城市绿地聚集度评价系统的设计与实现

陈 川，唐致伟，窦长娥，费鲜芸

（1.淮海工学院 测绘工程学院，江苏 连云港 222005）

城市绿地聚集度评价系统的设计与实现

陈 川1，唐致伟1，窦长娥1，费鲜芸1

（1.淮海工学院 测绘工程学院，江苏 连云港 222005）

随着现代城市化进程的快速发展，城市绿地的研究和规划成为目前城市建设的重中之重。为能有效反映绿地在城市中的分布状况和绿地的辐射效应，设计和开发了基于卷积运算的城市绿地聚集度评价系统。在分析需求的基础上提出系统的设计思路及体系结构，并对功能模块进行分析。利用德州和枣庄的矢量数据、温度反演图像等数据，结合SuperMap iObjects 7C组件进行二次开发，实现城市绿地的聚集度评价以及绿地聚集度与热岛效应相关性分析。该系统有助于用户了解城市绿地聚集度情况，同时为城市管理规划相关部门决策提供依据。

卷积运算；网格化；城市绿地聚集度；城市绿地热岛效应相关性

城市绿地在发挥各项功能时，具有辐射效应[1,2]，但受可操作性和可比性影响，只有缓冲区分析方法在绿地评价实践中得到广泛应用[1]，任意区域绿地聚集度应由区域内部和相邻区域绿地共同作用产生，如何对其进行计算，并以此评价整个城市绿地聚集度，是适应当前标准体系问题更是绿地规划的重中之重[3]。因此，基于卷积运算的绿地聚集度评价系统应运而生。城市用地紧张现状，提出了绿地空间结构评价研究的重要问题[4,5]。城市绿地系统规划评价指卷积运算又称邻域运算，能够有效地反映绿地的辐射效应[6-8]。在相关理论方面，高祥伟等[9]的《基于卷积运算的城市公园绿地聚集度评价》针对公园绿地聚集度进行评价研究；李小文等[10]的《地理学第一定律与时空邻近度的提出》对空间相关性的研究，都为系统提供了设计理论参考。本文基于SuperMap组件设计并实现了基于卷积运算的绿地聚集度评价系统，将利用卷积运算得到绿地聚集度生成评价，为用户提供更加全面化、智能化的帮助。

1 系统构思

城市绿地聚集度评价系统是为了让城建部门人员、城市规划部门、研究人员更好地了解城市的绿地聚集度信息。系统的评价模型分为两部分：城市公园绿地聚集程度评价模型和通过对城市所有绿地进行聚集度评价模型分析得到城市绿地热岛效应等相关信息。系统能够最大限额地满足用户对城市的绿地分布状况的了解，以及对城市热岛效应现况的总体认识。系统的自由度和开放性都很高，能够让用户在任何时段都能观察比较所制作的数据，通过二、三维视图充分了解所研究数据的现况，并使用绿地聚集度三维图功能达到最直观的立体化显示。

2 系统架构

系统使用SuperMap iDesktop 7C作为配准矢量化处理的软件；使用SuperMap iObjects ．NET 7C作为GIS系统的开发组件；采用．NET Framework 4．0 框架；用C#作为开发语言；选用Microsoft Visual Studio 2012作为集成开发环境。

2.1 系统结构模块

系统分为地图操作模块、评价数据制作模块和评价分析模块3个部分，具体如图1所示。

图1 系统总体结构

2.2 系统技术路线

系统技术路线主要分为需求分析、系统设计以及开放方式选择、数据准备、系统实现和测试打包。具体技术路线如图2所示。

图2 系统技术路线图

3 系统模块设计

3.1 城市公园绿地聚集度评价模型

采用加权叠置法建立城市公园绿地聚集度（Agg）评价模型：

其中，以绿地0聚集区面积比例x1和绿地聚集度的标准差x2为评价因子，根据研究区公园绿地分布现状进行统一分级，通过卷积运算，获取37个城市网格单元公园绿地聚集度分布图，计算各城区x1和x2的值，根据二者的分布现状确定其分级值。权重w由城市建设部门和园林部门专家依据现有绿地标准及绿地现状打分汇总求出[9]。根据评价因子的分级状况及评价模型公式，得出Agg的取值范围，将其按等间隔由小到大分级，得到Agg的分级值如表1所示。公园绿地聚集度评价流程如图3所示。

表1 聚集度评价因子及其权重、聚集度分级值

图3 公园绿地聚集度评价流程图

3.2 城市公园绿地服务盲区分析

公园绿地服务盲区设计依据《城市园林绿化评价标准》，我国公园绿地服务范围为500 m2，城区内服务半径以外区域将为绿地服务盲区。绿地可达性分析能够在一定程度上反映绿地的辐射效应，指示绿地的聚集状态，并已发展较多评价模型[11-14]。分析结果将会显示城市公园绿地可服务与服务盲区的城市面积，从而得出城市公园绿地的聚集度是否均衡。分析流程如图4所示。

图4 公园绿地服务盲区分析流程图

3.3 城市绿地聚集度分析

城市绿地聚集度分析模块可以通过矢量数据与栅格数据的结合处理，将城市绿地的绿地聚集度与温度在三维的地形图上进行直观对比，得出城市绿地聚集度与温度之间的关系。评价流程图如图5所示。

3.4 城市绿地热岛效应相关性分析

此模块可得到绿地率与温度、绿地卷积率与温度的相关性分析，并得到城市热岛效应分析评价。分析流程如图6所示。

图5 城市绿地聚集度评价流程图

图6 城市绿地热岛效应相关性分析流程图

4 系统实现

系统界面采用了Ribbon的设计风格，如图7所示。主窗体主要由二三维地图显示窗口、工作空间树、图层树、工具条、菜单栏、标题栏、状态条等组成。系统基本功能包含了基本的地图操作、矢量数据的三维显示和空间查询等。空间查询如图8所示。

图7 系统主界面

图8 系统基本地图操作

4.1 系统评价数据制作

4.1.1 矢量评价数据制作

1）网格的构建。在网格的构建中提供了两种方法：鼠标自动框选范围和自动获取范围。获取范围后上方标签中会显示所获取的长、宽，用户可根据需求填写单元网格边长。参数设置完成后进行网格生成。生成的网格面如图9所示。

图9 网格面的生成

2）绿地网格化。绿地网格化是根据地理位置将绿地的面积加入到对应位置的网格面数据中，让网格面中的单元网格拥有落在本网格内的真实绿地面积属性。在界面中选择绿地数据以及边框数据后进行处理。实现方法为先复制一份网格面数据集，将之与合并的绿地数据集做裁剪，网格面中绿地被剪掉后，用原来完整的网格面的单元网格要素面积依次对应的与被裁剪的单元网格面积相减，得到绿地面积，填入属性表中，再与城市边界做叠加，得到包含绿地面积的网格面数据，如图10所示。

3）卷积运算。对网格数据的卷积运算支持已知模板选择和自定义模板，卷积运算字段是选择绿地面积存放的字段，如图11所示。

聚集度评价卷积模板：

图10 绿地网格数据的生成

聚集度计算公式（卷积运算）[6-8]：

卷积模板中心及其邻域网格：

在进行卷积运算时，如果生成的相邻网格在所划范围之外，其绿地率则按真实值取值参与计算；在网格化时由于边缘切割使得网格单元不完整，网格单元面积过小而使绿地聚集度剧增，则将聚集度大于4的网格删除，小于4的保留以体现绿地分布于城区边缘时引起的不公平聚集[9]。计算结果如图12所示。

图11 卷积运算

图12 卷积运算属性表

4.1.2 栅格评价数据制作

1）栅格重采样。从温度栅格获取温度之前需要将温度栅格重采样，重采样大小需要与网格大小一致，能近似模拟出网格所在区域温度。

SuperMap iobjects 7C提供的重采样方法：

Dataset Objdataset = GeneralizeAnalyst．Resample（范围数据集，重采样大小，重采样模式，目标数据源，目标名称）；

其中，重采样模式为双线性内插法，比较适合于温度栅格的重采样。

2）获取温度。温度栅格重采样之后，将每个栅格内的栅格值（即温度值）赋给对应位置的网格属性内。采用通过获取网格单元中心点坐标，再通过该点坐标获取对应位置的栅格值。

3）构建绿地温度地形。通过绿地数据属性表中的卷积率和温度值构建地形数据，主要用到SuperMap iObjects7C的BuildTerrian方法。利用网格面的中心点构建一个新的点状数据集（包含属性卷积率和温度），以点数据集构建地形。

4.2 系统评价分析功能

4.2.1 公园绿地聚集度评价

对于每个城市，公园绿地聚集度（绿地卷积率b）=0的区域应是绿地规划和建设的重点，其次是聚集度较小的区域（如0＜b≤0．2）。对于这些区域的网格单元，在网格内部或其相邻网格增加绿地，都能增加其绿地聚集度；同时，在聚集度较大的网格及周围都应避免绿地的重复建设。公园绿地聚集度评价如图13所示。

图13 公园绿地聚集度评价

4.2.2 城市绿地聚集度与热岛效应相关性评价

根据已构建的温度地形和绿地卷积率地形，进行热岛效应相关性分析。如图14、15所示，利用温度值和绿地卷积率值构建散点图，能够直观对比绿地卷积率与温度之间的关系。添加绿地率的散点显示，对比绿地卷积率的效果，右侧工具条可对图表进行放大显示。从图15可知，绿地卷积率能比绿地率更好地反映绿地与温度之间的关系。随绿地卷积率的增大，温度降低。图16利用Map控件对比显示，并且实现了标记同步联动窗口对比。左下侧是将温度和绿地卷积率通过协方差公式计算得到一个系数，表现温度与绿地卷积率之间影响关系。负值为负相关，正值为正相关，并加入了温度-绿地率对比。

图14 绿地卷积率-温度(蓝)

图15 绿地率-温度（红）

4.2.3 城市绿地聚集度三维图

添加绿地地形栅格至地形图层中，拉伸工具能方便地对地形进行一定的拉伸显示。三维效果如图17所示。

图17 绿地卷积率-温度三维地形图

5 结 语

系统将提供的绿地数据进行相应处理得到了基于数据的对城市绿地聚集度的客观评价，有助于用户了解城市绿地聚集度的情况，同时辅助政府相关部门对城市绿地的规划。该系统具备以下特色：①城市绿地的聚集度多角度评价，包括公园绿地聚集度评价、公园绿地服务盲区分析、城市绿地聚集度评价、城市绿地热岛效应相关性分析；②城市绿地聚集度评价结果通过温度和绿地聚集度数据构建地形进行三维可视化显示；③系统功能具有对研究数据的开放性以及拓展性，支持用户提供数据的分析评价。但系统在城市间聚集度对比功能的扩展、对数据拓扑错误的检查与修正方面还有待进一步改进。

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P208

B

1672-4623（2016）01-0026-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.008

陈川，主要从事地理信息系统工作。

2014-12-16。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（31270745）；江苏省高校自然科学研究面上资助项目（12KJD170001）；江苏省高等学校大学生创新创业训练资助项目（201311641038Z）。