CN112651607A - 一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法 - Google Patents

一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于国土资源监测技术领域，公开了一种国土空间规划遥感监测评价系统，包括用于国土空间规划实施遥感监测的空间投影寻踪单元、景观格局分析单元、GIS信息模块、遥感影像模块和控制显示单元，以及包括遥感影像获取步骤、GIS信息获取步骤、指标因子权重计算模型建立步骤、景观格局建立建立步骤和交互显示步骤的国土资源监测方法，基于地理学、规划学以及环境资源学等理论，建立适合国土空间规划实施遥感监测评价的指标体系，基于空间投影寻踪模型、景观格局分析、地理探测器等模型算法，构建一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法。

Description

一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法
技术领域
本发明属于国土资源监测技术领域，具体涉及一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法。
背景技术
规划的生命力在于实施，而规划实施的科学评价是规划有效落实的关键，因此，开展国土空间规划实施监测的研究与应用，是进行国土空间开发的战略格局统筹谋划的当务之急。所有的后续分析规划都需要基于基本的国土资源监测数据，以地理国情监测数据和国土空间规划数据为基础，构建国土空间规划实施基础信息数据库，开展示范区国土空间规划实施监测评价，才能为国土空间规划监督实施工作提供技术支撑，但是我国国土面积幅员辽阔，地形地势复杂多样，常规的国土空间规划监测方法面临着监测内容多、范围广、工作量大且部分规划项目难以进行全面监测等问题，因此，现在也亟需一种根据国土空间规划的总体格局、空间结构以及约束指标，并且基于地理学、规划学以及环境资源学等理论，适合国土空间规划实施遥感监测评价的指标体系的国土空间规划遥感监测评价系统及方法。
发明内容
本发明旨在针对国土空间规划实施监测内容多、范围广、工作量大且部分规划项目难以进行全面监测等问题，根据国土空间规划的总体格局、空间结构以及约束指标，基于地理学、规划学以及环境资源学等理论，建立适合国土空间规划实施遥感监测评价的指标体系，基于空间投影寻踪模型、景观格局分析、地理探测器等模型算法，构建一种国土空间规划遥感监测评价系统及方法。
本发明所适用的一种国土空间规划遥感监测评价系统，包括用于国土空间规划实施遥感监测的空间投影寻踪单元、景观格局分析单元、GIS信息模块、遥感影像模块和控制显示单元；
所述遥感影像模块用于提供包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像；所述GIS信息模块用于提供对应所述遥感影像模块的遥感影像的基础信息库；所述空间投影寻踪单元基于所述GIS信息模块提供的GIS基础信息库、利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型；所述景观格局分析单元根据所述计算模型构建对应的景观格局模型，并发送给所述控制显示单元用于可交互。本技术方案采用遥感技术，结合地理国情监测数据与国土空间规划数据，建立国土空间规划实施遥感监测评价指标体系；基于空间投影寻踪模型、景观格局分析等模型算法，构建国土空间规划实施遥感监测评价模型，形成国土空间规划实施遥感监测技术体系；开展实地调研与采样，在GIS技术支持下建立示范区国土空间规划实施基础信息数据库，开展示范区国土空间规划实施遥感监测评价与分析，采用地理探测器探究影响国土空间规划实施的要素，分析要素之间的相互作用和联系。基于国产高分遥感影像的城镇边界与土地资源承载力的耦合性；利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测指标体系中各指标因子权重的计算模型，并将该计算模型与目前常用的专家评判法、生态足迹、主成分分析、人工神经网络等模型进行对比，验证该计算模型的有效性和实用性。
优选的，所述GIS信息模块提供的GIS基础信息库包括用于表示长宽尺寸的栅格数据和用于表示精确位置的矢量数据。
对应上述系统，本发明还提供了一种国土空间规划遥感监测评价方法，包括遥感影像获取步骤、GIS信息获取步骤、指标因子权重计算模型建立步骤、景观格局建立建立步骤和交互显示步骤；
所述遥感影像获取步骤，是通过遥感测控设备获取目标区域的、包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像；
所述GIS信息获取步骤，是通过包括卫星定位系统、移动定位系统和移动 GIS系统获取对应所述遥感影像获取步骤中的遥感影像的GIS基础信息；
所述指标因子权重计算模型建立步骤，是基于所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息、利用投影寻踪方法构建国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型；
所述景观格局建立建立步骤，是根据所述指标因子权重计算模型建立步骤中的计算模型、在所述遥感影像获取步骤中获取的遥感影像上构建对应的景观格局模型；
所述交互显示步骤，是在可交互的显示设备上展示所述景观格局建立建立步骤中构建了景观格局模型的遥感影像。
进一步的，所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息，包括若干用于表示长宽尺寸的栅格样本数据和用于表示精确位置的矢量样本数据。
所述指标因子权重计算模型建立步骤，具体的，包括以下步骤：
步骤1，设第i个样本中的第j个评价指标为Vij(其中i＝1，2，...，Ls；j＝1， 2，...，Lt)，Ls为选取评价样本个数，Lt为评价指标个数；
步骤2，线性投影，设
Figure RE-GDA0002958099500000031
为一维单位投影的方向向量，则Vij在一维线性空间的线性投影的特征值Wij满足
Figure RE-GDA0002958099500000032
步骤3，构造投影指标，将用于空间规划遥感监测评价的样本数据进行合理排序或分类，是进行自然资源环境承载力综合分析的必要过程，因此，投影指标可依据分类指标构成，而指标的分类就是寻求使多维的样本数据在一维空间的类内密度
Figure RE-GDA0002958099500000033
和类间距离
Figure RE-GDA0002958099500000034
同时散布结构满足最大值，故定义投影指标R为
Figure RE-GDA0002958099500000035
用评价指标序列的线性投影的特征值方差来计算类间距离
Figure RE-GDA0002958099500000036
式中，
Figure RE-GDA0002958099500000037
为投影特征值平均值，
Figure RE-GDA0002958099500000038
值越大则说明类间散布越分散；
利用线性投影的特征值两两之间的距离Dij＝|Vi-Vl|(l＝1，2，...，Ls)来计算类内密度
Figure RE-GDA0002958099500000039
式中，C表示估计局部散点密度的宽度指标。
局部散点密度的宽度指标与数据特性有关，大量研究表明C的取值范围为
Figure RE-GDA00029580995000000310
一般可取C＝t；f(C-Dij)为阶跃函数，当C＞Dij时， f(C-Dij)＝1，反之为0，
Figure RE-GDA00029580995000000311
越大则表示聚类愈明显。
步骤4，优化投影方向，以步骤3中的投影指标R作为依据，当R到达最大值时，将其对应的投影方向向量
Figure RE-GDA00029580995000000312
作为最优投影方向，因此，寻找最优投影方向转化为非线性优化问题。
有益效果
本发明针对国土空间规划实施监测内容多、范围广、工作量大且部分规划项目难以进行全面监测等问题，根据国土空间规划的总体格局、空间结构以及约束指标，基于地理学、规划学以及环境资源学等理论，建立适合国土空间规划实施遥感监测评价的指标体系；基于空间投影寻踪模型、景观格局分析、地理探测器等模型算法，构建国土空间规划实施遥感监测评价模型，形成国土空间规划实施遥感监测技术体系。选择典型示范区，以地理国情监测数据和国土空间规划数据为基础，构建国土空间规划实施基础信息数据库，开展示范区国土空间规划实施监测评价，为国土空间规划监督实施工作提供技术支撑。
本发明技术方案基于地理学、资源环境学、规划科学等学科理论，以地理国情监测成果和国土空间规划成果为基础，围绕地表覆盖、城镇扩张、基础设施空间布局、土地资源承载力等方面，构建合适于国土空间规划实施遥感监测的指标体系。这种国土空间规划实施遥感监测技术体系研究基于核密度估计、希尔指数、方差分析以及系统动力学等方法分析影响要素的空间差异性、相互作用和关系以及国土空间规划与社会经济、自然资源之间的互馈关系；利用景观格局分析法探究国土空间规划实施后地表覆盖变化与基础设施空间布局的分异规律、基于国产高分遥感影像的城镇边界与土地资源承载力的耦合性；利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测指标体系中各指标因子权重的计算模型，并将该计算模型与目前常用的专家评判法、生态足迹、主成分分析、人工神经网络等模型进行对比，验证该计算模型的有效性和实用性。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本发明一种具体的实施方案，本实施例公开了一种国土空间规划遥感监测评价系统，包括用于国土空间规划实施遥感监测的空间投影寻踪单元、景观格局分析单元、GIS信息模块、遥感影像模块和控制显示单元。
具体的，所述遥感影像模块用于提供包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像；所述GIS信息模块用于提供对应所述遥感影像模块的遥感影像的基础信息库；所述空间投影寻踪单元基于所述GIS信息模块提供的GIS 基础信息库、利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型；所述景观格局分析单元根据所述计算模型构建对应的景观格局模型，并发送给所述控制显示单元用于可交互。
优选地，所述GIS信息模块提供的GIS基础信息库包括用于表示长宽尺寸的栅格数据和用于表示精确位置的矢量数据。
本技术方案采用遥感技术，结合地理国情监测数据与国土空间规划数据，建立国土空间规划实施遥感监测评价指标体系；基于空间投影寻踪模型、景观格局分析等模型算法，构建国土空间规划实施遥感监测评价模型，形成国土空间规划实施遥感监测技术体系；开展实地调研与采样，在GIS技术支持下建立示范区国土空间规划实施基础信息数据库，获取示区域内地理国情监测成果和国土空间规划成果，基于地理信息系统技术将数据和资料进行处理和整合，为研究区国土空间规划实施遥感监测评价提供数据支持；开展示范区国土空间规划实施遥感监测评价与分析，采用地理探测器探究影响国土空间规划实施的要素，分析要素之间的相互作用和联系。基于国产高分遥感影像的城镇边界与土地资源承载力的耦合性；利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测指标体系中各指标因子权重的计算模型，并将该计算模型与目前常用的专家评判法、生态足迹、主成分分析、人工神经网络等模型进行对比，验证该计算模型的有效性和实用性。
实施例2
对应上述实施例1的技术方案，本发明还提供了一种国土空间规划遥感监测评价方法，包括遥感影像获取步骤、GIS信息获取步骤、指标因子权重计算模型建立步骤、景观格局建立建立步骤和交互显示步骤。
具体的，所述遥感影像获取步骤，是通过遥感测控设备获取目标区域的、包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像。
所述GIS信息获取步骤，是通过包括卫星定位系统、移动定位系统和移动 GIS系统获取对应所述遥感影像获取步骤中的遥感影像的GIS基础信息。
所述指标因子权重计算模型建立步骤，是基于所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息、利用投影寻踪方法构建国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型。
所述景观格局建立建立步骤，是根据所述指标因子权重计算模型建立步骤中的计算模型、在所述遥感影像获取步骤中获取的遥感影像上构建对应的景观格局模型。
所述交互显示步骤，是在可交互的显示设备上展示所述景观格局建立建立步骤中构建了景观格局模型的遥感影像。
进一步的，所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息，包括若干用于表示长宽尺寸的栅格样本数据和用于表示精确位置的矢量样本数据。
指标体系的建立，对于国土空间规划遥感监测评价来说是非常重要的部分，而前面所述指标因子权重计算模型建立步骤，具体的，包括以下步骤：
步骤1，设第i个样本中的第j个评价指标为Vij(其中i＝1，2，...，Ls；j＝1， 2，...，Lt)，Ls为选取评价样本个数，Lt为评价指标个数；
步骤2，线性投影，设
Figure RE-GDA0002958099500000061
为一维单位投影的方向向量，则Vij在一维线性空间的线性投影的特征值Wij满足
Figure RE-GDA0002958099500000062
步骤3，构造投影指标，将用于空间规划遥感监测评价的样本数据进行合理排序或分类，是进行自然资源环境承载力综合分析的必要过程，因此，投影指标可依据分类指标构成，而指标的分类就是寻求使多维的样本数据在一维空间的类内密度
Figure RE-GDA0002958099500000063
和类间距离
Figure RE-GDA0002958099500000064
同时散布结构满足最大值，故定义投影指标R为
Figure RE-GDA0002958099500000065
用评价指标序列的线性投影的特征值方差来计算类间距离
Figure RE-GDA0002958099500000066
式中，
Figure RE-GDA0002958099500000067
为投影特征值平均值，
Figure RE-GDA0002958099500000068
值越大则说明类间散布越分散；
利用线性投影的特征值两两之间的距离Dij＝|Vi-Vl|(l＝1，2，...，Ls)来计算类内密度
Figure RE-GDA0002958099500000069
式中，C表示估计局部散点密度的宽度指标。
其中，局部散点密度的宽度指标与数据特性有关，大量研究表明C的取值范围为
Figure RE-GDA00029580995000000610
一般可取C＝t；f(C-Dij)为阶跃函数，当C＞Dij时，f(C-Dij)＝1，反之为0，
Figure RE-GDA0002958099500000071
越大则表示聚类愈明显。
步骤4，优化投影方向，以步骤3中的投影指标R作为依据，当R到达最大值时，将其对应的投影方向向量
Figure RE-GDA0002958099500000072
作为最优投影方向，因此，寻找最优投影方向转化为非线性优化问题。
本方法根据国土空间规划实施遥感监测评价结果，利用地理探测器和空间分析技术定量揭示示范区内国土空间规划实施后对不同区域的完成程度，分析目标区内国土空间规划实施后对人口分布、经济布局、国土利用、生态环境保护等的空间分异规律，根据建立的国土规划实施遥感监测技术体系，收集示范区的最新遥感影像、地理国情监测数据以及国土空间规划等相关成果，建立目标区国土空间规划实施基础信息数据库；结合相关学科理论和目标区规划现状构建适合于目标区国土空间规划实施遥感监测的评价指标体系，并应用所构建的评价模型，开展目标区国土空间规划实施遥感监测评价研究。为国土空间规划实施监测、城市发展战略与生态环境保护方案的编制提供技术和方法支持。

Claims (6)

1.种国土空间规划遥感监测评价系统，其特征在于：包括用于国土空间规划实施遥感监测的空间投影寻踪单元、景观格局分析单元、GIS信息模块、遥感影像模块和控制显示单元；
所述遥感影像模块用于提供包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像；所述GIS信息模块用于提供对应所述遥感影像模块的遥感影像的基础信息库；所述空间投影寻踪单元基于所述GIS信息模块提供的GIS基础信息库、利用投影寻踪方法建立国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型；所述景观格局分析单元根据所述计算模型构建对应的景观格局模型，并发送给所述控制显示单元用于可交互。
2.如权利要求1所述的一种国土空间规划遥感监测评价系统，其特征在于：所述GIS信息模块提供的GIS基础信息库包括用于表示长宽尺寸的栅格数据和用于表示精确位置的矢量数据。
3.一种国土空间规划遥感监测评价方法，其特征在于：包括遥感影像获取步骤、GIS信息获取步骤、指标因子权重计算模型建立步骤、景观格局建立建立步骤和交互显示步骤；
所述遥感影像获取步骤，是通过遥感测控设备获取目标区域的、包括城镇边界与土地资源承载力的耦合性信息的遥感影像；
所述GIS信息获取步骤，是通过包括卫星定位系统、移动定位系统和移动GIS系统获取对应所述遥感影像获取步骤中的遥感影像的GIS基础信息；
所述指标因子权重计算模型建立步骤，是基于所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息、利用投影寻踪方法构建国土空间规划实施遥感监测的指标体系中各指标因子权重的计算模型；
所述景观格局建立建立步骤，是根据所述指标因子权重计算模型建立步骤中的计算模型、在所述遥感影像获取步骤中获取的遥感影像上构建对应的景观格局模型；
所述交互显示步骤，是在可交互的显示设备上展示所述景观格局建立建立步骤中构建了景观格局模型的遥感影像。
4.如权利要求3所述的一种国土空间规划遥感监测评价方法，其特征在于：所述GIS信息获取步骤中获取的GIS基础信息，包括若干用于表示长宽尺寸的栅格样本数据和用于表示精确位置的矢量样本数据。
5.如权利要求4所述的一种国土空间规划遥感监测评价方法，其特征在于，所述指标因子权重计算模型建立步骤，具体的，包括以下步骤：
步骤1，设第i个样本中的第j个评价指标为Vij(其中i＝1，2，...，Ls；j＝1，2，...，Lt)，Ls为选取评价样本个数，Lt为评价指标个数；
步骤2，线性投影，设
Figure FDA00028265769300000211
为一维单位投影的方向向量，则Vij在一维线性空间的线性投影的特征值Wij满足
Figure FDA0002826576930000021
步骤3，构造投影指标，将用于空间规划遥感监测评价的样本数据进行合理排序或分类，是进行自然资源环境承载力综合分析的必要过程，因此，投影指标可依据分类指标构成，而指标的分类就是寻求使多维的样本数据在一维空间的类内密度
Figure FDA0002826576930000022
和类间距离
Figure FDA0002826576930000023
同时散布结构满足最大值，故定义投影指标R为
Figure FDA0002826576930000024
用评价指标序列的线性投影的特征值方差来计算类间距离
Figure FDA0002826576930000025
式中，
Figure FDA0002826576930000026
为投影特征值平均值，
Figure FDA0002826576930000027
值越大则说明类间散布越分散；利用线性投影的特征值两两之间的距离Dij＝|Vi-Vl|(l＝1，2，...，Ls)来计算类内密度
Figure FDA0002826576930000028
式中，C表示估计局部散点密度的宽度指标；
步骤4，优化投影方向，以步骤3中的投影指标R作为依据，当R到达最大值时，将其对应的投影方向向量
Figure FDA0002826576930000029
作为最优投影方向，因此，寻找最优投影方向转化为非线性优化问题。
6.如权利要求5所述的一种国土空间规划遥感监测评价方法，其特征在于：所述步骤3中，局部散点密度的宽度指标与数据特性有关，大量研究表明C的取值范围为
Figure FDA00028265769300000210
一般可取C＝t；f(C-Dij)为阶跃函数，当C＞Dij时，f(C-Dij)＝1，反之为0。
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