遥感技术在城市规划中的应用

在城市规划中,现势性的基础资料对规划部门和规划人员十分重要。传统的基础数据的获取需要大量的人力、物力和时间。特别是近年来我国城市发展十分迅速,不少城市都进行了大量的房屋建设和道路修建,城市规模不断扩大。许多基础资料的更新跟不上城市的发展速度,因此采用传统测量的方法获取基础数据跟不上规划的需要。利用高精度的遥感图像进行分析,可以更新基础数据,并提取规划要素的专题信息,为城市规划提供精确的、现实性强的基础数据。并可利用遥感卫星图像编制高精度的城市正射影像图,为规划人员提供直观的城市现实景观。

一、遥感技术

遥感(RS)即遥远的感知,指非接触的,远距离的探测技术。包括空对地、地对空、空对空遥感,它是实时获取、动态处理空间信息的观测、分析的先进技术系统。一般指运用传感器对物体的电磁波辐射、反射特性的探测,并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。

遥感技术包括传感器技术,信息传输技术,信息处理、提取和应用技术,目标信息特征的分析与测量技术等。遥感技术广泛用于军事侦察、导弹预警、军事测绘、海洋监视、气象观测和互剂侦检等。在民用方面,遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测等方面。

遥感技术是城市的几何空间信息和部分属性信息获取与更新的主要手段,具有快速、准确、经济等特点,被广泛用于社会各个方面。近几年来,随着信息和传感技术的飞速发展卫星遥感影像的空间分辨率已从10m-30m,提高到今天的1-2m,一些军用遥感卫星的空间分辨率甚至达到0.1m;光谱分辨率已达到5~6nm,包括高光谱在内已超过400个波段;重访周期(时间分辨率)也在不断缩短。高空间分辨率遥感数据包含的丰富的空间信息以及高光谱分辨率数据包含的丰富的光谱信息能更好的满足城市单元对信息的需求。有助于实现更环保、更经济、更科学、更准确的规划,成为建立生态高质量、基础设施高效能、管理和社会服务高水平的现代化城市的必要基础,也是制定城市国民经济和社会发展的中长期规划、国土资源和生态环境的综合整治规划以及城市经济可持续发展规划提供科学依据,实现城市可持续发展的关键技术。

二、目前常用的遥感数据

QuickBird

QuickBird卫星于2001年10月由美国DigitalGlobe公司发射,是提供亚米级分辨率的最早商业卫星,QuickBird卫星系统每年能采集七千五百万平方公里的卫星影像数据,存档数据每天以史无前例的速度在递增。在中国境内每天至少有2至3个过境轨道,有存档数据约500万平方公里。

 

自由纪念碑

Spot系列卫星是法国空间研究中心,(CNES)研制的一种地球观测卫星系统,至今已发射Spot卫星1-6号,1986年已来,Spot已经接受、存档超过7百万幅全球卫星数据,提供了准确、丰富、可靠、动态的地理信息源,满足了制图、农业、林业、土地利用、水利、国防、环境、地质勘探等多个应用领域不断变化的需要。Spot卫星采用的太阳同步准回归轨道,通过赤道时刻为地方时上午10:30,回归天数(重复周期)为26d。由于采用倾斜观测,所以实际上可以对同一地区用4~5d的时间进行观测。

Spot6 卫星影像,1.5米分辨率,北京南站

资源三号卫星,简称ZY3,是中国第一颗民用高分辨率光学卫星,卫星2012年1月9日发射,它搭载了四台光学相机,包括一台地面分辨率2.1m的正视全色TDI CCD相机、两台地面分辨率3.6m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8m的正视多光谱相机,卫星设置寿命5年,可长期、连续、稳定地获取立体全色影像、多光谱影像以及辅助数据,可对地球南北纬84度以内的地区实现无缝影像覆盖。数据主要为测绘制图、国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程等领域应用提供服务。

资源三号融合

高分二号(GF-2)卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1米的民用光学遥感卫星,搭载有 两台高分辨率1米全色、4米多光谱相机,具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点,有效地提升了卫星综合观测效能,达到了国际先进水 平。高分二号卫星于2014年8月19日成功发射,8月21日首次开机成像并下传数据。这是我国目前分辨率最高的民用陆地观测卫星,星下点空间分辨率可达 0.8米,标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。主要用户为国土资源部、住房和城乡建设部、交通运输部和国家林业局等部门,同时还将为其他用户部 门和有关区域提供示范应用服务。

高分二号全色

高分一号卫星是中国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星,2013年12月30日正式投入使用。高分一号卫星突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术,多载荷图像拼接融合技术,高精度高稳定度姿态控制技术,5年至8年寿命高可靠卫星技术,高分辨率数据处理与应用等关键技术。主要应用于地理测绘、海洋和气候气象观测、水利和林业资源监测、城市和交通精细化管理,疫情评估与公共卫生应急、地球系统科学研究等领域。

高分一号上海影影像

WorldView3卫星

2014年8月13号,Digitalglobe公司的Worldview3(WV3)卫星已经成功发射并正式运行,WV3卫星提供31厘米全色分辨率\1.24米多光谱分辨率和3.7米红外短波分辨率。WorldView-3的平均回访时间不到1天,每天能够采集多达680,000平方公里范围的数据,相对其他亚米级商业卫星有着更广的光谱范围,使其特征提取/变化监测/植物分析等领域有着卓越的表现。

WorldView3 0.4米分辨率的预览数据

三、遥感影像数据在城市规划中的应用

1、城市建设动态监测

遥感的信息量很丰富,通过遥感数据可以提取很多有用的信息,利用遥感技术分析研究城市用地在数量上和空间上的变化规律、城市用地内部结构及其变化,可以迅速地获取城市用地现状,结合不同时期的遥感资料能够客观、准确地了解城市建设成就,动态地分析城市用地的发展趋势,为科学地规划布局城市用地提供基础资料。目前,国土资源系统在遥感应用上是比较成功的,尤其利用遥感动态监测土地利用情况,是国内用的最早也是技术最成熟的领域。在此基础上与城市信息系统相结合,从而把由遥感方法得到的大量数据有机的组织起来直接为城市规划编制和城市管理提供依据和服务。

2、遥感影像在城市规划设计中的应用

在城市规划设计、建设和管理中,为了更真实、直观地了解城市的地形地貌及环境状况,对数字高程模型和数字景观模型等数据的需求也日益增多,利用遥感信息进行数字高程模型和数字景观模型的生产,在技术上已经日臻完善。实践中人们认识到,应用航空遥感信息进行生成数字高程模型(DEM)所需要平面坐标(XY)及高程(Z)的数据集的采集,比地面测绘或其它方式更为经济和快速。作为模型化的城市现状的表现形式,城市景观模型对于总体规划设计思想的形成以及把握城市建设和发展的方向,具有重要的作用。传统的城市景观模型是以纸板或其它材料制作的非数字式模型,要想做得逼真,费时费钱。应用数字摄影测量技术所具有的制作城市景观数字模型的功能,在计算机上非常逼真地再现城市现状,并可以多视角浏览,以辅助规划设计与建设的参与者及决策者开展相关工作,毫无疑问,其基础资料来源于各类遥感信息。


3、城市人口/建筑密度监测

传统方法为得到城市人口密度,须得自下而上调查人口总数,然后统计出人口密度。因为调查费事费力,还容易出错或者漏人,人数需要一层层向上汇报,而效率低下,并且统计结果还不直观,需要进一步分析。

采用遥感方法监测城市人口密度就变得非常高效,直观明了。采用红外遥感检测出人口密度的直观图像结果。人口活动的地方温度比无人区温度高,这就是红外遥感的原理。由此可见,遥感技术的优势十分明显,而且遥感的检测范围非常宽广。这也是传统方法所无法比拟的。

因为城市的人口不断暴涨,我们现在普遍采用提高建筑容积率的方法来缓解城市人口压力。但容积率也是有一个极限值的,这在城市规划中也是有极限指标的。

每栋建筑都测量它的建筑面积和用地面积肯定是不现实的。遥感技术的出现,为容积率的测量提供了一种崭新的方法,这让遥感技术在城市规划有了极大应用,也体现了遥感技术的优越性。

利用卫星遥感技术测量建筑容积率早在1973年开始,最常用的是落影测量法。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上生成落影,落影长度与建筑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,就可以进一步得出建筑的容积率。卫星首先完成测量,然后再利用自身携带的高性能处理器算出建筑的容积率,整个过程都可由卫星来完成,而且能够卫星同时遥感监测整个城市。

北京建设数字科技股份有限公司:城市遥感动态监测管理系统

4、城市热岛效应的防治

热岛效应是城市气温高于四周郊区的温差现象,对环境生态系统和人类生活生产活动己造成重大影响。城市热岛效应的产生及演变与城市地表覆被变化、人类社会经济活动密切相关,是城市生态环境状况的综合概括与体现。近年来,在城市化过程中,人类社会、经济活动的加剧使城市地表热力景观呈现出高度的空间异质性。

研究城市热岛的传统方法主要是利用气象观测数据,对比分析城市与周围乡村地区的历年气象数据,得到城市热岛的动态、现状、分布和强度,这种方法受到气象站点的限制,只能获取个别站点信息,不能全面、同步地掌握城市热岛的空间分布信息。而热红外遥感能有效地探测常温的热辐射差异,具有时间同步性好、覆盖范围广的特点。随着当前高分辨率的卫星热红外遥感技术的发展完善,如遥感图像空间分辨率和辐射分辨率的提高以及遥感数据源的多样化,遥感方法在城市热岛研究中得到越来越多的应用。


新疆地表温度遥感反演数据

随着遥感数据日益多元化,数据量呈指数级增长;数据获取的速度加快,更新周期缩短,时效性越来越强。遥感数据呈现出明显的“大数据”特征。大数据与云平台的发展,将促使遥感数据在各行各业的应用更加频繁。