城市遙感(高科技城市系統)

城市遙感 ，就是遙感在城市中的套用。日新月異更趨複雜的城市系統，需要航空和航天遙感來進行動態監測，而只有城市，才最具承擔遙感監測和地理信息系統的高投入和高產出的人材和資金的能力。

基本介紹

• 中文名：城市遙感
• 外文名：Urban remote sensing
• 意思：遙感在城市中的套用
• 動態監測：航空和航天遙感
• 承擔：高投入和高產出的人材和資金

簡介

城市遙感就是遙感在城市中的套用，比如：城市熱島效應分析、城市變化檢測、城市綠化分析、城市大氣污染檢測，城市土地利用分析等。

隨著全球城市化的加速，城市發展所引起的系列問題日趨突出，這些問題已成為當今世界所面臨的人口、資源與環境三大問題中的重要內容，並且嚴重地阻礙了城市的進一步可持續發展。城市，作為是一個日新月異的開放系統，及時掌握其發展進程中的新信息及變化信息是對其實施合理規劃、建設和管理的基礎。而傳統的陳舊的信息獲取手段及過時的信息數據只會使得任何的管理和規劃都成為城市健康發展的制約因素。因此，運用新的信息獲取手段和實時的信息數據對城市進行合理的規劃和管理已勢在必行。

遙感技術作為一種在不直接接觸的情況下，對目標物或自然現象遠距離感知時的一門探測技術，可以快速、準確地獲取城市發展、建設的有關信息，既有城市巨觀的全貌和綜合數據，又有城市的一屋一橋等微觀圖像和數據，可以全面、高效、實時地了解城市的發展變化。正是由於這種有別於以往任何常規方法的優勢，城市遙感逐漸成為遙感、城市建設、環境專家們共同關注的熱點，遙感技術也被越來越廣泛地運用到城市建設的各個領域中。簡而言之，城市遙感即以城市為研究對象，利用遙感技術為城市規劃和建設管理者提供多方面的地理基礎信息和其他與城市發展有關的分析資料。

目前，城市遙感主要是採用航空與航天遙感相結合，配合地面檢查的方法。全球3000多顆衛星的運作(法國的SPOT，美國的快鳥，印度的IRS等)，各種不定期的航空和地面遙感的作業，可見光攝影、彩色紅外攝影、熱紅外掃描、多光譜掃描等各種成像方式的使用，使得多解析度、多光譜、多質量等級的城市動態信息(圖像和數據)的獲取成為可能。如今，城市遙感技術的運用，已成為城市規劃、管理和該座城市現代化和科學化管理的水平高低的一個重要標誌。

特點

城市遙感技術有以下幾方面特點：

1 . 多— 信息量多。對整個城市的地物景觀，一覽無餘，眾多的專業部門、學科領域，均可以使用，服務對象極為廣泛。

2. 快— 成果出得快。由於使用了航天、航空及計算機等現代技術，可以快速大面積覆蓋工作區，效率高，成果出得快。

3.好— 現狀性( 亦稱同時性或等時性) 好。城市建設的飛速發展，使城市面貌的改觀是極快的。遙感技術可以獲得城市某一時間斷面的瞬時信息，俗稱: “ 一刀切” 。而常規的城市調查方法，工作周期長，資料的獲取難以作到“ 同時性” 。

4.省— 成本低。一次飛行，多方受益。一次城市遙感綜合調查，所用經費，為採用常規方法的總投資數的十分之一。

5. 真— 圖象逼真。使用圖象立體觀察儀，觀察遙感圖象，可以看到立體效果，就如同人們自己直接從空中俯瞰一樣，地面景觀極為生動、逼真。

6. 深— 認識深刻。由於遙感技術具有多種功能的感測器和探側系統，並採用計算機自動處理、顯示功能，從而擴大和深化了人們對事物的認識水平，可以較深刻地看清城市各方面問題的表面現象、相互關係及其本質。

7. 活— 動態信息活。可以將不同時間斷面的瞬時信息，進行多時相疊加，獲得動態分析資料，從而了解城市各方面歷史的演變情況及推測未來發展趨勢。

套用領域

城市遙感的套用領域如下：

製作城市圖像

包括衛星遙感圖像製作、航空像片鑲嵌、計算機製圖及彩紅外正射影像圖研製等。利用遙感資料使用光學或計算機技術可製作不同種類、各種比例尺的專題圖或影像圖，以滿足不同使用者的需求。不論是規劃者、建設者、管理者或決策者，均可以從圖中了解所需要的信息，在圖上擬定方案或對策。

城市土地利用現狀調查

當前，城市用地共分為十個大類，分別是: 居住用地、公共設施用地、工業用地、倉庫用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公用設施用地、綠地、特殊用地、水域和其他用地。在實際工作中，我們可以根據不同的套用需要，進行相應類型的遙感調查，獲取相應的遙感資料，然後繪製出土地利用現狀圖和土地利用演變圖，並自動測算出該區域內各種用地的面積、分布、變化情況及發展趨勢。城市規劃和管理者通過這些資料，可以判斷城市布局是否合理?城市綠地是否足夠?存在哪些不足?需要如何改進?從而因地制宜，為城市制定相應的規劃、建設和管理方案。城市人口普查在定性、定量、定位的調查了城市各種土地利用現狀後，可迅速而準確地獲得城市的總建築密度、住宅房屋密度等城市用地特徵參數。而城市居住建築密度與人口分布密度往往有著某種必然的聯繫，因此，可以以住房密度作為變數用於人口普查、人口統計學等方面的研究，從而為國家人口普查提供一個方便、快捷、精確的輔助手段。

城市環境質量調查

城市環境是自然環境和社會環境綜合作用下的人工環境。環境質量是指城市各環境要素本身及其組合受到污染影響的程度。當前，城市環境質量調查的主要內容是固體廢棄物污染、大氣污染、熱污染和水污染。

固體廢棄物調查

由於固體廢棄物自身的物理化學分解作用，其溫度一般比周圍地面的溫度要高，所以在航空熱紅外圖像上表現出明顯的色調特徵，從而可以利用遙感圖像對固體廢棄物進行有效的調查。

大氣污染調查

根據遙感影像特徵，可對各種污染源的分布、污染物的擴散途徑進行調查。例如通過遙感影像可以直接統計出市區所有鍋爐、煙囪的分布、數量、類型和道路上汽車的數量、類型，求出其與煙塵、廢氣排放量之間的相關係數，考慮城市氣象、地形、風速、風向、綠化等多方面因素，並結合實地觀測數據，則可對城市大氣污染程度進行測定。

熱污染調查

城市熱污染主要包括由於臭氧層被破壞致使的“溫室效應”和表現為城市市區溫度高於郊區的“熱島效應”。利用熱紅外遙感，對城市的熱輻射進行白天和夜間掃描，通過影像判讀分析，可以查明城市熱源、熱場位置和範圍，並對城市熱島的分布規律、形態特徵等進行研究。從而，可以對城市熱環境進行科學合理的規劃、整治和管理。

水污染調查

由於溶解或懸浮於水中的污染物成分、濃度不同，使水體的顏色、密度、透明度、溫度產生差異，導致水體反射率的變化，因而在遙感圖像上表現出色調、灰階、紋理特徵等方面的差別。例如，工廠中排出的冷卻污水比環境水溫高，在多光譜圖像和熱紅外圖像中有明顯的反映，密度分割後即可確定熱水污染的範圍。如果利用多時相遙感圖像，還可求出熱水污染的擴散方向和擴散係數。油膜反射率和水的反射率不同，且主要差別發生在0.30微米和0.45微米之間，所以利用一般彩色或紫外航空航天攝影資料可獲得最佳效果，計算出油污染的面積。城市管理者根據這些遙感信息，可以判斷出水體污染的分布、類型及程度，從而調整城市的不合理布局，整治和關閉污染超標工廠，妥善安置工業和生活垃圾。

為“城市管理信息系統”提供基礎資料

運用RS(遙感)技術，可以為建立“城市管理信息系統”提供實時的、動態的、多波段、多解析度的海量空間地理信息，從而為建立“數字城市”、“虛擬城市”奠定良好的基礎。

遙感圖像套用城市概況

城市作為一個地區的物質流、能量流與信息流的樞紐中心,好似各個地區社會經濟發展中的渦輪與區域資源開發的攪拌機,它把資源和動力卷進去,又把成品和廢物排出來,不停地吐故納新,高速地提高這個地區的生產水平與生活質量。城市化幾乎反映一個地區的開發和進步,也標誌著一個時代的文化和文明。日新月異更趨複雜的城市系統,需要航空和航天遙感來進行動態監測,而只有城市,才最具承擔遙感監測和地理信息系統的高投入和高產出的人材和資金的能力。1800年城市居民僅占世界總人口的2%,20世紀初,世界人口僅有10%集中在城市,而20世紀末,已有32億人口,即總數的50%以上集中在城市,平均每周增加1,000,000人。1970年～1985年間,城市貧困者絕對人數增加了22%,比鄉村多1倍。1993年,中國城市總面積約16,000km2,人口約330,000,000,比70年代大約增長了一倍。中國現有超過50,000人的城市有660多個。中國既是人口大國,也是城市發展很快的亞太地區國家。隨著全球城市化的加速和沿海特大城市的湧現,到了21世紀,中國人口將由12億增長到16億,城市人口將由現有的29.7%上升到39%(2010)乃至47%。水源危機、大氣污染、垃圾處理等環境問題的治理及建設規劃和土地管理等決策需要,都在刺激和推進利用遙感監測與地理信息系統用於分析城市化的歷史、現狀和未來。

城市擴張的時空分析

中國城市歷史悠久,空間結構複雜。現在以前所未有的速度進行新城區的建設和舊城區的改造。歷史遺留的問題尚未清理,新的環境問題又不斷滋生。因此,採用以航空為主,航天為輔,多平台、多時相的遙感監測,適當結契約步或準同步的實況調查,面對城市的空間、建築形態、景觀設計、綠化與水污染等問題,進行歷史信息的分析,從而深入了解城鄉變化、景觀結構和環境質量問題,這正成為中國城市規劃管理部門和遙感、地理信息系統專家所共同感興趣的熱點。以首都北京市為例,1983年組織了第一次航空彩色紅外攝影,套用於27項資源與環境調查。北京秋季是難得的晴空少雲季節,戴昌達教授[12]選用1987年9月26日的TM圖像(WRS132/32),與1989年10月17日,1992年10月25日以及1994年9月7日的TM圖像作比較,經過幾何校正與輻射校正的前期處理及地面控制點糾正,達到半個象元級的精度,保證了多時相TM的可比性。較詳細的光譜分類合併為城郊土地利用分類,突出兩個不同時相圖像中的變化部分。最明顯的變化包括綠化用地(VegetatedUrbanLand)及被建築物占用的綠地,其次是區分水體與高層建設的陰影,並按感光灰度區分污染與清潔水體。從而查明北京建築物1994年比1987年增長了39%。而且建築物占用的正是當年的農田和菜地;而新的綠地則向農業用地和郊區遷移。北京的交通網向效區延伸十分迅速。三環與四環在TM影像上清晰可見,1987年大約有20多處相交;而1994年超過100多處。因此,交通事故與塞車現象明顯增加。1987年北京及8個衛星城市的綠地約占總面積的8.5%,而1994年增長到16.93%,新的綠地主要是苗圃、賓館、立交橋與居民小區。顯而易見,綠地比例不高,特別是在深秋季節,這些落葉樹木和季節綠地的信息,格外微弱,說明了北京冬季綠化的艱難。北京是世界城市中缺乏江河的少數大型城市之一。與此同時,研究分析了下列城市環境問題:(1)基本查清了市區的建築密度、危房、棚戶在建工地;(2)全面分析了市區道路的幾何尺度、施工占路狀況、露天停車場數量;(3)機動車輛車速、密度、流量,獲取同一瞬間市區交通總景觀;(4)對浦東新區的土地利用、綠化、固體廢棄物堆放,地表水污染以及禽畜飼養場分布對環境的影響,建立了環境質量綜合評價模型;(5)對市區綠化進行了三維立體結構的定量研究,評價了市區現有綠化環境的生態效益與直接經濟效益;(6)研究了城市熱島與大氣下墊面的類型與空間分布;(7)全市暴雨積水的分析、評估與對策;(8)浦西古沙堤的演變與古遺址研究。

城市信息系統

廣州市的城市規劃、管理信息系統是建立在堅實的航空攝影與航空遙感資料基礎之上的。包括覆蓋全市的1∶2000比例尺數字正射影像地圖和1∶5000比例尺彩色數字影像圖,並進行了水系與綠地調查、違章建築監測與規劃現狀分析。建成了數字影像DTM資料庫。在此基礎上,提出了1991～2010年跨世紀的遠景發展總體規劃,包括城市發展結構、土地利用模式、環境保護、供電等37個專項和50幅專題圖件,以CAD和GIS技術綜合集成為多層次、多類型的多媒體規劃管理信息系統。其中閃光的創新點和具有推廣價值的經驗,有以下幾方面:(1)提出城市發展“門檻分析”的新理論。通過GIS疊加綜合分析,將城市發展用地分為不同等級的門檻,從而進行各發展方向的條件評價及城市功能分布評價。指出廣州市白雲山脈、珠江泛濫平原上殘餘丘陵等自然門檻和文物保護區應列為絕對不能動用作為建築用地。現有城區內的結構性門檻較多,而向東發展有較好的潛力。(2)建立歷史文化名城保護規劃信息系統。包括空間環境景觀、歷史風貌、文物古蹟、革命史跡、近代優秀建築與古樹名木等保護對象,建成多媒體查詢系統。200多處文物保護和300多株古樹名木,逐一定位、定性登記。

(3)建成300多平方公里的實測,普查地下管線資料庫。實現全面普查與竣工測量相結合,規劃審批與現狀信息相結合,具備綜合查詢、網路或截面分析、管線工程輔助設計、規劃綜合與管線製備等功能,從而實現了管線規劃與實施的辦公自動化。(4)指出城市增長驅動力包括向心、離心與摩擦三大力因素變化的新觀念,以及城市增長與土地增值六階段的理論,建立了從巨觀到微觀的土地增值的模型。依據上述詳實的遙感圖像資料庫和套用理論模型,廣州市成功地實現了優先建立分區規劃信息系統的策略,將這一特大城市的土地利用模式劃分為79個地塊,提出“現狀分析、條件擬定、方案設計、成果監理、動態入庫”這一全過程數位化的系統模式。並以21世紀廣州新的城市中心為目標,實現規劃管理、土地批租、開發建設、物業管理一體化和系統化。力爭與國際化城市形象與標準接軌。實現了視窗服務、網路(Internet,Intranet)聯接和辦公自動化。廣州市城市信息系統不僅在本市正常運行,而且在湛江市、中山縣、小欖鎮等中小城鎮得到推廣,並為烏魯木齊市、天津保稅區和北京中關村高新技術區所借鑑。曾參加1992年國際城市建設成果及1996年全國城市規劃成就展覽。重慶是1997年設定的新的直轄市,幅員由2.3萬km2擴大到8.2km2。行政轄區覆蓋三峽庫區80%,面臨著老工業基地改造、移民、扶貧和生態環境保護的4大難題,肩負著增強中心城市綜合實力,探索城市帶動農村,搞好三峽庫區移民的新的歷史使命。為此,急需套用遙感監測技術和地理信息系統來緩解山城改造、工礦交通占用農田以及森林砍伐、水土流失誘發崩塌、滑坡、土石流等災害問題。

1984年沿長江兩岸各15km範圍內進行過1∶6萬航空彩紅外攝影,1992～1995年再次組織了全市1∶6萬比例尺及城郊區772km2的1∶1萬航空彩紅外攝影。1989年引進MSS進行城市地貌調查,1996年著手建設地理信息系統,重視數位化生產以及數據質量、管理與更新的規範和制度,完善多源數據集成環境和服務體系,界面友好全漢化選單提示,為山城特有的斜坡、陡崖、梯坎等地形地貌關係的表達,精心編制了專用子程式,已開始為新的城市設計招標提供80km2的1∶500數字地形圖;沿著210、212兩條國道100餘km提供了1∶500～1∶2000數位化地形圖和三維立體模型,為經濟開發區、新技術區、石油、天然氣提供數位化的管網圖。空間解析度衛星圖像數據套用於城市資料庫的更新　從1999年出版的“香港攬勝”地圖集的出版可以看到,在這部以太空影像為主體的香港城市地圖集中,蒐集了1994年俄羅斯COSMOS(2米)、1999年法國(SPOT-10米)、加拿大(Radsat-10米)等的衛星數據和圖像及1994年中國科學實驗衛星(3米)的數據和圖像。而且經過高精度的輻射校正與幾何糾正,編制了1∶60,000比例尺的分幅影像圖與地理圖。全部是在電腦輔助製圖和影像處理工藝過程下完成的。這些圖像,形象地展示出香港城市發展計畫的成就;荃灣、沙田、屯門和大埔四座大型新市鎮,已經基本建成居住、工業、生活協調發展的衛星城鎮,荃灣已與九龍市區連為一體,啟德機場2.1km2的土地將停止使用,元朗、粉嶺和上水在迅速發展之中。新市鎮的發展,為香港多元化的工商業提供了大量相對廉價而交通便利的土地。為香港人居環境提供了較為寬鬆的生活空間。而且在這些遙感圖像數據的基礎上,對香港的填海造陸工程(約6000公頃,占城市用地的60%)、植被類型和綠被指數、土地利用與土地覆蓋現狀、自然保護區以及颶風、赤潮等自然災害,作了初步的專題分析,揭示與香港城市生活休戚相關的供水、供電、電訊、交通網路系統及其與深圳、珠江三角洲乃至大陸腹地的唇齒相依的關係。圖集問世之後,受到香港特區政府部門、大學和科研部門的歡迎。衛星遙感圖像數據套用於區域城鎮體系的規劃設計　城市發展,決不是彼此孤立的現象,隨著城市的發展,它們的輻射作用對於毗鄰的城市是相互依賴、相互影響的。大城市的輻射陰影效應對於周邊的衛星城鎮來說,也是有利有弊的。城市之間的兼併、融合時有發生,從而形成城市群落或城市圈,而衛星遙感套用又成為區域城鎮體系規劃布局的又一高層次的熱點。現有的中等空間解析度的衛星圖像數據,仍然繼續發揮著重要作用[25]。90年代初,曾經利用TM和MSS衛星圖像,進行城鎮體系的分析研究(圖6),對城鎮居民點分布高度密集的華北平原、長江和珠江三角洲地區、遼東半島和四川盆地中部,通過居民地的分布密度改造為按行政單元統計的人口普查數據,使其模擬落實到自然村,編繪成為格網式的人口密度圖。這種方法,對於地廣人稀,以綠洲農業為主體的中國西部和以山間盆地為單元的中國西南山區,尤其適用。1999年10月,中國和巴西合作,成功地發射了(BERS-1)資源衛星,這顆衛星上的兩台多光譜掃瞄器,其空間解析度分別為19.5m和80米,我們將會用它來獲取最新的全國範圍的城鎮動態數據,來修證21世紀的城鎮體系規劃。例如在即將出版的《長江經濟帶可持續發展地圖集》中,對長江沿岸六個大核心城市的城鎮體系與投資環境所做的系統分析,可見其一斑。