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遥感技术在城市规划中的应用
日期:2015-03-27
近年来,随着现代遥感技术的不断发展和完善,获取的遥感数据也越来越丰富、准确、强现势性, 使之成为城市规划中一种重要的潜在的数据源。因此遥感技术在城市空间布局、信息分析、城市变化监测及规划实施情况检查等方面有着广泛的应用。
城市是一个多维动态空间结构实体,面临着人口、资源、环境、发展的压力,城市可持续发展是国家、区域实现可持续发展的基础。综合运用地理信息系统、遥感、全球定位、智能交通、智能建筑、宽带网络等技术,对城市的基础设施、功能机制进行动态监测、优化管理及辅助决策的技术体系,它是全面提高城市规划、建设、管理与服务水平和城市现代化程度的重要手段。城市遥感信息是“数字城市”的多源信息的一个重要分支,与城市的其它信息相比,有其自身特点和应用优势,同时也是“数字城市”建设中的关键技术之一。遥感影像表达的信息内容十分丰富,包括了人们肉眼可分辨的显性信息和难以分辨的隐性信息以及线划图不能表达或被加工去掉的信息,它不但具有同线划图等量的数学精度,而且可用于专业判读、影像解译、资源调查等优势。这些综合信息经计算机图像增强处理,加上专业人员的释图,得到各种专题图件,如植被分布图、土地利用现状图等,为城市规划设计提供依据。  
遥感技术具有空间准确性、时效性、多源性、视野广、数字化、多种比例等特点。随着其几何与光谱分辨率的不断提高,目前已经成为获取和更新基础地理信息的重要手段。将航空影像扫描数据或航天遥感数据,经过辐射校正、几何校正,并利用数字高程模型进行投影差改正,有时附之以主要居民地、地名、境界等矢量数据,按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成数字正射影像数据集。正射影像可以是全色、假彩色或真彩色,具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。可作为背景控制信息,评价其他数据的精度、现势性和完整性;还可作为城市规划建设的数据源。 
利用不同分辨率的遥感影像完成1:500万、1:1000万、1:2000万、1:50O0万、1:1万5种基本比例尺地形图数据的更新工作,同时辅以外业调绘更新相应的属性信息,以保持地形数据的现势性,实时为数字城市规划服务。  
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IKONOS3种不同空间分辨率的卫星遥感图像来看,TM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TM数据判读效果基本一致;而IRS—1C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。
城市建筑密度图的编制通常是以街区为单位,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1.5-2倍才能在图像上勾绘出轮廓界线,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线,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,就可以算出建筑的度。 Cheng和Thiel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,会造成落影相互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)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 
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比。Toutin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。如下表1所示:
图像
空间分别率(m)
精度(m)
Landsat  TM
30
45-70
IRS—1C/D
6
10-30
SPOT  P
10
5-15
IKONOS
1
1.5-2
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。热红外数据对城市大气污染监测特别有用。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 。水体污染程度的评价包括对水体中溶解性物质、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。 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TRB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0.5mg/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。
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TM和SPOT图像,它们所能识别的固体废弃物最小面积分别为22500m2和10000m2,显然这种精度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400m2,可以用于固体废弃物调查。 
城市处于不断地发展变化之中,城市中长期存在的违法建设严重影响了城市发展的质量,对城市整体环境和公众利益造成了严重侵害。 结合城市实际情况,以城市规划建设为监测对象,通过不同时期遥感影像的比对,以及遥感影像与地形数据、规划数据的比对,采用专家系统和人工判读相结合的方法,实现城市规划建设情况的数字执法,整体技术方案如下图所示: 
 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。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5m以上。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。 
多传感器和多时相的遥感数据对于评估城市动态发展、合理规划城市用地具有非常重要的作用遥感研究应用已开展多年, 遥感技术是综合了解城市基础资料的最有效手段, 近年来人们系统地利用遥感技术搭建辅助城市规划编制分析、研究及管理的专用技术平台, 在利用新技术与城市规划结合研究城市问题领域提出了系统框架与理论方法, 并使之付诸于规划实践。通过将3s技术[遥感技术(Remote sensing,RS)、地理信息系统(Geography information systems,GIS)和全球定位系统(Global positioning systems,GPS)的统称]有机结合,直接将现实中的城市地形、地貌、空间形态和建筑物等信息输入计算机系统,使规划设计的依据更加准确和及时;还可以采用仿真、虚拟现实等技术对规范设计方案进行分析、比较和浏览,用于与实际效果的比较及发展预测,为规划的制定和修编提出直观、准确的图形数据和属性数据,更好的满足现代城市规划的发展趋势需求,提高城市的现代化和科学管理水平。 
同样, 对其他如土地、水利、环境、园林、旅游等开展综合调查, 提供决策依据。对保持城市可持续发展具有重要的意义。随着工作的逐步扩展和深入, 相信遥感技术在我国各个城市的建设中必将发挥更大作用。