卫星遥感技术在城市规划中的应用_吴健平.pdf

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1、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、城市内部用地结构、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)及规划实施情况检查(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探讨。分析表明,遥感技术能为城市规划提供众多

2、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:TP 79;TU 984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、经济社会发展等诸多方面,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过程或变化情况,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

3、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达到 1 m,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始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居住密度 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

4、57。卫星遥感技术在城市规划中的应用可以归纳成3 个方面:城市空间布局信息分析、城市变化监测及规划实施情况检查。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,在轮廓界线的提取时就需要较多的制图综合。一般来说,T M 或SPOT 图像用来分析城市建成区范围比较合适,一方面,它能比较精确地反映建成区的范围,另一方面,由于成像过程中存在的制图综合,能较容易地提取出轮廓界线。如果要分析一个城市与周围城市或城镇的关系,同样,选择 T M 或 SPOT 图像比较合适,如在上海地区的 T M

5、 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城市内部用地结构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线能否识别,如果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线能够反映的情况下,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 IKONOS 3 种不同空间分辨第 18 卷第 1 期2003年 2月遥感技术与应用REMOTE SENSING T ECHNOLOGY AND APPLICA

6、T IONVol.18N o.1Feb.2003率的卫星遥感图像来看,T M 图像适合分析绿地、水域、村镇建设用地及新建的居住用地、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,但详细程度和判读精度要提高;IKONOS 图像与前面两种图像比较有本质上的提高,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 T M 数据判读效果基本一致;而IRS1C 的全色波段数据与 T M 多光谱数据的融合图像其判读效果介于 SPO

7、T 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线,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线,与建筑物之间的距离及图像的空间分辨率有关。一般来说,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线,如空间分辨率为 10 m,则建筑物之间的间距至少要 15 m 才能在图像勾绘出界线。建筑容积率是

8、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,一般来说,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年就开始。总的来说有两种方法,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,就可以算出建筑的高度。Cheng 和 T hiel(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 3.7 m,但在建筑密度大的区域,会造成落影相互重叠或落影投射在其它建筑物上,这时会有较大的测

9、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,利用下面的公式可以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。T outin 9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

10、度(m)Landsat T M304570IRS-1C/D61030SPOT P10515IKONOS11.522.4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。当大气中的烟尘达到一定量的时候,就会对电磁波产生反射,从而在遥感图像上形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 T M 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

11、特别有用。一方面,一些污染源所排放的废气具有较高的温度,在遥感图像上可以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,要受到大气的影响,大气污染会减少辐射温度,因此,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 Landsat T M 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,比较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系,污染严重的区域温度有明显的减少。2.

12、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,因此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 个样点采集了水样,在实验室分析了叶绿素、浑浊度(T RB)、总悬浮物(T SS)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,

13、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 4.0NT U 和 10mg/L)是,XS2、XS3 对之变化很不敏感,而当 T RB 和 TSS 含量较高时,XS2、XS3 对之变化则呈强烈的正比关系。但是,在 TRB和 T SS 含量较低时,红绿两波段之比值对之变化则比较敏感。在回归模型中,把红绿两波段之比值XS2/XS1 与XS3 组合后的多光谱方式,可在整个水质参数范围内(SDD 除外)获得最佳结果。最后回归模型表明,R2 要高,SE(y)要低,F/Fcr 要大于 4.0,回归效果才较

14、好。研究结果表明,可见光和近红外组合起来的多光谱方法,为监测 TSS 和 T RB 提供了一个简单而有效的模型。对叶绿素的监测只有在悬浮物浓度小于 0.5 mg/L 时有较好效果,在水体浑浊的情况下,利用 SPOT 提供的有限的光谱分辨率来确定叶绿素的分布是比较困难的。2.4.3城市固体废物污染城市固体废物主要包括城市生活垃圾、工业垃圾、建筑垃圾及混合垃圾。固体废弃物的识别主要是依据纹理信息,一般来说,只有当固体废弃物的面积大于图像空间分辨率 5 倍以上才有可能被识别。因此,对T M 和 SPOT图像,它们所能识别的固体废弃物最小面积分别为22 500 m2和 10 000 m2,显然这种精度

15、对固体废弃物的调查没有多大意义。对 IKONOS 卫星图像,它所能识别的固体废弃物最小面积可达到 400 m2,可以用于固体废弃物调查。3城市变化监测在城市规划中,除了要对城市中的各种要素进行现状分析外,还需要对城市进行变化监测。由于卫星遥感具有重复成像的特点,因此是变化监测的有效手段。遥感变化监测是通过不同时相遥感图像的组合、加工、处理获得地物动态变化信息的技术。变化检测的方法一般可分为两大类:?基于影像分类,如分类后比较法和多时相图像分类法;?基于单个像元波谱变化,如彩色合成法、图像代数运算法、多时相组合数据法、变化向量法、两值变化掩膜法等。目前比较常用的是分类后比较法、图像代数运算法和变

16、化向量法。3.1分类后比较法该法是变化检测中常用的定量方法。首先将两组图像分别进行纠正分类,然后将两个分类图利用变化检测矩阵逐像元比较,但该方法会将分类结果的误差引入到变化检测结果中,因此应尽可能提高分类精度。3.2图像代数运算法对已配准图像取差值或比值,可以检测出两个时相图像的相同波段间的变化。通常差值图像的直方图近似高斯分布,没有变化的灰度值位于均值附近,而变化的灰度级则远离均值。比值图像也类似,没有变化的灰度级近似于 1或某一常数。一般根据图像用于作差值或比值的波段或波段组合不同,可有植被指数法、穗帽变换指数法等。在城 市 扩 展 研 究 中,通 常 利 用 植 被 指 数(NDVI)法

17、,这是因为在非干旱区域的城市化过程实际上是建筑材料(低的 NDVI)取代植被(高的NDVI),NDVI 的 突然 减 少 指 示 城 市 的 发展。Howarth 和 Boasson(1983)11的研究也证实这一点,植被的变化与城市扩张强烈相关。Griffiths(1998)12在利用 NDVI 变化技术分析东南英格兰地区城市发展中发现单独利用 NDVI 差值有较大的错分误差,原因是一些农田不是一直种庄稼,有时处于休闲期,这时,利用 NDVI 变化检测就会把这些农田检测成城市扩展区域,为了消除这种误差,Griffiths 利用邻近分析对NDVI 变化检测图进行滤波,以消除这种误差,并取得了较

18、好效果。Masek 等人也采用类似方法对华盛顿特区的城市扩展进行了研究。3.3变化向量法变化向量法是一种非常有效的多元变化检测方法。对每一像对(D1 和 D2),n 个输入数据组成 n 维向量空间,用于描述不同时相输入数据间变化的方向和大小的向量即为变化向量。一个变化像素两个54遥感技术与应用第 18 卷时相的输入数据出现在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现在空间内几乎相同位置的点。通过每一像素变化向量的大小和方向的比较就可检测变化。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

19、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,可得到完整的变化检测图。4规划实施情况检查对规划实施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。在城市建设过程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说,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(包括在建和竣工),然后,与规划工程分布图进

20、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 Yun Zhang 13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 1020 m 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、界限、内容等是否与“两证一书”上有关图纸一致等。由于该项工作涉及到对具体项目的分析,因此,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 5 m 以上,从目前来看,只有IKONOS 卫星数据能达到这个要求,已发射的SPOT 5 其全色图像的

21、分辨率将达到 2.5 m,也能够在这方面发挥作用。具体的工作方法是首先把遥感图像与工程图进行配准叠置,叠置以后就可以发现位置、范围以及建设内容是否与规划相一致。5结语在城市规划过程中,需要掌握很多基础数据,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。对应用部门来说,要根据具体的调查内容,分析遥感应用的可行性,并选择合适的应用方案,从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

22、体规划采用遥感与信息系统技术的模式和实践J.遥感信息,1991,(1):811.2 Harris R J,Longley P A.New Data and Approaches for Ur-ban Analysis:Modelling Residential Densities J.T ransac-tions in GIS,2000,4(3):217234.3 Wald L,Baleynaud J M.Observing Air Quality Over theCity of Nantes by Means of Landsat Thermal Infrared Data J.Int J

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25、ing,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,1991,4:3438.11 Howarth P J,Boasson E.Landsat Digital Enhancements forChang e Detection in U rban EnvironmentsJ.Remote Sens-ing of the Environment,1983,13:149160.12 Griffiths G N.Monitoring Urban Change from L andsat T Mand SPOT Satellit

26、e Imagery by Imag e Differencing J.Pho-togrammetric Engineering and Remote Sensing,1988,63:887900.13 Yun Zhang.Detection of U rban Housing Development byFusing Multisensor Satellite Data and Performing SpatialFeature Post-Classification J.Int J Remote Sensing,2001,22(17):33393355.55第 1 期吴健平等:卫星遥感技术在

27、城市规划中的应用Application of Satelite Remote SensingTechnology on City PlanningWU Jian-ping,ZHANG Li(Urban and Environmental Dynamics Course Op en Laboratory,East ChinaNormal University,Shanghai 200062,China)Abstract:T his paper analyses the application of satellite remote sensing technology on city plann

28、ing,in-cluding analysis of spatial distribution,monitoring of changing and examination of planning implementationfor a city,the extents,methods and effects of application are also summarized and discussed。T he analysisindicates that remote sensing technology can provide much basic data for city plan

29、ning,but cannot replacefield investigation fully.Key words:Satellite remote sensing technology;City planningInternet 上的卫星遥感信息资源高空间分辨率卫星系统IRS:http:/www.nrsa.org/KVR:http:/www.spin- image(Orbview satellites):http:/ bird:http:/ ERRA:http:/terra.nasa.gov/EOS-PMl/Aqua:http:/aqua.gsfc.nasa.gov/Orbview-4 O

30、rbital image(Orbview satellites):http:/ data):http:/www.nesdis.noaa.gov/NOAA-POES:http:/poes.gsfc.nasa.gov/Resurs:http:/resurs.satellus.se/Orbview-2 Orbital image(Orbview satellites):http:/ USGS):http:/landsat7.usgs.gov/Landat-7(at NASA):http:/landsat.gsfc.nasa.gov/index.htmLandsat program:http:/geo.arc.nasa.gov/sge/landsat/landsat.htmlSPOT:http:/www.spotimage.fr/(本刊编辑部)56遥感技术与应用第 18 卷