劉志晨，徐惠民，范環(huán)宇

（遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連116029）

基于ArcEngine的城市空間擴展模擬系統(tǒng)開發(fā)

劉志晨，徐惠民*，范環(huán)宇

（遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連116029）

目前國內(nèi)外已有不少學(xué)者采用CA模型對城市用地擴展進行了研究，并取得了不少有意義的研究成果。基于上述現(xiàn)狀，本次撰寫的論文將在元胞自動機理論的支撐下，在Visual studio2013平臺下利用C#語言結(jié)合ESRI公司的嵌入式開發(fā)平臺ArcEngine組件開發(fā)包，編寫一套可以實現(xiàn)模擬城市空間擴展的軟件，將灰度局勢決策運用到程序中，進行提取城市擴展時內(nèi)在影響因素與規(guī)律，并將其作為元胞自動機的轉(zhuǎn)換規(guī)律，再與地理信息系統(tǒng)結(jié)合來研究城市規(guī)劃。結(jié)合了GIS系統(tǒng)使仿真結(jié)果得以展示，為將來研究區(qū)域土地利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

元胞自動機；城市擴展；ArcEngine

城市化是一個復(fù)雜的時空轉(zhuǎn)換過程，包括城市內(nèi)部各類土地類型之間的相互轉(zhuǎn)換以及城市不斷對外擴展的過程。近年來，我國城市化速度不斷加快，城市用地和人口規(guī)模迅速增大，為此不少學(xué)者采用CA模型對城市土地擴展進行了研究，CA已被越來越多的運用在城市模擬當中，并且取得了許多有意義的研究成果。如：1999年周成虎等人運用多年積累的研究經(jīng)驗提出了一個CA模型Geourban[1]，2003年韓玲玲等人對四川德陽地區(qū)利用GIS與CA的集成進行了城市增長模擬和土地增值模擬[2]，2005年吳曉軍等人對陜西省10個地級市影響區(qū)利用CA求解加權(quán)Voronoi圖進行了世紀的研究[3]。在2006年楊青生等人對深圳地區(qū)1988年至2010年的城市擴展進行了模擬預(yù)測，主要采用的CA非線性轉(zhuǎn)換規(guī)則使用支持向量機確定的，試驗結(jié)果顯示采用SVM－CA模型比CEM模型的模擬結(jié)果更接近于顯示，模擬精度更高[4]。國內(nèi)一些學(xué)者提出分區(qū)特征的地理CA模型，并與城市規(guī)劃相結(jié)合，均取得較好成果。但目前大部分的地理CA軟件，很少是采用C#語言開發(fā)集成的，所以也很難使后續(xù)使用者加入新的算法繼續(xù)使用。因此，本次研究是在傳統(tǒng)CA模型的基礎(chǔ)上，基于ArcGIS Engine函數(shù)庫、C#編程語言、城市擴展的基本原理，開發(fā)設(shè)計一套元胞自動機城市擴展模型，實現(xiàn)了模擬城市的空間擴展。使用本次開發(fā)的GIS系統(tǒng)，僅需要安裝Microsoft Visual studio2013、ArcGIS Engine Runtime以及相應(yīng)的許可就能運行，不需要客戶端再安裝ArcGIS軟件。

1 技術(shù)概要

美國ESRI公司的ArcEngine是一個用于建立自定義獨立地理信息系統(tǒng)（GIS）應(yīng)用程序的平臺，支持多種應(yīng)用程序接口（APIs），擁有許多高級GIS功能，而且還具有良好的跨平臺、跨語言特點，利用這個特點，我們便可以快速方便地定制出用于模擬城市擴張的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。此次研究在Visual studio2013平臺下，主要用到灰度局勢決策去獲取城市的轉(zhuǎn)變規(guī)則，再利用C#語言結(jié)合ESRI公司的嵌入式開發(fā)平臺ArcEngine組件開發(fā)包。具體內(nèi)容如表1。

2 城市擴展模擬系統(tǒng)的基本操作

2.1 開發(fā)環(huán)境配置

在運行環(huán)境：Window7操作系統(tǒng)。

GIS環(huán)境：ArcEngine10.2（需要安裝.netframework4. 0補?。?/p>

開發(fā)平臺環(huán)境：Microsoft Visual Studio2013

編程語言環(huán)境：C#

2.2 ArcEngine控件

Arcengine控件的功能包括：

ArcEngine〈--〉A(chǔ)rcMap

MapControl：數(shù)據(jù)視圖

PageLayoutControl：布局視圖

TOCControl：內(nèi)容列表

ToolbarControl：工具條

表1 功能接口對照表

2.3 地圖的基本操作功能

2.3.1 鷹眼功能

為了可以使用戶方便地觀察某個城市目標（或區(qū)域）在整個地圖中的地理位置，屏幕的“鷹眼區(qū)”將出現(xiàn)地圖全圖。主圖更新地圖或改變顯示范圍，鳥瞰圖隨之發(fā)生變化；點擊鳥瞰圖，主圖移動到相應(yīng)的范圍進行顯示；鳥瞰圖上面有一個紅色的框。這樣方便了用戶從整體地圖上控制地圖的顯示范圍。

其主要編程思路是在AxMapControl1控件下OnExtentUpdated事件和OnMapReplaced事件下使用到IEnvelopeIGraphicsContainerIActiveViewIRectangle ElementIElement等主要接口，然后在可視化控件AxMapControl2中的OnMouseMove和OnMouseDown事件下寫代碼達到鼠標在axMapControl2鳥瞰圖上移動，主視圖便會顯示點擊的對應(yīng)區(qū)域。

2.3.2 地圖的縮放

放大或者縮小地圖。該功能可以通過鼠標拉框來縮放框內(nèi)的地圖。該功能主要用的是ICommand接口里的ControlsMapZoomInToolClass()來控制地圖的放大，ControlsMapZoomOutToolClass()來進行縮小地圖。

2.3.3 地圖平移

選中此功能后，在地圖上點著不放拖動鼠標，地圖會隨著鼠標而移動，拖到地圖最遠邊界后，漫游會自動停止。

2.3.4 地圖全圖

該功能可讓地圖全圖顯示在當前地圖窗口當中。

2.3.5 其他輔助功能

系統(tǒng)可以顯示圖上任意一點的坐標（二維坐標），并顯示地圖的當前比例尺，還可以量測圖上任意兩點之間的直線距離。本系統(tǒng)可在圖上提供點選擇、線選擇、多邊形選擇，可以提供地圖標注?？梢詫x擇后的標記進行刪除。

2.4 城市空間擴展預(yù)測功能

本功能是用灰色局勢決策、層次分析法提取城市內(nèi)部的影響因素和規(guī)則，然后結(jié)合ArcEngine組件開發(fā)包里的IMap、IRasterLayerIPnt、IRasterProps、IRasterEdit IPixelBlock3等接口去建立擴展之后的柵格圖層，從而實現(xiàn)了模擬城市空間擴展的效果，再與地理信息系統(tǒng)結(jié)合來研究城市的未來規(guī)劃。結(jié)合GIS系統(tǒng)使仿真結(jié)果得以展示。

該模型可以預(yù)測柵格地圖里的耕地、林地、水域和城市用地這四類城市用地未來擴展狀況，點擊button按鈕便可模擬柵格圖層里的這四類用地的未來土地利用擴展情況。城市空間擴展模擬系統(tǒng)的開發(fā)過程如下。

2.4.1 加載圖層

使用IRasterLayer接口的CreateFromFilePath方法，調(diào)入柵格圖片，并將其通過AddLayer方法加載到axMapControl1中。

2.4.2 讀取柵格圖層的像素

在Microsoft Visual Studio2013的開發(fā)平臺下，將C#結(jié)合ArcEngine10.2組件集成開發(fā)一套城市空間擴展模擬系統(tǒng)，主要先用IMap接口的get_Layer方法獲取圖層信息，將圖層信息用IRasterLayer接口轉(zhuǎn)化為可修改狀態(tài)的柵格。再將一個個柵格放到柵格數(shù)據(jù)集中用IRasterDataset接口去接收，通過該柵格數(shù)據(jù)集的CreateDefaultRaster()方法獲得該數(shù)據(jù)集中的一個柵格用接口IRaster2接收，用IRaster2中的CreateCursorEx()方法實現(xiàn)一個IRasterCursor接口。根據(jù)傳入的參數(shù)，系統(tǒng)將為這個RasterCursor設(shè)置相應(yīng)的PixelBlock。最終返回IPixelBlock3接口定義的PPB。，這就相當于將柵格圖層分成了幾個方塊。接下來，只要應(yīng)用IRasterCursor的next方法，便可以快速的讓這些方塊自上而下的移動，最后將整個圖層遍歷。這就是獲取像素的過程了。具體代碼如下（以slope圖層為例）：

IMap PMAP;

PMAP=axMapControl1.Map;//獲取圖層要素

inti;

IRasterLayer IRL1=null;

for(i=0;i＜PMAP.LayerCount;i++)

{

if(PMAP.get_Layer(i).Name==“slope.tif”)

{

IRL1=PMAP.get_Layer(i)as IRasterLayer;//將讀取的坡

度圖層強轉(zhuǎn)為IRasterLayer類型

}

“胸懷大局、敢于擔(dān)當”。蘇州的園林很小，但蘇州人的胸懷很大，顧炎武“天下興亡，匹夫有責(zé)”的思想深深鐫刻在蘇州人的骨子里。2014年12月習(xí)近平總書記親臨江蘇視察并發(fā)表重要講話后，蘇州開啟了爭做“強富美高”新江蘇建設(shè)先行軍排頭兵的探索實踐，一步一個腳印讓習(xí)近平總書記為江蘇擘畫的宏偉藍圖在蘇州率先化為現(xiàn)實。按照省委要求，蘇州已然咬定“兩個標桿”發(fā)展定位，即不僅要成為高水平全面建成小康社會的標桿，而且要成為探索具有時代特征、江蘇特點的中國特色社會主義現(xiàn)代化道路的標桿。切實在全省全國工作大局中謀劃蘇州發(fā)展，這是勇于奮斗的蘇州人的“位置感”。

}

IRaster PRASTER1;

PRASTER1=IRL1.Raster;

IRasterBandCollection PRASTERBAND1;

IRasterDataset PRASTERDS1;

PRASTERBAND1=PRASTER1

as IRasterBandCollection;//將IRaster的變量強轉(zhuǎn)為IRasterBandCollection類型

IRasterCursor PRASTERCURSOR1;//使用柵格游標來

快速讀取整個柵格圖層

IRaster2 PRST1;

PRST1=PRASTERDS1.CreateDefaultRaster()

as IRaster2;

PRASTERCURSOR1=PRST1.CreateCursorEx(null)

asIRasterCursor;

IRasterEdit PRASTEREDIT1;

PRASTEREDIT1=PRST1 as IRasterEdit;

IPixelBlock3 PPB1;

PPB1=PRASTERCURSOR1.PixelBlock as IPixelBlock3;

//將讀取的像素塊用PPB1來接收

for(K=0;K＜PPB1.Width-3;K+=3)

{

for(L=0;L＜PPB1.Height;L++)

{

V=Convert.ToInt32(PPB1.GetVal(0,K,L));//獲取了該柵格圖層的的像元值V

}

}

2.4.3 使用灰度局勢決策算法運用到程序中

元胞自動機的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)變規(guī)則，本系統(tǒng)用到的是灰度局勢決策，然后通過層次分析法確定各目標之間的相對權(quán)重，構(gòu)建具有可靠依據(jù)的轉(zhuǎn)變規(guī)則。局勢決策是指在事件、對策、效果三者統(tǒng)一的前提下，先對事件和對策進行量化處理，然后按事件拓撲與對策拓撲構(gòu)成的偶對進行決策，或者說是由事件與對策所構(gòu)成的全部局勢中選取最佳效果的一種決策[5]。

不同問題有不同的轉(zhuǎn)換規(guī)則[5]。對城市用地的擴展來說，由于其具有很大的不確定性，即灰色性，因此引入多目標灰色局勢決策用于元胞演變規(guī)則的制定。同一個決策，往往要考慮多種目標，在不同目標權(quán)重下，決策的效果是不同的，而采用層次分析法確定各目標之間的相對權(quán)重。綜合運用灰色局勢決策、層次分析法與CA模型轉(zhuǎn)變規(guī)則的過程如下：

（a）確定事件集、對策集、局勢集

事件集={x1,x2,…,xn}，xi為耕地、林地，建筑用地元胞。N是滿足這樣條件的元胞的個數(shù)[5]。

對策集={城市用地、耕地和林地}，該集合是可能由其他用地轉(zhuǎn)化而來的地類集合[5]。

于是便有了局勢集，對元胞xi的局勢為：S(xi,A)= {xi,城市用地}，{xi,林地}，{xi,耕地}。

（b）確定目標集

本次研究是通過城市擴展基本理論來確定目標集，預(yù)測的城市用地變化一定會緊密結(jié)合經(jīng)濟、生態(tài)、社會這是三個因素。共有3種目標，并使用3種不同的決策矩陣來表示這3個決策目標。3個不同的目標分別是表達元胞周圍的聚集度，表達元胞本身所表示的土地適宜性程度，表達元胞的交通通達性[6]，對應(yīng)的公式如下：

（c）計算各個目標的效果測度

在計算不同目標的效果測度，由于采用的3個目標均為上限效果測度，所以使用公式：

//’聚集程度最大效果測試矩陣的計算

int s;

for(s=0;s＜=8;s++)

{

r_1[s]=COUNT[s]/max11;//COUNT[s]是效果樣本值，max11效果樣本值的最大值

}

return r_1;

（d）計算目標權(quán)重并得出元胞的最優(yōu)局勢

通過層次分析法獲得每個目標的權(quán)重[6]。先結(jié)合研究區(qū)的實際情況，由專家打分來確定不同目標的權(quán)重，得到了判斷矩陣[6]。再用加權(quán)法獲得多目標綜合效果測度，組成一個多決策目標矩陣。如下：

for(f=0;f＜=8;f++)

{

weight[f]=r_1[f]*num_1+r_2[f]*num_2+r_3[f] *num_3;

//獲得了多目標綜合效果測度矩陣weight[f]

}

然后，對最終計算出的綜合矩陣進行局勢決策，各自將每一行最大值作為元胞的最優(yōu)局勢，記錄為元胞下一時刻的狀態(tài),然后寫入到新的圖層中即預(yù)測后的圖像。

寫入的關(guān)鍵代碼如下：

IRasterProps pRsprops;

pRsprops=raster as IRasterProps;//獲取柵格

IPnt pt=new Pnt();//創(chuàng)建一個像素點

pt.SetCoords(pRsprops.Height,pRsprops.Width);//設(shè)置該像素點的高度和寬度

IPixelBlock3 ipb;

ipb=raster.CreatePixelBlock(pt)as IPixelBlock3;//通過該像素點創(chuàng)建一個一樣大小的像素塊PixelBlock

raster.Read(targetPnt,ipb as IPixelBlock);//讀取該柵格int i,j;

System.Array SafeArray=ipb.get_PixelData(0)as System. Array;//獲取圖層的像素值放入集合SafeArray中

//自上而下遍歷柵格數(shù)據(jù)賦值給空白圖層

for(int i=0;i＜=ipb.Height-1;i++)

{

for(int j=0;j＜=ipb.Width;j++)

{

if(i==y&&j==x)

{

SafeArray.SetValue(Convert.ToByte(data),i,j);//將data的值賦給SafeArray集合

}

}

}

ipb.set_PixelData(0,SafeArray);//將獲取的像素值寫入像素塊ipb

IRasterEdit pRasterEdit;

pRasterEdit=raster as IRasterEdit;

pRasterEdit.Write(targetPnt,ipb as IPixelBlock);

pRasterEdit.Refresh();//刷新當前的柵格數(shù)據(jù)

圖1 模擬前（左）和模擬后（右）研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

最后以IRasterCursor接口的Next()方法判斷柵格圖層是否讀取完畢，讀取完則會跳出循環(huán)，輸出模擬研究地區(qū)棗強縣最終城市空間擴展的結(jié)果如下圖1。

3 結(jié)語

研究通過灰色局勢決策、層次分析法和CA模型相結(jié)合，建立元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則，方法簡捷，易于理解和實施。選擇Visualstudio2013平臺、C#語言基于ArcgisEngine組件開發(fā)了GIS-CA城市擴展模型，很好地模擬了城市空間的擴展，它不僅可以指導(dǎo)研究區(qū)域的土地合理利用及相關(guān)規(guī)劃，而且為城市的發(fā)展提供科學(xué)的借鑒與參考意見。

本次開發(fā)的系統(tǒng)在預(yù)測城市的發(fā)展趨勢是可行的，但由于城市化本身的演化存在諸多不確定性和突發(fā)狀況，所以用本系統(tǒng)也存在一定的局限性。系統(tǒng)只能按照預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)狀態(tài)來運行，而城市的發(fā)展條件（如政策等）又是實時變化的，如何讓預(yù)測的模型對外部環(huán)境的時時變化做出及時反饋，需要有待進一步解決。

[1]周成虎，孫戰(zhàn)利，謝一春．地理元胞自動機研究[M]．北京：科學(xué)出版社，1999．

[2]韓玲玲，何政偉，唐菊興，等.基于CA的城市增長與土地增值動態(tài)模擬方法探討[J].地理與地理信息科學(xué)，2003，19（2）：32-35.

[3]吳曉軍，薛惠鋒，雒雪芳，等.元胞自動機生成城市空間影響區(qū)的方法[J].計算機工程與應(yīng)用，2005（27）：230-232.

[4]楊青生，黎夏.基于支持向量機的元胞自動機及土地利用變化模擬[J].遙感學(xué)報，2006，10（6）：836-846.

[5]劉耀林，劉艷芳，明冬萍.基于灰色局勢決策規(guī)則的元胞自動機城市擴展模型[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2004，29（1）.

[6]崔利.基于元胞自動機的城市擴展研究[J].長春工程學(xué)院學(xué)報，2014，15（2）.

Develop urban space expansion simulation system based on ArcEngine

LIU Zhi-chen et al
(College of Urban and Environmental,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

Nowly,A few scholars were studied in the world by using the CA model of urban land expansion,and made a lot of meaningful research.Written based on the above situation,this paper will be supported by the cellular automata theory,in Visual studio2013 platform using c#language combined with ESRI ArcEnginecomponentofembeddeddevelopmentplatform development kit,it can write a set of implementation of urban spatialextensionsimulationsoftware,toapplygreysituation decision-makingprogram,duringtheextractionofurban expansion internal influence factors and rules,and use it as a conversion rule of cellular automata,and then combine with geographic information system to study the urban planning.To show the results of simulation combined with the GIS system,it can provide decision-making basis for future research of regional land use planning.

Cellular Automaton;urban expansion;ArcEngine

P208

A

劉志晨（1994-），男，江西瑞金人，碩士，研究方向為地理信息系統(tǒng)開發(fā)。

徐惠民（1971-），男，遼寧建平人，副教授，研究方向為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、人海關(guān)系調(diào)控。

（2016-10-09收稿S編輯）

1003-7853（2016）05-0055-04

中國工程院咨詢研究項目（2014-06-XY-003）