相鄰區(qū)域綠地共同作用產(chǎn)生，如何對其進行計算，并以此評價整個城市綠地聚集度，是適應當前標準體系問題更是綠地規(guī)劃的重中之重[3]。因此，基于卷積運算的綠地聚集度評價系統(tǒng)應運而生。城市用地緊張現(xiàn)狀，提出了綠地空間結構評價研究的重要問題[4,5]。城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃評價指卷積運算又稱鄰域運算，能夠有效地反映綠地的輻射效應[6-8]。在相關理論方面，高祥偉等[9]的《基于卷積運算的城市公園綠地聚集度評價》針對公園綠地聚集度進行評價研究；李小文等[10]的《地理學第一定律與時空鄰近度的提出》對空間相關性的研究，都為系統(tǒng)提供了設計理論參考。本文基于SuperMap組件設計并實現(xiàn)了基于卷積運算的綠地聚集度評價系統(tǒng)，將利用卷積運算得到綠地聚集度生成評價，為用戶提供更加全面化、智能化的幫助。

1 系統(tǒng)構思

城市綠地聚集度評價系統(tǒng)是為了讓城建部門人員、城市規(guī)劃部門、研究人員更好地了解城市的綠地聚集度信息。系統(tǒng)的評價模型分為兩部分：城市公園綠地聚集程度評價模型和通過對城市所有綠地進行聚集度評價模型分析得到城市綠地熱島效應等相關信息。系統(tǒng)能夠最大限額地滿足用戶對城市的綠地分布狀況的了解，以及對城市熱島效應現(xiàn)況的總體認識。系統(tǒng)的自由度和開放性都很高，能夠讓用戶在任何時段都能觀察比較所制作的數(shù)據(jù)，通過二、三維視圖充分了解所研究數(shù)據(jù)的現(xiàn)況，并使用綠地聚集度三維圖功能達到最直觀的立體化顯示。

2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)使用SuperMap iDesktop 7C作為配準矢量化處理的軟件；使用SuperMap iObjects ．NET 7C作為GIS系統(tǒng)的開發(fā)組件；采用．NET Framework 4．0 框架；用C#作為開發(fā)語言；選用Microsoft Visual Studio 2012作為集成開發(fā)環(huán)境。

2.1 系統(tǒng)結構模塊

系統(tǒng)分為地圖操作模塊、評價數(shù)據(jù)制作模塊和評價分析模塊3個部分，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2.2 系統(tǒng)技術路線

系統(tǒng)技術路線主要分為需求分析、系統(tǒng)設計以及開放方式選擇、數(shù)據(jù)準備、系統(tǒng)實現(xiàn)和測試打包。具體技術路線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術路線圖

3 系統(tǒng)模塊設計

3.1 城市公園綠地聚集度評價模型

采用加權疊置法建立城市公園綠地聚集度（Agg）評價模型：

其中，以綠地0聚集區(qū)面積比例x1和綠地聚集度的標準差x2為評價因子，根據(jù)研究區(qū)公園綠地分布現(xiàn)狀進行統(tǒng)一分級，通過卷積運算，獲取37個城市網(wǎng)格單元公園綠地聚集度分布圖，計算各城區(qū)x1和x2的值，根據(jù)二者的分布現(xiàn)狀確定其分級值。權重w由城市建設部門和園林部門專家依據(jù)現(xiàn)有綠地標準及綠地現(xiàn)狀打分匯總求出[9]。根據(jù)評價因子的分級狀況及評價模型公式，得出Agg的取值范圍，將其按等間隔由小到大分級，得到Agg的分級值如表1所示。公園綠地聚集度評價流程如圖3所示。

表1 聚集度評價因子及其權重、聚集度分級值

圖3 公園綠地聚集度評價流程圖

3.2 城市公園綠地服務盲區(qū)分析

公園綠地服務盲區(qū)設計依據(jù)《城市園林綠化評價標準》，我國公園綠地服務范圍為500 m2，城區(qū)內(nèi)服務半徑以外區(qū)域將為綠地服務盲區(qū)。綠地可達性分析能夠在一定程度上反映綠地的輻射效應，指示綠地的聚集狀態(tài)，并已發(fā)展較多評價模型[11-14]。分析結果將會顯示城市公園綠地可服務與服務盲區(qū)的城市面積，從而得出城市公園綠地的聚集度是否均衡。分析流程如圖4所示。

圖4 公園綠地服務盲區(qū)分析流程圖

3.3 城市綠地聚集度分析

城市綠地聚集度分析模塊可以通過矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的結合處理，將城市綠地的綠地聚集度與溫度在三維的地形圖上進行直觀對比，得出城市綠地聚集度與溫度之間的關系。評價流程圖如圖5所示。

3.4 城市綠地熱島效應相關性分析

此模塊可得到綠地率與溫度、綠地卷積率與溫度的相關性分析，并得到城市熱島效應分析評價。分析流程如圖6所示。

圖5 城市綠地聚集度評價流程圖

圖6 城市綠地熱島效應相關性分析流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)界面采用了Ribbon的設計風格，如圖7所示。主窗體主要由二三維地圖顯示窗口、工作空間樹、圖層樹、工具條、菜單欄、標題欄、狀態(tài)條等組成。系統(tǒng)基本功能包含了基本的地圖操作、矢量數(shù)據(jù)的三維顯示和空間查詢等。空間查詢?nèi)鐖D8所示。

圖7 系統(tǒng)主界面

圖8 系統(tǒng)基本地圖操作

4.1 系統(tǒng)評價數(shù)據(jù)制作

4.1.1 矢量評價數(shù)據(jù)制作

1）網(wǎng)格的構建。在網(wǎng)格的構建中提供了兩種方法：鼠標自動框選范圍和自動獲取范圍。獲取范圍后上方標簽中會顯示所獲取的長、寬，用戶可根據(jù)需求填寫單元網(wǎng)格邊長。參數(shù)設置完成后進行網(wǎng)格生成。生成的網(wǎng)格面如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格面的生成

2）綠地網(wǎng)格化。綠地網(wǎng)格化是根據(jù)地理位置將綠地的面積加入到對應位置的網(wǎng)格面數(shù)據(jù)中，讓網(wǎng)格面中的單元網(wǎng)格擁有落在本網(wǎng)格內(nèi)的真實綠地面積屬性。在界面中選擇綠地數(shù)據(jù)以及邊框數(shù)據(jù)后進行處理。實現(xiàn)方法為先復制一份網(wǎng)格面數(shù)據(jù)集，將之與合并的綠地數(shù)據(jù)集做裁剪，網(wǎng)格面中綠地被剪掉后，用原來完整的網(wǎng)格面的單元網(wǎng)格要素面積依次對應的與被裁剪的單元網(wǎng)格面積相減，得到綠地面積，填入屬性表中，再與城市邊界做疊加，得到包含綠地面積的網(wǎng)格面數(shù)據(jù)，如圖10所示。

3）卷積運算。對網(wǎng)格數(shù)據(jù)的卷積運算支持已知模板選擇和自定義模板，卷積運算字段是選擇綠地面積存放的字段，如圖11所示。

聚集度評價卷積模板：

圖10 綠地網(wǎng)格數(shù)據(jù)的生成

聚集度計算公式（卷積運算）[6-8]：

卷積模板中心及其鄰域網(wǎng)格：

在進行卷積運算時，如果生成的相鄰網(wǎng)格在所劃范圍之外，其綠地率則按真實值取值參與計算；在網(wǎng)格化時由于邊緣切割使得網(wǎng)格單元不完整，網(wǎng)格單元面積過小而使綠地聚集度劇增，則將聚集度大于4的網(wǎng)格刪除，小于4的保留以體現(xiàn)綠地分布于城區(qū)邊緣時引起的不公平聚集[9]。計算結果如圖12所示。

圖11 卷積運算

圖12 卷積運算屬性表

4.1.2 柵格評價數(shù)據(jù)制作

1）柵格重采樣。從溫度柵格獲取溫度之前需要將溫度柵格重采樣，重采樣大小需要與網(wǎng)格大小一致，能近似模擬出網(wǎng)格所在區(qū)域溫度。

SuperMap iobjects 7C提供的重采樣方法：

Dataset Objdataset = GeneralizeAnalyst．Resample（范圍數(shù)據(jù)集，重采樣大小，重采樣模式，目標數(shù)據(jù)源，目標名稱）；

其中，重采樣模式為雙線性內(nèi)插法，比較適合于溫度柵格的重采樣。

2）獲取溫度。溫度柵格重采樣之后，將每個柵格內(nèi)的柵格值（即溫度值）賦給對應位置的網(wǎng)格屬性內(nèi)。采用通過獲取網(wǎng)格單元中心點坐標，再通過該點坐標獲取對應位置的柵格值。

3）構建綠地溫度地形。通過綠地數(shù)據(jù)屬性表中的卷積率和溫度值構建地形數(shù)據(jù)，主要用到SuperMap iObjects7C的BuildTerrian方法。利用網(wǎng)格面的中心點構建一個新的點狀數(shù)據(jù)集（包含屬性卷積率和溫度），以點數(shù)據(jù)集構建地形。

4.2 系統(tǒng)評價分析功能

4.2.1 公園綠地聚集度評價

對于每個城市，公園綠地聚集度（綠地卷積率b）=0的區(qū)域應是綠地規(guī)劃和建設的重點，其次是聚集度較小的區(qū)域（如0＜b≤0．2）。對于這些區(qū)域的網(wǎng)格單元，在網(wǎng)格內(nèi)部或其相鄰網(wǎng)格增加綠地，都能增加其綠地聚集度；同時，在聚集度較大的網(wǎng)格及周圍都應避免綠地的重復建設。公園綠地聚集度評價如圖13所示。

圖13 公園綠地聚集度評價

4.2.2 城市綠地聚集度與熱島效應相關性評價

根據(jù)已構建的溫度地形和綠地卷積率地形，進行熱島效應相關性分析。如圖14、15所示，利用溫度值和綠地卷積率值構建散點圖，能夠直觀對比綠地卷積率與溫度之間的關系。添加綠地率的散點顯示，對比綠地卷積率的效果，右側工具條可對圖表進行放大顯示。從圖15可知，綠地卷積率能比綠地率更好地反映綠地與溫度之間的關系。隨綠地卷積率的增大，溫度降低。圖16利用Map控件對比顯示，并且實現(xiàn)了標記同步聯(lián)動窗口對比。左下側是將溫度和綠地卷積率通過協(xié)方差公式計算得到一個系數(shù)，表現(xiàn)溫度與綠地卷積率之間影響關系。負值為負相關，正值為正相關，并加入了溫度-綠地率對比。

圖14 綠地卷積率-溫度(藍)

圖15 綠地率-溫度（紅）

4.2.3 城市綠地聚集度三維圖

添加綠地地形柵格至地形圖層中，拉伸工具能方便地對地形進行一定的拉伸顯示。三維效果如圖17所示。

圖17 綠地卷積率-溫度三維地形圖

5 結 語

系統(tǒng)將提供的綠地數(shù)據(jù)進行相應處理得到了基于數(shù)據(jù)的對城市綠地聚集度的客觀評價，有助于用戶了解城市綠地聚集度的情況，同時輔助政府相關部門對城市綠地的規(guī)劃。該系統(tǒng)具備以下特色：①城市綠地的聚集度多角度評價，包括公園綠地聚集度評價、公園綠地服務盲區(qū)分析、城市綠地聚集度評價、城市綠地熱島效應相關性分析；②城市綠地聚集度評價結果通過溫度和綠地聚集度數(shù)據(jù)構建地形進行三維可視化顯示；③系統(tǒng)功能具有對研究數(shù)據(jù)的開放性以及拓展性，支持用戶提供數(shù)據(jù)的分析評價。但系統(tǒng)在城市間聚集度對比功能的擴展、對數(shù)據(jù)拓撲錯誤的檢查與修正方面還有待進一步改進。

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P208

B

1672-4623（2016）01-0026-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.008

陳川，主要從事地理信息系統(tǒng)工作。

2014-12-16。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（31270745）；江蘇省高校自然科學研究面上資助項目（12KJD170001）；江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練資助項目（201311641038Z）。