遙感技術在總體規劃動態評估應用中的研究

羅雁，劉福成，楊魁

(天津市測繪院，天津 300381)

1 緒論

隨著經濟的快速發展，城鎮化步伐加快，用地情況日益緊張，土地資源逐漸稀缺。部分地方政府為了保證經濟的快速增長，頻繁提出修編城市總體規劃的訴求。對城市總體規劃實施的情況進行評估，已成為上級政府和規劃主管部門判讀規劃是否需要修編的依據。隨著遙感技術的發展，眾多學者提出利用遙感大范圍、高效性的特點來對城市總體規劃的實施進行評估。但是受限于分辨率和處理方法，利用遙感技術進行城市建設用地的動態監測并未大規模的使用［1～4］。

但是高分辨率、多時相、多源的遙感影像的出現，影像處理技術的快速化、自動化發展使得大范圍短周期的動態監測成為可能。特別是面向對象的多尺度分割的出現，為遙感在實際應用中實現半自動或自動的變化信息提取提供了可能［5］。本研究以此方法為核心，利用遙感技術對城市用地進行動態監測，建立起城市總體規劃動態評估的數據獲取、分析和評估體系。

2 技術路線

利用遙感技術對城市總體規劃的實施情況進行動態評估是一項復雜工程。受限于人口、交通等多源數據的限制，要從整體角度對城市總體規劃實施情況進行評估的難度很大。本文主要以獲取城市建設用地為目的，從遙感數據處理和GIS分析等角度構建一套城市總體規劃實施評估體系。主要包括有遙感影像預處理、變化信息提取、GIS分析、總體規劃評估等。

圖1 遙感評估總體規劃技術路線

3 變化信息提取

城市土地分類標準是研究城市用地的最基本問題。本次研究中，主要根據天津市規劃局2010年頒布的《天津市城市用地分類標準》。城市用地按主要使用性質進行歸類，采用大類、中類和小類的金字塔分類體系，共分為11個大類(居住用地、公共設施用地、工業用地、倉儲用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公共設施用地、綠地、特殊用地、水域及其他用地、發展備用地)，46個中類，73個小類。受限于遙感影像的分辨率等因素的影響，動態監測的深度主要到大類，部分到中類。

本研究中主要通過專題圖制作的方式來對變化圖斑進行解譯，即根據上述用地標準將前期影像劃分為相應類型，然后用變化監測的方法提取后期影像中的每類用地的變化信息，從而完成城市建設變化的監測工作，此方法可以有效提高工作效率［6］。該步驟由影像分割和屬性獲取組成，影像分割主要完成每類用地變化信息的提取，屬性獲取則確保變化信息的歸類工作。

3.1 影像分割

作為面向對象影像處理中關鍵的一步，影像分割主要作用于兩方面。一方面，它是目標散射體的表達基礎，對特征信息的提取有重要影響;另一方面，影像分割及表達對象、提取特征等技術將影像轉化為更緊湊、抽象的形式，使得信息提取得以實用。影像分割的任務就是在特定的應用需求下，基于一定的規則將影像劃分為各具特征的區域并提取出有意義目標的技術和過程。在由影像輸入到影像分析的整個影像處理過程中，影像分割起到了承上啟下的瓶頸作用，如圖2所示。

圖2 影像分割在整個影像處理中的地位

遙感影像是由空間結構上相互聯結的像元組成，反映和揭示地面物體固有尺度。由于實際地物的復雜性，在提取影像中各類地物的信息時需要充分考慮到地物的紋理、結構、空間特征以及相鄰地物的關系。本研究中采用面向對象的影像分割方法主要是以對象為最小單元進行處理。根據變化信息提取的要求，獲取變化圖斑的多種特征，其中主要是光譜特征和形狀特征。從對象層次實現變化信息的有效提取，使得分割結果具有更豐富的語義信息［5］。

在采用專題圖制作的方式來對變化圖斑進行解譯時，不同類型地物在影像上具有的尺度是不同的，若用某一固定的尺度進行影像分割，將會導致錯分割的現象。如針對小面積的工業用地采用較大的分割尺度，就會出現分割不完全的欠分割現象(圖3);若對于大面積的綠地采用較小的分割尺度，就會產生分割過于破碎的過分割情況。因此，針對這種情況，應當采用基于多個分割尺度分別對不同地物進行分割以獲取最優效果的多尺度分割方法［5］。如圖4所示，因為工業用地、倉儲用地、市政公共設施用地、公共設施用地等面積較小，采用小尺度進行分割;居住用地、對外交通用地等面積較大，采用中等尺度進行分割;而綠地、水域等用地，面積較大，采用大尺度進行分割。

圖3 影像分割結果

圖4 影像對象的層次結構

3.2 屬性獲取

在研究中采用2008年遙感數據為前期數據，以2010年的遙感數據為后期數據進行實驗來獲取變化信息。在利用面向對象的多尺度分割技術獲取變化信息的基礎上，以該信息為模板，結合影像解譯判讀技術與經驗，采用人機交互方式，以2010年的地形圖數據為輔助，對變化信息賦以相應的屬性，從而可以獲取覆蓋天津的2010年建設用地現狀圖。并通過運用“先內業后外業”的作業流程，在內業采集的基礎上，外業對2010年建設用地中未能確定的地物進行屬性調繪，并最終完成數據編輯和信息化處理工作(圖5)。

基于同樣的原理和作業流程，以2010年的建設用地現狀圖為模板，結合2011年的正射影像可以快速高質量獲取2011年的建設用地現狀信息。

圖5 獲取變化信息屬性的作業流程圖

4 GIS分析

為更好地分析和管理天津市建設用地的實際情況，將GIS的三類基本要素:空間、屬性和時間有機的結合，構建一個基于GIS分析的一體化處理流程。它主要由三個模塊組成:①自動拓撲分析、②自動化空間分析、③自動化制圖。自動拓撲分析主要是針對在前期數據處理過程中難以避免的邊界線重疊等問題，通過綜合采用屬性特征、緊致度等特征排除小型錯誤，然后根據需要進行人工編輯來獲取最終的分析成果。自動化空間分析主要用于確定建設用地和變化信息的分布的整體特征和趨勢，它由空間統計分析和疊置分析兩部分組成;基于空間分析通過統計建設用地圖斑的屬性來對建設用地數據進行綜合評價;通過疊置分析可以有效獲取所在時間序列內的各類變化信息。自動化制圖模塊則針對總體規劃評估的需要，將各類統計數據進行分級和分區域處理，通過自動化形成專題地圖的形式實現建設用地現狀信息和變化信息的可視化表達［7］。

5 主要評估內容

本研究選擇天津市為實驗區。天津地處華北平原東北部，北與首都北京毗鄰，東達渤海灣，西、南分別與河北省的唐山、廊坊、滄州地區接壤，覆蓋面積為12 000 km2。動態監測使用數據主要有2008年、2010年和2011年的遙感影像，天津市總體規劃，2008年、2010年和2011年的1∶2 000地形圖等數據。

依據遙感解譯和GIS分析可以得到2008、2010年和2011年的衛星遙感解譯分析結果和統計數據。從2008年到2011年，天津市城市建設用地面積從1 192.3 km2增加到 1 276.47 km2(圖6)，城市建設用地年均增長28.06 km2。對各區域的新增情況進行分析，如表1所示。

圖6 2008年～2011年天津市建設用地變化圖

新增建設用地主要分布在《天津市城市總體規劃(2005年～2020年)》確定的空間主要發展地區。京津發展軸上的新增建用地占整個新增建設用地61.18%;環城四區新增建設用地占整個新增建設用地的50.83%，津濱走廊只涉及3個區縣，但是新增建設用地占整個新增建設用地48.7%(圖7)。說明“十一五”期間新增的建設用地在空間上表現出較強的經濟中心指向、道路指向的空間特征。經濟中心指向表現為圍繞經濟中心外圍圈層拓展;道路指向是沿著兩個、或者三個之間高等級道路帶狀增長。

重點地區新增建設用地在空間分布 表1

從空間上來看，天津市城鎮建設用地增長一般依存于現狀已有的城區、鎮區、園區，在能夠更好利用交通區位優勢的同時，也能充分利用既有的公共服務配套設施。

圖7 2008年～2011年天津市建設用地變化圖

6 結論

本研究主要針對遙感技術在總體規劃動態評估的快速應用需求，從遙感影像預處理、變化信息提取和GIS分析三個角度提出相應的解決方案。通過基于已有的資料進行快速DOM的制作，利用面向對象多尺度分割的方法來提高變化信息提取的效率，基于GIS的分析功能實現建設用地信息的快速統計，成功的應用于天津市建設用地的時間序列的動態監測中，并對總體規劃進行初步評估，從而為總體規劃實施的評估提供了技術支撐，有效提高了規劃實施評價的準確度和客觀性。

［1］吳志強，李德華.城市規劃原理［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［2］蒲向軍.城市總體規劃實施研究—以天津市為例［D］.天津:天津大學，2005.

［3］張治清，何宗，黃瀟瑩.遙感技術支持下的城市總體規劃實施評估方法研究［J］.西南師范大學學報·自然科學版，2010(10):186～193.

［4］袁超，張澤烈.服務于城市規劃管理的遙感信息平臺技術研究［J］.測繪科學，2010(1):179～181.

［5］楊魁.面向對象的極化SAR影像多尺度分割算法研究［D］.武漢:武漢大學，2011.

［6］李樹偉.城市總體規劃動態監測研究－以新鄉市為例［D］.北京:北京林業大學，2008.

［7］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京:科學出版社，2006.