遥感技术在总体规划动态评估应用中的研究

罗雁，刘福成，杨魁

(天津市测绘院，天津 300381)

1 绪论

随着经济的快速发展，城镇化步伐加快，用地情况日益紧张，土地资源逐渐稀缺。部分地方政府为了保证经济的快速增长，频繁提出修编城市总体规划的诉求。对城市总体规划实施的情况进行评估，已成为上级政府和规划主管部门判读规划是否需要修编的依据。随着遥感技术的发展，众多学者提出利用遥感大范围、高效性的特点来对城市总体规划的实施进行评估。但是受限于分辨率和处理方法，利用遥感技术进行城市建设用地的动态监测并未大规模的使用［1～4］。

但是高分辨率、多时相、多源的遥感影像的出现，影像处理技术的快速化、自动化发展使得大范围短周期的动态监测成为可能。特别是面向对象的多尺度分割的出现，为遥感在实际应用中实现半自动或自动的变化信息提取提供了可能［5］。本研究以此方法为核心，利用遥感技术对城市用地进行动态监测，建立起城市总体规划动态评估的数据获取、分析和评估体系。

2 技术路线

利用遥感技术对城市总体规划的实施情况进行动态评估是一项复杂工程。受限于人口、交通等多源数据的限制，要从整体角度对城市总体规划实施情况进行评估的难度很大。本文主要以获取城市建设用地为目的，从遥感数据处理和GIS分析等角度构建一套城市总体规划实施评估体系。主要包括有遥感影像预处理、变化信息提取、GIS分析、总体规划评估等。

图1 遥感评估总体规划技术路线

3 变化信息提取

城市土地分类标准是研究城市用地的最基本问题。本次研究中，主要根据天津市规划局2010年颁布的《天津市城市用地分类标准》。城市用地按主要使用性质进行归类，采用大类、中类和小类的金字塔分类体系，共分为11个大类(居住用地、公共设施用地、工业用地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公共设施用地、绿地、特殊用地、水域及其他用地、发展备用地)，46个中类，73个小类。受限于遥感影像的分辨率等因素的影响，动态监测的深度主要到大类，部分到中类。

本研究中主要通过专题图制作的方式来对变化图斑进行解译，即根据上述用地标准将前期影像划分为相应类型，然后用变化监测的方法提取后期影像中的每类用地的变化信息，从而完成城市建设变化的监测工作，此方法可以有效提高工作效率［6］。该步骤由影像分割和属性获取组成，影像分割主要完成每类用地变化信息的提取，属性获取则确保变化信息的归类工作。

3.1 影像分割

作为面向对象影像处理中关键的一步，影像分割主要作用于两方面。一方面，它是目标散射体的表达基础，对特征信息的提取有重要影响;另一方面，影像分割及表达对象、提取特征等技术将影像转化为更紧凑、抽象的形式，使得信息提取得以实用。影像分割的任务就是在特定的应用需求下，基于一定的规则将影像划分为各具特征的区域并提取出有意义目标的技术和过程。在由影像输入到影像分析的整个影像处理过程中，影像分割起到了承上启下的瓶颈作用，如图2所示。

图2 影像分割在整个影像处理中的地位

遥感影像是由空间结构上相互联结的像元组成，反映和揭示地面物体固有尺度。由于实际地物的复杂性，在提取影像中各类地物的信息时需要充分考虑到地物的纹理、结构、空间特征以及相邻地物的关系。本研究中采用面向对象的影像分割方法主要是以对象为最小单元进行处理。根据变化信息提取的要求，获取变化图斑的多种特征，其中主要是光谱特征和形状特征。从对象层次实现变化信息的有效提取，使得分割结果具有更丰富的语义信息［5］。

在采用专题图制作的方式来对变化图斑进行解译时，不同类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进行影像分割，将会导致错分割的现象。如针对小面积的工业用地采用较大的分割尺度，就会出现分割不完全的欠分割现象(图3);若对于大面积的绿地采用较小的分割尺度，就会产生分割过于破碎的过分割情况。因此，针对这种情况，应当采用基于多个分割尺度分别对不同地物进行分割以获取最优效果的多尺度分割方法［5］。如图4所示，因为工业用地、仓储用地、市政公共设施用地、公共设施用地等面积较小，采用小尺度进行分割;居住用地、对外交通用地等面积较大，采用中等尺度进行分割;而绿地、水域等用地，面积较大，采用大尺度进行分割。

图3 影像分割结果

图4 影像对象的层次结构

3.2 属性获取

在研究中采用2008年遥感数据为前期数据，以2010年的遥感数据为后期数据进行实验来获取变化信息。在利用面向对象的多尺度分割技术获取变化信息的基础上，以该信息为模板，结合影像解译判读技术与经验，采用人机交互方式，以2010年的地形图数据为辅助，对变化信息赋以相应的属性，从而可以获取覆盖天津的2010年建设用地现状图。并通过运用“先内业后外业”的作业流程，在内业采集的基础上，外业对2010年建设用地中未能确定的地物进行属性调绘，并最终完成数据编辑和信息化处理工作(图5)。

基于同样的原理和作业流程，以2010年的建设用地现状图为模板，结合2011年的正射影像可以快速高质量获取2011年的建设用地现状信息。

图5 获取变化信息属性的作业流程图

4 GIS分析

为更好地分析和管理天津市建设用地的实际情况，将GIS的三类基本要素:空间、属性和时间有机的结合，构建一个基于GIS分析的一体化处理流程。它主要由三个模块组成:①自动拓扑分析、②自动化空间分析、③自动化制图。自动拓扑分析主要是针对在前期数据处理过程中难以避免的边界线重叠等问题，通过综合采用属性特征、紧致度等特征排除小型错误，然后根据需要进行人工编辑来获取最终的分析成果。自动化空间分析主要用于确定建设用地和变化信息的分布的整体特征和趋势，它由空间统计分析和叠置分析两部分组成;基于空间分析通过统计建设用地图斑的属性来对建设用地数据进行综合评价;通过叠置分析可以有效获取所在时间序列内的各类变化信息。自动化制图模块则针对总体规划评估的需要，将各类统计数据进行分级和分区域处理，通过自动化形成专题地图的形式实现建设用地现状信息和变化信息的可视化表达［7］。

5 主要评估内容

本研究选择天津市为实验区。天津地处华北平原东北部，北与首都北京毗邻，东达渤海湾，西、南分别与河北省的唐山、廊坊、沧州地区接壤，覆盖面积为12 000 km2。动态监测使用数据主要有2008年、2010年和2011年的遥感影像，天津市总体规划，2008年、2010年和2011年的1∶2 000地形图等数据。

依据遥感解译和GIS分析可以得到2008、2010年和2011年的卫星遥感解译分析结果和统计数据。从2008年到2011年，天津市城市建设用地面积从1 192.3 km2增加到 1 276.47 km2(图6)，城市建设用地年均增长28.06 km2。对各区域的新增情况进行分析，如表1所示。

图6 2008年～2011年天津市建设用地变化图

新增建设用地主要分布在《天津市城市总体规划(2005年～2020年)》确定的空间主要发展地区。京津发展轴上的新增建用地占整个新增建设用地61.18%;环城四区新增建设用地占整个新增建设用地的50.83%，津滨走廊只涉及3个区县，但是新增建设用地占整个新增建设用地48.7%(图7)。说明“十一五”期间新增的建设用地在空间上表现出较强的经济中心指向、道路指向的空间特征。经济中心指向表现为围绕经济中心外围圈层拓展;道路指向是沿着两个、或者三个之间高等级道路带状增长。

重点地区新增建设用地在空间分布 表1

从空间上来看，天津市城镇建设用地增长一般依存于现状已有的城区、镇区、园区，在能够更好利用交通区位优势的同时，也能充分利用既有的公共服务配套设施。

图7 2008年～2011年天津市建设用地变化图

6 结论

本研究主要针对遥感技术在总体规划动态评估的快速应用需求，从遥感影像预处理、变化信息提取和GIS分析三个角度提出相应的解决方案。通过基于已有的资料进行快速DOM的制作，利用面向对象多尺度分割的方法来提高变化信息提取的效率，基于GIS的分析功能实现建设用地信息的快速统计，成功的应用于天津市建设用地的时间序列的动态监测中，并对总体规划进行初步评估，从而为总体规划实施的评估提供了技术支撑，有效提高了规划实施评价的准确度和客观性。

［1］吴志强，李德华.城市规划原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［2］蒲向军.城市总体规划实施研究—以天津市为例［D］.天津:天津大学，2005.

［3］张治清，何宗，黄潇莹.遥感技术支持下的城市总体规划实施评估方法研究［J］.西南师范大学学报·自然科学版，2010(10):186～193.

［4］袁超，张泽烈.服务于城市规划管理的遥感信息平台技术研究［J］.测绘科学，2010(1):179～181.

［5］杨魁.面向对象的极化SAR影像多尺度分割算法研究［D］.武汉:武汉大学，2011.

［6］李树伟.城市总体规划动态监测研究－以新乡市为例［D］.北京:北京林业大学，2008.

［7］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京:科学出版社，2006.