城市綠地聚集度評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 川，唐致偉，竇長娥，費鮮蕓

（1.淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

城市綠地聚集度評價系統(tǒng)的設(shè)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(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)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(shè)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(yīng)，設(shè)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(chǔ)上提出系統(tǒng)的設(shè)計思路及體系結(jié)構(gòu)，并對功能模塊進(jìn)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(jié)合SuperMap iObjects 7C組件進(jìn)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(yīng)相關(guān)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(guān)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?zé)釐u效應(yīng)相關(guān)性

城市綠地在發(fā)揮各項功能時，具有輻射效應(yīng)[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(yīng)用[1]，任意區(qū)域綠地聚集度應(yīng)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(jìn)行計算，并以此評價整個城市綠地聚集度，是適應(yīng)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)運而生。城市用地緊張現(xiàn)狀，提出了綠地空間結(jié)構(gòu)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(yīng)[6-8]。在相關(guān)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(jìn)行評價研究；李小文等[10]的《地理學(xué)第一定律與時空鄰近度的提出》對空間相關(guān)性的研究，都為系統(tǒng)提供了設(shè)計理論參考。本文基于SuperMap組件設(shè)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(gòu)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(jìn)行聚集度評價模型分析得到城市綠地?zé)釐u效應(yīng)等相關(guān)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(yīng)現(xiàn)況的總體認(rèn)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(dá)到最直觀的立體化顯示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)使用SuperMap iDesktop 7C作為配準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)技術(shù)路線

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

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 城市公園綠地聚集度評價模型

采用加權(quán)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(biāo)準(zhǔn)差x2為評價因子，根據(jù)研究區(qū)公園綠地分布現(xiàn)狀進(jìn)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(quán)重w由城市建設(shè)部門和園林部門專家依據(jù)現(xiàn)有綠地標(biāo)準(zhǔn)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(quán)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(wù)盲區(qū)分析

公園綠地服務(wù)盲區(qū)設(shè)計依據(jù)《城市園林綠化評價標(biāo)準(zhǔn)》，我國公園綠地服務(wù)范圍為500 m2，城區(qū)內(nèi)服務(wù)半徑以外區(qū)域?qū)榫G地服務(wù)盲區(qū)。綠地可達(dá)性分析能夠在一定程度上反映綠地的輻射效應(yīng)，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(jié)果將會顯示城市公園綠地可服務(wù)與服務(wù)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(wù)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(jié)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(jìn)行直觀對比，得出城市綠地聚集度與溫度之間的關(guān)系。評價流程圖如圖5所示。

3.4 城市綠地?zé)釐u效應(yīng)相關(guān)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(guān)性分析，并得到城市熱島效應(yīng)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?zé)釐u效應(yīng)相關(guān)性分析流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)界面采用了Ribbon的設(shè)計風(fēng)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(biāo)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(gòu)建。在網(wǎng)格的構(gòu)建中提供了兩種方法：鼠標(biāo)自動框選范圍和自動獲取范圍。獲取范圍后上方標(biāo)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(shè)置完成后進(jìn)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(yīng)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(jìn)行處理。實現(xiàn)方法為先復(fù)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(yīng)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(jìn)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(jié)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(biāo)數(shù)據(jù)源，目標(biāo)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(yīng)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(biāo)，再通過該點坐標(biāo)獲取對應(yīng)位置的柵格值。

3）構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yīng)是綠地規(guī)劃和建設(shè)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(yīng)避免綠地的重復(fù)建設(shè)。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(yīng)相關(guān)性評價

根據(jù)已構(gòu)建的溫度地形和綠地卷積率地形，進(jìn)行熱島效應(yīng)相關(guān)性分析。如圖14、15所示，利用溫度值和綠地卷積率值構(gòu)建散點圖，能夠直觀對比綠地卷積率與溫度之間的關(guān)系。添加綠地率的散點顯示，對比綠地卷積率的效果，右側(cè)工具條可對圖表進(jìn)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(guān)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(biāo)記同步聯(lián)動窗口對比。左下側(cè)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(guān)系。負(fù)值為負(fù)相關(guān)，正值為正相關(guān)，并加入了溫度-綠地率對比。

圖14 綠地卷積率-溫度(藍(lán))

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(jìn)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(jié) 語

系統(tǒng)將提供的綠地數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)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(guān)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(wù)盲區(qū)分析、城市綠地聚集度評價、城市綠地?zé)釐u效應(yīng)相關(guān)性分析；②城市綠地聚集度評價結(jié)果通過溫度和綠地聚集度數(shù)據(jù)構(gòu)建地形進(jìn)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?fù)溴e誤的檢查與修正方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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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(xué)基金資助項目（31270745）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上資助項目（12KJD170001）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項目（201311641038Z）。