ArcGIS 在城镇存量建设用地更新中的应用

熊 军

（1.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013；2.自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；3.山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013）

当前我国城镇建设用地无序扩张，资源过度消耗，生态环境受损，这些都是新时代国土空间规划亟需应对的挑战。在生态文明建设和新型城镇化的时代背景下，国家对建设用地规模、耕地和生态用地保护管控力度不断加大，未来的国土开发将进入以存量挖潜为主的空间利用阶段，存量规划成为国土空间规划的必然选择[1]。只有对存量建设用地进行盘活利用，才能破解城镇发展空间不足、集约利用程度低的处境。

2004 年12 月，国土资源部印发《关于开展全国城镇存量建设用地情况专项调查工作的紧急通知》中指出，我国的城镇存量建设用地分为闲置土地、空闲土地和批而未供土地3 类。存量建设用地更新与城市更新内涵相似，但其关注的侧重点有所差异。存量用地更新关注存量土地空间的盘活、优化利用；城市更新关注城市建成区环境质量和效益提升[2]。本文在前人研究基础上，结合研究区具体情况进一步明确了城镇存量建设用地指城镇开发边界范围内的闲置未利用土地及利用不充分、不合理、产出低的土地，主要包括权属清晰无争议的批而未供土地、闲置土地和城镇低效用地。

1 ArcGIS 在资料处理中的应用

ArcGIS 10 是美国环境系统研究所公司（Environmental Systems Research Institute，Inc.简称ESRI 公司）在全面整合了GIS 与数据库、软件工程、人工智能、网络技术等多项计算机先进技术基础上于2010 年推出的最具代表性的全系列GIS 产品。相较于上代ArcGIS 9，ArcGIS 10 在协同共享、矢量影像一体化、三维数据平台、动态时空数据感知、网络云平台支持等方面都有了飞跃性进步。它具有高度一体化的制图编辑模块、强大的空间分析能力、便捷的元数据管理功能以及灵活的定制与开发策略[3]。

1.1 调查区矢量、影像数据的快速获取

“天地图”是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站。集成了来自国家、省、市（县）各级测绘地理信息部门，以及相关政府部门、企事业单位、社会团体、公众的地理信息公共服务资源，向各类用户提供权威、标准、统一的在线地理信息综合服务。它是“数字中国”的重要组成部分，是国家地理信息公共服务平台的公众版[4]。

通过ArcGIS 中的GIS 服务器添加天地图的WMTS 服务，可快速获得调查区当年的小于2.5 m 地面分辨率精度的月度更新影像或者小于0.6 m 地面分辨率精度的半年度影像，同时提供矢量地图、路网、注记查询服务。结合三调现状数据获取最新的地块信息，例如建设用地的在建进度、农村居民点是否拆迁、工矿用地利用情况。如图1 所示。

图1 “天地图”地图查询

1.2 栅格资料与矢量图件的配准

目前我国使用的是2000 国家大地坐标系（CGCS2000），以地球质心为原点。而很多历史专项矢量数据还是1980 年西安坐标系、1954 年北京坐标系，甚至有些规划只留存图片、图纸资料。如何将这些来源复杂、精度不一、格式多样的数据进行清洗、规范化，是开展研究首要面对的问题。

城市规划图是城市总体规划方案最直观的体现，由于早期一般采用CAD 制图成图，它是平面相对坐标系下的制图软件，没有定义地理信息坐标[5]。导致无法与最新的三调现状数据套合。通过使用ArcGIS 的定义投影和地理配准工具可将没有坐标参数的规划图片校正匹配到最新的三调地类图层上，方便对比现状地类与规划地块的用途是否一致。一般选取3 至4 个配准点即可，多了则易引起控制点共线或分布不均的问题，影响配准精度。控制点注意尽量均匀分布在图的四周，选取道路交叉点、地块形状拐点，残差控制在小数点六位之后即可保证较高精度。地理配准如图2 所示。

图2 地理配准

2 ArcGIS 在城镇低效用地图斑识别中的应用

2.1 遥感影像目视判读

遥感技术，简称RS 技术，是通过航摄航拍等高新技术手段获取图像和数字模型。指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地理的电磁波信息，并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术[6]。

目视判读图斑属性是目前国土空间规划中常用的一种GIS 方法，具体可分为直接判定法、对比分析法、逻辑推理法，目视判读一般根据影像地物的形状、大小、阴影、纹理并结合计算机辅助判读。通过与三调现状建设用地图斑进行比对可找出用途不一致地块，例如三调地类是农村居民点用地，在遥感影像上已经有拆除痕迹，则可纳入低效建设用地。又或者三调地类是工业用地，通过目视判读发现该地块只有一小部分是厂棚，其余则是林地、空闲地，这种情况也可识别为低效建设用地。

将前期经过地理配准后的规划图片加载入ArcGIS，使用卷帘分析工具可方便地对比两幅栅格图形的变化情况，叠加三调矢量现状地类图层，提取出现状与规划不一致图斑作为低效用地。图3 中黑色斜线区域内影像为现状工业用地，在规划图层中显示为灰色交通设施用地，即现状与规划不符，标识为低效需整改建设用地。

图3 现状影像与规划图层卷帘分析图

2.2 城市不动产数据信息应用

城镇低效用地评价指标涉及到多方面，其中比较重要的两个指标是容积率和建筑密度。容积率即在一定用地及计容范围内，建筑面积总和与用地面积的比值。建筑密度即在一定用地范围内，建筑物基底面积总和与总用地面积的比率（%）[7]。容积率指标侧重体现的是建筑物的使用空间，建筑密度指标侧重体现建筑物的面积占用率。

通过城市不动产登记中心收集的地籍资料，可获取建筑的自然幢信息，里面包括楼房的层数、建筑底座面积，通过公式1 可计算出容积率。

公式1：容积率=地块总建筑面积/地块总占地面积。式中，地块总建筑面积=该地块内所有地上建筑的底座面积*楼层数，地块总占地面积为该地块边界范围内的平面面积。

使用ArcGIS 的ArcScene 组件可将自然幢的楼层、位置进行三维可视化拉伸，从而直观地看到地块区域的建筑层高、建筑密度，为低效用地规划决策提供依据。例如建筑层数较低且分布密集区域可优先作为低效用地的划定范围。如图4 所示，浅色面区域为楼层较低建筑，容积率较低，土地利用率不集约。深色面区域建筑楼层普遍较高，容积率也较高。

图4 建筑层高三维分析图

2.3 POI 数据

poi 即兴趣点数据，包含商场、餐饮、办公等各种与生活相关的地标建筑和地理实体的集合[8]。从专业地图网站抓取的poi 点种类较为繁杂，包括宾馆、餐饮、道路、地产小区、公司企业、购物、交通设施、金融、旅游景点、汽车服务、商务大厦、生活服务、休闲娱乐、医疗、政府机构15 类。通过坐标转点、投影变换等步骤将poi点匹配到2000 国家大地坐标系。按照土地利用现状分类重新筛选调整出与建设用地相关的兴趣点，分为产业用地、产城融合用地、公益用地、商业用地、居住用地等类型。将这几类数据合并后作为分析底数。

使用ArcGIS 的核密度分析工具可对空间范围内poi 点要素的密集程度进行测量，从而体现出分析要素的空间分布特征[9]。如图5 所示可以看出，poi 点较为集中的8、9 级区域低效用地较少，1、2 级分布的低效用地较多，也从侧面验证了前期低效用地分析方法的精度、可靠性较高。

图5 POI 兴趣点核密度分布图

3 ArcGIS 在低效用地图斑综合、概化中的应用

图斑综合、概化是对图斑进行概括，特别是对多边形形状、数量及特征方面进行不同程度的化简，从而使图形的弯曲、细节、碎部更加简化，能够充分表达地理要素特征[10]。

3.1 零散图斑消除

零散图斑通常指分散且面积很小的独立图斑，这些图斑严重影响地块的可读性和规划集中性。

（1）第一种情况是零散图斑与周边图斑不相交但相邻。可采用数据管理工具箱——制图综合的消除工具，自动批量地将面合并为新的面要素，实现将毗邻的零散地块合并入大图斑的目的。

（2）如果零散图斑与周边图斑不相交且不相邻。这种情况可使用制图工具箱的聚合面程序将零散图斑合并为新的面要素。例如一块完整的商业用地被路网分割为多个小地块，根据主功能区原则，可使用聚合面功能将路网合并入商业用地，以减少地块的零碎度。

（3）还有一种情况是零散图斑面积较大，但是形状狭长，有复杂隙缝。这是经过多种规划图层空间叠加分析后所产生的，可使用ArcGIS 软件中的Data Reviewer 工具内的面校验——狭长面校验，根据图形比例尺需求选择合适的厚度比率、最大面面积等参数即可筛选出狭长面。需要指出的是ArcGIS 默认安装是没有此工具的，需从ESRI 官方下载安装ArcGIS_Data_Reviewer_for_Desktop 插件程序才能激活使用。经试验参数选择，厚度比率为0.2，最大面积为20 000 m2时区分度较高，如图6 所示。

图6 狭长面校验参数及筛选结果图

3.2 图斑轮廓概化

经过多次叠加分析的图斑轮廓较为复杂，为了突出规划重点区域，需要对图斑边界进行简化处理，常用的办法就是人工逐块目视判读提取较为完整的图斑外轮廓线，这种方法对于近万块图斑来说，耗时费力且主观随意性较大，不能快速客观做出图斑的归纳、概括。

通过ArcGIS 的简化建筑物和简化面工具可快速准确地解决上述问题。两者简化的原理都是在不改变图斑基本几何形状的情况下，通过移除相对多余的折点来简化面轮廓。但是具体算法和结果都有较大差别。简化面工具只是简单地删除折点实现形状简化，结果图形和原始图斑差异较大，简化建筑物工具则既删除了多余的折点，也保留了原始图形的基本形状，达到了概化目的。

经对比测试，当使用简化建筑物工具且简化容差选择为100 m 时，效果较为理想，既能保证图斑的基本形状，也能简化局部复杂的边界走向。如图7 所示，上面4 幅图使用的是简化面工具，下面4 幅图使用的是简化建筑物工具。

图7 图斑简化效果对比图

4 结束语

综上所述，ArcGIS 软件的应用贯穿了项目规划实施的整个环节，包括前期资料的标准化处理，中期对各种资料图件的叠加对比分析，后期的成图展示。实践证明，通过使用ArcGIS 软件大幅提高了城市更新中信息数据的处理效率，有效提高了数据作业的精度，降低了人力成本，为项目规划实施提供了有力保障。同时本文提供一种较大面积狭长图斑的自动化识别方法，相较于传统人工目视判读或其他GIS 软件识别具有明显优势，作业效率大幅提高。