ArcGIS 在城鎮(zhèn)存量建設用地更新中的應用

熊 軍

（1.山東省地質(zhì)科學研究院，山東 濟南 250013；2.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；3.山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013）

當前我國城鎮(zhèn)建設用地無序擴張，資源過度消耗，生態(tài)環(huán)境受損，這些都是新時代國土空間規(guī)劃亟需應對的挑戰(zhàn)。在生態(tài)文明建設和新型城鎮(zhèn)化的時代背景下，國家對建設用地規(guī)模、耕地和生態(tài)用地保護管控力度不斷加大，未來的國土開發(fā)將進入以存量挖潛為主的空間利用階段，存量規(guī)劃成為國土空間規(guī)劃的必然選擇[1]。只有對存量建設用地進行盤活利用，才能破解城鎮(zhèn)發(fā)展空間不足、集約利用程度低的處境。

2004 年12 月，國土資源部印發(fā)《關于開展全國城鎮(zhèn)存量建設用地情況專項調(diào)查工作的緊急通知》中指出，我國的城鎮(zhèn)存量建設用地分為閑置土地、空閑土地和批而未供土地3 類。存量建設用地更新與城市更新內(nèi)涵相似，但其關注的側重點有所差異。存量用地更新關注存量土地空間的盤活、優(yōu)化利用；城市更新關注城市建成區(qū)環(huán)境質(zhì)量和效益提升[2]。本文在前人研究基礎上，結合研究區(qū)具體情況進一步明確了城鎮(zhèn)存量建設用地指城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍內(nèi)的閑置未利用土地及利用不充分、不合理、產(chǎn)出低的土地，主要包括權屬清晰無爭議的批而未供土地、閑置土地和城鎮(zhèn)低效用地。

1 ArcGIS 在資料處理中的應用

ArcGIS 10 是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（Environmental Systems Research Institute，Inc.簡稱ESRI 公司）在全面整合了GIS 與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡技術等多項計算機先進技術基礎上于2010 年推出的最具代表性的全系列GIS 產(chǎn)品。相較于上代ArcGIS 9，ArcGIS 10 在協(xié)同共享、矢量影像一體化、三維數(shù)據(jù)平臺、動態(tài)時空數(shù)據(jù)感知、網(wǎng)絡云平臺支持等方面都有了飛躍性進步。它具有高度一體化的制圖編輯模塊、強大的空間分析能力、便捷的元數(shù)據(jù)管理功能以及靈活的定制與開發(fā)策略[3]。

1.1 調(diào)查區(qū)矢量、影像數(shù)據(jù)的快速獲取

“天地圖”是國家測繪地理信息局建設的地理信息綜合服務網(wǎng)站。集成了來自國家、省、市（縣）各級測繪地理信息部門，以及相關政府部門、企事業(yè)單位、社會團體、公眾的地理信息公共服務資源，向各類用戶提供權威、標準、統(tǒng)一的在線地理信息綜合服務。它是“數(shù)字中國”的重要組成部分，是國家地理信息公共服務平臺的公眾版[4]。

通過ArcGIS 中的GIS 服務器添加天地圖的WMTS 服務，可快速獲得調(diào)查區(qū)當年的小于2.5 m 地面分辨率精度的月度更新影像或者小于0.6 m 地面分辨率精度的半年度影像，同時提供矢量地圖、路網(wǎng)、注記查詢服務。結合三調(diào)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取最新的地塊信息，例如建設用地的在建進度、農(nóng)村居民點是否拆遷、工礦用地利用情況。如圖1 所示。

圖1 “天地圖”地圖查詢

1.2 柵格資料與矢量圖件的配準

目前我國使用的是2000 國家大地坐標系（CGCS2000），以地球質(zhì)心為原點。而很多歷史專項矢量數(shù)據(jù)還是1980 年西安坐標系、1954 年北京坐標系，甚至有些規(guī)劃只留存圖片、圖紙資料。如何將這些來源復雜、精度不一、格式多樣的數(shù)據(jù)進行清洗、規(guī)范化，是開展研究首要面對的問題。

城市規(guī)劃圖是城市總體規(guī)劃方案最直觀的體現(xiàn)，由于早期一般采用CAD 制圖成圖，它是平面相對坐標系下的制圖軟件，沒有定義地理信息坐標[5]。導致無法與最新的三調(diào)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)套合。通過使用ArcGIS 的定義投影和地理配準工具可將沒有坐標參數(shù)的規(guī)劃圖片校正匹配到最新的三調(diào)地類圖層上，方便對比現(xiàn)狀地類與規(guī)劃地塊的用途是否一致。一般選取3 至4 個配準點即可，多了則易引起控制點共線或分布不均的問題，影響配準精度。控制點注意盡量均勻分布在圖的四周，選取道路交叉點、地塊形狀拐點，殘差控制在小數(shù)點六位之后即可保證較高精度。地理配準如圖2 所示。

圖2 地理配準

2 ArcGIS 在城鎮(zhèn)低效用地圖斑識別中的應用

2.1 遙感影像目視判讀

遙感技術，簡稱RS 技術，是通過航攝航拍等高新技術手段獲取圖像和數(shù)字模型。指從高空或外層空間接收來自地球表層各類地理的電磁波信息，并通過對這些信息進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地表各類地物和現(xiàn)象進行遠距離控測和識別的現(xiàn)代綜合技術[6]。

目視判讀圖斑屬性是目前國土空間規(guī)劃中常用的一種GIS 方法，具體可分為直接判定法、對比分析法、邏輯推理法，目視判讀一般根據(jù)影像地物的形狀、大小、陰影、紋理并結合計算機輔助判讀。通過與三調(diào)現(xiàn)狀建設用地圖斑進行比對可找出用途不一致地塊，例如三調(diào)地類是農(nóng)村居民點用地，在遙感影像上已經(jīng)有拆除痕跡，則可納入低效建設用地。又或者三調(diào)地類是工業(yè)用地，通過目視判讀發(fā)現(xiàn)該地塊只有一小部分是廠棚，其余則是林地、空閑地，這種情況也可識別為低效建設用地。

將前期經(jīng)過地理配準后的規(guī)劃圖片加載入ArcGIS，使用卷簾分析工具可方便地對比兩幅柵格圖形的變化情況，疊加三調(diào)矢量現(xiàn)狀地類圖層，提取出現(xiàn)狀與規(guī)劃不一致圖斑作為低效用地。圖3 中黑色斜線區(qū)域內(nèi)影像為現(xiàn)狀工業(yè)用地，在規(guī)劃圖層中顯示為灰色交通設施用地，即現(xiàn)狀與規(guī)劃不符，標識為低效需整改建設用地。

圖3 現(xiàn)狀影像與規(guī)劃圖層卷簾分析圖

2.2 城市不動產(chǎn)數(shù)據(jù)信息應用

城鎮(zhèn)低效用地評價指標涉及到多方面，其中比較重要的兩個指標是容積率和建筑密度。容積率即在一定用地及計容范圍內(nèi)，建筑面積總和與用地面積的比值。建筑密度即在一定用地范圍內(nèi)，建筑物基底面積總和與總用地面積的比率（%）[7]。容積率指標側重體現(xiàn)的是建筑物的使用空間，建筑密度指標側重體現(xiàn)建筑物的面積占用率。

通過城市不動產(chǎn)登記中心收集的地籍資料，可獲取建筑的自然幢信息，里面包括樓房的層數(shù)、建筑底座面積，通過公式1 可計算出容積率。

公式1：容積率=地塊總建筑面積/地塊總占地面積。式中，地塊總建筑面積=該地塊內(nèi)所有地上建筑的底座面積*樓層數(shù)，地塊總占地面積為該地塊邊界范圍內(nèi)的平面面積。

使用ArcGIS 的ArcScene 組件可將自然幢的樓層、位置進行三維可視化拉伸，從而直觀地看到地塊區(qū)域的建筑層高、建筑密度，為低效用地規(guī)劃決策提供依據(jù)。例如建筑層數(shù)較低且分布密集區(qū)域可優(yōu)先作為低效用地的劃定范圍。如圖4 所示，淺色面區(qū)域為樓層較低建筑，容積率較低，土地利用率不集約。深色面區(qū)域建筑樓層普遍較高，容積率也較高。

圖4 建筑層高三維分析圖

2.3 POI 數(shù)據(jù)

poi 即興趣點數(shù)據(jù)，包含商場、餐飲、辦公等各種與生活相關的地標建筑和地理實體的集合[8]。從專業(yè)地圖網(wǎng)站抓取的poi 點種類較為繁雜，包括賓館、餐飲、道路、地產(chǎn)小區(qū)、公司企業(yè)、購物、交通設施、金融、旅游景點、汽車服務、商務大廈、生活服務、休閑娛樂、醫(yī)療、政府機構15 類。通過坐標轉點、投影變換等步驟將poi點匹配到2000 國家大地坐標系。按照土地利用現(xiàn)狀分類重新篩選調(diào)整出與建設用地相關的興趣點，分為產(chǎn)業(yè)用地、產(chǎn)城融合用地、公益用地、商業(yè)用地、居住用地等類型。將這幾類數(shù)據(jù)合并后作為分析底數(shù)。

使用ArcGIS 的核密度分析工具可對空間范圍內(nèi)poi 點要素的密集程度進行測量，從而體現(xiàn)出分析要素的空間分布特征[9]。如圖5 所示可以看出，poi 點較為集中的8、9 級區(qū)域低效用地較少，1、2 級分布的低效用地較多，也從側面驗證了前期低效用地分析方法的精度、可靠性較高。

圖5 POI 興趣點核密度分布圖

3 ArcGIS 在低效用地圖斑綜合、概化中的應用

圖斑綜合、概化是對圖斑進行概括，特別是對多邊形形狀、數(shù)量及特征方面進行不同程度的化簡，從而使圖形的彎曲、細節(jié)、碎部更加簡化，能夠充分表達地理要素特征[10]。

3.1 零散圖斑消除

零散圖斑通常指分散且面積很小的獨立圖斑，這些圖斑嚴重影響地塊的可讀性和規(guī)劃集中性。

（1）第一種情況是零散圖斑與周邊圖斑不相交但相鄰。可采用數(shù)據(jù)管理工具箱——制圖綜合的消除工具，自動批量地將面合并為新的面要素，實現(xiàn)將毗鄰的零散地塊合并入大圖斑的目的。

（2）如果零散圖斑與周邊圖斑不相交且不相鄰。這種情況可使用制圖工具箱的聚合面程序將零散圖斑合并為新的面要素。例如一塊完整的商業(yè)用地被路網(wǎng)分割為多個小地塊，根據(jù)主功能區(qū)原則，可使用聚合面功能將路網(wǎng)合并入商業(yè)用地，以減少地塊的零碎度。

（3）還有一種情況是零散圖斑面積較大，但是形狀狹長，有復雜隙縫。這是經(jīng)過多種規(guī)劃圖層空間疊加分析后所產(chǎn)生的，可使用ArcGIS 軟件中的Data Reviewer 工具內(nèi)的面校驗——狹長面校驗，根據(jù)圖形比例尺需求選擇合適的厚度比率、最大面面積等參數(shù)即可篩選出狹長面。需要指出的是ArcGIS 默認安裝是沒有此工具的，需從ESRI 官方下載安裝ArcGIS_Data_Reviewer_for_Desktop 插件程序才能激活使用。經(jīng)試驗參數(shù)選擇，厚度比率為0.2，最大面積為20 000 m2時區(qū)分度較高，如圖6 所示。

圖6 狹長面校驗參數(shù)及篩選結果圖

3.2 圖斑輪廓概化

經(jīng)過多次疊加分析的圖斑輪廓較為復雜，為了突出規(guī)劃重點區(qū)域，需要對圖斑邊界進行簡化處理，常用的辦法就是人工逐塊目視判讀提取較為完整的圖斑外輪廓線，這種方法對于近萬塊圖斑來說，耗時費力且主觀隨意性較大，不能快速客觀做出圖斑的歸納、概括。

通過ArcGIS 的簡化建筑物和簡化面工具可快速準確地解決上述問題。兩者簡化的原理都是在不改變圖斑基本幾何形狀的情況下，通過移除相對多余的折點來簡化面輪廓。但是具體算法和結果都有較大差別。簡化面工具只是簡單地刪除折點實現(xiàn)形狀簡化，結果圖形和原始圖斑差異較大，簡化建筑物工具則既刪除了多余的折點，也保留了原始圖形的基本形狀，達到了概化目的。

經(jīng)對比測試，當使用簡化建筑物工具且簡化容差選擇為100 m 時，效果較為理想，既能保證圖斑的基本形狀，也能簡化局部復雜的邊界走向。如圖7 所示，上面4 幅圖使用的是簡化面工具，下面4 幅圖使用的是簡化建筑物工具。

圖7 圖斑簡化效果對比圖

4 結束語

綜上所述，ArcGIS 軟件的應用貫穿了項目規(guī)劃實施的整個環(huán)節(jié)，包括前期資料的標準化處理，中期對各種資料圖件的疊加對比分析，后期的成圖展示。實踐證明，通過使用ArcGIS 軟件大幅提高了城市更新中信息數(shù)據(jù)的處理效率，有效提高了數(shù)據(jù)作業(yè)的精度，降低了人力成本，為項目規(guī)劃實施提供了有力保障。同時本文提供一種較大面積狹長圖斑的自動化識別方法，相較于傳統(tǒng)人工目視判讀或其他GIS 軟件識別具有明顯優(yōu)勢，作業(yè)效率大幅提高。