CN105677890A - 一种城市绿量数字地图制作及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市绿量数字地图制作及显示方法，包括：将城市基础地图数据导入地理信息系统，构成城市三维矢量信息模块；通过分离卫星遥感图像中有关绿量的光谱信息像素，获取不同树种的特征数据和平面量，通过平面量模拟立体量计算出绿量，并将绿量像素信息以图像形式存储，绿量结果以数据表形式存储，构成城市绿量数据库；将城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，建立不同属性图层，叠合数据库信息，导出显示城市绿量数字地图。本发明通过将绿量数据与城市地图叠合在一个数字地图系统下，实现了绿量数据的可视化动态查询显示。本发明可面向城市规划、景观园林、建筑设计领域，作为辅助设计、城市建设决策管理的一种实用方法。

Description

一种城市绿量数字地图制作及显示方法

技术领域

本发明涉及一种数字地图制作方法，更具体涉及一种城市绿量数字地图的制作方法和显示方法。

背景技术

在城市快速化发展时期，改善城市环境质量，是城市空间环境规划、城市绿化园林建设的一项重要任务，需要对城市绿地系统进行科学合理的规划。对于城市，尤其是建筑密度极高的城市中心，利用有限的土地资源，选择好的绿化结构，可以有效提高城市绿化生态环境效益。绿量是单位面积上绿色植物的总量，又称三维绿色生物量，是一种反映植被生长状态和空间分布密度的植被指数，绿量大小影响植物经济效益和生态环境效益，其指数可以用于精准衡量一个城市的绿化水平和植被空间分布情况。城市绿量数字地图可以实现绿量可视化、精准定位，更有效地实现城市绿量的可视化监测管理，从而更好地辅助城市绿地系统规划、开放空间规划、景观园林设计、建筑设计、规划管理决策。

目前国外往往采用城市绿地面积、公园数量、人均公园面积等指标来反映城市绿化水平，缺乏对绿量指标研究，且多以图表、报告等形式展示。国内虽然在绿量调查和测量技术方面起步较早，有关测定方法和算法模型的发明较多，但比较缺乏应对大量绿量数据的图形图像显示技术上的发明，更缺乏将绿量数据以矢量图形的方式与城市数字地图系统结合的数字地图制作和显示技术。国内目前尚无城市绿量数字地图制作及显示的发明，本发明首次将关注点致力于城市绿量数字地图的图像制作和显示技术上。本发明的优势在于，基于城市地理空间坐标体系，是一种具有大尺度的城市全覆盖特征的数字地图系统；本发明的另一优势在于，基于卫星遥感技术和计算机云数据技术，实现城市海量数据的获取和图形图像的自动化处理，减少人工测算工作量，提高工作效率，提高数据精准度。本发明的另一优势在于，通过将绿量数据与城市地图叠合在一个数字地图系统下，实现了绿量数据的可视化动态查询显示。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种城市绿量数字地图制作及显示方法，将卫星遥感影像基于绿色植被光谱信息识别绿量并转化为矢量数据，将城市绿量数据和城市空间地图通过不同图层展示，以数字地图的形式直观动态地显示输出。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种城市绿量数字地图制作及显示方法，包括以下步骤：

1)建立城市三维矢量信息模块：将城市基础地图数据导入地理信息系统，构成城市三维矢量信息模块，所述基础地图数据包括道路路网、水系和建筑轮廓的三维矢量数据和地理空间坐标数据；

2)建立城市绿量数据库：通过分离卫星遥感图像中有关绿量的光谱信息像素，获取不同树种的特征数据和平面量，通过平面量模拟立体量计算出绿量，并将绿量像素信息以图像形式存储，绿量结果以数据表形式存储，构成城市绿量数据库；

3)建立数字地图显示模块：将城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，对城市绿量和城市三维矢量信息的不同对象建立不同数字地图图层，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市绿量数字地图。

进一步地，所述步骤1)中的城市基础地图数据来源于市售的地图矢量数据或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后获得。

进一步地，所述根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换的步骤包括：

1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据；

1.2)对矢量城市空间形态三维数据进行简化与格式的转换，将矢量图形转为多段线格式；

1.3)从多段线格式的矢量数据中提取出包括道路路网、水系的建筑轮廓的基础数据，并建立不同的图层；

1.4)将步骤1.3)中简化与处理后的矢量数据进行存储，构成基础地图数据。

进一步地，所述步骤2)建立城市绿量数据库的步骤包括：

2.1)运用遥感图像处理软件对相应的城市遥感图像进行栅格矢量转换，得到城市遥感矢量图像；

2.2)在遥感矢量图像上识别绿量光谱信息像素，根据不同绿色植被在不同波段的反射光谱特征，将不同植被物种的面状同质图斑分别归类；再通过边界特征对图斑进行取舍、合并和形状概括，形成绿量矢量图斑图像；

2.3)根据各绿量矢量图斑边界特征计算出图斑周长C和图斑面积A，采用以平面量模拟立体量的方法，计算得出各矢量图斑对应的绿量值；

2.4)将步骤2.2)中提取出的绿量像素信息以图像形式存储，将步骤2.3)中模拟计算出的绿量结果以数据表格形式存储，数据表格内容包括：图斑编号、图斑植被种类、图斑周长C、图斑面积A、冠径X、冠高Y和绿量I；再将图像信息和表格信息关联后构成城市绿量数据库存储。

进一步地，所述步骤2.4)中将城市绿量数据库上传至云端数据库，所述步骤3)中与云端数据库连接，获取最新数据。

进一步地，所述步骤2.2)中提取的绿色植被包括落叶乔、灌木和草本植被，提取光谱信息的具体方法为：以0.7-0.75um波长光谱区间提取乔木面状图斑像素，以0.75-0.85um波长光谱区间提取灌木面状图斑像素，以0.9-1.0um波长光谱区间提取草本植被面状图斑像素；

所述步骤2.3)中计算绿量的具体方法中：冠径X的计算公式为：

$X=-4.4878ln\frac{C}{A}+0.1563$

冠高Y的计算公式为：

$Y=\frac{1}{0.099978+1.965642e^{-0.60X}}$

乔木模拟绿量V₁、灌木模拟绿量V₂和草地模拟绿量V₃的计算公式分别为：

$V_1=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{6}Y;V_2=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{4}Y;V_3=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{4}Y.$

进一步地，所述步骤3)建立数字地图显示模块的步骤包括：

3.1)基于地理信息系统建立显示模块，将数字地图显示模块与城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元；

3.2)对城市绿量和城市三维矢量信息中的不同对象建立不同属性的数字地图图层，通过数据输入单元将城市三维矢量信息和城市绿量模拟计算信息导入，根据地理坐标进行数据叠合；建立的图层包括城市绿量图层和城市空间形态两个一级图层；所述城市空间形态图层包含道路路网、水网体系、建筑三个二级图层；

3.3)通过数据输出显示单元选择分层显示或叠加显示选项，根据不同的图层导出显示相应的数字地图图像结果。

进一步地，所述显示的数字地图图像结果类型包括城市平面绿量分布图和城市全域绿量等值线图。

进一步地，所述步骤3)中支持导出图像格式包括DWG、JPEG、PDF、EPS、PNG、GIF和TIFF。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明首次提出城市绿量数字地图的图像制作和显示技术，通过将绿量模拟数据与城市三维空间形态数据叠合在同一个数字地图系统下，实现城市绿量模拟的空间可视化显示，本发明所制作的城市绿量数字地图基于城市地理空间坐标体系，是一种具有大尺度的城市全覆盖特征的数字地图系统；

2.本发明基于卫星遥感技术和计算机云数据技术，实现城市海量数据的获取和图形图像的自动化处理，减少人工测算工作量，提高工作效率，提高数据精准度。

3.本发明城市绿量数字地图可以实现绿量可视化、精准定位，更有效地实现城市绿量的可视化监测管理，从而更好地辅助城市绿地系统规划、开放空间规划、景观园林设计、建筑设计、规划管理决策。通过数据和图像在计算机上动态地展示，有利于城市绿量和城市空间形态的耦合关系研究，进一步地为大尺度城市空外部间环境优化和城市绿地系统规划提供决策方案。

附图说明

图1是本发明城市绿量数字地图制作和显示方法的流程图；

图2是本发明城市三维矢量信息模块展示图；

图3是光谱识别后选中绿量图斑示意图；

图4是提取后的绿量矢量图斑示意图；

图5是南京中心区绿量平面分布显示示意图；

图6是南京中心区绿量等值线图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明实施例公开的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，主要包括如下步骤：

1)建立城市三维矢量信息模块。

将城市基础地图数据导入地理信息系统，构成城市三维矢量信息模块，这里的基础地图数据包括道路路网、水系和建筑轮廓的三维矢量数据和地理空间坐标数据。这里的城市基础地图数据可以是来源于市场上已加工好的地图矢量数据(如向百度、谷歌等购买的地图数据或网络访问接口)或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后获得的数据。本实施例中选择采用对卫星遥感地图获得的城市(如南京中心区)空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统。具体步骤包括：

1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的南京城市中心区现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据。

1.2)对南京中心区空间形态三维数据进行简化与格式的转换，完成对矢量数据信息的筛选。根据步骤1.1)的矢量图形，运用图形处理软件(如AUTOCAD)中的格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式。

1.3)根据步骤1.2)转为多段线格式的dwg文件，在AUTOCAD中将矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓等基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓均为多段线形式。

1.4)将步骤1.3)中简化与处理后的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储，再导入ArcGIS地理信息系统，构成南京绿量数字地图的底图数据信息，如图2。

2)建立城市绿量数据库。

通过分离卫星遥感图像中有关绿量的光谱信息像素，获取不同树种的特征数据和平面量，通过平面量模拟立体量计算出绿量，并将绿量像素信息以图像形式存储，绿量结果以数据表形式存储，构成城市绿量数据库。例如，截取南京市卫星遥感图像中的南京中心区部分影像，通过分离卫星遥感图像中有关绿量的光谱信息像素，判读树种、覆盖面积、株数、结构类型等特征数据和平面量，采用以平面量模拟立体量的方法，模拟计算绿量。将提取出的绿量像素信息以图像形式存储，将模拟计算出的绿量结果以数据表格(如Excel)形式存储，信息关联后构成南京中心区绿量数据库存储并上传云端。详细的步骤包括：

2.1)运用遥感图像处理软件(如ERDASIMAGINE)对南京中心区部分遥感图像进行栅格矢量转换，得到南京中心区遥感矢量图像。

2.2)在遥感矢量图像上识别绿量光谱信息像素，根据落叶乔、灌木和草本植被在不同波段的反射光谱特征，将不同植被物种的面状同质图斑分别归类，如图3所示通过光谱识别后面状图斑为图中深色部分。通过边界特征对图斑进行取舍、合并和形状概括，形成绿量矢量图斑图像，例如在ERDAS软件中运用纹理分析工具(TextureAnalysis)提取出图斑要素形状，再运用Indices工具计算NDVI值，在灰度直方图中设置选中NDVI值小于等于0的图斑形状并删除，得到如图4所示绿量的图斑图像。提取光谱信息具体方法为：以0.7-0.75um波长光谱区间提取乔木面状图斑像素，以0.75-0.85um波长光谱区间提取灌木面状图斑像素，以0.9-1.0um波长光谱区间提取草本植被面状图斑像素。

2.3)绿量采用以平面量模拟立体量的方法。先将绿量矢量图像内的图斑进行编号，通过提取各图斑边界特征后，利用计算机的绿量模拟计算模块自动进行模拟计算，得到冠径和冠高。再根据落叶乔、灌木和草本的不同植被类型，选用相应的立体几何图形公式计算绿量，赋予每个非连续的图斑以独立的编号。具体的，图斑周长C和图斑面积A可以由计算机自动测得数据；其中冠径X由方程(P/A-DEq)自动计算，公式为：

$X=-4.4878ln\frac{C}{A}+0.1563$

(公式中，X-冠径，C-图斑边界周长，A-图斑面积)；

冠高Y由“模糊径-高曲线”方程(G_D-HEq)自动计算，公式为：

$Y=\frac{1}{0.099978+1.965642e^{-0.60X}}$

(公式中，Y-冠高，X-冠径)；

绿量V自动模拟计算运用几何图形公式：

$V_1=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{6}Y;V_2,V_3=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{4}Y;$

(公式中，V₁-乔木模拟绿量，V₂-灌木模拟绿量，V₃-草地模拟绿量，X-冠径，Y-冠高)。

2.4)将步骤2.2)中提取出的绿量像素信息以图像形式存储，将步骤2.3)中模拟计算出的绿量结果以数据表格(Excel)形式存储，数据表格内容包括：图斑编号、图斑植被种类、图斑周长C、图斑面积A、冠径X、冠高Y、绿量I。，再将图像信息和表格信息关联后构成南京中心区绿量数据库存储并上传云端。

3)建立南京中心区绿量数字地图显示模块。

将南京中心区三维矢量信息模块和南京中心区绿量数据库连接，针对城市绿量和城市三维矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，从数据库导入数据和图像信息，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示南京中心区绿量数字地图。具体步骤包括：

3.1)基于ArcGIS地理信息系统建立显示模块，将数字地图显示模块与城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元。

3.2)针对城市绿量和城市三维矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，通过数据输入单元将城市三维矢量信息和城市绿量模拟计算信息导入，根据地理坐标进行数据叠合。建立的图层包括城市绿量图层和城市空间形态两个一级图层，其中城市空间形态图层又包含道路路网、水网体系、建筑三个二级图层。

3.3)通过数据输出显示单元选择分层显示或叠加显示选项，根据不同的图层导出显示相应的数字地图图像结果。具体的，可以输出城市平面绿量分布图、城市全域绿量等值线图、城市绿量空间结构图、城市立面绿量峰谷图、城市三维绿量图。例如图5中，通过数据输出显示单元将城市绿量图层和城市空间形态图层叠合，输出显示南京中心区绿量平面分布图。这里支持的导出显示的图像格式有DWG、JPEG、PDF、EPS、PNG、GIF、TIFF等。

图6为将等值线图叠合城市空间形态图层后得到的南京中心区绿量等值线图。等值线图的生成方法具体为：通过步骤2.2)制作的绿量矢量图斑和步骤2.3)模拟计算而得的绿量数据叠合形成带属性的绿量图斑矢量图，如图5所示。采用克里金法对绿量数据进行插值，把具体绿量数值分布的绿色斑块图转换为全域的等值线图，克里金插值方法函数：

$Z^{*}\left(x_o\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{i}z\left(x_i\right)$

(其中：λ_i为换算系数，表示各空间样本点x_i的观测值z(x_i)对估计值Z^*(x_o)的贡献程度)。

具体操作：运用ArcGIS软件的SpatialAnalyst工具，选择插值-克里金法，属性对话框里设置输入点要素“prec”，设置Z值字段“prec”，半变异模型选择球面(Sphere)，半变异函数属性设为普通克里金(OrdinaryKrigging)，输出像元得到等值线图。

Claims (9)

1.一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立城市三维矢量信息模块：将城市基础地图数据导入地理信息系统，构成城市三维矢量信息模块，所述基础地图数据包括道路路网、水系和建筑轮廓的三维矢量数据和地理空间坐标数据；

2)建立城市绿量数据库：通过分离卫星遥感图像中有关绿量的光谱信息像素，获取不同树种的特征数据和平面量，通过平面量模拟立体量计算出绿量，并将绿量像素信息以图像形式存储，绿量结果以数据表形式存储，构成城市绿量数据库；

3)建立数字地图显示模块：将城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，对城市绿量和城市三维矢量信息的不同对象建立不同数字地图图层，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市绿量数字地图。

2.根据权利要求1所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤1)中的城市基础地图数据来源于市售的地图矢量数据或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后获得。

3.根据权利要求2所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换的步骤包括：

1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据；

1.2)对矢量城市空间形态三维数据进行简化与格式的转换，将矢量图形转为多段线格式；

1.3)从多段线格式的矢量数据中提取出包括道路路网、水系的建筑轮廓的基础数据，并建立不同的图层；

1.4)将步骤1.3)中简化与处理后的矢量数据进行存储，构成基础地图数据。

4.根据权利要求1所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤2)建立城市绿量数据库的步骤包括：

2.1)运用遥感图像处理软件对相应的城市遥感图像进行栅格矢量转换，得到城市遥感矢量图像；

2.2)在遥感矢量图像上识别绿量光谱信息像素，根据不同绿色植被在不同波段的反射光谱特征，将不同植被物种的面状同质图斑分别归类；再通过边界特征对图斑进行取舍、合并和形状概括，形成绿量矢量图斑图像；

2.3)根据各绿量矢量图斑边界特征计算出图斑周长C和图斑面积A，采用以平面量模拟立体量的方法，计算得出各矢量图斑对应的绿量值；

2.4)将步骤2.2)中提取出的绿量像素信息以图像形式存储，将步骤2.3)中模拟计算出的绿量结果以数据表格形式存储，数据表格内容包括：图斑编号、图斑植被种类、图斑周长C、图斑面积A、冠径X、冠高Y和绿量I；再将图像信息和表格信息关联后构成城市绿量数据库存储。

5.根据权利要求4所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤2.4)中将城市绿量数据库上传至云端数据库，所述步骤3)中与云端数据库连接，获取最新数据。

6.根据权利要求4所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤2.2)中提取的绿色植被包括落叶乔、灌木和草本植被，提取光谱信息的具体方法为：以0.7-0.75um波长光谱区间提取乔木面状图斑像素，以0.75-0.85um波长光谱区间提取灌木面状图斑像素，以0.9-1.0um波长光谱区间提取草本植被面状图斑像素；

所述步骤2.3)中计算绿量的具体方法中：冠径X的计算公式为：

$X=-4.4878\ln \frac{C}{A}+0.1563$

冠高Y的计算公式为：

$Y=\frac{1}{0.099978+1.965642e^{-0.60X}}$

乔木模拟绿量V₁、灌木模拟绿量V₂和草地模拟绿量V₃的计算公式分别为：

$V_1=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{6}Y;V_2=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{4}Y;V_3=\frac{{\mathrm{\πX}}^2}{4}Y.$

7.根据权利要求1所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤3)建立数字地图显示模块的步骤包括：

3.1)基于地理信息系统建立显示模块，将数字地图显示模块与城市三维矢量信息模块和城市绿量数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元；

3.2)对城市绿量和城市三维矢量信息中的不同对象建立不同属性的数字地图图层，通过数据输入单元将城市三维矢量信息和城市绿量模拟计算信息导入，根据地理坐标进行数据叠合；建立的图层包括城市绿量图层和城市空间形态两个一级图层；所述城市空间形态图层包含道路路网、水网体系、建筑三个二级图层；

3.3)通过数据输出显示单元选择分层显示或叠加显示选项，根据不同的图层导出显示相应的数字地图图像结果。

8.根据权利要求7所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述显示的数字地图图像结果类型包括城市平面绿量分布图和城市全域绿量等值线图。

9.根据权利要求1所述的一种城市绿量数字地图制作及显示方法，其特征在于，所述步骤3)中支持导出图像格式包括DWG、JPEG、PDF、EPS、PNG、GIF和TIFF。