遥感技术在数字城市中的主要应用

来源:用户上传      作者: 温庆双

　　[摘　要]“数字城市”是当前的热门话题，作为戈尔的“数字地球”概念的引伸，它引起了各级政府以及相关行业的关注。建设部提出的“城市规划、建设、管理和服务的数字化工程”推动了国内数字城市建设。
　　[关键词]遥感技术；数字城市
　　
　　数字城市是数字地球的重要组成部分，是综合运用G1S、遥感、遥测、网络、多媒体和虚拟仿真等技术，对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统。简言之，数字城市就是指在城市规划建设与运营管理以及城市生产与生活中，充分利用数字化信息处理技术和网络通信技术，将城市的各种信息资源加以整合并充分利用。它将城市信息管理与服务融合到基于Internet网络的数字化系统中，具有三维、多重分辨率空间信息的特点。目前，数字城市尚无严格的定义，从本质上说，数字城市是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络技术和现代通信技术为纽带，运用3S技术、遥测、虚拟现实技术等建立起来的城市网络信息环境。数字城市对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类地描述，也可以说数字城市利用现代信息技术将城市的过去、现在甚至未来在网络上进行数字化虚拟实现。数字城市以数字化方式表示城市的各种信息，不仅包括城市及其空间位置有关的直接信息，如地形、地貌、建筑、水文、资源等，还包括相关的人口、经济、教育、军事等社会信息。
　　城市，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。
　　遥感技术作为一利，在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的探测技术，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。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、管理和城市现代化和科学化管理的水平高低的一个重要标志。
　　
　　1.遥感技术应用于数字城市的特点
　　
　　1.1　成像范围广：卫星利用其独特的地理优势。对地面进行观测、成像。由于卫星能够覆盖广阔的地面范围，将区域地理数据浓缩在一张或几张遥感影像上，可更直观地对其进行分析。一景Landsat影像对应的地面实际面积为185×185km，一景SPOT图像对应的地面实际地面面积为60×60km，因此，这样就能使我们更直观地了解整个城市的概貌，并且能够使得图中的相应位置关系及地理位置较准确，数字城市建设的精度更高。
　　1.2　成像周期短：数字城市是一个信息系统，而且是一个动态的系统。随着数字城市建设步伐的加快，城市面貌日新月异，要使数字城市不断地促进城市发展，数字城市也只有不断地更新、不断地变化。因此，这对数字城市的维护提出了更高的要求，遥感利用其成像周期短的特性，在此又显示出其独特的一面，如Landsat卫星的重访周期为16天，CBERS中巴地球观测卫星的重访周期为26天，SPOT卫星回归周期为26天，但由于采用倾斜观测，所以实际上可以对同一地区用4～5天的进行观测。因此，遥感数据为数字城市数据库的实时更新提供了有力保障，我们可以从遥感影像那里获得源源不断的数据，保证了数字城市与城市建设的同步发展。
　　1.3　成像方式多：通过卫星人们可以获得多时相、多谱段、多点位遥感影像，这大大拓宽了研究问题的视野。通过多次图像处理，取出人们所需的遥感信息，从而不再局限于原始的影像数据。多时相的影像数据使人们对城市的变化有较清晰的了解，尤其是对城区的动态变化，还可以对城区的环境进行实时动态监测。多谱段使人可以获得紫外、可见光、近红外、远红外和微波等不同波段的信息，扩大人类的视野。多点位成像使人们能够获得多角度的物体影像，从而实现立体三维观察。
　　
　　2.遥感技术在数字城市中的应用
　　
　　2.1　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。
　　2.2　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利，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。
　　2.3　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。
　　2.4　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。
　　2.4.1　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。
　　2.4.2　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。
　　2.4.3　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。
　　2.4.4　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。
　　2.5　为“城市管理信息系统”提供基础资料：运用遥感技术，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。
　　
　　3.数字城市对遥感提出新的要求
　　
　　数字城市建设需要许多高新技术的支撑，遥感作为其中之一，也面临着很大的考验，数字城市对遥感提出的新的更高要求主要体现在：
　　3.1　高分辨率：主要体现在空间分辨率和时间分辨率的提高上。数字城市并不是一个非常宏观的概念。它要求能够服务于人们的日常生活，与大家的生活息息相关。因此，系统要求实现从“宏观”到“微观”的突破；同时。数字城市要求卫星对同一地区成像的周期缩短，实现数据仓库中数据的不断更新。保证数字城市的现势性同。虽然遥感技术在分辨率上有了很大的提高，成像周期也有明显的缩短。但还不能满足数字城市建设的要求。因此，实现遥感技术高分辨率是数字城市建设的关键之。
　　3.2　智能化：数字城市的发展要求必须要有高分辨率卫星图片等遥感数据的智能获取，包括卫星轨道数据的自动提取、接收，轨道的自动计算与选择，参数的自动调整、操作过程的自动调度等智能化接收技术与自动完成图像导航，亚像元几何校正、融合与数字摄影测量，光谱校正、精确匹配、自动分类与地图分幅镶嵌处理等智能化图像处理技术，这不仅可以提高数据的精度，减少一些人为因素的影响，同时，这也大大提高了效率，推动了数字城市的建设步伐。
　　3.3　定量化：过去，遥感技术的应用仅仅局限于定性分析，这已经不能满足人类的需求了，从定性分析到半定量分析再到定量分析逐渐成为人们研究的方向。数字化城市就是要求对城市定量化表示，因此，遥感技术作为数字城市的关键技术之一，实现定量化分析将对数字城市的建设具有决定性作用，也将是遥感技术史上的一次革命。
　　3.4　图像处理技术的提高：通过卫星所获得的遥感影像包含有相当的干扰信息，即“噪声”，实现有用信息的成功提取也是一项关键技术，虽然目前图像的处理方法和技术很多，如增强处理、滤波处理等，但是大量的有用信息还不能被提取出来，这严重阻碍了信息的利用率，因此，针对遥感的特点，研究出一些实用的遥感图像处理方法，也成为数字城市建设的当务之急。
　　
　　4.结语
　　
　　数字城市作为数字地球的领头军，随着城市化的高速发展，数字城市的建设对许多技术有了更多、更新的要求，遥感技术作为重要的支撑技术，也在不断的进步和发展，积极地推动数字城市的全面发展。同时，数字城市的逐步完善过程也会面临许多前所未有的挑战，如，需要更高的空间及时间分辨率的遥感数据、更智能化的数据获取方式、更先进的图像处理手段以及数据应用的数量化。

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