城市土地空間利用評價預警調控系統的設計與實現

姚 堯，羅婷文，肖 琳，李紅旮

(1. 國土資源部城市土地資源監測與仿真重點實驗室，廣東 深圳 518034； 2. 深圳市數字城市工程研究中心，廣東 深圳 518034； 3. 中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101)

城市土地空間利用評價預警調控系統的設計與實現

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測與仿真重點實驗室，廣東 深圳 518034； 2. 深圳市數字城市工程研究中心，廣東 深圳 518034； 3. 中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101)

在土地資源緊缺等“城市病”問題愈發突出的背景下，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價及空間演化模擬技術的基礎上，基于C#.NET開發平臺，結合ArcGIS Engine組件技術，研發了城市土地空間利用評價預警調控系統，實現土地空間利用評價、預警及政策仿真調控等功能，作為科學管理土地的輔助工具。本文對系統的總體需求、系統結構及主要功能設計與實現進行了闡述，以期為土地資源管理研究及相關軟件研發提供參考。

土地空間評價；土地空間預警；土地空間調控；ArcGIS Engine

近年來隨著城市化進程加快，人口向城市集中，城市空間快速擴張蔓延，土地的無序利用嚴重制約著城市優化發展。因此，轉化土地粗放開發方式，優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研究方向[1]。

土地資源集約利用的基礎是掌握土地空間利用現狀并預測未來發展狀況[2]，才能對城市低效用地空間進行識別，并制定土地集約利用提升策略[3]；另外，需要有能力對制定的決策影響進行仿真模擬[4-5]，以預估土地利用優化方案的實施效果。為此，本文在深入研究城市土地空間利用評價及空間演化模擬技術及系統研發方法的基礎上[6-8]，設計與開發城市土地空間利用評價預警調控系統，實現城市土地空間利用質量評價、空間演化模擬預警及政策仿真功能，為城市土地空間資源集約利用研究提供支持。

1 系統需求

城市土地空間利用評價預警調控系統主要是根據城市土地空間利用狀況研究過程中信息處理需求，對多源多時序遙感影像、土地利用、建筑普查及各類社會經濟生態要素的空間及屬性數據進行整合，并通過現狀評價及時空演化模擬對城市土地空間利用狀況及發展趨勢進行研究，從而支撐城市土地資源管理。根據這一目標，系統主要功能需求可劃分為地圖瀏覽、土地空間利用評價、土地空間時空演化模擬及預警、政策仿真、數據管理模塊等。

2 系統總體結構

城市土地空間利用評價預警調控系統采用Esri的二次開發組件ArcGIS Engine，結合C#語言開發，根據模塊化和層次化的設計思想，由三層結構組成，具體如圖1所示。

圖1 系統總體結構

第一層是數據層，是整個系統的數據基礎，主要由基礎地理信息數據庫和專題數據庫兩部分組成。基礎地理信息數據庫包括土地變更調查數據、遙感影像、路網數據、建筑普查數據、行政區劃數據、土地利用規劃數據、DEM等；專題數據庫包括人口普查、經濟普查等統計數據，以及重要地物點分布數據等。

第二層是服務層，在GIS核心框架上，為各應用子系統提供服務功能，保障工作流程的順利運轉，包括基本的GIS功能、指標計算模型、空間演化模擬分析等。

第三層是應用層，在服務層的基礎上，面向土地空間資源的評價、預警、調控等管理需求，提供應用服務，如土地空間利用質量評價、土地空間利用預警、土地空間利用政策仿真等應用子系統。

3 系統關鍵技術及實現

本系統采用模塊化結構，將各功能按類別進行歸納，由系統通過主界面統一調用。主要由Ribbon菜單欄、地圖窗口、圖層管理窗口、制圖窗口、工具欄、狀態欄等部分組成，以選項卡與工具欄相結合的方式實現各項功能的快捷操作，如圖2所示。系統有4項核心模塊，分別是基礎GIS功能、土地空間利用質量評價功能、土地空間利用演化模擬功能及土地空間利用預警與政策仿真功能。

圖2 系統界面

3.1 基礎GIS功能

本功能模塊的設計實現土地空間數據管理、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控件實現。

土地空間數據管理部分主要針對土地空間信息數據進行管理，包括工程管理、基礎地理數據管理和圖層管理3個子模塊。工程管理實現項目工程創建、地圖文檔導入導出、保存等；基礎地理數據管理子模塊主要對實施城市土地利用評價預警調控所必需的行政區劃圖、DEM、遙感影像、土地利用、建筑普查等多源多時序數據分別進行管理，目前本系統已錄入了2010—2014年深圳市土地變更調查數據、建筑普查數據、遙感影像數據等，可通過選項卡進行快捷讀取；圖層管理子模塊可對已載入的圖層文件(包括矢量數據、柵格數據等格式)進行圖層增減、顯示、隱藏，調整順序等操作。

地圖瀏覽功能主要實現地圖的顯示與瀏覽，包括地圖查看、漫游、縮放等功能，是本系統可視化操作的基礎。空間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，包含點查詢、區域查詢、屬性查詢、屬性表搜索等功能，用戶可對土地空間數據進行多種方式的檢索查詢，對空間決策進行支持。

3.2 土地空間利用質量評價功能

土地空間利用質量評價模塊主要包含指標體系和權重配置兩個功能。首先根據需要以土地空間信息數據計算評價土地空間利用質量的單指標結果，然后利用權重配置功能生成參與評價的指標權重，計算綜合評價結果。如圖3所示。

指標體系部分需要充分發揮ArcGIS Engine的空間數據分析能力，包括疊加分析、距離分析等工具。另外，根據指標計算需求，還自主設計了克里金插值算法，并實現了香農多樣性指數、空間破碎度等景觀生態學指標。權重配置子模塊采用熵權法進行計算，由系統根據各指標的信息熵決定其權重大小，減少主觀影響。

圖3 土地利用評價界面

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現土地空間利用預警及政策仿真的基礎。首先對城市土地空間利用總量建立預測模型，預測建設用地、居住用地及工業用地數量變化；其次，采用時空演化模擬技術，模擬城市土地利用的空間發展趨勢[9]。

土地空間利用數量預測采用系統動力學方法[4]，包含系統動力學模型設計和總量預測模型兩個子模塊。系統動力學模型設計包括系統動力學模型部件設置、參數設置及可視化繪制3個功能，系統動力學模型部件設置結合可視化繪制子模塊實現系統動力學計算流程的可視化設計。總量預測模型根據用戶需求，通過設置GDP、固定資產投資、企業景氣指數等量化指標，實現工業用地、居住用地及建設用地等總量預測。如圖4所示。

圖4 基于系統動力學的用地數量預測

城市土地利用空間預測采用元胞自動機(CA)[10]分析模塊，配合系統動力學模塊實現，以總量預測作為迭代控制條件，利用Logistic回歸方法計算各土地利用類型演化概率作為CA算法的全局適應度，通過年代設置總量，控制CA迭代次數，實現土地利用空間演化，以可視化界面顯示演化結果，并提供結果保存及分析工具。如圖5所示。

圖5 元胞自動機土地空間預測

土地利用預測分析主要功能是對以上結果進行預測面積統計和預測圖顯示。預測面積統計功能包括按類別及按年代統計柱形圖顯示，預測圖顯示功能則按年代進行地圖繪制。

3.4 土地空間利用預警及政策仿真功能

土地空間利用預警及政策仿真功能首先以空間演化模擬模塊預測未來土地利用空間分布狀況，在土地空間利用評價指標體系的基礎上建立預警指標，識別土地空間利用風險。用戶根據警情問題設計政策調控方案，系統將調控參數進行量化，通過政策仿真功能模擬調控效果，為科學決策提供技術支撐。

土地空間利用預警功能采用模糊可拓物元法進行預警，是一種以可拓學和物元模型結合而成的多指標可拓綜合評價方法。利用可拓物元法建立預警指標模型，并進行指標綜合計算，根據標準差將警情劃分為無警、輕警、中警、重警和巨警五級，并實現可視化結果顯示。如圖6所示。

圖6 社區尺度土地空間利用預警界面

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。總量政策仿真以系統動力學模擬模塊為基礎，通過量化調整貨幣政策、人口政策、購房政策等參數，模擬政策方案對建設用地、居住用地及工業用地調控效果。空間政策仿真以CA分析模塊為核心，將政策方案轉化為概率分布圖，通過與對應類別適應度進行乘積，提高或減小適應度，反映政策的效果，進而模擬政策方案空間調控效果。

4 結 語

根據城市土地空間資源集約高效利用的管理需求，本著實用性和可操作性原則，本文基于Visual Studio.NET平臺和ArcGIS Engine組件，建立了城市土地空間利用評價預警調控系統。該系統以深圳市為試點，開展了示范應用，目前已建立110余層基礎數據及指標結果，實現了可視化的城市空間利用評價及時空演化模擬，為城市土地集約高效研究和管理提供技術支撐。

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，系統將嘗試結合三維GIS及BIM技術，構建土地立體化利用評價指標，并在系統中加以實現，以期支撐三維視角下的土地立體化利用管理技術研究。

[1] 趙小風，黃賢金，陳逸，等.城市土地集約利用研究進展[J].自然資源學報，2010，25(11):1979-1996.

[2] 王萬茂.土地資源管理學[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 陳燕飛，杜鵬飛，鄭筱津，等.基于GIS的南寧市建設用地生態適宜性評價[J].清華大學學報(自然科學版)，2006，46(6):801-804.

[4] 錢國英，張長勤，董斌，等.基于遙感與系統動力學模型的土地利用/覆被變化研究[J].遙感信息，2014，29(1)：44-50.

[5] 羅平，李全.城市土地利用演化預警與政策仿真[M].北京：科學出版社，2010.

[6] 羅平，李滿春，雷元新，等.深圳特區土地利用演化時空模擬實驗研究[J].城市規劃，2005，29(4):47-51.

[7] 姜文亮，張曉通，李霖，等.基于GIS和空間邏輯回歸模型的城市空間擴展預測——以深圳市龍崗區為例[J].測繪科學，2008，33(4):172-174.

[8] 張保鋼，顧學明，姚革，等.北京市基礎地理信息系統的研制與若干特點[J].測繪學報，1997，26(2):184-188.

[9] 羅平，姜仁榮，李紅旮，等.基于空間Logistic和Markov模型集成的區域土地利用演化方法研究[J].中國土地科學，2010，24(1):31-36.

[10] 楊俊，解鵬，席建超，等.基于元胞自動機模型的土地利用變化模擬——以大連經濟技術開發區為例[J].地理學報，2015，70(3):461-475.

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價預警調控系統的設計與實現[J].測繪通報，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研究。E-mail: 583066400@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)08-0125-04