[科普中国]-城市遥感

简介

城市遥感就是遥感在城市中的应用，比如：城市热岛效应分析、城市变化检测、城市绿化分析、城市大气污染检测，城市土地利用分析等。

随着全球城市化的加速，城市发展所引起的系列问题日趋突出，这些问题已成为当今世界所面临的人口、资源与环境三大问题中的重要内容，并且严重地阻碍了城市的进一步可持续发展。城市，作为是一个日新月异的开放系统，及时掌握其发展进程中的新信息及变化信息是对其实施合理规划、建设和管理的基础。而传统的陈旧的信息获取手段及过时的信息数据只会使得任何的管理和规划都成为城市健康发展的制约因素。因此，运用新的信息获取手段和实时的信息数据对城市进行合理的规划和管理已势在必行。1

遥感技术作为一种在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知时的一门探测技术，可以快速、准确地获取城市发展、建设的有关信息，既有城市宏观的全貌和综合数据，又有城市的一屋一桥等微观图像和数据，可以全面、高效、实时地了解城市的发展变化。正是由于这种有别于以往任何常规方法的优势，城市遥感逐渐成为遥感、城市建设、环境专家们共同关注的热点，遥感技术也被越来越广泛地运用到城市建设的各个领域中。简而言之，城市遥感即以城市为研究对象，利用遥感技术为城市规划和建设管理者提供多方面的地理基础信息和其他与城市发展有关的分析资料。1

目前，城市遥感主要是采用航空与航天遥感相结合，配合地面检查的方法。全球3000多颗卫星的运作(法国的SPOT，美国的快鸟，印度的IRS等)，各种不定期的航空和地面遥感的作业，可见光摄影、彩色红外摄影、热红外扫描、多光谱扫描等各种成像方式的使用，使得多分辨率、多光谱、多质量等级的城市动态信息(图像和数据)的获取成为可能。如今，城市遥感技术的运用，已成为城市规划、管理和该座城市现代化和科学化管理的水平高低的一个重要标志。1

特点城市遥感技术有以下几方面特点：2

1 . 多— 信息量多。对整个城市的地物景观，一览无余，众多的专业部门、学科领域，均可以使用，服务对象极为广泛。

2. 快— 成果出得快。由于使用了航天、航空及计算机等现代技术，可以快速大面积覆盖工作区，效率高，成果出得快。

3.好— 现状性( 亦称同时性或等时性) 好。城市建设的飞速发展，使城市面貌的改观是极快的。遥感技术可以获得城市某一时间断面的瞬时信息，俗称: “ 一刀切” 。而常规的城市调查方法，工作周期长，资料的获取难以作到“ 同时性” 。

4.省— 成本低。一次飞行，多方受益。一次城市遥感综合调查，所用经费，为采用常规方法的总投资数的十分之一。

5. 真— 图象逼真。使用图象立体观察仪，观察遥感图象，可以看到立体效果，就如同人们自己直接从空中俯瞰一样，地面景观极为生动、逼真。

6. 深— 认识深刻。由于遥感技术具有多种功能的传感器和探侧系统，并采用计算机自动处理、显示功能，从而扩大和深化了人们对事物的认识水平，可以较深刻地看清城市各方面问题的表面现象、相互关系及其本质。

7. 活— 动态信息活。可以将不同时间断面的瞬时信息，进行多时相叠加，获得动态分析资料，从而了解城市各方面历史的演变情况及推测未来发展趋势。

应用领域城市遥感的应用领域如下：1

制作城市图像包括卫星遥感图像制作、航空像片镶嵌、计算机制图及彩红外正射影像图研制等。利用遥感资料使用光学或计算机技术可制作不同种类、各种比例尺的专题图或影像图，以满足不同使用者的需求。不论是规划者、建设者、管理者或决策者，均可以从图中了解所需要的信息，在图上拟定方案或对策。

城市土地利用现状调查当前，城市用地共分为十个大类，分别是: 居住用地、公共设施用地、工业用地、仓库用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公用设施用地、绿地、特殊用地、水域和其他用地。在实际工作中，我们可以根据不同的应用需要，进行相应类型的遥感调查，获取相应的遥感资料，然后绘制出土地利用现状图和土地利用演变图，并自动测算出该区域内各种用地的面积、分布、变化情况及发展趋势。城市规划和管理者通过这些资料，可以判断城市布局是否合理?城市绿地是否足够?存在哪些不足?需要如何改进?从而因地制宜，为城市制定相应的规划、建设和管理方案。城市人口普查在定性、定量、定位的调查了城市各种土地利用现状后，可迅速而准确地获得城市的总建筑密度、住宅房屋密度等城市用地特征参数。而城市居住建筑密度与人口分布密度往往有着某种必然的联系，因此，可以以住房密度作为变量用于人口普查、人口统计学等方面的研究，从而为国家人口普查提供一个方便、快捷、精确的辅助手段。

城市环境质量调查城市环境是自然环境和社会环境综合作用下的人工环境。环境质量是指城市各环境要素本身及其组合受到污染影响的程度。当前，城市环境质量调查的主要内容是固体废弃物污染、大气污染、热污染和水污染。

固体废弃物调查由于固体废弃物自身的物理化学分解作用，其温度一般比周围地面的温度要高，所以在航空热红外图像上表现出明显的色调特征，从而可以利用遥感图像对固体废弃物进行有效的调查。

大气污染调查根据遥感影像特征，可对各种污染源的分布、污染物的扩散途径进行调查。例如通过遥感影像可以直接统计出市区所有锅炉、烟囱的分布、数量、类型和道路上汽车的数量、类型，求出其与烟尘、废气排放量之间的相关系数，考虑城市气象、地形、风速、风向、绿化等多方面因素，并结合实地观测数据，则可对城市大气污染程度进行测定。

热污染调查城市热污染主要包括由于臭氧层被破坏致使的“温室效应”和表现为城市市区温度高于郊区的“热岛效应”。利用热红外遥感，对城市的热辐射进行白天和夜间扫描，通过影像判读分析，可以查明城市热源、热场位置和范围，并对城市热岛的分布规律、形态特征等进行研究。从而，可以对城市热环境进行科学合理的规划、整治和管理。

水污染调查由于溶解或悬浮于水中的污染物成分、浓度不同，使水体的颜色、密度、透明度、温度产生差异，导致水体反射率的变化，因而在遥感图像上表现出色调、灰阶、纹理特征等方面的差别。例如，工厂中排出的冷却污水比环境水温高，在多光谱图像和热红外图像中有明显的反映，密度分割后即可确定热水污染的范围。如果利用多时相遥感图像，还可求出热水污染的扩散方向和扩散系数。油膜反射率和水的反射率不同，且主要差别发生在0.30微米和0.45微米之间，所以利用一般彩色或紫外航空航天摄影资料可获得最佳效果，计算出油污染的面积。城市管理者根据这些遥感信息，可以判断出水体污染的分布、类型及程度，从而调整城市的不合理布局，整治和关闭污染超标工厂，妥善安置工业和生活垃圾。

为“城市管理信息系统”提供基础资料运用RS(遥感)技术，可以为建立“城市管理信息系统”提供实时的、动态的、多波段、多分辨率的海量空间地理信息，从而为建立“数字城市”、“虚拟城市”奠定良好的基础。

遥感图像应用城市概况城市作为一个地区的物质流、能量流与信息流的枢纽中心,好似各个地区社会经济发展中的涡轮与区域资源开发的搅拌机,它把资源和动力卷进去,又把成品和废物排出来,不停地吐故纳新,高速地提高这个地区的生产水平与生活质量。城市化几乎反映一个地区的开发和进步,也标志着一个时代的文化和文明。日新月异更趋复杂的城市系统,需要航空和航天遥感来进行动态监测,而只有城市,才最具承担遥感监测和地理信息系统的高投入和高产出的人材和资金的能力。1800年城市居民仅占世界总人口的2%,20世纪初,世界人口仅有10%集中在城市,而20世纪末,已有32亿人口,即总数的50%以上集中在城市,平均每周增加1,000,000人。1970年～1985年间,城市贫困者绝对人数增加了22%,比乡村多1倍。1993年,中国城市总面积约16,000km2,人口约330,000,000,比70年代大约增长了一倍。中国现有超过50,000人的城市有660多个。中国既是人口大国,也是城市发展很快的亚太地区国家。随着全球城市化的加速和沿海特大城市的涌现,到了21世纪,中国人口将由12亿增长到16亿,城市人口将由现有的29.7%上升到39%(2010)乃至47%。水源危机、大气污染、垃圾处理等环境问题的治理及建设规划和土地管理等决策需要,都在刺激和推进利用遥感监测与地理信息系统用于分析城市化的历史、现状和未来。

城市扩张的时空分析中国城市历史悠久,空间结构复杂。现在以前所未有的速度进行新城区的建设和旧城区的改造。历史遗留的问题尚未清理,新的环境问题又不断滋生。因此,采用以航空为主,航天为辅,多平台、多时相的遥感监测,适当结合同步或准同步的实况调查,面对城市的空间、建筑形态、景观设计、绿化与水污染等问题,进行历史信息的分析,从而深入了解城乡变化、景观结构和环境质量问题,这正成为中国城市规划管理部门和遥感、地理信息系统专家所共同感兴趣的热点。以首都北京市为例,1983年组织了第一次航空彩色红外摄影,应用于27项资源与环境调查。北京秋季是难得的晴空少云季节,戴昌达教授[12]选用1987年9月26日的TM图像(WRS132/32),与1989年10月17日,1992年10月25日以及1994年9月7日的TM图像作比较,经过几何校正与辐射校正的前期处理及地面控制点纠正,达到半个象元级的精度,保证了多时相TM的可比性。较详细的光谱分类合并为城郊土地利用分类,突出两个不同时相图像中的变化部分。最明显的变化包括绿化用地(VegetatedUrbanLand)及被建筑物占用的绿地,其次是区分水体与高层建设的阴影,并按感光灰度区分污染与清洁水体。从而查明北京建筑物1994年比1987年增长了39%。而且建筑物占用的正是当年的农田和菜地;而新的绿地则向农业用地和郊区迁移。北京的交通网向效区延伸十分迅速。三环与四环在TM影像上清晰可见,1987年大约有20多处相交;而1994年超过100多处。因此,交通事故与塞车现象明显增加。1987年北京及8个卫星城市的绿地约占总面积的8.5%,而1994年增长到16.93%,新的绿地主要是苗圃、宾馆、立交桥与居民小区。显而易见,绿地比例不高,特别是在深秋季节,这些落叶树木和季节绿地的信息,格外微弱,说明了北京冬季绿化的艰难。北京是世界城市中缺乏江河的少数大型城市之一。与此同时,研究分析了下列城市环境问题:(1)基本查清了市区的建筑密度、危房、棚户在建工地;(2)全面分析了市区道路的几何尺度、施工占路状况、露天停车场数量;(3)机动车辆车速、密度、流量,获取同一瞬间市区交通总景观;(4)对浦东新区的土地利用、绿化、固体废弃物堆放,地表水污染以及禽畜饲养场分布对环境的影响,建立了环境质量综合评价模型;(5)对市区绿化进行了三维立体结构的定量研究,评价了市区现有绿化环境的生态效益与直接经济效益;(6)研究了城市热岛与大气下垫面的类型与空间分布;(7)全市暴雨积水的分析、评估与对策;(8)浦西古沙堤的演变与古遗址研究。

城市信息系统广州市的城市规划、管理信息系统是建立在坚实的航空摄影与航空遥感资料基础之上的。包括覆盖全市的1∶2000比例尺数字正射影像地图和1∶5000比例尺彩色数字影像图,并进行了水系与绿地调查、违章建筑监测与规划现状分析。建成了数字影像DTM数据库。在此基础上,提出了1991～2010年跨世纪的远景发展总体规划,包括城市发展结构、土地利用模式、环境保护、供电等37个专项和50幅专题图件,以CAD和GIS技术综合集成为多层次、多类型的多媒体规划管理信息系统。其中闪光的创新点和具有推广价值的经验,有以下几方面:(1)提出城市发展“门槛分析”的新理论。通过GIS叠加综合分析,将城市发展用地分为不同等级的门槛,从而进行各发展方向的条件评价及城市功能分布评价。指出广州市白云山脉、珠江泛滥平原上残余丘陵等自然门槛和文物保护区应列为绝对不能动用作为建筑用地。现有城区内的结构性门槛较多,而向东发展有较好的潜力。(2)建立历史文化名城保护规划信息系统。包括空间环境景观、历史风貌、文物古迹、革命史迹、近代优秀建筑与古树名木等保护对象,建成多媒体查询系统。200多处文物保护和300多株古树名木,逐一定位、定性登记。

(3)建成300多平方公里的实测,普查地下管线数据库。实现全面普查与竣工测量相结合,规划审批与现状信息相结合,具备综合查询、网络或截面分析、管线工程辅助设计、规划综合与管线制备等功能,从而实现了管线规划与实施的办公自动化。(4)指出城市增长驱动力包括向心、离心与摩擦三大力因素变化的新观念,以及城市增长与土地增值六阶段的理论,建立了从宏观到微观的土地增值的模型。依据上述详实的遥感图像数据库和应用理论模型,广州市成功地实现了优先建立分区规划信息系统的策略,将这一特大城市的土地利用模式划分为79个地块,提出“现状分析、条件拟定、方案设计、成果监理、动态入库”这一全过程数字化的系统模式。并以21世纪广州新的城市中心为目标,实现规划管理、土地批租、开发建设、物业管理一体化和系统化。力争与国际化城市形象与标准接轨。实现了窗口服务、网络(Internet,Intranet)联接和办公自动化。广州市城市信息系统不仅在本市正常运行,而且在湛江市、中山县、小榄镇等中小城镇得到推广,并为乌鲁木齐市、天津保税区和北京中关村高新技术区所借鉴。曾参加1992年国际城市建设成果及1996年全国城市规划成就展览。重庆是1997年设置的新的直辖市,幅员由2.3万km2扩大到8.2km2。行政辖区覆盖三峡库区80%,面临着老工业基地改造、移民、扶贫和生态环境保护的4大难题,肩负着增强中心城市综合实力,探索城市带动农村,搞好三峡库区移民的新的历史使命。为此,急需应用遥感监测技术和地理信息系统来缓解山城改造、工矿交通占用农田以及森林砍伐、水土流失诱发崩塌、滑坡、泥石流等灾害问题。

1984年沿长江两岸各15km范围内进行过1∶6万航空彩红外摄影,1992～1995年再次组织了全市1∶6万比例尺及城郊区772km2的1∶1万航空彩红外摄影。1989年引进MSS进行城市地貌调查,1996年着手建设地理信息系统,重视数字化生产以及数据质量、管理与更新的规范和制度,完善多源数据集成环境和服务体系,界面友好全汉化菜单提示,为山城特有的斜坡、陡崖、梯坎等地形地貌关系的表达,精心编制了专用子程序,已开始为新的城市设计招标提供80km2的1∶500数字地形图;沿着210、212两条国道100余km提供了1∶500～1∶2000数字化地形图和三维立体模型,为经济开发区、新技术区、石油、天然气提供数字化的管网图。空间分辨率卫星图像数据应用于城市数据库的更新 从1999年出版的“香港揽胜”地图集的出版可以看到,在这部以太空影像为主体的香港城市地图集中,搜集了1994年俄罗斯COSMOS(2米)、1999年法国(SPOT-10米)、加拿大(Radsat-10米)等的卫星数据和图像及1994年中国科学实验卫星(3米)的数据和图像。而且经过高精度的辐射校正与几何纠正,编制了1∶60,000比例尺的分幅影像图与地理图。全部是在电脑辅助制图和影像处理工艺过程下完成的。这些图像,形象地展示出香港城市发展计划的成就;荃湾、沙田、屯门和大埔四座大型新市镇,已经基本建成居住、工业、生活协调发展的卫星城镇,荃湾已与九龙市区连为一体,启德机场2.1km2的土地将停止使用,元朗、粉岭和上水在迅速发展之中。新市镇的发展,为香港多元化的工商业提供了大量相对廉价而交通便利的土地。为香港人居环境提供了较为宽松的生活空间。而且在这些遥感图像数据的基础上,对香港的填海造陆工程(约6000公顷,占城市用地的60%)、植被类型和绿被指数、土地利用与土地覆盖现状、自然保护区以及飓风、赤潮等自然灾害,作了初步的专题分析,揭示与香港城市生活休戚相关的供水、供电、电讯、交通网络系统及其与深圳、珠江三角洲乃至大陆腹地的唇齿相依的关系。图集问世之后,受到香港特区政府部门、大学和科研部门的欢迎。卫星遥感图像数据应用于区域城镇体系的规划设计 城市发展,决不是彼此孤立的现象,随着城市的发展,它们的辐射作用对于毗邻的城市是相互依赖、相互影响的。大城市的辐射阴影效应对于周边的卫星城镇来说,也是有利有弊的。城市之间的兼并、融合时有发生,从而形成城市群落或城市圈,而卫星遥感应用又成为区域城镇体系规划布局的又一高层次的热点。现有的中等空间分辨率的卫星图像数据,仍然继续发挥着重要作用[25]。90年代初,曾经利用TM和MSS卫星图像,进行城镇体系的分析研究(图6),对城镇居民点分布高度密集的华北平原、长江和珠江三角洲地区、辽东半岛和四川盆地中部,通过居民地的分布密度改造为按行政单元统计的人口普查数据,使其模拟落实到自然村,编绘成为格网式的人口密度图。这种方法,对于地广人稀,以绿洲农业为主体的中国西部和以山间盆地为单元的中国西南山区,尤其适用。1999年10月,中国和巴西合作,成功地发射了(BERS-1)资源卫星,这颗卫星上的两台多光谱扫描仪,其空间分辨率分别为19.5m和80米,我们将会用它来获取最新的全国范围的城镇动态数据,来修证21世纪的城镇体系规划。例如在即将出版的《长江经济带可持续发展地图集》中,对长江沿岸六个大核心城市的城镇体系与投资环境所做的系统分析,可见其一斑。3