卫星遥感与城市发展
卫星遥感与城市发展[1]
梅安新
城市是一个规模庞大、结构复杂、不断发展的动态体系，是人口集中的区域，是政治、经济和文化中心。因此，其空间结构、经济结构乃至建筑结构均与乡村有很大差别。
一、城市的影像特点
首先，城市是人类改造自然界最频繁活跃的地区，大量建筑物构成地面覆盖的主体。建筑物（包括道路、广场等）的组成物质，如水泥、沥青、砖瓦、石材和部分金属材料等的性质与自然岩石、土壤等电磁波谱特性不同，加上人工构筑物结构和相互间组合关系的特点，城市在卫星遥感图像上有鲜明的特点。
其次，城市内部各类地物空间尺寸小，如房屋建筑长宽一般都在几十米以内，小的只有几米，河流、道路镶嵌在建筑群体之中，宽度常在十米左右。因而，要求遥感图像的空间分辨率较高。
第三，不同地物空间频率变化大。由于城市建筑物与农田、森林、草原等地物比，尺寸较小，不同地物在短距离内差异较大。
第四，城市内部结构复杂。各种人工建筑物类型各异，大小不一，高低不同，密度相差大。特别是我国一些大城市内，工厂区与居民区混杂，居民区内简屋棚户、新型里弄、高层建筑属镶嵌状结构，给城市遥感分析增加了难度。
第五，城市人口密度大，且大型工业集中，带来较严重的污染问题，产生明显的热岛效应，固体废弃物堆放形成特殊景观。
第六，城市发展变化快。特别是改革开放以来，我国经济高速发展，城市发展变化更加迅速，空间的扩展，内部结构的调整，功能的转变，需要对城市进行多时相的动态监测。
总之，城市作为一个特殊区域，构成特殊的下垫面类型，空间结构的光谱特征，形成特殊的影像特征。对遥感监测提出特殊要求，即高空间分辨率、多谱段、热红外遥感有着重要作用。
不少国家现已相继发射遥感卫星，遥感器种类虽已不少，但能满足城市要求空间分辨率者仅法国的斯波特卫星（SPOT）的可见光全色波段。而满足光谱分辨率又有较高空间分辨率的仅美国陆地卫星（LANDSAT）的TM。我国发射的国土普查卫星图像具有较高空间分辨率，但在轨时间太短，尚不能作为不同时期监测的主要手段。随着航天技术的发展，特别是空间分辨率的提高和应用领域的不断拓展，将使卫星遥感在城市应用中跨上一个新台阶。
对城市遥感来说，理想的航天遥感平台与遥感器至少要满足以下要求：
（1）空间分辨率在1～5m之间。当空间分辨率为1m时，能识别地物形状的至少要求4个像元大小，即4mm2；当分辨率为5m时，能识别的地物大小为100m2。目前斯波特卫星（SPOT）可见光全色波段的空间分辨率为10m，能识别地物的大小为400m2。
（2）谱段覆盖应包括整个可见光波谱至近红外波段（0.4～2.5μm）和热红外波段（10.5～12.5μm），以便有效地探测城市热岛、大气和水污染、火灾等。
（3）美国的陆地卫星（LANDSAT）和法国斯波特卫星（SPOT）的重复周期分别为16天和26天（而斯波特侧视扫描可使周期缩短至4～5天），但一年中可取得同一城市的清晰影像仍属不易。特别是中国南方地区，雨日多，晴天少，16天和26天的周期仍嫌太长。鉴于航天平台的现状，最好利用法国斯波特卫星全色波段和美国陆地卫星专题制图仪多波段信息以及美国诺阿（NOAA）气象卫星的信息，达到功能互补，利于城市的遥感监测，可取得较好的效果。
近十多年来，我国城市遥感取得很大成绩。天津市在大气、水体、土壤、交通、植被、土地利用等方面进行了遥感调查，出版了计算机制图和环境质量地图集。北京市航空遥感综合调查，密切关注城市问题，结合规划需要，起到了示范作用，获得国家科技进步一等奖。另外，其他大中城市，如沈阳、南京等近20个城市也进行了彩红外航空遥感飞行，涉及土地调查、热岛效应、水源污染、绿地保护、文化考古、旅游、交通等问题。上海市的遥感调查将航天航空相结合，动静态结合，遥感与地理信息系统结合，为上海市建设、管理提供了重要信息资料。
二、城市遥感研究意义
遥感具有从空间和时间尺度上，对城市发展变化进行动态观测的优势，可以根据需要提供城市范围内各种地物动态信息，具有现势性强、图像直观形象、反映宏观规律性，并可节省大量人力、物力和财力等优点，对现代城市建设与管理有重要意义。
遥感是获取城市用地现状的重要手段。我国现阶段城市发展很快，所以要掌握城市发展变化，必须不断更新城市土地利用图。应用遥感技术可以及时地获得城市用地现状数据，是其他方法所不能替代的。
城市生态系统，是当前我国城市建设中关注的一个重要问题。因此，在城市绿化调查、监测、管理方面，遥感技术是主要的手段。
制订城市规划，要了解用地现状，规划执行过程中发现问题需要修订，遥感可提供可靠的信息，这对于监督规划非常有用。
遥感还能有效的监视城市发展趋势。城市化的标志之一是城市的空间扩展，城市周边的农业用地不断地为城市用地所代替，这是我国近几年来城市发展的重要趋势。与此同时，广大的农村建设用地也大量占用农田，导致农业用地逐年减少。所以必须及时了解城市化发展的进程和具体数量及其空间位置，以便有效地控制城市扩展进程。
由上可知，遥感是城市规划和建设管理极有用的现代化监测手段，它为城市规划提供了现势性强的基础图件和数据。以上海市为例，要完成全市1∶2.5万各区县的土地利用现状图，历时至少一年，200人以上，耗资60万元，最后归纳成全市1∶7.5万土地利用现状图。如利用航空遥感仅需10人，历时3个月，耗资20万元即可完成。所用人力是地面调查的1/20，时间是1/8，资金是1/3。如应用航天遥感仅需3人，1个月，6万元，即可完成1∶7.5万土地利用图，为常规调查所需人力的1/60，时间的1/24，资金的1/10。
三、卫星遥感图像城市信息的提取
遥感图像城市信息的提取，主要是进行光谱数据的计算机处理和影像特征的提取。现就图像的处理与提取作一简介。
1.基本原理
根据美国陆地卫星专题制图仪的7个波段的物理内涵可归纳成5个“特征空间”的数据集：亮度是反映地面物体裸露程度。不同物质地面的亮度值不同；同一物质地面由于其裸露程度不同，其亮度值亦有差别。它们能反映出不同的绿度、湿度、温度和透射度。绿度反映植被生长和覆盖的情况；湿度反映地表水体覆盖和地面湿度状况；温度反映地表热状况；透射度反映地表透视性强的物体，如水体清澈，其透射度即大，污染严重或泥沙含量大的水体其透射度就小。
2.方法步骤
在对城市各类地物进行信息提取和分类时，可按下列步骤进行：
第一步，分别提取该帧图像的亮度、绿度、湿度、温度和透射度信息。
第二步，按亮度、绿度和温度组合赋色，获得一张地表覆盖的分类图像。如裸露地用红色表示，绿色表示植被，水体以蓝色表示。
第三步，用最小距离法等进行分层分类。如根据不同亮度值、不同绿度和温度值大小分类，分出新建区和老城区，园林、农田和菜地，清水、浑浊水和污染水体等。
第四步，根据形状再作进一步分类。如根据图斑的形状大小和分布，再分出工厂区和居住区，城市绿地可分出街道绿地和公园绿地等。
四、城市遥感分析
1.城市总体结构分析
城市在历史的发展中形成一定的结构和布局，不同城市的结构和布局有共性也有个性。遥感技术可用来进行总体结构布局分析研究，现以上海市为例加以说明。
由于上海城市在发展过程中，建筑类型、密度等的不同，在图像上有明显的差异，形成了从中心到郊区的几个圈层结构，市内建成区又可分为两层。
中心层：大都是里弄住宅、简屋、旧工厂的复杂分布区。主要在黄浦江和吴淞江的交汇处，形成高密度建筑带，是人口高密度区，绿地覆盖最稀疏的地区。由于建筑物密度高，建筑物之间互相遮挡形成阴影及建筑物的顶部大都为青灰色或红色的瓦，在卫星图像上和彩红外航片上呈灰色或深灰色调。
新建成区层（市区外层）：这里是新中国成立以后，特别是1980年代以来城市的新扩展区，或称城市边缘区，位于核心层的外围，大体上处于浦西的内环线以外，浦东的杨高路以外。大部分是水泥制的平顶楼房，反射率较高，与旧城区有较大区别。
近郊蔬菜区：在建成区的外围是近郊的蔬菜区，包围着上海市区。在1980年代初期这一地区还是非常明显和完整连续的绿带。但1990年代以来，靠近市区的部分成为菜地和新建区交错的地带，在标准假彩色影像上呈现红（菜地）、白（新村）相间的影像特征，而复合的图像上呈现黄色。近几年来，近郊菜地已从露天耕种转为玻璃暖棚和塑料大棚种植，而使影像接近城市特征。
蔬菜外层：该层比较完整、连续，但其宽度越来越窄。从蔬菜带向外，是上海市现代化副食品基地与粮食作物混合带。一大批新建的现代化饲养场，具有很高的反射率和清晰的几何形态，与农田和村镇有较大的区别。最外的一个带是远郊区淡水渔业、果品基地及粮棉作物带。
这种呈不规则的环状分带、分层现象，在其他城市也存在，应用卫星图像可用准确地划定边界，便于监测城市的发展和农作物长势的动态变化。
2.城市土地利用研究
城市用地研究，利用卫星遥感和航空遥感相结合的办法，可以对城市用地情况进行充分的研究。
（1）高级住宅。这类居住用地相当于建设部城市用地分类中的R1类（居住条件好的）。在卫星遥感图像上可以明显看出区内绿化比例较高，绿地与住房互相穿插，如徐汇区和卢湾区的大部分。
（2）新村住宅区。相当于建设部用地分类中的R2类、部分R3类，是新中国成立后集中兴建的住宅小区，大部分为近十多年来新建的居民区，以多层水泥顶房屋为主，有较高的光谱反射率，分布在上海市内环线附近及其以外的市区边缘地带，是市区新增长的部分，很容易与光谱反射率低的旧城区住房区分开来。
（3）里弄、商店混合住宅。相当于用地分类中的R3类，以新中国成立前旧市区为主，大都为瓦质屋顶，建筑密度较大的低矮的住宅，整个反射率较低，标准假彩色影像上呈灰色。
（4）简屋棚户区。相当于用地分类中的R4类，是各不同时期临时搭建的简易房屋，高度低而密度极大，光谱反射率低，假彩色影像图上呈深灰色或黑色。这些房屋大都分布在内环线以内，并与工厂混杂，是旧市区改造的主要对象。
区分上述居住房屋类型，对于城市规划、旧城区改造、抗灾防灾等措施，具有实际意义。
3.城市绿化、生态研究
城市的绿化状况是城市环境质量的主要指标之一。使用绿度图，可显示出城市中的公园、主要的沿街绿化带及花园洋房区的分布。根据卫星遥感划分出的绿化覆盖率的分布，结合航空影像和适量地面验证进行绿化制图，对城市内绿化覆盖率、绿化面积及绿化类型分级，建立城市绿化数据库，并进行绿化变迁的多时相动态监测。
研究表明，遥感对于城市绿化的现状、动态、评价乃至规划、生态工程实施等均有重大的作用，有明显的社会效益和经济效益。
4.城市“在建工地”研究
自从我国改革开放以来，城市化的进程加速发展，表现最明显的是城市用地的增长，“在建工地”数量及其面积代表了城市用地性质的转变。如农田转化为城市用地，旧的居住地改造为新的居民地，工厂改建为居住用地等。这些用地性质和功能的转变，大都经过“在建工地”阶段，“在建工地”无论在卫星遥感还是航空遥感图像上都表现得非常清楚，在可见光波段有高的反射率，图形很容易被识别出来。1993年，上海市浦西地区大于400m2的“在建工地”共有777处，总面积11.86km2，占浦西土地面积的4.2%；浦东新区“在建工地”1 025处，总面积30.52km2，占新区总面积的5.84%。这些研究结果与某些新闻媒介提供的5 000余处大相径庭，为政府提供了真实、直观的图形和数据。
由此可见，“在建工地”是城市新的生长点，也是城市用地功能的置换，只有少部分是原地功能不变，拆旧建新。不管怎样，这些“在建工地”只是城市用地某一时段内的过渡类型，它使城市面貌发生了变化。掌握“在建工地”的分布及其发展变化情况，也就掌握了城市建设进展的脉搏。
5.城市人口估测
1970年代就有人利用美国陆地卫星MSS图像来估测我国城市人口，即把遥感影像上求得的城市面积与人口数进行相关分析。利用卫星遥感图像与航空遥感图像估测城市人口，在南京和上海等大城市已获得较高的精度，建立了住宅类型与人口密度的相关关系。
住宅类型有简屋棚户、里弄、多层建筑、高层住宅和花园洋房等，都可以从遥感图像上解译出来，准确地求出面积。人口密度在试验区依照统计数据，先进行分类拟合，然后按人口密度推算总人口，精度达90%以上。
6.城市大气环境与热岛研究
随着城市化进展，大气下垫面性质的改变，工业的发展和人口的聚集，出现了城市热岛，城市能见度变低，雾日增多，太阳辐射减少，空气污染严重，大气环境恶化等。因此，对城市热岛的研究与大气环境有密切的关系。
对于城市热岛现象，我国已在北京、上海、武汉、天津等城市进行了卫星遥感资料的研究，取得了明显的效果。
城市热岛及城市内部温度差异与下垫面类型不同密切相关，尤其与建筑物的密度、绿度分布、工厂的分布以及人口密度等关系最大。
研究表明，我国一些大城市的大气污染与热岛有一定的关系。城市大气中的二氧化碳等的含量较高，存在温室效应，促进热岛形成。
通过卫星遥感对城市热岛及大气环境研究，提出改善城市热环境的对策建议，如分散高层建筑布局，合理配置城市建筑密度、建筑容积率和城市各类绿地、控制污染物排放等。
7.城市化的动态监测
南京、上海、北京等城市都曾应用卫星遥感图像和航空遥感图像研究城市的扩展和城市化发展。其方法，一是通过对卫星遥感影像的处理、解译，作出不同时相分类图，然后，进行叠加分析，找出变化类型分布和数量；二是通过不同时相卫星遥感图像的几何配准、辐射度归一化和建设用地信息进行叠加分析，找出变化区域。
此外，利用卫星遥感影像图可进行“上海市城市发展态势研究”，从宏观的角度直观地展示了上海市的面貌和交通干道的分布情况，并通过对历年卫星遥感影像的分类分析，统计出上海市1990年至1993年城市扩展情况，及其与交通发展的关系。经过图像处理，得到“上海市现势影像图”，再经分类套合形成上海市城市发展态势图。
研究表明，城市边缘向外扩展迅速，原先城乡边界比较清晰，而近几年高亮度区与高绿度区互相穿插，边界不清使成片绿带被肢解。以上海浦东新区为例，1989年，建成区面积仅为39km2，近郊菜地面积为53.02km2；到1993年，建成区面积增加至78km2，主要是占用近郊菜地。北京市1992年与1984年的图像对比可清楚地显示出新扩展的建设用地合计79.9km2，大部分是菜地。此外新开发区的建设，交通干道的延伸、河网的变化等都可以通过多时相的遥感资料研究，有效地监测城市的发展。这些成果，在城市规划、城市管理中为政府部门提供了信息服务。
【注释】
[1]中国地方遥感应用协会.遥感与政府决策.北京：科学出版社，1997.
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