GIS在龙岩市城市绿地系统规划中的应用

GIS在龙岩市城市绿地系统规划中的应用PAGEPAGE12题目：GIS在龙岩市城市绿地系统规划中的应用专业：测绘工程【摘要】随着计算机应用的推广，软件技术的飞速发展，地理信息系统被广泛应用于资源与环境管理、城市规划、市政管理、监测和预估等众多领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。本文分析了城市绿地系统规划与传统管理方法的不足以及面临的问题，从绿地信息提取、绿地现状与结构分析，以及建立城市绿地GIS系统等方面研究了GIS在城市绿地系统规划与管理中的应用。本文以ARCGIS软件为基础，以龙岩市的绿地系统规划为实例总结了地理信息系统近年来在城市绿地系统规划中的应用。最后分析了GIS在城市绿地系统规划中的应用前景。【关键词】地理信息系统；城市绿地系统；规划；ARCGIS目录1.绪论 21.1城市绿地系统 21.2城市绿地系统规划面临的问题 21.3GIS在城市绿地系统规划中的国内外研究现状 21.4研究意义及主要内容 32.研究区概况 32.1地理环境 32.2气候 33.建立龙岩市城市绿地系统的技术路线 43.1资料收集与技术路线 43.2资料预处理 53.2.1遥感图像预处理 53.2.2地图数据预处理 53.3绿地信息提取及分类 64.基于ArcGIS建立城市绿地数据库 74.1数据库设计 74.1.1空间数据库的设计 74.1.2属性数据库的设计 74.2图形数据库 74.3空间数据库的建立 84.4城市绿地GIS系统的基本功能 95.结果与分析 95.1龙岩市绿地现状分析 95.2绿地结构分析 105.3龙岩市城市绿地系统规划 106.结束语 11致谢语 12参考文献 131.绪论1.1城市绿地系统绿地在《辞海》中的定义为“配合环境创造自然条件，适合种植乔木、灌木和草本植物，形成的一定范围的绿化地面或区域”；或者指“凡是生长植物的土地，不论是自然植被或人工栽培的，包括农林牧生产用地和园林用地，这些都可以称为绿地”[1]。我国《城市规划》定义城市绿地系统为：城市绿地系统泛指城市区域内一切人工或自然的植物群体、水体及具有绿色潜能的空间；是由具有一定数量和质量的各类绿地相互作用所组成的并具有生态效益、社会效益及经济效益的有机整体[2]。城市绿地系统是城市生态环境的核心，是维护城市生态功能的一个重要组成部分，反映了城市的自然属性。功能丰富的城市绿地系统，在改善城市生态环境、调节城市气候、美化城市景观等方面具有重要作用。我国城市绿地依据功能、标准、要求、性质等不同而有各种分类方法。建设部于2002年颁布的《城市绿地分类标准》中把城市绿地分成了5种类型，如表1-1所示[3]。表1-1城市绿地分类表绿地种类含义公园绿地向公众开放，以游憩为主要功能，兼具生态、美化、防灾等作用的绿地。生产绿地为城市绿化提供苗木、花草、种子的苗圃、花圃等圃地。防护绿地城市中具有卫生、隔离和安全防护功能的绿地。包括卫生隔离带、道路防护绿地城市高压走廊绿带、防风林、城市组团隔离带等。附属绿地城市建设用地中绿地之外各种用地中的附属绿化用地。包括居住用地、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、市政设施用地和特殊用地中的绿地。其他绿地对城市生态环境质量、居民休闲生活、城市景观和生物多样性保护有直接影响的绿地。包括风景名胜区、水源保护区、郊野公园、森林公园、自然保护区、风景林地、城市绿化隔离带、野生动物园、湿地、垃圾填埋场恢复绿地等。1.2城市绿地系统规划面临的问题随着城市化进程的加快，城市用地的紧张，目前亟待解决的问题是如何在有限的土地资源内，对城市绿地进行合理规划，优化绿地的空间结构，使城市绿地更好地发挥其生态效益和使用功能。传统城市绿地规划理念落后、规划手法单一、规划绿地布局不当的现象普遍存在。我国原有的城市绿地现状调查、数据采集和分析手段劳动密集程度高、周期长，已经无法适应城市快速发展的需要。因此，为了利用有限的土地资源，实现城市绿地的合理布局，优化绿地的空间结构，使城市绿地有效地发挥其生态效益和使用功能，利用现代的GIS技术，迅速获取及时、准确、高质量的城市绿地规划信息。1.3GIS在城市绿地系统规划中的国内外研究现状自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS)问世以来，随着其自身的不断发展和应用的日趋广泛，GIS的定义也各种各样，其中美国联邦数字地图协调委员会(FICCDC)定义为：地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[4]。1963年，加拿大测量学家R.Tomlinson首先提出地理信息系统这一术语之后，随着科技的进步，地理信息系统以燎原之势在全世界迅速发展起来，并成为信息产业的重要组成部分，广泛应用于资源与环境管理、城市规划、市政管理、监测和预估等众多领域。目前，国内一些学者已经开始应用GIS技术对城市绿地系统规划以及绿地现状分析的研究，英德平以常州市为例，进行了城市绿地系统规划布局的研究[5]。王蕾根据传统的城市绿地理论，以现代的计算机语言及地理信息系统组件为手段，建立科学的先进的绿地分类信息管理系统。通过调用绿地信息矢量数据及绿地属性专题数据，即可在绿地分类信息管理系统中进行一定的数据运算及处理，得到城市绿地信息，并能够实现对该结果的多种查询、统计、对比、以及输出等功能[6]。而在城市绿地景观格局梯度分析与优化方面，李星墨提出了基于GIS应用梯度分析与景观指数相结合的方法研究呼和浩特城市绿地景观格局梯度分析与优化对策[7]。潘萍以云南省昆明市勘察测绘研究院重点项目《基于GIS的昆明市园林绿化管理信息系统》为全面支撑，对城市园林绿化的研究与应用作了初步探讨，提出了城市园林绿化中图斑合并模型[8]。此外，卢文喜将GIS软件与VB相结合，并应用到城市绿地管理领域，开发出长春市城区绿地信息系统[9]。1.4研究意义及主要内容城市是人类社会、经济和文化发展的产物，也是最为复杂的生态系统类型，是非常容易受到人为的和自然环境条件的干扰。近几年来，随着城市化进程的加快，城市人口密集、交通拥挤、资源短缺、环境污染和生态恶化等问题，已经成为人们的关注焦点。作为人们联系自然、亲近自然的物质空间类型，城市绿地在协调城市与自然的关系，完善城市生态系统等方面发挥的作用越来越受到人们的关注，城市绿地系统规划编制工作也被各级政府部门提上了议事日程。与此同时，我国现有的城市绿地规划系统也暴露出许多不可忽视的问题，比如一些城市功能定位不准确、城市绿地规划理念落后、规划周期过长、城市结构布局不合理、缺乏系统的绿地空间规划等，这些都严重影响和制约了城市的可持续发展。在传统的规划设计工作中，规划设计者主要是凭借经验定性地判断现状，成果精度和工作效率相对较低。与城市绿地信息有关的文字、表格和图形资料格式多种多样、分布散落，给城市绿地数据的管理和使用带来了很大不便。在这样一个大的背景下，应用地理信息系统技术来辅助城市绿地系统规划势在必行。在绿地信息提取、绿地现状与结构分析、建立城市绿地GIS系统等方面，GIS技术都发挥着及其重要的作用。本研究以城市绿地为研究对象，以计算机为载体，以传统的城市绿地基础理论为依据，结合GIS技术，对城市绿地系统规划体系做了系统的分析。这将对城市绿地实现动态监测、管理、规划，以及城市的可持续发展、城市绿地规划的科学性和可靠性等都具有非常重要的意义，同时也对城市绿地管理趋向自动化、可视化具有特殊的意义。2.研究区概况2.1地理环境龙岩市位于北纬24度23分—26度02分，东经115度51分—117度45分，地处台湾海峡西岸、福建省的西部，通称闽西。东与福建省泉州、漳州两市接壤，西与江西省赣州市交界，南与广东省梅州市毗邻，北与福建省三明市相接，东西长约192公里，南北宽约182公里，总面积19050平方公里，占全省陆地面积的15.7%。其中山地14964平方公里，丘陵3101平方公里，平原985平方公里。龙岩是距离厦门最近的内陆邻海城市，也是海峡西岸经济区延伸两翼、对接两洲、拓展腹地的交通枢纽与重要通道。地势东高西低，北高南低。境内武夷山脉南段、玳瑁山、博平岭等山岭沿东北—西南走向，大体呈平行分布。全市平均海拔652米，千米以上山峰571座。最高峰为玳瑁山区的狗子脑主峰，海拔1811米；最低点位于永定县峰市镇芦下坝永定河口，海拔69米。2.2气候龙岩市地处中亚热带向南亚热带过度带。属亚热带海洋性季风气候。全年气候温和，年平均气温18-20℃；雨量充沛，平均降水量1031毫米-1369毫米；日照时数1804小时-2060小时；无霜期长，全年无霜期达三百天以上，适宜亚热带作物和林木的生长。3.建立龙岩市城市绿地系统的技术路线3.1资料收集与技术路线研究中，将收集的遥感图像作为主要数据源，龙岩市遥感图像如图3-1所示，主要用来提取绿地的专题信息。作为辅助绿地信息提取的资料包括龙岩市1∶1万纸制地图、龙岩市土地利用现状图、龙岩市绿地建设相关资料以及统计年鉴、市志。图3-1龙岩市遥感图像以遥感图像作为主要数据源，利用ERDAS、ARCGIS等相关软件，通过图像校正、增强、融合，绿地信息提取等步骤建立城市绿地GIS系统，为城市绿地系统规划的制定提供科学、准确的基础信息。技术路线如图3-2所示。资料收集资料收集资料预处理理图像校正正图像增强图像融合绿地信息提取建立GIS数据库指导规划图形编辑属性编辑地图数字化图3-2技术路线图3.2资料预处理3.2.1遥感图像预处理原始的遥感图像灰度级低难以满足城市绿地信息提取的要求。因此，在进行绿地信息提取前需要利用ERDAS遥感图像处理软件，对遥感图像进行一系列的预处理，使得遥感图像有很好的解译效果。首先辐射校正消除或改正因辐射误差而引起影像畸变，辐射畸变指遥感传感器在接收来自地物的电磁波辐射能时，电磁波在大气层中传输和传感器测量中受到遥感传感器本身特性、地物光照条件（地形影响和太阳高度角影响）以及大气作用等影响，而导致的遥感传感器测量值与地物实际的光谱辐射率的不一致。然后几何校正消除遥感图像由于遥感器姿态角的变化，物镜系统的光学畸变，扫描速度不稳定，地球自转，地面曲率、地形起伏等引起的的几何畸变[10]。对遥感图像进行预处理后，接着进行图像增强有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，如图3-3所示；最后进行图像融合将多源信道所采集到的关于同一目标的图像数据经过图像处理和计算机技术等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，使得融合后图像的绿地空间分辨率得到增强，尤其是绿地斑块边界的确定性，同时又具有多光谱特征，从而达到增强图像质量的目的；从而最终获得比较清晰、对比度强、位置准确的遥感图像[10]。图像增强前图像增强后图3-3图像增强前后对比3.2.2地图数据预处理地图数据作为基础数据的来源，有着极其重要的作用。首先应该对纸制图纸进行扫描并数字化，进行扫描数字化作业时，结合外业采集数据，严格捕捉点位，确保矢量化数据的精度与外业数据一致[11]。先将所需的行政区划要素进行数字化，数据格式为ESRI的SHAPE文件如图3-4所示。图3-4龙岩市行政区划界线图3.3绿地信息提取及分类绿地信息提取就是从通过校正以后的遥感图像图上提取绿地，将绿地和其他各种用途的土地区分开来。与其他物体相比较，各类绿色植物由于均进行光合作用，其在红光波段具有强吸收及近红外波段具有高反射的特征。所以在提取绿地信息时选择了植被指数提取方法[12]。常用的植被指数有归一化差异植被指数NDVI（NormalDifferentVegetationindex），其计算公式为：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，式中，NIR指近红外波段的反射值；R指红光波段的反射值。遥感图像分类主要依据是地物的光谱特征，既地物电磁波辐射的多波段测量值，这些测量值可以用作遥感图像分类的原始特征变量。图像分类就是基于图像像元的数据文件值，将像元归并成有限几种类型、等级或数据集的过程[13]。对处理好的遥感图像在ERDAS里进行计算机监督分类，首先在Viewer中打开需要分类的图像，单击Classifer\Classification\Signatureeditor，打开分类模板编辑器定义分类模板，如图3-5及3-6所示，然后应用AOI绘图工具在遥感图像上通过识别获取分类模板信息，逐一将绿地区域加载到Signature分类模板中，本研究中将城市绿地分为公园绿地、附属绿地、防护绿地、生产绿地4类。通过矢量化对绿地按照上述分类进行目视解译，提取绿地专题信息，然后分层存储管理。执行了监督分类之后，要对分类结果进行评价和处理，尽量剔除那些太小或不符合已有资料的斑块。图3-5建立样区模板图3-6将选择样区逐一添加到Signature分类模板属性表4.基于ArcGIS建立城市绿地数据库通过从遥感图像中提取城市绿地信息，获取绿地板块、斑块数量、斑块面积等信息，利用ArcGIS软件提取绿地矢量数据并进行属性数据的设计与添加，接着将处理好的数据进行拓扑处理后进行绿地面积等各项绿地分类统计。所建立的绿地数据库不仅可以进行方便的查询检索和图形演示，还可以对所有数据或相关数据进行统计分析，并生成报表或生成各种统计图，实现对数据的定性或定量分析，为城市绿地规划的制定提供科学、准确的基础信息。4.1数据库设计数据是GIS的血液，作为组织数据的有效手段，数据库的设计和建设是十分重要的。数据库中将实现对多种信息的综合管理。GIS数据库包括空间数据库和属性数据库。4.1.1空间数据库的设计空间数据库主要用于辅助绿地信息的获取，并提供GIS环境下进行城市绿地空间分析评价所必需的各类相关空间基础数据，如行政区划、道路、水系、居民地等，空间数据分层存储，根据地图上的地理信息数据，将绿地现状图分为9个图层如表4-1所示。各图层分层数字化后输入计算机，用ArcGIS软件编辑完成后分层存储管理，形成空间数据库。表4-1龙岩市城市绿地现状图的图层划分图层号图层图层名称图层元素类型1行政区划XZQHPOLYGON2道路DLPOLYGON3水系SXPOLYGON4居民地JMDPOLYGON5古树名木GSMMPOINT6行道树XDSPOINT7公园GYPOLYGON8绿地LDPOLYGON9公园绿地GYLDPOLYGON4.1.2属性数据库的设计属性数据结构是由与其相连的空间数据结构所决定的，而且属性数据结构的确定受系统查询统计等功能所控制。属性数据库中各字段名称应按简洁、直观、无歧义、唯一、适用、可扩展的原则进行编码，各字段的取值依据各字段值的取值范围和国家规定行业惯例进行编码。数据编码是建立规划信息数据库的最基本的内容之一，它表达了数据结构，是对规划信息表达的抽象，用以标明不同类别、区段、专题性质的信息所存放的文件，是各子系统间数据连接的纽带，并提供了数据查询手段。属性数据库中还应包括各类绿地的有关属性，如绿地类型、绿地面积、植物类型、生长状况等。4.2图形数据库利用ArcGIS对遥感图像、地形图进行数字化和图形信息编辑，并参考龙岩市统计年鉴、市志以及绿地现状调查数据作为图斑的属性数据输入属性数据库。矢量化后的绿地现状图如图4-1所示。图4-1矢量化后的绿地现状图4.3空间数据库的建立数据库的建立是在ArcCatalog基础上建立的。建库的主要流程是首先在ArcCatalog下建库及要素集，并在要素集下建立要素类，然后导入坐标系统及数据模板，最后建立拓扑关系及对导入数据进行拓扑检查[14]。图4-2建库PersonalGeodatabase及要素集FeatureDataset在ArcCatalog中选择一个本地目录，新建库PersonalGeodatabase，在其下创建一个要素集FeatureDataset，并设置坐标系统，如图4-2所示；在要素集下创建要素类，然后导入将要进行拓扑分析的数据，在导入数据时，每导入一个不同地类，对应库文件添加所导入地类编码；再进入到该数据集下，新建拓扑topology，添加拓扑规则对导入数据进行拓扑检查，包含的拓扑规则有：1） Mustnothavedangles(不存在悬挂)2） Mustnotintersect(禁止相交)3） Mustnotoverlapwits（不许重叠）；在ArcMap中打开由拓扑规则产生的文件，利用topology工具条中的错误记录信息进行修改，不断拓扑检查所构的面，直到所构的面无拓扑错误，完善构面[15]。4.4城市绿地GIS系统的基本功能以遥感图像和地形图为基础，在GIS软件的支持下，通过数据预处理，建立研究区域的数字图像地图，然后对不同绿地类型进行遥感解译，并建立绿地系统数据库。城市绿地GIS系统的基本模块主要包括：地理数据查询与浏览模块、属性查询与更新模块、图形编辑与更新模块、查询与统计模块、专题图制作模块、图件打印输出模块等，如图4-2所示。城市绿地GIS系统的这些基本功能模块使得城市绿地规划人员能够随时提取并显示所需了解的城市绿地空间信息，实现了图文结合、报表生成、统计查询一体化。相对于传统的以人工为主要工作方式查询、计算及统计绿地信息而言，GIS手段带来了前所未有的便利，提高了工作效率[16]。城市绿地城市绿地GIS系统地理数据查询与浏览模块属性查询与更新模块图形编辑与更新模块查询与统计模块专题图制作模块图件打印输出模块图4-3城市绿地GIS系统的基本功能模块图5.结果与分析5.1龙岩市绿地现状分析通过ArcGIS统计出公园绿地、附属绿地、防护绿地、生产绿地四类绿地面积。龙岩市全市建成区范围内1440hm2绿地中，公园绿地293.9hm2，附属绿地442.7hm2，防护绿地598.4hm2，生产绿地80hm2，它们分别占成都高新区绿地总量的22%、32%、44%和2%如表5-1所示。表5-1龙岩市城市绿地现状分析项目公园绿地附属绿地防护绿地生产绿地总计绿地面积/hm2293.9442.7598.4801440占绿地面积比率/%2232442100人均绿地面积10.11hm2/人城市绿化覆盖率39.13%现状存在主要问题是未能形成一个功能齐全的绿地系统，公共绿地少，类型单一，卫生防护林带不足形成体系，生产绿地不足，街头绿地少，居住区、单位附属绿地均未能达到国家标准。5.2绿地结构分析对龙岩市的各类绿地面积及所占比例进行统计，龙岩市绿地结构如图5-1所示，可以看出龙岩市绿地结构不合理，空间分布不均衡。从城区绿地系统的现状来看，主要是公园绿地、附属绿地，缺乏生产绿地和防护绿地，这很不利于龙岩市的生态可持续发展。图5-1龙岩市绿地结构组成5.3龙岩市城市绿地系统规划通过以上分析，综合考虑城市自然地理环境、城市建设情况与城市规划愿景，确定龙岩城市绿地系统结构为——“两环、四楔、一心、两轴”。总体上形成“群山环抱、组团隔离、三河穿越、路廊交融、公园棋布、绿心东踞、清风入廓、新罗拥翠”的山、水、城、林层次丰富，山水格局完整的生态园林城市。龙岩市城市绿地系统规划如图5-2所示。图5-2龙岩市城市绿地系统规划图6.结束语随着GIS技术自身的发展和日趋成熟，以及中国城市基础信息库的建立和完善，GIS技术应用的深度和广度都有了长足发展，本研究以龙岩市绿地系统规划为例，探讨了GIS技术在城市绿地系统规划方面的应用。无论是数据存储、处理和各种资料信息的统计分析，还是绿地信息数据库的建立和管理信息系统的开发，GIS的应用贯穿于整个城市绿地系统规划全过程，而且是城市绿地管理的好帮手。虽然目前具体的应用并不多也不完全，但是其应用前景将是全方位的。随着城市绿地系统规划管理GIS系统的完善，以后规划部门提供给设计单位的基础数据将大部分是GIS数据格式的数据，使得数据的存储、管理更为严格。各种精度的城市绿地现状信息的实时动态获取，实现了绿地系统规划的动态性。由于城市绿地系统规划自身的特点限制，很难完全通过客观的数学模型和GIS技术来实现绿地系统结构布局的规划。但是随着这方面研究的深入和客观条件的成熟，GIS技术和数学模型在城市绿地系统结构布局上的应用可能会越来越多，特别是在定量分析上的研究。应用GIS软件可以方便快捷地建立绿地系统规划数据库，更具针对性、更有