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卫星遥感技术在城市规划中的应用_吴健平收稿日期:2002-07-19;修订日期:2002-11-25作者简介:吴健平(1962-),男,华东师范大学地理系教授,从事遥感与地理信息系统的研究。卫星遥感技术在城市规划中的应用吴健平,张立(华东师范大学地理系,上海200062)摘要:对卫星遥感技术在城市规划中的应用进行了分析,包括城市空间布局信息分析(如城市建成区范围、城镇体系、城市内部用地构造、建筑密度与建筑容积率、城市环境污染等)、城市变化监测(城市扩展、土地利用/土地覆盖变化等)及规划施行情况检查(监测未经批准的建设工程及检查规划批准项目的落实情况),对应用的内容、方案及效果进行了总结和讨论。分析表明,遥感技术能为城市规划提供诸多基础数据,具有广阔的应用前景,但不能完全代替地面调查。关键词:卫星遥感技术;城市规划中图分类号:TP79;TU984文献标识码:A文章编号:1004-0323(2003)01-0052-051引言城市规划的内容涉及面广、工程周期性强、业务工作量大,这使得规划基础资料调查整理的任务复杂艰巨。规划基础资料的内容涉及到自然条件、环境状况、资源分布、城市建设、经济社会发展等众多方面,不仅要提供这些要素在不同空间层次(如建成区、市域、城市所在区域)的分布状况与数量构成,而且还要反映出某些要素在各个时期的演进经过或变化情况,以便对城市进行宏观与微观相结合的动态研究1。自1972年美国发射第一颗陆地卫星以来,卫星遥感的技术和应用有了很大的发展。在技术方面,陆地卫星的空间分辨率最高已到达1m,所利用的电磁波段也从原先的可见光近红外波段扩展到热红外、微波波段,从原先的二维观测发展到能进行三维观测;在应用方面,从原先宏观的区域研究开场向复杂的城市区域研究。国内外已有很多报道介绍利用卫星遥感技术获取城市规划所需的基础数据,如英国利用卫星遥感与GIS相结合的方法分析布里斯托尔城区的寓居密度2;法国利用陆地卫星TM数据监测南特市大气质量3;泰国利用俄罗斯的卫星数据调查曼谷的难民营分布4;我们国家的城市规划部门也利用卫星遥感技术在城市土地利用调查、城市变化监测等方面开展了一些工作57。卫星遥感技术在城市规划中的应用能够归纳成3个方面:城市空间布局信息分析、城市变化监测及规划施行情况检查。2城市空间布局信息分析2.1城市建成区范围及城镇体系分析由于城市建成区范围反映城市的宏观特性,因此,它的分析并不需要很高空间分辨率的遥感图像,相反,空间分辨率过高,在轮廓界限的提取时就需要较多的制图综合。一般来讲,TM或SPOT图像用来分析城市建成区范围比拟适宜,一方面,它能比拟准确地反映建成区的范围,另一方面,由于成像经过中存在的制图综合,能较容易地提取出轮廓界限。假如要分析一个城市与周围城市或城镇的关系,同样,选择TM或SPOT图像比拟适宜,如在上海地区的TM图像上,所有乡(镇)政府所在地的城镇都能明显地反映出它们的大小和形状。2.2城市内部用地构造分析在卫星遥感图像上,不同类型的城市用地能否判读出,首先取决于它与周围地物的界限能否识别,假如地物的尺寸小于图像的空间分辨率,且与背景的影像特征很接近,那么该地物就会与背景混在一起,就不可能对该地物进行判读。在城市用地的轮廓界限能够反映的情况下,进一步根据影像特征(颜色、形状、大小及纹理等)和相关分析确定城市用地的类型。从TM、SPOT和IKONOS3种不同空间分辨第18卷第1期2003年2月遥感技术与应用REMOTESENSINGTECHNOLOGYANDAPPLICATIONVol.18No.1Feb.2003率的卫星遥感图像来看,TM图像合适分析绿地、水域、村镇建设用地及新建的寓居用地、道路广场用地等,对其它用地的判读则精度较差;SPOT图像与TM图像相比在能判读的内容上并没有本质上的差异,但具体程度和判读精度要提高;IKONOS图像与前面两种图像比拟有本质上的提高,不同城市用地的特征基本上都能在图像上反映出,只要判读人员熟悉区域,就能正确地判读出不同类型城市用地的分布。从其它卫星遥感数据来看,中巴资源卫星(CBERS)数据与TM数据判读效果基本一致;而IRS1C的全色波段数据与TM多光谱数据的融合图像其判读效果介于SPOT与IKONOS数据之间,一般的道路都能在图像上反映出,能清楚地勾绘新建的住宅用地、有宽大厂房的工业用地、高楼组成的公共设施用地等。2.3建筑密度与建筑容积率分析城市建筑密度图的编制通常是以街区(block)为单位,勾绘出每一建筑物的轮廓界限,并计算建筑物占地面积,街区内所有建筑物占地面积之和与街区面积之比即为建筑密度。在卫星遥感图像上能否勾绘出建筑物的轮廓界限,与建筑物之间的距离及图像的空间分辨率有关。一般来讲,建筑物之间的距离要大于图像空间分辨率1.52倍,才能在图像上勾绘出轮廓界限,如空间分辨率为10m,则建筑物之间的间距至少要15m才能在图像勾绘出界限。建筑容积率是建筑物地面以上各层面积总和与建筑地块面积之比值。建筑容积率与建筑高度有密切关系,一般来讲,高度越高,容积率越大。利用卫星遥感技术获取建筑物的高度信息早在1973年就开场。总的来讲有两种方法,落影测量法和立体量测法。落影测量法的原理是有一定高度的物体在太阳光的照射下,会在地面产生落影,落影的长度与建筑物的高度和太阳入射角有关,当我们知道太阳的入射角,并且测量出落影的长度时,就能够算出建筑的高度。Cheng和Thiel(1995)8利用SPOT全色图像计算了42幢建筑物的高度,平均精度为3.7m,但在建筑密度大的区域,会造成落影互相重叠或落影投射在其它建筑物上,这时会有较大的测量误差。立体量测法是利用同一区域两张不同角度成像的图像(立体像对),先在一张图上选定所要测量的建筑物底部和顶部两个点,然后在另一张图上找到同名像点,计算同名像点的视差(与像主点之间距离差),并进行相减得出它们的视差较,利用下面的公式能够计算出这两个点的高差(即建筑物的高程):dh(x,y)=dp(x,y)H/B其中:dh(x,y)是相对高程,dp(x,y)是两个点的视差较,H/B是卫星成像的基高比,即两个图像成像位置之间的距离与成像高度之比。Toutin9总结了利用不同卫星遥感图像获取地面相对高程信息的精度(表1)。表1不同卫星遥感图像获取地面相对高程信息的精度图像空间分辨率(m)精度(m)LandsatTM304570IRS-1C/D61030SPOTP10515IKONOS11.522.4城市环境污染分析2.4.1城市大气污染城市大气中的污染物有粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、光化学烟雾及含氟、氯废气等。当大气中的烟尘到达一定量的时候,就会对电磁波产生反射,进而在遥感图像上构成浅白色流动状影像特征(可见光波段)。但这种特征的明显程度与烟尘的浓度、排放范围以及遥感图像的空间分辨率有关。如1990年上海幅的TM图像上明显地反映出黄浦江沿岸几个烟尘排放量大的工厂(吴泾化工厂、上海水泥厂、杨树浦发电厂等)所排放的烟尘及扩散范围。热红外数据对城市大气污染监测十分有用。一方面,一些污染源所排放的废气具有较高的温度,在遥感图像上能够判读出主要的污染源;另一方面,地面的热辐射在通过大气层时,要遭到大气的影响,大气污染会减少辐射温度,因而,传感器所获得的热红外波段数据的大小与大气的污染程度存在着关系。以往,热红外波段数据主要主要用于探测地表温度,大气的影响作为噪声来考虑。近年来,有一些专家利用热红外波段数据来分析城市的大气环境,如Sifakis等人曾利用两个时相的LandsatTM图像,一个是在无污染的时间成像,另一个是在有污染的时间下成像,比拟这两个时相的温度图,发现温度的减少与城市大气污染的程度是有联络,污染严重的区域温度有明显的减少。2.4.2城市水体污染水体污染程度的评价包括对水体中溶解性物53第1期吴健平等:卫星遥感技术在城市规划中的应用质、有机物、固体悬浮物、植物营养物质、重金属等单一污染物的含量分析以及综合分析。水体中污染物的含量变化会改变水体的颜色及水体的光谱反射率,因而有可能利用遥感手段监测水体污染。美国威斯康星麦迪逊大学曾利用SPOT卫星图像监测密歇根湖格林湾的水质10。在11个样点收集了水样,在实验室分析了叶绿素、浑浊度(TRB)、总悬浮物(TSS)等水质参数。卫星反射率和水质参数用Minitab统计程序包进行分析。分析方法包括数据曲线图表、相关矩阵和逐步线形回归法。所得到的相关矩阵表明,绿光波段(XS1)与水质参数呈最弱的相关性,而红光(XS2)和近红外(XS3)波段则呈强相关性。当浑浊度(TRB)和总悬浮物(TSS)含量较低(分别时相的输入数据出如今空间内不同位置的点,而未变化像素两个时相的输入数据则出如今空间内几乎一样位置的点。通过每一像素变化向量的大小和方向的比拟就可检测变化。一般变化向量的方向可用于区分变化类型,大小(常用n维变化的欧氏距离表示)可用于区分每一类变化的强度。对变化信息的分类可采用不同的方法,例如象限代码法是将变化向量按方向分配到不同的象限内并赋予不同的代码,每种代码代表一种变化类型;主成分分析法是将变化向量在n维空间的分量作主成分分析,每个主成分代表一种变化类型。最后将图像变化信息与未变化信息复合,可得到完好的变化检测图。4规划施行情况检查对规划施行情况进行监督检查是城市规划管理部门一项主要的日常工作,包括监测未经批准的建设工程及检查规划批准项目的落实情况。在城市建设经过中存在一些未批先用、越权批地等违法的建设工程项目,作为城市规划管理部门来讲,需要及时发现这些违法行为,并进行立案查处。监测未经批准的建设工程首先是要监测新建的建设用地(包括在建和完工),然后,与规划工程分布图进行叠置分析,产生一张违法建设用地的分布图,并以此查处违法建设工程。利用卫星遥感检测新的建设开发用地已有不少研究工作,如YunZhang13曾利用卫星遥感方法研究上海市区房屋开发情况检测,分类结果表明,宽度在1020m以上的房屋都能被检测出,提取精度在86%以上。检查规划项目的落实情况包括规划项目的完成情况、建设用地的位置、界线、内容等能否与“两证一书上有关图纸一致等。由于该项工作涉及到对详细项目的分析,因而,用于分析的遥感图像首先要能显示出每一建筑物的形状,即空间分辨率至少要5m以上,从目前来看,只要IKONOS卫星数据能到达这个要求,已发射的SPOT5其全色图像的分辨率将到达2.5m,也能够在这方面发挥作用。详细的工作方法是首先把遥感图像与工程图进行配准叠置,叠置以后就能够发现位置、范围以及建设内容能否与规划相一致。5结语在城市规划经过中,需要把握很多基础数据,以往这些基础数据的获取需要通过实地调查来获得,涉及很多人力物力,并且调查的周期很长。遥感技术所具有的宏观性、实时性及动态性等特点,为基础数据的调查提供了一个新的途径,具有广阔的应用前景。当然,遥感技术也有局限,它不可能完全代替地面调查。对应用部门来讲,要根据详细的调查内容,分析遥感应用的可行性,并选择适宜的应用方案,进而有效地发挥遥感技术的作用。参考文献:1陈军,仇肇悦,孙玉国,等.城市总体规划采用遥感与信息系统技术的形式和实践J.遥感信息,1991,(1):811.2HarrisRJ,LongleyPA.NewDataandApproachesforUr-banAnalysis:ModellingResidentialDensitiesJ.Transac-tionsinGIS,2000,4(3):217234.3WaldL,BaleynaudJM.ObservingAirQualityOvertheCityofNantesbyMeansofLandsatThermalInfraredDataJ.IntJRemoteSensing,1999,20(5):947959.4BjorgoE.UsingVeryHigeSpatialResolutionMultispectralSatelliteSensorImagerytoMonitorRefugeeCampsJ.IntJRemoteSensing,2000,21(3):611616.5江涛,张传霞.城市扩展动态变化的遥感研究J.遥感信息,1999,(4):5053.6李志中,杨清华,孙永军,等.利用动态遥感技术监测太原市土地变更情况J.国土资源遥感,1999,(3):7276.7沙晋明,甘淑,王人潮,等.绍兴市城镇用地扩展的遥感监测J.国土资源遥感,1998,(3):5155.8ChengF,ThielKH.DelimitingtheBuildingHeightsinaCityfromtheShadowinaPanchromaticImage-Part1:testof42BuildingsJ.IntJRemoteSensing,1995,16:409415.9ToutinT.ElevationModelingfromSatelliteVisibleandIn-frared(VIR)DataJ.IntJRemoteSensing,2001,22:10971125.10陈光明,桂金莲编译.SPOT图像在格林湾水质监测中的应用J.遥感技术与应用,1991,4:3438.11HowarthPJ,Boasson:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.htmlndsatDigitalEnhancementsforChangeDetectioninUrbanEnvironmentsJ.RemoteSens-ingoftheEnvironment,1983,13:149160.12GriffithsGN.MonitoringUrbanChangefromLandsatTMandSPOTSatelliteImagerybyImageDifferencingJ.Pho-togrammetricEngineeringandRemoteSensing,1988,63:887900.13YunZhang.DetectionofUrbanHousingDevelopmentbyFusingMultisensorSatelliteDataandPerformingSpatialFeaturePost-ClassificationJ.IntJRemoteSensing,2001,22(17):33393355.55第1期吴健平等:卫星遥感技术在城市规划中的应用ApplicationofSateliteRemoteSensingTechnologyonCityPlanningWUJian-ping,ZHANGLi(UrbanandEnvironmentalDynamicsCourseOpenLaboratory,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)Abstract:Thispaperanalysestheapplicationofsatelliteremotesensingtechnologyoncityplanning,in-cludinganalysisofspatialdistribution,monitoringofchangingandexaminationofplanningimplementationforacity,theextents,methodsandeffectsofapplicationarealsosummarizedanddiscussed。Theanalysisindicatesthatremotesensingtechnologycanprovidemuchbasicdataforcityplanning,butcannotreplacefieldinvestigationfully.Keywords:Satelliteremotesensingtechnology;CityplanningInternet上的卫星遥感信息资源高空间分辨率卫星系统IRS:/www.nrsa.org/KVR:/www.spin-Orbitalimage(Orbviewsatellites):/ww:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.html/Quickbird/Earlybird:/ENVISAT:/envisat.estec.esa.nl/instruments/EOS-AMl/TERRA:/terra.nasa.gov/EOS-PMl/Aqua:/aqua.gsfc.nasa.gov/Orbview-4Orbitalimage(Orbviewsatellites):/ww:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.html/NMP/EO-l:/eol.gsfc.nasa.gov/ARIES:/www.aries-sat.au/高时间分辨率卫星系统Meteosat:/www.esoc.esa.de/external/mso/meteosat.htmlNOAA(institute):/www.noaa.gov/NOAA(RSdata):/www.nesdis.no:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.html/NOAA-POES:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.html/Resurs:/resurs.satellus.se/Orbview-2Orbitalimage(Orbviewsatellites):/www.orbimag:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.html/SeaWifs:/seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.htmlLandsat-7(atUSGS):/landsat:/docsj/doc/1f9e0d9f33d4b14e85246861.htmlgs.gov/Landat-7(atNASA):/landsat.gsfc.nasa.gov/index.htmLandsatprogram:/geo.arc.nasa.gov/sge/landsat/landsat.htmlSPOT:/www.spotimage.fr/(本刊编辑部)56遥感技术与应用第18卷