城鄉(xiāng)規(guī)劃中基于地理信息系統(tǒng)的方法研究進展

陳 淳 祁兆寰 陳緒昊通訊作者

1.中國人民大學附屬中學 北京 100080;2.西南大學資源環(huán)境學院 重慶 400715

引言

當前城市化進程發(fā)展很快,這一過程伴隨著廣泛而持續(xù)的土地利用變化。開展針對在某一時間階段內(nèi)選定區(qū)域中土地資源利用類型變化的研究,對于復盤過去的城鄉(xiāng)開發(fā)歷程,從中總結(jié)經(jīng)驗教訓,并且為日后的相似活動提供指導有著重要作用。在過去的幾十年里,國內(nèi)外關(guān)于這一方面的研究眾多,隨著遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的逐漸完善,更多的研究者采用這些技術(shù)手段配合數(shù)學模型分析的方法代替了以往的實地踩點取樣的方法。這樣帶來的好處是顯而易見的:研究者可以更加便捷地獲取并且處理數(shù)據(jù),將時間及地域因素對研究開展的難度的影響降低。同時,開源數(shù)據(jù)庫和模型計算方法的發(fā)展也為進行進一步研究提供了便利的條件。

本文歸納分析了利用GIS等工具對相關(guān)領(lǐng)域進行研究以及未來城鄉(xiāng)規(guī)劃發(fā)展趨向的指導或建議的文獻,試圖梳理其研究思想及方法的脈絡(luò),并且對比各研究者采用的獲取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理等的方法的優(yōu)劣和異同。旨在推進該領(lǐng)域的研究產(chǎn)出在城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、城鄉(xiāng)合理規(guī)劃等方面發(fā)揮作用,并應(yīng)用在自然地理環(huán)境變遷分析等更多的研究領(lǐng)域。

1 共性研究流程與方法

(1)傳統(tǒng)方法到現(xiàn)代手段的過渡

Pauleit和Duhme在2000年采用了1981-1982及1991年通過實地調(diào)查獲取的慕尼黑城市土地利用單元以及覆蓋類型詳細平面圖。該圖通過傳統(tǒng)測繪制圖,將慕尼黑中心及周圍城區(qū)的人口密度、街道劃分、用地種類詳細呈現(xiàn),體現(xiàn)了當時廣泛使用的制圖思想。測繪過程中使用了諸如航拍、分區(qū)估量等技術(shù)措施,并收集了足量的數(shù)據(jù)使其能夠成為之后建立地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)據(jù)庫。文章中同時也指出了在使用該圖時發(fā)現(xiàn)的缺陷和不足之處。

這一研究案例很好地展示了在傳統(tǒng)測繪統(tǒng)計與現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)平行用于研究的時代,也即是該研究領(lǐng)域從傳統(tǒng)方法向現(xiàn)代理念過渡的階段,典型的研究是建立在怎樣的數(shù)據(jù)獲取和處理上的。從中可見的是傳統(tǒng)測繪具有其一定的優(yōu)點,即詳實而更加直觀,所呈現(xiàn)的結(jié)果可讀性也更高。但是耗費大量人力物力的航拍實地制圖也有其弊端,即在圖像處理過程中產(chǎn)生難以避免的人為操作上的誤差,同時因為經(jīng)濟因素的限制,同一地區(qū)兩次覆蓋性測繪之間所隔的時間較長,導致其時效性也較差。這在需要較近時期的數(shù)據(jù)來源時往往是難以克服的障礙。對比來看,我們也可以看出GIS的應(yīng)用給研究者帶來許多便利。

(2)成熟GIS分析方法流程

彭建、王仰麟[1]等在2005年總結(jié)了過去十余年間應(yīng)用空間格局分析研究景觀生態(tài)學的標準化流程,探究了基于土地利用/土地覆被圖的景觀空間格局分析的重要方法,同時評估了其在地學、城市規(guī)劃中的應(yīng)用,并且對具體計算中的各指數(shù)意義進行了必要的闡釋和質(zhì)疑。其時的景觀格局指數(shù)計算、應(yīng)用的基本流程開始于將遙感影像或土地利用現(xiàn)狀圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,人工確定土地利用分類系統(tǒng)后,使用ERDAS等圖像處理系統(tǒng)獲得景觀類型圖,再應(yīng)用專門的軟件包計算各種景觀指數(shù),并分析、評價其意義。由此可以判斷,影響分析景觀格局指數(shù)的因素不僅包括傳統(tǒng)而言的尺度效應(yīng)、數(shù)據(jù)源準確度、生態(tài)意義可解釋性和相關(guān)性,還包括土地利用分類的不確定性。出于上述因素,為探究土地利用分類對于景觀格局的影響,選取的區(qū)域需要包含多種土地利用類型,且已開展過相關(guān)研究。由此該研究選取深圳市寶安區(qū)作為研究對象,將數(shù)據(jù)通過既定流程處理,進行回歸分析,比較不同土地利用分類系統(tǒng)對于空間格局度量的影響。其研究結(jié)論指出同一景觀采用有差異的土地利用分類辦法時,用相同的數(shù)據(jù)處理方法對其空間格局進行度量,所得的結(jié)果存在可觀的區(qū)別。

因此,在對某一區(qū)運用GIS進行分析時,要慎重考慮所用的數(shù)據(jù)源,避免可控的“人為誤差”。此外,必須要指出的是,在使用所得圖表進行比對時要留意分析圖表時所用的量度,同時需要結(jié)合實際來考慮不同分辨率的圖像對于實際應(yīng)用的影響。要考慮到制圖對于不同分辨率的數(shù)據(jù)來源的敏感程度,細致地依據(jù)不同種類的數(shù)據(jù)和指標對于各種因素改變的反饋程度來決定該類別數(shù)據(jù)是否適用。如數(shù)據(jù)來源和處理方式對于斑塊豐富度(patch richness)的影響較不顯著,而對分形維度指數(shù)(fractal dimension index)影響則較大,這就要求在選擇性處理數(shù)據(jù)時要做到穩(wěn)度和敏感度的平衡協(xié)調(diào)。

2 不同研究方法的優(yōu)劣

(1)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌對比

龍凌波等[2]基于多源數(shù)據(jù),統(tǒng)籌研究了上海市公園時空格局演變及其生態(tài)效益。在獲取數(shù)據(jù)階段,利用了網(wǎng)絡(luò)開放平臺的上海市公園數(shù)據(jù)匯集,如上海市林業(yè)局等網(wǎng)站收集的公園名錄等信息,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用百度地圖API接口完成邊緣繪制并獲取經(jīng)緯度信息,隨后基于高分辨率多源遙感影像修正公園的矢量邊界等信息?；谏虾Ｊ泄珗@矢量邊界數(shù)據(jù),計算上海市公園及其緩沖區(qū)內(nèi)的平均地表溫度(LST),在此基礎(chǔ)上根據(jù)上海市公園LST分布情況對其進行k-mean 聚類,探討上海市公園緩沖帶LST的變化情況。將各類數(shù)據(jù)進行線性或?qū)?shù)擬合,從而探究影響上海市公園及其周邊區(qū)域熱環(huán)境的因素。最后用公園建成前后兩期不同年份日期相近的Landsat8遙感數(shù)據(jù)和Google Earth多源遙感歷史影像來評估公園建成的降溫和生態(tài)效益,并進一步探究潛在影響因素。

該研究創(chuàng)新之處在于合理選擇了不同年份、不同來源的影像數(shù)據(jù),通過人為和信息系統(tǒng)的自助收集、手動校正和矢量化得到包含完整而豐富的公園數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)原創(chuàng)性較強。值得一提的還有其對比不同年份歸納區(qū)域降溫效應(yīng)以及其他生態(tài)效應(yīng)的方法,以及對于建設(shè)生態(tài)文明城市給出的現(xiàn)實性建議。其不足在于沒有能夠完善遙感影像分辨率不足的缺陷以及由于手動統(tǒng)計公園邊界產(chǎn)生的與規(guī)劃文件的出入。同時在研究方法上擬合線性數(shù)據(jù)時未考慮景觀格局的指數(shù)變量。

(2)新數(shù)據(jù)源的應(yīng)用和發(fā)展

寧曉剛、劉婭菲[3]等發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的城市功能用地多采用土地利用數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)、調(diào)查問卷數(shù)據(jù)等方式獲得,而開源的興趣點數(shù)據(jù)、OSM路網(wǎng)數(shù)據(jù)容易獲取,且單純運用該數(shù)據(jù)進行功能用地劃分的研究相對較少,基于該數(shù)據(jù)的城市功能用地劃分方法研究對于城市功能用地低成本、快速獲取和動態(tài)更新具有重要意義。研究通過將原始POI數(shù)據(jù)點(電子地圖興趣點)預處理,疊加在去除人行道路、公交站臺等的路網(wǎng)圖內(nèi),經(jīng)過軟件處理繪制出依據(jù)街區(qū)區(qū)塊劃分的功能用地分類。經(jīng)過精度評估,該方法可行性較高,劃分結(jié)果與實際情況高度一致。

該研究提出的城市功能用地分類方法簡單可行且便于動態(tài)更新,避免了原有根據(jù)遙感影像和行人行蹤追蹤的方法所需的繁瑣步驟,更加簡明地呈現(xiàn)城市的內(nèi)部功能分區(qū),給設(shè)施選址、城鄉(xiāng)規(guī)劃等提供了重要的參照。當然,該方法雖然簡單易行、時效性強,但在人員流動相對不密集、建筑密度小、興趣點稀少的郊區(qū)、農(nóng)村地區(qū)無法有效應(yīng)用。同時由于最小單位區(qū)塊是由路網(wǎng)決定的,必然造成更小的用地類型無法識別。從這兩點出發(fā),需要今后將該方法與其他數(shù)據(jù)結(jié)合,以實現(xiàn)高精度識別和劃分。

(3)典型數(shù)據(jù)處理方法

袁軼男、金云峰[4]等縱向?qū)Ρ?010及2018年上海市六類土地利用類型,利用Fragstatus4軟件,對其景觀格局指數(shù)進行定量分析。該時間段內(nèi)上海市城市發(fā)展變化顯著,依據(jù)實際情況,研究者選取了多樣的斑塊類型總面積(CA)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、散布與并列指數(shù)(IJJ)、景觀破碎化指數(shù)(SPLIT)、景觀聚集度指數(shù)(AI)、景觀度凝結(jié)度指數(shù)(COHESION)等景觀格局指數(shù)進行分析。將所得數(shù)據(jù)導出為便于對比基礎(chǔ)指標以及不同年份變化的表格,獲得初步結(jié)論后分析其體現(xiàn)在社會、政策、土地利用規(guī)劃把控等方面的驅(qū)動力因素,并據(jù)此提出了相關(guān)建議,如平衡人口增長和增強生態(tài)文明建設(shè)之間的矛盾。

3 結(jié)束語

總而言之,自1939年景觀生態(tài)分析與土地利用類型統(tǒng)計結(jié)合后,該領(lǐng)域的研究方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)的測繪制圖人工分析到現(xiàn)代的基于多源數(shù)據(jù)庫和模式化指標計算的發(fā)展。預期在未來的一段時間內(nèi),完全基于GIS的數(shù)據(jù)源還不能完全取代實地測繪,這是因為影像分辨率和其他相關(guān)因素會對制圖可靠性產(chǎn)生一定干擾,因此繼續(xù)需要二者的結(jié)合。另一方面,地理信息系統(tǒng)向精確即時方向發(fā)展,工作精度向著1∶2.5萬-1:1萬或更大比例尺發(fā)展,大數(shù)據(jù)展示向著及時性和實時性發(fā)展。同時,未來的趨勢在于更加全面、系統(tǒng)地指標計算和分析城鄉(xiāng)規(guī)劃中城市綠色空間的生態(tài)景觀效益、社會效益與經(jīng)濟效益,并建立一套較為科學、全面的評價指標體系[6],因此加強各地、尤其是人類活動區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)劃分和土地利用分類系統(tǒng)已迫在眉睫?？梢韵胍?在未來會有更多基于大數(shù)據(jù)和移動端的便捷、可靠的數(shù)據(jù)源,其與已有渠道的有機結(jié)合能夠促進該領(lǐng)域研究的程序革新和進步。