專利名稱：一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，具體是一種基于隨機(jī)分配模型的道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法。
背景技術(shù)：
城市建設(shè)用地的布局是城市規(guī)劃建設(shè)實踐的重要環(huán)節(jié)，也是城市土地管理的重要技術(shù)手段，長期以來，人們對城市建設(shè)用地的布局技術(shù)進(jìn)行了大量的實踐總結(jié)。早在1930年代，奈利(Reilly)就曾根據(jù)牛頓萬有引力定律進(jìn)行各城市建設(shè)用地對周圍地區(qū)人口、貿(mào)易吸引量范圍的相關(guān)性研究，認(rèn)為它和城市人口規(guī)模和城市的交通可達(dá)性成正比。這項研究結(jié)果和美國所有大城市的實際非常接近。它開了城市空間模型的先河。然而以此理論進(jìn)行城市建設(shè)用地布局，需要處理大量的數(shù)據(jù)。所以，直到50年代中期。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展才得到初步發(fā)展，首先是應(yīng)用于各城市交通規(guī)劃，其中最著名的就是引力模型(Gravity Model),又稱空間互感模型(Special interaction Model),在波士頓、巴爾的摩、匹茲堡、舊金山等地，這一模型被普遍應(yīng)用。但由于當(dāng)時計算機(jī)性能所限，運算模型太大、費用太高而逐步被放棄。在目前的以提升交通可達(dá)性為導(dǎo)向的城市建設(shè)用地布局工程實踐中，常用的技術(shù)方法為:1.TOPAZ 模型在城市建設(shè)用地的規(guī)劃布局實踐中，TOPAZ模型用來評價各地塊的可能用途及交通選擇，以獲得最優(yōu)的城市土地利用模式。TOPAZ模型把城市看為一個系統(tǒng)、一個整體、合理地選取各元素或各組成部分，其各部分間相互影響與相互作用可使系統(tǒng)有較好的交通可達(dá)性。十幾年來，TOPAZ模型已在一些國家得到應(yīng)用，如德黑蘭和墨爾本的發(fā)展規(guī)劃研究。根據(jù)預(yù)測，到2000年，墨爾本人口將從240萬增加到450萬人，該市南臨菲利浦海灣，共有8個可能發(fā)展方向，根據(jù)模式研究，認(rèn)為應(yīng)首先向東面發(fā)展，然后向北拓展。2.LUTO 模型在城市建設(shè)用地的規(guī)劃布局實踐中，LUTO模型假設(shè)城市建設(shè)用地布局問題是一個按一定的目標(biāo)要求，在城市建設(shè)用地供給與交通需求之間不斷調(diào)整的過程，包括:I)估計各種交通需求；2)假設(shè)可選擇城市建設(shè)用地布局方案；3)選擇最好的建設(shè)途徑使方案滿足需求。TOPAZ模型還是LUTO模型，其不足在于其解決城市建設(shè)用地的規(guī)劃布局問題的常用方法是列出幾個可行的方案，分析各方案，以便從中選出一個合適的方案，然而，由于城市問題的復(fù)雜性，要列出所有可行方案并進(jìn)行分析，幾乎是不可能的。總結(jié):可以看出，既有的城市建設(shè)用地的規(guī)劃布局技術(shù)，不管是奈利理論、TOPAZ模型還是LUTO模型，在城市建設(shè)用地的規(guī)劃布局過程中，都存在以下問題:①技術(shù)操作以定性為主:依靠規(guī)劃師的個人經(jīng)驗對少數(shù)幾種布局形態(tài)進(jìn)行評價分析，因而無法對所有可能的布局形式進(jìn)行充分全面的分析，②技術(shù)結(jié)果隨意性大:這種依托人腦的智力活動，在判斷的合理性和準(zhǔn)確性上存在局限，其規(guī)劃的結(jié)果往往不能稱為規(guī)劃布局的最優(yōu)方案，③工作效率低下:規(guī)劃技術(shù)過程繁瑣，在方案比較中需要進(jìn)行大量重復(fù)性的工作，耗時漫長，效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種針對城市建設(shè)工程實踐中城市空間布局中利用人腦智力活動進(jìn)行決策所存在的主觀性、隨機(jī)性的不足，提供一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，包括以下步驟:I)通過高分辨率掃描儀，將包含城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，在工作站中將所述圖像進(jìn)行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為土地利用圖斑；2)以所述步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元，在工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，該隨機(jī)分配模型自動對土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值操作，通過窮舉，組合生成城市建設(shè)用地所有可能的布局方案，并保存；3)通過高分辨率掃描儀，將包含城市道路數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，以道路路網(wǎng)密度作為檢測城市布局形態(tài)交通可達(dá)性的評價指標(biāo)，自動對步驟2)生成的所有建設(shè)用地布局形態(tài)的道路密度進(jìn)行計算，并對道路密度最高的布局方案進(jìn)行標(biāo)記；4)在工作站中將標(biāo)記的路網(wǎng)密度最高的城市建設(shè)用地布局形態(tài)保存為道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地布局方案，并通過繪圖設(shè)備輸出為工程圖紙。進(jìn)一步的，所述步驟I)包括:1.1)通過工作站外接的高分辨率掃描儀，將包含城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星獲得的遙感圖像或者航測飛機(jī)獲得的航拍圖像進(jìn)行掃描，將掃描獲得的高分辨率遙感圖像或航拍圖像輸入工作站；1.2)在工作站中對所述步驟1.1)得到的遙感圖像或航拍圖像中城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行識別，對城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行柵格化處理，柵格邊長為1km，通過柵格化處理將城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像轉(zhuǎn)化為若干面積為Ikm2的土地利用圖斑。進(jìn)一步的，所述步驟2)包括:2.1)在工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，以步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元；2.2)在城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型中，對各個城市土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值P，P為各個城市土地利用圖斑中城市建設(shè)用地的面積，賦值區(qū)間
,賦值間距0.1km2,對所有土地利用圖斑進(jìn)行一次隨機(jī)賦值后，計為生成一種有效的城市建設(shè)用地的布局方案；2.3)在工作站中將2.2)步驟自動進(jìn)行循環(huán)操作，在每一輪隨機(jī)賦值中，若該輪賦值生成的所有土地利用圖斑的賦值與之前的某一次賦值完全相同，則計為一次無效的布局方案，并進(jìn)行下一輪賦值，若賦值生成的所有土地利用圖斑的賦值與之前的任何一次賦值都不相同，則計為一次有效的城市建設(shè)用地的布局方案。
2.4)當(dāng)工作站已無法得到更多的有效的城市建設(shè)用地的布局方案，說明工作站已經(jīng)對所有的城市建設(shè)用地的布局方案進(jìn)行了充分的窮舉，此時自動退出循環(huán)操作，保存得到的所有有效的城市建設(shè)用地的布局方案。進(jìn)一步的，所述步驟3)包括:3.1)通過高分辨率掃描儀(分辨率大于1200DPI)，將包含城市道路數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，將圖像坐標(biāo)與所述步驟I)中土地利用圖斑的坐標(biāo)進(jìn)行疊合，并在工作站中對圖像中的道路信息進(jìn)行矢量化識別操作，矢量化識別結(jié)果保存為城市市區(qū)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)；3.2)對各個城市建設(shè)用地布局方案的道路密度進(jìn)行計算，計算公式如下:式中，Di為第i個城市建設(shè)用地布局方案的道路密度，Li為第i個城市建設(shè)用地布局方案中城市建設(shè)用地內(nèi)的道路總長度，Stotal為該城市的城市建設(shè)用地面積；3.3)對各個城市建設(shè)用地布局方案中道路密度Di最高的方案進(jìn)行標(biāo)記。進(jìn)一步的，所述步驟4)包括:4.1)將標(biāo)記的道路密度Di最高的方案保存為道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地布局方案;`
4.2)在工作站中，將步驟3.1)中未被道路占據(jù)的區(qū)域轉(zhuǎn)化為街區(qū)；4.3)記錄各個土地利用圖斑所覆蓋的街區(qū)的建設(shè)用地比例，其中第i個土地利用圖斑所覆蓋的街區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地比例為Pi,其公式為:
SPi =—
1 A式中，Si為道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地布局方案中第i個土地利用圖斑的建設(shè)用地面積，A為該土地利用圖斑的面積；4.4)使用工作站外接的繪圖設(shè)備，以步驟4.2)生成的街區(qū)為底圖，將步驟4.3)各街區(qū)的Pi值依據(jù)數(shù)值大小使用不同等級的圖例表示，標(biāo)識于底圖上，打印輸出成為工程圖紙。進(jìn)一步的，所述掃描儀的分辨率不低于1200DPI。有益效果:本發(fā)明針對城市建設(shè)工程實踐中城市空間布局中利用人腦智力活動進(jìn)行決策所存在的主觀性、隨機(jī)性的不足，通過構(gòu)建一種配合高性能計算機(jī)進(jìn)行自動化城市建設(shè)用地布局和輸出的技術(shù)方案，可以較好的替代人在城市建設(shè)用地布局決策過程中的智力活動，縮短規(guī)劃工作時間，有效提高了規(guī)劃后市區(qū)的道路密度，改善城市交通可達(dá)性，具有顯著的工程技術(shù)效果。具體來說:1、本發(fā)明通過自動化過程代替人腦智力判斷，技術(shù)成果具有明顯的精確性和唯一性。本發(fā)明通過計算機(jī)隨機(jī)分配，窮舉生成上億次城市建設(shè)用地布局方案，基本覆蓋城市建設(shè)用地布局的所有可能形態(tài)，并從中優(yōu)選出道路密度最高、交通可達(dá)性最好的布局方案，經(jīng)比較，通過本發(fā)明得出的城市建設(shè)用地布局方案，與傳統(tǒng)技術(shù)做法經(jīng)規(guī)劃師經(jīng)驗判斷得到的布局方案相比，其道路密度能夠提聞10%左右，能夠明顯提聞所規(guī)劃城市的道路可達(dá)性。2、本發(fā)明的技術(shù)方案以高性能工作站配合自動化流程，通過隨機(jī)分配和循環(huán)算法自動完成海量的規(guī)劃布局方案的生成和比較工作，傳統(tǒng)技術(shù)方法需要規(guī)劃從業(yè)者進(jìn)行大量重復(fù)性的工作，通過本發(fā)明，城市建設(shè)用地布局的工作效率得到了革命性的提高，技術(shù)耗時大為縮減。遵循本發(fā)明提供的技術(shù)方案，配合高性能工作站的硬件支撐，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到輸出工程技術(shù)圖紙，可以在2天時間內(nèi)完成一個中等規(guī)模城市的建設(shè)用地布局工作，并且運行中不需要人為介入，工作效率提高了 15倍，技術(shù)耗時不及傳統(tǒng)技術(shù)做法的十分之一。3.本發(fā)明的技術(shù)方案具有很好的可操作性。通過外接高分辨率掃描儀、繪圖儀等特定設(shè)備，本系統(tǒng)可以直接輸入遙感衛(wèi)星或航測飛機(jī)獲得的原始圖像，在不需要人為介入的情況下自動運行，最終輸出可以與控制性詳細(xì)規(guī)劃編制工作直接對接的工程圖紙，具有很高的實際應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是輸入的無錫城市遙感圖像；圖3是隨機(jī)分配模型生成的無錫城市建設(shè)用地隨機(jī)分配方案I ;圖4是隨機(jī)分配模型生成的無錫城市建設(shè)用地隨機(jī)分配方案2 ；圖5是隨機(jī)分配模型生成的無錫城市建設(shè)用地隨機(jī)分配方案3 ；圖6是通過路網(wǎng)密度檢測得出的無錫城市建設(shè)用地的最佳布局方案；圖7是通過外接繪圖儀輸出的無錫城市建設(shè)用地布局的工程圖紙。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。在當(dāng)下快速城市化的階段，城市建設(shè)用地的無序蔓延造成了嚴(yán)重的交通問題，也造成了寶貴的土地資源和建設(shè)資金的浪費。現(xiàn)有的城市建設(shè)用地布局技術(shù)主要依靠規(guī)劃師以人腦進(jìn)行大量布局方案的比較分析工作，存在著工作以技術(shù)操作為主、技術(shù)結(jié)果隨意性大、工作效率低下的問題。因此需要提供一種合理進(jìn)行城市建設(shè)用地規(guī)劃布局的技術(shù)方案，能夠依托高性能計算機(jī)等數(shù)字化平臺，代替人腦進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的分析工作，并輸出量化、科學(xué)的技術(shù)結(jié)論和工程圖紙。本發(fā)明利用以高性能計算機(jī)為核心的信息處理系統(tǒng)，以城市市區(qū)的地理數(shù)據(jù)為模型輸入數(shù)據(jù)，以土地利用圖斑為模型處理單元，建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，使用隨機(jī)分配模型進(jìn)循環(huán)計算，通過窮舉，組合生成城市建設(shè)用地所有可能的布局方案，再以路網(wǎng)密度作為檢測條件，自動對各布局方案中城市建設(shè)用地的路網(wǎng)密度進(jìn)行檢測，保存其中路網(wǎng)密度最高的布局方案，并通過繪圖設(shè)備自動輸出為城市控制性詳細(xì)規(guī)劃可以直接使用的工程圖紙。以下結(jié)合無錫建設(shè)用地布局規(guī)劃為例來詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，如圖1所示，本發(fā)明的具體實施方式
包括以下步驟:I)通過高分辨率(分辨率大于1200DPI)掃描儀，將包含無錫城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，于工作站中將城市市區(qū)圖像自動進(jìn)行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為土地利用圖斑。
1.1)通過工作站外接的高分辨掃描儀(分辨率大于1200DPI)，將包含城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)航測飛機(jī)獲得的航拍圖像(圖2)進(jìn)行掃描，將掃描獲得的高分辨率圖像輸入工作站。1.2)于工作站中對1.1)圖像中城市市區(qū)范圍的圖像進(jìn)行自動識別,對市區(qū)范圍圖像進(jìn)行柵格化處理，柵格邊長為1km，通過柵格化操作將城市市區(qū)范圍圖像轉(zhuǎn)化為若干面積為Ikm2的土地利用圖斑。2)以步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元，于工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，數(shù)據(jù)隨機(jī)分配模型自動對土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值操作，通過窮舉，組合生成城市建設(shè)用地所有可能的布局方案，并對每一次的布局形態(tài)進(jìn)行保存。2.1)于工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，以步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元。2.2)于城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型中，對各個城市土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值P，P為各個城市土地利用圖斑中城市建設(shè)用地的面積，賦值區(qū)間
,賦值間距0.1km2,對所有土地利用圖斑進(jìn)行了一次隨機(jī)賦值，則計為生成一種有效的城市建設(shè)用地的布局方案。工作站賦值過程遵循以下必要約束條件:所有城市土地利用圖斑中城市建設(shè)用地的面積之和應(yīng)等于城市總體規(guī)劃中以法定形式規(guī)定的該城市的城市建設(shè)用地面積。表達(dá)式為:
權(quán)利要求
1.一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，包括以下步驟: 1)通過高分辨率掃描儀，將包含城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，在工作站中將所述圖像進(jìn)行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為土地利用圖斑； 2)以所述步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元，在工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，該隨機(jī)分配模型自動對土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值操作，通過窮舉，組合生成城市建設(shè)用地所有可能的布局方案，并保存； 3)通過高分辨率掃描儀，將包含城市道路數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，以道路路網(wǎng)密度作為檢測城市布局形態(tài)交通可達(dá)性的評價指標(biāo)，自動對步驟2)生成的所有建設(shè)用地布局形態(tài)的道路密度進(jìn)行計算，并對道路密度最高的布局方案進(jìn)行標(biāo)記； 4)在工作站中將標(biāo)記的路網(wǎng)密度最高的城市建設(shè)用地布局形態(tài)保存為道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地布局方案，并通過繪圖設(shè)備輸出為工程圖紙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，其特征在于:所述步驟I)包括: 1.1)通過工作站外接的高分辨率掃描儀，將包含城市市區(qū)范圍數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星獲得的遙感圖像或者航測飛機(jī)獲得的航拍圖像進(jìn)行掃描，將掃描獲得的高分辨率遙感圖像或航拍圖像輸入工作站； 1.2)在工作站中對所述步驟1.1)得到的遙感圖像或航拍圖像中城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行識別，對城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行柵格化處理，柵格邊長為1km，通過柵格化處理將城市市區(qū)范圍內(nèi)的圖像轉(zhuǎn)化為若干面積為Ikm2的土地利用圖斑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，其特征在于:所述步驟2)包括: 2.1)在工作站中建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，以步驟I)的城市土地利用圖斑為數(shù)據(jù)處理單元； 2.2)在城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型中，對各個城市土地利用圖斑進(jìn)行隨機(jī)賦值P，P為各個城市土地利用圖斑中城市建設(shè)用地的面積，賦值區(qū)間[O，Ikm2],賦值間距0.1km2，對所有土地利用圖斑進(jìn)行一次隨機(jī)賦值后，計為生成一種有效的城市建設(shè)用地的布局方案； 2.3)在工作站中將2.2)步驟自動進(jìn)行循環(huán)操作，在每一輪隨機(jī)賦值中，若該輪賦值生成的所有土地利用圖斑的賦值與之前的某一次賦值完全相同，則計為一次無效的布局方案，并進(jìn)行下一輪賦值，若賦值生成的所有土地利用圖斑的賦值與之前的任何一次賦值都不相同，則計為一次有效的城市建設(shè)用地的布局方案。
2.4)當(dāng)工作站已無法得到更多的有效的城市建設(shè)用地的布局方案，說明工作站已經(jīng)對所有的城市建設(shè)用地的布局方案進(jìn)行了充分的窮舉，此時自動退出循環(huán)操作，保存得到的所有有效的城市建設(shè)用地的布局方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，其特征在于:所述步驟3)包括: . 3.1)通過高分辨率掃描儀(分辨率大于1200DPI)，將包含城市道路數(shù)據(jù)的遙感圖像或航拍圖像輸入工作站，將圖像坐標(biāo)與所述步驟I)中土地利用圖斑的坐標(biāo)進(jìn)行疊合，并在工作站中對圖像中的道路信息進(jìn)行矢量化識別操作，矢量化識別結(jié)果保存為城市市區(qū)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)；`3.2)對各個城市建設(shè)用地布局方案的道路密度進(jìn)行計算，計算公式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種城市建設(shè)用地自動布局方法，其特征在于:所述步驟4)包括:4.1)將標(biāo)記的道路密度Di最高的方案保存為道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地布局方案； 4.2)在工作站中，將步驟3.1)中未被道路占據(jù)的區(qū)域轉(zhuǎn)化為街區(qū)； 4.3)記錄各個土地利用圖斑所覆蓋的街區(qū)的建設(shè)用地比例，其中第i個土地利用圖斑所覆蓋的街區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地比例為Pi,其公式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種道路可達(dá)性最佳的城市建設(shè)用地自動布局方法，其特征在于:所述掃描儀的分辨率不低于1200DPI。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市建設(shè)用地的自動布局方法，利用以高性能計算機(jī)為核心的信息處理系統(tǒng)，以城市市區(qū)的地理數(shù)據(jù)為模型輸入數(shù)據(jù)，以土地利用圖斑為模型處理單元，建立城市建設(shè)用地隨機(jī)分配模型，使用隨機(jī)分配模型進(jìn)循環(huán)計算，通過窮舉，組合生成城市建設(shè)用地所有可能的布局方案，再以路網(wǎng)密度作為檢測條件，自動對各布局方案中城市建設(shè)用地的路網(wǎng)密度進(jìn)行檢測，保存其中路網(wǎng)密度最高的布局方案，并通過繪圖設(shè)備自動輸出為城市控制性詳細(xì)規(guī)劃可以直接使用的工程圖紙。本發(fā)明解決了城市建設(shè)工程實踐中城市空間布局中利用人腦智力活動進(jìn)行決策所存在的主觀性、隨機(jī)性的不足。
文檔編號G06Q50/00GK103150680SQ20131009869
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者楊俊宴, 史宜 申請人:東南大學(xué)