鬼城指数遥感监测系统的设计与实现

苏浩然+张震+李傲+雷斌斌+李益峰

摘要：随着城市的发展，房产的不合理开发，导致住房的空置率高、入住率低的空城或鬼城现象。传统方式监测鬼城耗时耗力，工作量较大。该研究利用地理信息系统和遥感技术，基于夜间DMSP/OLS灯光数据和Landsat TM数据，提出一种宏观监测方法，并以C#为开发环境，采用ENVI/IDL和ArcGIS Engine的二次开发手段，并结合混合编程方式开发鬼城指数遥感监测系统。系统对城区的建筑面积进行提取，进而与城区的人口数量进行拟合，根据住建部规定的占地用地标准确定各个区域的“鬼城指数”。同时提供鬼城指数专题图制作模块，为城区的合理规划和利用提供参考。

关键词：鬼城指数；地理信息系统；遥感；ENVI/IDL；ArcGIS Engine

中图分类号：TU984；TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0260-03

Abstract： With the development of the city， the irrational development of the property leads to the vacancy rate of the housing and the low occupancy rate of empty city or ghost city phenomenon. The traditional way of monitoring it is time-consuming and energy-consuming and needs to do lots of work. This study uses the technology of GIS and Remote Sensing and utilizes the data of DMSP and Landsat TM， which presents a visible way of Monitoring ghost city that bases on mixed programming of ENVI/IDL， ArcGIS Engine and C#. The system extracts the area of city building and matches with the population of city and further gain the Ghost city index compared with the covers an area of the standard provided by Ministry of housing and housing. At the same time， the system provides the model of making thematic map， which gives help on the plan and use of the city.

Key words： Ghost city index； Geographic Information System； Remote Sensing； ENVI/IDL； ArcGIS Engine

1 背景

鬼城是指資源枯竭并被废弃的城市，属于地理学名词。随着城市化进程的加快，涌现出越来越多的新城，然而这些城市新区入住率低、人烟稀少、夜间大部漆黑一片，被形象地称为“鬼城” [1]。改革开放以来，经济快速发展，城市化水平显著 提高。目前，我国城市建成区面积较1984年而言实现质的飞跃，增长率惊人，但城市的无限扩张造成的严重结果已日益突出。相关统计资料显示，全国各地在新城区规划建设中或多或少都出现了“鬼城”，比较突出的有鄂尔多斯市康新区、京津新城等[2]。“鬼城”对我国城市化发展带来了严重的负面影响，造成土地资源浪费、巨额经济损失和阻碍城市的发展等问题。如今，新城区的建设仍在进行，如何进行合理的监测已成为刻不容缓的问题。

住房和城乡建设部规定占用地标准：1平方公里容纳一万人口，根据此标准可建立鬼城指数，用以评价城市土地资源利用程度以及城市发展活力，同时可为未来城市规划和现有新区的政策引导提供决策依据。目前，传统的统计数据获取与监测方式不能及时有效的监测鬼城指数，不能及时合理的调配地方资源，进行科学的调控措施。遥感可以大面积同步观测地物、得到的信息量丰富、受条件限制少，已广泛应用于城市规划、农业、林业、地质、环保等领域[3]。地理信息系统（GIS）具有采集、处理、管理数据和强大的综合空间分析数据的功能，在土地资源利用、生态环境、城市规划有广泛应用 [4]。基于此，本研究利用夜间DMSP/OLS灯光数据和Landsat TM数据，以C#为开发环境，采用ENVI/IDL和ArcGIS Engine的开发手段，SQL作为数据库存储信息，多种语言结合同时采用美化插件DevExpress作为系统界面美化，从而设计和实现鬼城指数遥感监测系统。系统可以快速地对选定区域任意时段的鬼城指数进行获取，对建筑资源的利用率进行评估，为城市规划和利用提供参考。

2 系统总体设计

2.1 系统目标与设计原则

系统从设计到开发过程中都遵循可靠性、安全性、适应性、先进性和规范性等要求，同时注重人机交互性原则，界面美化强度高。通过研究开发，可以快速、便捷地获取城市鬼城指数，对建筑资源的利用率进行评估，准确有效地监测城市活力，为城市规划和利用提供参考。

2.2 系统总体结构

系统总体结构包括文件、影像预处理、影像处理与信息提取、地图整饰与输出、用户管理、帮助六个模块（图1）。

图1 系统总体结构

2.3 系统开发环境

操作系统：Windows 2007/2008/2010；语言环境：Visual Studio.NET 2010，C#；数据库系统； SqLServer 2012，File GeoDataBase [5]。

ArcGIS Engine包括ArcObjects核心功能，根据特定需求可以独立开发GIS桌面应用产品或对既有的应用程序进行修改、完善和扩展。ArcGIS Engine采用基于COM的集合，支持COM的编程语言可以ArcGIS Engine提供的应用程序接口（API）调用ArcGIS Engine。同时，应用程序接口（API）提供了详细的帮助文档，帮助解决开发过程中的某些问题。通过ArcGIS Engine编程，实现所需要的GIS功能，凸显GIS功能的灵活配置 [6]。

交互式数据语言（IDL）与MatLab类似，是面向矩阵运算的语言，可以高效的进行科学数据分析和可可视化表达。遥感影像为二维或多维的数字图像矩阵，IDL在数字图像处理方面有其独特功能，可以根据相应的函数高效地进行图像处理同时其处理矩阵功能也是不可忽视的。IDL语法简单，与其他语言有着良好的集成可视化开发和交互分析 [7]。IDL与ArcGIS Engine集成化，充分发挥各语言的特点，构建复杂的可视化应用与分析的系统，实现对遥感影像的高效处理和信息提取，达到集成化的效果。

C#（C Sharp）为面向对象的开发语言，综合C、C++和Java的特点，采用组件的形式进行开发，可解决单纯IDL开发过程中可视化表达的繁琐，同时支持COM，可以很好地与ArcGIS Engine结合，达到集成开发的效果 [8]。

2.4 关键技术

2.4.1 建成区面积提取

利用Landsat TM4、TM5两个波段，提取归一化建筑指数（NDBI），再通过设定阈值来提取城镇居民建筑用地虽然可以进行高精度的提取，但其阈值往往具有经验性，不具有代表性，同时地物的提取需要依靠目视解译，不适合进行系统开发 [9]。系统首先利用Landsat对提取NDVI和NDBI，然后分别进行二值化处理，NDBI大于0和NDVI小于0.15的部分作为城区，但是直接提取出来的NDVI还包含水体，NDBI提取出来部分除了建筑用地还包含低密度的植被覆盖区，故将两者二值化后的结果进行相乘，可以消除水体和低密度的植被覆盖区，提高了城市建成区提取的精度。

2.4.2 鬼城指数提取

鬼城指数，城区人口数量与建成区面积的比值，低于0.5或稍微高于0.5为鬼城。鬼城指数提取流程（图2）。系统将DMSP影像的DN值以二分法进行迭代，直到达到某个DN阈值，在这个阈值下提取出的面积与Landsat影像提取出的建城区面积之差最小，即结束迭代，此时的DN值即为我们所需的阈值。在人口拟合所用的夜间DMSP/OLS灯光数据为安徽省各地级市灯光数据计算其大于等于该阈值的像元DN值的累加和，进而与安徽省各市区人口进行拟合，研究发现两者之间的拟合程度非常高，拟合优度达到0.92以上，符合程序要求，进而将其关系推广，用作不同时段的提取依据。鬼城指数为提取的人口数量与建成区面积比值，每平方公里一万人作为一个划分依据，即每平方公里一万人及以上设定鬼城指数为0，每一万平方公里0人，则规定鬼城指数为1。

3 数据准备

系统采用的数据是基于安徽省的相关信息，主要包含矢量数据、遥感影像数据、统计数据。矢量数据为ArcGIS标准的Shapefile文件，同时以保证数据的安全性和准确性，将文件存储于File Geodatabase数据库。遥感影像为夜间DMSP/OLS数据和Landsat TM数据。夜间灯光信息由DMSP/OLS获得的，图像覆盖全球，可以探测城市灯光信息、道路车流微弱灯光信息以及小规模居民地的灯光信息，可以与非城市用地夜间的黑暗信息进行对比，比较明显的获得城市相关信息。在对城市化进程中城市空间结構和城市经济结构等城市问题研究发挥重要作用[10]。

主题成像仪（TM）到目前为止仍在工作，具有较高的空间分辨率和光谱分辨率，其空间分辨率在对城市扩张、土地利用方面可以满足要求。同时数据获取比较方便，各种理论研究和应用研究比较成熟，比较适合系统需求[11]。统计资料来源于人口统计年鉴，制作安徽省各地级市人口数量Excel文件，用来进行线性拟合，提取相关系数。

4 系统功能实现

系统采用ArcGIS Engine、IDL和SQL Sever混合开发模式，根据系统功能框架和计算机软件开发遵从的原则完成“鬼城指数遥感监测系统”（图3）。

系统具有以下主要功能：

1） 图形显示。对矢量图层和栅格图层实现缩放至图层、拉框放大、拉框缩小、漫游、全屏显示和复位。可以对栅格图层可以查询影像信息和各波段统计信息以及RGB波段选择显示。同时，提供矢量数据和栅格数据的鹰眼窗口功能，实现图层窗口、版面视图窗口、鹰眼联动。

2） 文件管理。添加矢量数据、打开影像、文件保存、文件另存为以及皮肤设置、退出系统功能。

3） 影像预处理。由于影像或多或少的受到其他因素的影响，系统根据数字图像处理原理提供基本遥感影像预处理功能，主要包含辐射定标、大气校正、掩膜裁剪、图像镶嵌、图像融合、滤波处理、图像增强功能。

4） 影像处理与信息提取。多种方式的遥感影像监督分类和非监督分类、NDVI和NDBI指数提取、建成区面积提取、DN值提取、CSV统计数据的线性拟合、人口数量提取、鬼城指数提取以及采用SQL语言基于文件属性查询功能。

5） 地图整饰与输出制作专题。地图的添加标题、指北针、指南针、比例尺、添加图例功能（图4），提供多种制图模版，可以根据要素的属性值进行标注，属性信息的颜色分级和符号分级和各种格网添加功能以及打印输出功能，其中专题图中可高亮显示鬼城以及通过城市符号大小区分城市活力程度。endprint

6） 用户管理。为保证数据的安全性，对用户设置不同的权限，可以執行对应的操作。用户分为普通用户和管理员，普通用户可以实现修改密码功能，管理员可以实现对用户信息的管理、审核等功能。

7） 帮助。详细的系统功能介绍，以便解决用户存在的问题

在鬼城指数专题图中，“鬼城”高亮突出显示，根据符号的大小可以直观地得出各城市活力大小关系。系统仍然存在一些不足之处，表现为用以检验数据（人口统计数据）精度难免存在一些误差；部分功能尚未完善等等；这些将是进一步研究的重点和核心。

5 结束语

综上所述，根据功能结构和计算程序开发基本原则采用ArcGIS Engine和ENVI/IDL集成开发模式，以Visual Studio.NET为框架建立鬼城指数监测系统，充分利用ArcGIS Engine空间分析、专题图制作和ENVI/IDL科学数据分析、可视化表达，以及Visual Studio.NET快速可视化编程优势实现了对遥感影像的处理、相关信息提取、相关信息存储、属性查询、专题图制作等功能，便捷、快速、高效地监测城市鬼城指数，对建筑资源的利用率进行评估，为城市的发展规划、合理利用提供参考。

参考文献：

[1] 陈远宏. “鬼城"探秘——揭露“鬼城”成因，抑制房地产泡沫蔓延[J].山西高等学校社会科学学报， 2013（12）：31-36.

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