一种城市空间特征区域自动划分系统的制作方法

1.本发明涉及到城镇地理管理技术领域，具体涉及一种城市空间特征区域自动划分系统。


背景技术：

2.随着城市人口的不断增多，城市规模的不断扩大，政府需要管控的地区越来越多，城市规划与城市发展的矛盾也日益凸显，如何在新的发展形势下，提高城市规划的质量，关联各层次的规划数据，是当前做好城市规划面临的重要问题。但目前，城市的管理者对各种城市规划数据的利用不充分，并以手动处理居多，效率低下。与此同时，城市地理信息系统在近些年来得到了极大的发展与广泛的应用，计算机技术尤其是web技术以及相应的前后端交互技术迅速发展，使得城市gis系统逐渐形成前后端的集成架构。服务一经发布，仅通过浏览器就可以实现与城市gis系统的交互，对城市的管理者以及用户提供更多的便利和快捷。
3.许多空间交互数据集的分析都是基于预先定义的区域单元，例如，分析了各城市的大学入学率，移民的流动等。同时，开发了各种技术和模型来发现空间交互数据中的模式。例如以空间相互作用网络为图，其中区域转化为节点，嵌入空间的相互作用流用加权边表示。在复杂网络和计算机科学文献中发现的一些图划分方法已经被应用到社区检测或模式发现的研究中。
4.近些年，城市地理管理方面的研究多集中于网格化管理，通过空间数据库将城市区域划分为一个个的规则或不规则格网并编码，从而大大提高了城市的管理效率。城市区域划分方面的工作多是基于交通轨迹数据，而且都没有形成一个普遍适用的系统。根据相关论文研究得出，以任一兴趣点为种子点通过一定的搜索权重来围合出一个特征区域的工作还没有被研究。在城市的管理以及规划方面，城市的管理人员需要能够根据城市的各种点状、线状、面状规划数据来快速围合出满足特定需求的城市特征区域，并能够将结果以一种交互式的方式进行呈现，从而能满足城市规划者的个性化需求。
5.目前城市分区存在的主要问题：(1)分区思想主要是静态的，对poi等静态信息直接进行聚类，完成分区；(2)对poi等静态数据先进行分类，再以分类后的poi对区域进行表达；(3)对轨迹数据进行聚类，利用聚类中心构建 voronoi图，完成分区。
6.以上方法没有充分考虑人类活动以及区域与区域之间的联系。因此，在静态分区思想指导下的分区结果，具有一定的局限性。此外，以上提到的网格化管理更偏重于城市的高效率管理，而基于交通大数据的城市功能区的划分则是更偏向于算法的研究，均没有形成一套普适的用于各大城市的gis系统的处理方法与流程。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种城市空间特征区域自动划分系统，根据目前为解决城市分区中存在的问题出发，考虑各种分区限制因素共同影响，最终实
现对城市区域的精准划分。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种城市空间特征区域自动划分系统，其关键在于：包括用户端、浏览器、网络服务器与后台服务器，其中：
10.所述用户端用于获取用户填写的表单内容；
11.所述浏览器用于将表单内容拼接成一个长字符串随着用户点击提交按钮传到后台服务器；
12.所述网络服务器用于处理浏览器的请求并返回相应响应；
13.所述后台服务器将接收的字符串进行解析，然后使用解析过的参数对内置算法的构造函数进行初始化，并在后台执行地理计算；当计算完成后将生成的 shapefile压缩文件的位置以及文件名传递到浏览器；
14.所述浏览器将接收的数据进行解析并将shapefile压缩文件转换为geojson 格式，并将后台服务器计算的结果叠加到浏览器页面右侧的地图底图上进行展示。
15.进一步的，所述后台服务器与浏览器之间采用websocket协议进行通讯。
16.进一步的，所述后台服务器内置的算法包括矢量外扩法、矢量框定法与栅格外扩法。
17.进一步的，所述矢量外扩法的计算处理步骤为：
18.a1、数据预处理：
19.通过道路线图层生成道路面图层；
20.由道路面图层生成coverage数据，得到拓扑关系；
21.由生成的coverage数据提取具备拓扑关系的线矢量和面矢量；
22.空间连接，映射得到具备权重属性的线矢量；
23.a2、区域的合并：
24.得到边和多边形的拓扑关系；
25.通过输入的点图层和多边形图层进行空间查询操作，得到点所在的多边形作为搜索的起点；
26.令原始多边形的属性中id均为0，进行更新操作，使从不同起点搜索的多边形id相同；
27.迭代搜素；
28.输出搜索结果，并进行面要素id的更新；
29.a3、后处理：
30.根据输入的水系图层，对提取到的区域进行擦除，经过后处理中的图层擦除后，得到最终结果图层；
31.a4、输出：
32.输出shapefile的压缩文件。
33.进一步的，所述矢量框定法的处理步骤为：
34.b1、根据线段的等级，分别提取相同等级的线段，利用featuretopolygon 工具生成围合区域；
35.b2、将测试的点分别与步骤b1生成的不同等级的围合区域进行空间查询，得到测
试点在不同等级围合区域的边界；
36.b3、将得到的边界进行联合，输出结果。
37.进一步的，所述栅格外扩法的处理步骤为：
38.c1、由原始道路图层提取某一等级线路，生成栅格数据，作为种子扩充；
39.c2、提取输入测试点图层的点的坐标，计算得到该坐标在栅格数据中的行列号，并以此作为种子生长点；
40.c3、以4-邻域为搜索范围，以步骤c2中的种子点进行生长搜索，搜索的终止条件为搜索到了边界或者是相应等级的道路，输出不同的栅格文件，并将其转为矢量数据。
41.进一步的，所述矢量外扩法、矢量框定法与栅格外扩法的输入均为搜索权重、点图层、线图层、面图层以及相应的权重。
42.进一步的，所述搜索权重选择n级时，系统将计算n-1、n-2、
···
、1级的围合区域并分别以不同的颜色加以标识，其中n为大于1的整数。
43.进一步的，所述浏览器的页面设计有算法选择区、功能选择区、操作选择区与结果展示区，所述算法选择区用于根据不同的输入数据格式选用不同的算法来实现区域划分；所述功能选择区用于实现算法输入选择、数据输入选择、权重输入选择；所述操作选择区设有提交按钮、保存按钮和清除按钮，当用户将表单填写完毕后点击提交按钮；当浏览器加载完毕区域划分结果后，点击保存按钮可以将生成的shapefile的压缩文件保存到任意位置；点击清除按钮可以将加载到右侧地图上的区域扩张结果从地图底图上移除。
44.本发明的显著效果是：
45.1、设计了多种区域划分算法，可根据数据本身是矢量还是栅格数据进行不同算法的切换；并能够支持多种地物要素类型的输入，并对每种输入要素设置不同的权重等级进行合理的城市区域自动划分；还能够根据用户的偏好和要求进行不同的算法选择、输入要素数量、权重等级等，通过选择不同的输入兴趣点要素，得到不同的区域划分结果；可以对结果进行对比，以选择更切合实际划分区域的算法；
46.2、相较于对比以往城市区域划分方式，本系统还具有以下几点优势：
47.使用方便：用户仅需要通过浏览器便可以对各种算法的特征区域划分结果进行对比分析，相比于传统桌面端进行地理信息数据处理，能够将城市按照用户选择的设置规则，输出划分区域后的结果展现给使用者，并能够支持用户进行不同设置下的结果选择；通过将三种算法嵌入前后端交互的架构中使得用户仅需要在浏览器中填写表单并提交就可以在web界面的地图底图上对自动划分的特征区域进行查看，极大地提高了对城市中特征区域的查找效率；
48.迁移性强：前后端交互的系统外壳可以嵌入其它各种类型的地理计算方法，而无需对现有的系统做大的变动；
49.扩展性强：基于python的后端服务器可以通过引用包的方式实现更加复杂的功能；
50.算法鲁棒性强：在对数据集进行测试过程中，针对数据清洗不够完善的地方，例如悬挂点、断线等数据集对算法本身影响较小，对得到的标准数据集能够实现正确的城市区域划分结果规则区域划分，算法本身容错率较好；
51.共享与可视化分析：基于b/s瘦客户端架构，实现前后端交互的自动化区域划分，
在互联网的强大支持下，实现数据的共享发布服务与可视化分析。
附图说明
52.图1是本发明的系统架构图；
53.图2是本系统的总体设计图；
54.图3是本系统的界面图；
55.图4是矢量外扩法的区域划分结果示意图；
56.图5是矢量框定法的区域划分结果示意图；
57.图6是栅格外扩法的区域划分结果示意图。
具体实施方式
58.下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
59.如图1所示，一种城市空间特征区域自动划分系统，包括用户端、浏览器、网络服务器与后台服务器，所述后台服务器与浏览器之间采用websocket协议进行通讯，其中：
60.所述用户端用于获取用户填写的表单内容；
61.所述浏览器用于将表单内容拼接成一个长字符串随着用户点击提交按钮传到后台服务器；
62.所述网络服务器用于处理浏览器的请求并返回相应响应；
63.所述后台服务器将接收的字符串进行解析，然后使用解析过的参数对内置算法的构造函数进行初始化，并在后台执行地理计算；当计算完成后将生成的 shapefile压缩文件的位置以及文件名传递到浏览器；
64.所述浏览器将接收的数据进行解析并将shapefile压缩文件转换为geojson 格式，并将后台服务器计算的结果叠加到浏览器页面右侧的地图底图上进行展示。
65.本例中，系统的前后端信息交互机制是依托websocket协议实现的。 websocket是html5开始提供的一种在单个tcp连接上进行全双工通讯的协议。websocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务器主动向客户端推送数据。在websocket api中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。
66.系统前后端总体设计如下图2所示，共包括页面设计与美化、前端开发与后台算法开发三大部分，其中页面设计与美化的设计流程包括界面组织与设计、 css样式设计，设计后的页面资源和css文件输出至前端开发部分；所述前端开发部分的设计流程包括前端可视化组成设计、用户交互方式设计、消息传递流程设定、面向对象消息结构设计、用户界面输入设计以及数据解析，将解析的数据和页面资源和css文件会同进行组件集成后输出至后台算法开发部分进行特征分区可视化或其他迁移应用，其中前端可视化组成设计还辅助于街面组织与设计，用户交互方式设计还用于css样式设计；所述后台算法开发包括城市区域划分数据、特征分区算法实现、算法接口参数设定、数据服务和传输格式设定、 websock后台数据服务搭建，websock后台数据服务搭建完成后形成的后台数据与服务配置文件送去进行数据解析，其中特征分区算法实现的还依赖于用户交互方式设计的结果、算法接口参数设定还依赖于消息传递流程设定的结果、数据服务和传输格式设定依赖于面向对象消
息结构设计的结果。
67.在本系统的实际交互过程中，websocket协议采用的是7000端口，浏览器首先通过jquery获取到用户填写的表单内容，然后将其拼接成一个长字符串随着用户点击提交按钮传到后台服务器。后台服务器接收到浏览器传来的字符串后将其解析，然后使用解析过的参数对以上三个算法的构造函数进行初始化，依此在后台执行复杂的地理计算。当后台计算完成之后，后台将生成的shapefile压缩包的位置以及文件名传递到前端，前端再采用类似的方法将其解析，浏览器将生成的shapefile文件转换为geojson格式，最后利用leaflet中的有关工具实现将后台计算的结果叠加到web页面右侧的地图底图上的效果。
68.参见附图3，本系统在浏览器上的界面如图3所示，界面的最上方是该系统的名字，名字下面是三个选项卡，分别对应三种区域自动划分的算法。每个选项卡下面均承载着左侧的表单以及右侧的地图底图。左侧的表单内显示了当前的算法名称，要求用户输入搜索权重，选择面图层、线图层、道路图层以及起始点文件。其中由于面图层和线图层本身没有权重字段，所以要求用户指定相应的权重。表单下方有三个按钮，分别是提交按钮、保存按钮和清除按钮。当用户将表单填写完毕后点击提交按钮，前端将通过websocket协议向后台服务器传输用户填写的表单。当前端加载完毕区域划分结果后，点击保存按钮可以将生成的shapefile 的压缩包保存到任意位置。点击清除按钮可以将加载到右侧地图上的区域扩张结果从底图上移除。
69.右侧的地图资源来自osm在线地图，采用的是leaflet这个轻量级的js库来对地图对象进行操作以及矢量图层的叠加和样式的设置。
70.本实施例中，所述后台服务器内置的算法包括矢量外扩法、矢量框定法与栅格外扩法。三种算法的输入相同，均为搜索权重、点图层、线图层、面图层以及相应的权重，区别之处仅在于算法本身的不同，从而为三种算法的比较提供了方便。算法测试的输入图层有道路线图层(权重由大到小排列：1,2,3,4)、水系线图层、水域面图层以及测试点集。具体的：
71.(1)所述矢量外扩法的计算处理步骤为：
72.a1、数据预处理：
73.通过道路线图层生成道路面图层；
74.由道路面图层生成coverage数据，得到拓扑关系；
75.由生成的coverage数据提取具备拓扑关系的线矢量和面矢量；
76.空间连接，映射得到具备权重属性的线矢量；
77.a2、区域的合并：
78.得到边和多边形的拓扑关系；这里有两个拓扑关系，一个是线的左右两端的多边形，第二个是多边形含有哪几个边。第二个拓扑关系可以通过第一个拓扑关系推断出。这里为了方便上面的操作，建立的拓扑关系里面还包含了这条边所属的道路等级信息。
79.通过输入的点图层和多边形图层进行空间查询操作，得到点所在的多边形作为搜索的起点；
80.令原始多边形的属性中id均为0，需要进行一个更新操作，使从不同起点搜索的多边形id相同；
81.迭代搜素，一条边的搜索终止条件为搜索到满足条件限制的边或者搜索到了整个
区域的边界，这一步通过线的左右多边形拓扑表进行；
82.输出搜索结果，并进行面要素id的更新；
83.a3、后处理：
84.根据输入的水系图层，对提取到的区域进行擦除，经过后处理中的图层擦除后，得到最终结果图层；
85.a4、输出：
86.输出shapefile的压缩文件。
87.(2)所述矢量框定法的处理步骤为：
88.b1、根据线段的等级，分别提取相同等级的线段，利用featuretopolygon 工具生成围合区域。测试线段有几个等级就生成相应数量的围合区域，这里按不同等级生成围合区域时，不仅仅选取该等级线路，并且还要选取最高等级线路，二者一起做围合；
89.b2、将测试的点分别与步骤b1生成的不同等级的围合区域进行空间查询，得到测试点在不同等级围合区域的边界；
90.b3、将得到的边界进行联合，输出结果。
91.(3)所述栅格外扩法的处理步骤为：
92.c1、由原始道路图层提取某一等级线路，生成栅格数据，作为种子扩充；
93.c2、提取输入测试点图层的点的坐标，计算得到该坐标在栅格数据中的行列号，并以此作为种子生长点；
94.c3、以4-邻域为搜索范围，以步骤c2中的种子点进行生长搜索，搜索的终止条件为搜索到了边界或者是相应等级的道路，测试点集有多个位置不同的点，每个种子点的搜索范围不同，输出不同的栅格文件，并将其转为矢量数据。
95.所述浏览器的页面设计有算法选择区、功能选择区、操作选择区与结果展示区，所述算法选择区用于根据不同的输入数据格式选用不同的算法来实现区域划分；所述功能选择区用于实现算法输入选择、数据输入选择、权重输入选择；所述操作选择区设有提交按钮、保存按钮和清除按钮，当用户将表单填写完毕后点击提交按钮；当浏览器加载完毕区域划分结果后，点击保存按钮可以将生成的 shapefile的压缩文件保存到任意位置；点击清除按钮可以将加载到右侧地图上的区域扩张结果从地图底图上移除。
96.为了比较选取不同的搜索权重最终围合的区域，本系统涉及的计算原则为所述搜索权重选择n级时，系统将计算n-1、n-2、
···
、1级的围合区域并分别以不同的颜色加以标识，其中n为大于1的整数。具体的，当搜索权重选择2级，系统将会计算2级和1级的围合区域并分别以不同的颜色加以标识；当搜索权重选择3级，系统会计算3级、2级和1级的围合区域并分别以不同的颜色加以标识；以此类推。三种算法均采用相同的颜色标识相应等级的区域划分结果，以方便不同算法的对比。其中，搜索权重为1级、2级、3级、4级的区域划分结果分别以红色、绿色、黄色、蓝色标识。
97.最后，输入重庆市的水域面图层、水系线图层、带有权重的道路图层以及重庆市范围内的若干起始点，以测试该系统的运行效果。在测试时，矢量外扩法和栅格外扩法采用的是4级的搜索权重，可以看到4种等级的围合结果均以不同颜色标识了出来；矢量框定法采用的是2级的搜索权重，按照之前介绍的计算原则，只有红色(对应1级)和绿色(对应2级)的区域划分结果被加载了上来。同时, 可以通过切换图3左上角算法一、算法二、算法三的选
项卡进行不同划分方式可视化对比，以便选择最优划分方法。在用户系统界面的最下端提供了保存和删除当前可视化图层按钮操作，可以方便用户使用。
98.具体的操作步骤如下：
99.1)矢量外扩法操作
100.·
数据文件选取：通过选择文件按钮，选择输入的地理特征要素类型，如道路、水系、poi等。
101.·
权重等级设置：对输入的要素选择相应的权重进行自定义输入特征区划分。
102.·
命令提交：通过提交按钮，启动执行适量外扩算法进行特征区划分。
103.·
结果文件保存：保存按钮，对于得到的结果，提供了输出结果保存，用户根据情况选择保存的位置。
104.2)矢量框定法操作
105.矢量框定法的操作与适量外扩方法类同，分为以下几方面：
106.·
数据文件选取：通过选择文件按钮，选择输入的地理特征要素类型，如道路、水系、poi等。
107.·
权重等级设置：对输入的要素选择相应的权重进行自定义输入特征区划分。
108.·
命令提交：通过提交按钮，启动执行适量外扩算法进行特征区划分。
109.·
结果文件保存：保存按钮，对于得到的结果，提供了输出结果保存，用户根据情况选择保存的位置。
110.3)栅格外扩法操作
111.·
数据文件选取：通过选择文件按钮，选择输入的地理特征要素类型，如道路、水系、poi等。
112.·
权重等级设置：对输入的要素选择相应的权重进行自定义输入特征区划分。
113.·
命令提交：通过提交按钮，启动执行适量外扩算法进行特征区划分。
114.结果文件保存：保存按钮，对于得到的结果，提供了输出结果保存，用户根据情况选择保存的位置。
115.三种算法在填写了左侧相应的表单并经过上述操作后，最终在界面上呈现出来的效果分别如附图4-附图6所示，从本系统在重庆市的区域划分的实际运行效果来看，本实施例中的城市空间特征区域自动划分系统能够实现对目标点周围的特征区域的合理划分。从三种算法的实际运行情况来看，算法一(即矢量外扩法) 在计算搜索权重为1级时的计算速度明显慢于其它各种情况，这跟矢量外扩法本身的计算量有关，并且当搜索权重为1级(最高等级)时需要对更多的地理要素进行地理操作。
116.对于栅格外扩法，由于栅格数据无法判断测试点是否落入围合多边形内，因此右下角的点会不断生长，由于数据过大，此时会使得程序因为递归太深而自动结束。为了使程序能够进行，近似采用由种子生长点的单位个数作为一个限制，当生长超过一定限制的单元数目时，则停止该种子点的生长。
117.矢量外扩法与栅格外扩法的比较分析发现，矢量外扩法较栅格外扩法的优势在于：(1)可以充分考虑不同等级道路的影响。矢量外扩法考虑多个等级线路得到结果，而栅格仅考虑一个道路等级。因为若要栅格外扩法考虑多个等级，实际在处理过程中情况复杂，难以判断进行种子生长。(2)得到的结果更符合实际情况(对比图1和图3的右下角容易发
现)，而且栅格数据精度易受分辨率影响。 (3)栅格法的计算受栅格数据量的影响。
118.栅格外扩法较矢量外扩法的优势在于：(1)流程简单，算法清晰。(2)速度较快。限制矢量外扩法计算速度的瓶颈在于，对于要素存储为shp图层时进行的要素插入步骤，也就是说插入的元素越多，那么速度就越慢。就算法本身计算而言，栅格外扩法的效率也是比较高的。主要针对输入城市中的水系、山体、道路、兴趣点(饭店、超市等)等类型数据，能够基于这些类型的数据对城市区域进行合理划分。划分规则可以进行自主修改和控制，最后对划分后的城市区域展现出来，方便城市政府等相关管理人员服务。
119.本系统利用各类城市规划数据，提出了一套特征区域自动划分的方法与数据结果的可视化共享流程。在关键技术上，主要从具有以下三方面的优势：
120.(1)三种空间计算算法
121.针对不同的输入数据格式，实现三种算法来实现区域划分功能——矢量外扩法、栅格外扩法、矢量框定法。具体根据数据本身是矢量还是栅格数据进行不同算法的切换。并能够支持多种地物要素类型的输入，并对每种输入要素设置不同的权重等级进行合理的城市区域自动划分。能够根据用户的偏好和要求进行不同的算法选择、输入要素数量、权重等级等，通过选择不同的输入兴趣点要素，得到不同的区域划分结果。
122.(2)瘦客户端应用数据共享与可视化分析
123.相比于传统桌面端进行地理信息数据处理，本系统基于客户端b/s架构开发，能够将城市按照用户选择的设置规则，输出划分区域后的结果展现给使用者，并能够支持用户进行不同设置下的结果选择。成果输出是基于b/s架构进行，返回的结果能够数据提供给用户进行下载，可视化展示和空间分析等服务。在可视化分析方面，本系统针对不同算法得到的的区域分割结果，能够实现对比展示，方便进行算法结果对比。
124.通过将三种算法嵌入前后端交互的架构中使得用户仅需要在浏览器中填写表单并提交就可以在web界面的地图底图上对自动划分的特征区域进行查看，极大地提高了对城市中特征区域的查找效率。
125.(3)数据清洗
126.本系统可以对不同类型的输入数据进行预处理，针对原始数据中存在很多不合理、错误等问题，对数据本身进行清洗过滤，对得到的标准数据集实现正确的城市区域划分结果规则区域划分。
127.基于本系统，在未来的城镇空间特征区域划分工作，可以考虑结合更多类型的城市规划数据，如poi数据、dem数据等，对以上区域自动划分的结果进行一定的修正，以得到更加个性化、适用于各种规划需求的区域划分结果。
128.以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。