浅析遥感技术及其在城乡规划中的应用

龙源期刊网浅析遥感技术及其在城乡规划中的应用作者：王嫣然来源：《世界家苑·学术》2018年第05期摘要：本文主要阐述了遥感技术的相关知识，论述了遥感技术在城市规划建设中的应用，通过实例分析了遥感在城市规划中的必要性，展望了遥感技术在城市规划建设领域的应用前景。关键词：遥感技术；遥感影像；城乡规划；遥感监测；应用1.遥感原理遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是传感器不直接与目标物接触而能收集其资料的一种过程。它是通过测量目标物的反射或辐射电磁波来收集信息的。人有眼睛和大脑，是当今最复杂的遥感系统。眼睛是传感器，躯体是平台；神经是传播的发射机；大脑则是处理资料和提取信息的计算机。遥感是一个综合性的技术系统，由遥感平台、传感器、信息接收与处理、应用等部分组成。遥感平台主要有飞机、人造卫星、载人飞船。传感器有多种波段的摄像机、多光谱扫描仪、微波辐射计、侧视雷达、专题成像仪等，并且在不断向多光谱段、多极化、高分辨率和微型化方向发展。各种传感器把记录下来的数字或图像信息，通过校正、变换、分解、组合等光学图像处理或数字图像处理后，以胶片、图像或数字磁带等方式提供给用户。由于地球表面上所有物体都有本身的电磁波谱特性，即有规律地吸收、反射、辐射电磁波的特性，因此，反映在遥感图像上就有不同的影像特征。用户在实地调查或事先测定并掌握各种物体的波谱特征的基础上，通过综合分析与判断，或在地理信息系统和专家系统的支持下，提取专题信息，编制专题地图或统计图表，这就是遥感的基本原理。1.1遥感与遥感系统1.1.1遥感的基本概念遥感一词泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探（物理探测）的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。狭义的遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。1.1.2遥感的类型与特点龙源期刊网（1）遥感的类型遥感的分类方法有很多。可按遥感平台分为地面遥感、航空遥感、航天遥感和航宇遥感。可按传感器的探测波段分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感和多波段遥感。可按工作方式分为主动遥感和被动遥感与成像遥感和非成像遥感。可按应用领域从大的研究领域和具体应用领域划分。（2）遥感的特点遥感具有以下特点：大面积的同步观测、时效性、数据的综合性和可比性、经济性、局限性。大面积的同步观测——在地球上，进行资源和环境调查时，大面积同步观测所取得的数据是最宝贵的，遥感观测可以为此提供最佳的获取信息的方式，并且不受地形阻隔等限制。时效性——遥感探测可以在短时间内对同一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要。数据的综合性和可比性——遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上许多自然、人文信息。获得的地物电磁波特性均可以较综合地反映地质、地貌、土壤、植被、水文等特征而具有广阔的应用领域。新的传感器和信息记录都可向下兼容，所以，数据具有可比性。经济性——遥感的费用投入与所获取的效益，与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。局限性——目前，遥感技术所利用的电磁波还很有限，仅是其中的几个波段范围。此外，已经被利用的电磁波谱段对许多地物的某些特征还不能准确反映，需要发展高光谱分辨率遥感以及遥感以外的其他手段相配合。1.1.3遥感系统根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用五大部分。1.2电磁波与地物波谱特征龙源期刊网遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标反射或发射的电磁波，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。1.2.1电磁波特征电磁波是电磁振动的传播。当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。电磁波是典型的横波，质点的振动方向与波的传播方向垂直。在传播过程中，遵循波的反射、折射、衍射、散射、干涉、吸收等传播规律。电磁波在真空中以光速传播，具有波粒二象性。1.2.2地物波谱特征地物波谱是指地物的电磁波响应特征随电磁波长改变而变化的规律。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。不同类型的地物，其电磁波相应的特征不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。1.3遥感图像特征通过遥感图像需要获取三方面的信息：目标地物的大小、形状及空间分布特点；目标地物的属性特点；目标地物的变化动态特点。因此相应地将遥感图像归纳为三方面特征，即几何特征、物理特征和时间特征。这三方面特征的表现参数即为空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。（1）遥感影像的几何特征——空间分辨率图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即遥感器瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。表示方法分别为：像元、线对数和瞬时视场。一般来说，遥感器系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。（2）遥感影像的物理特征——波谱分辨率、辐射分辨率波谱分辨率指传感器所能分辨的最小波长间隔，即传感器各个波段的宽度。辐射传感器指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差，即遥感图像上每一个像元的辐射量化级。（3）遥感影像的时间特征——时间分辨率龙源期刊网时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。2.遥感影像分析2.1遥感影像的预处理影像预处理是遥感应用的第一步，包括几何精校正、配准、图像镶嵌与剪裁、去云及阴影处理和光谱归一化几个环节。（1）几何精校正与图像配准引起图像几何变形一般分为两大类：系统性和非系统性。系统性一般有传感器本身引起的，有规律可循和可预测性，可以用传感器模型来校正；非系统性几何变形是不规律的，它可以是传感器平台本身的高度、姿态等不稳定，也可以是地球曲率及空气折射的变化以及地形的变化等。（2）图像融合将低分辨率的多光谱影像与高分辨率的单波段影像重采样生成为一副高分辨率多光谱影像遥感的图像处理技术，使得处理后的影像既有较高的空间分辨率，又具有多光谱特征。（3）图像镶嵌与剪裁图像镶嵌是指当研究区超出单幅遥感图像所覆盖的范围时，通常需要将两幅或多幅图像拼接起来形成一幅或一系列覆盖全区的较大的图像。图像裁剪的目的是将研究之外的区域去除，常用的是按照行政区划边界或自然区划边界进行图像的分幅裁剪。（4）大气校正遥感图像在获取过程中，受到如大气吸收与散射、地形等因素的影响，且它们会随着时间的不同而有所差异。大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响。2.2遥感影像的增强影像增强是指按特定的需要对数字图像进行预处理，突出需要的图像信息，同时削弱或去除某些不需要的信息，使图像整体或局部特征能有效地改善。影像增强的主要目的是提高图像的目视效果，以便处理结果图像比原图像更适合于特定的应用要求，方便人工目视解译、图像分类中的样本选取等。影像增强的主要内容有：空间域增强、频率域增强、彩色增强、多图像代数运算、多光谱图像增强等。龙源期刊网（1）空间域增强空间域方法是直接对图像数据进行处理，即是对每个像素点或者对较小的子图像进行处理，如线性对比度拉伸、自适应增强算法、直方图均衡化等。（2）频率域增强频率域方法是在图像的变换域中进行的，即通过将图像数据经过某种变换转换到其它空间，对变换后的数据进行处理后，再转回到图像空间以得到所需的效果。（3）彩色增强人眼对彩色的分辨能力远远超过对灰度级的分辨能力，因此，将灰度值图像变为彩色图像以及进行各种彩色变换可以明显改善图像的可视性。彩色增强的主要方法有伪彩色增强、假彩色增强和彩色变换。2.3遥感影像解译遥感图像解译是从遥感图像上获取目标地物信息的过程，分为遥感图像目视解译和遥感图像计算机解译。2.3.1遥感图像目视解译地面各种目标地物在遥感图像中存在着不同的色、形、位的差异，构成了可供识别的目标地物特征。目视解译人员依据目标地物的特征，作为分析、解译、理解和识别遥感图像的基础。2.3.2遥感图像计算机解译遥感图像的计算机分类方法包括监督分类和非监督分类。监督分类方法。首先需要从研究区域选取有代表性的训练场地作为样本。根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，建立判别函数，据此对样本像元进行分类，依据样本类别的特征来识别非样本像元的归属类别。非监督分类方法。是在没有先验类别（训练场地）作为样本的条件下，即事先不知道类别特征，主要根据像元间相似度的大小进行归类合并（将相似度大的像元归为一类）的方法。（1）监督分类方法龙源期刊网监督分类是先学习后分类的分类方法。它是先选择具有代表已知地面覆盖类型的训练样本区，可以是一个区域，也可以是单个像元的光谱特征，然后用训练样本区中已知地面各类地物样本的光谱特性来“训练”计算机，获得识别各类地物的判别函数或模式（如均值、方差、判别域等），并以此对未知地区的像元进行分类处理，最后分别归入到已知具有最大相似度的类别中。监督分类中主要有最小距离法、平行六面体法、最大似然法及决策树分类法。（2）非监督分类方法非监督分类是在目标不明确或者没有先验确定的目标时，完全按照像元的光谱特性做统计分类，常用于对分类区没有了解的情况。非监督分类又叫集群分析或者聚类分析，是一种边学习边分类的分类方法。3.遥感在城乡规划领域的应用3.1遥感在城乡规划中的应用现状遥感在城乡规划中的应用可分为两个方面。第一方面解决影像数据在规划中的日常应用。如将影像图作为现状调查的基础图件，在城市总体规划、分区规划、控制性详细规划及工程规划中应用，以减少现状调查的盲目性及线划图过时带来的偏差；也可制作大型彩色挂图及专题或局部地区彩色挂图为各级部门的管理、决策、宣传提供直观材料。第二方面解决规划专题与新技术应用的需要。如，利用影像信息源丰富，综合性强，结合机图像处理技术，分类提取影像信息，进行专题应用研究，为城市规划信息系统的建立、更新提供基础数据源。3.2城市规划遥感监测工作技术流程将配准、纠正、融合的前、后两期卫星遥感数据叠加对比，提取出反应城市建设活动的变化图斑，与城市总体规划数据进行叠加，将变化图斑的准确位置定位在城市总体规划图则上，从而对变化图斑的用地而积、用地性质等变化是否符合城市总体规划进行判定。3.3遥感技术在规划领域的应用案例3.3.1石家庄市城市规划监督管理应用遥感监测成果方式探索城市规划遥感监测成果是利用新技术手段生产的产品成果，提取的变化图斑，真实、全而地反映出监测周期范围内的城市建设活动，特别对于监测过程中发现的违法、违规的变化图斑，如只通过常规的调查手段，难免费时费力。此次，通过将城市规划遥感监测系统与石家庄市基础地理信息系统的成功对接，实现了两系统数据库信息的充分共享，便捷、准确地将两系龙源期刊网统数据库信息无差别化叠加对比分析。特别对于违法、违规建设行为的基本情况和处理结果，可通过石家庄市基础地理信息系统的对外平台依法公开，供公众查阅和监督。3.3.2石家庄市城市规划遥感监测成果（2007.6-2008.2）石家庄市城市规划遥感监测，监测周期为2007年6月至2008年2月。前后两期卫星遥感数据分别采用了QUICKBIRD数据和中巴02B-HR数据。经前后两期卫星遥感影像数据比对，提取变化图斑302个，而积670.21hm2。变化图斑涉及的用地性质变化包括居住用地（R）.道路用地（0）、公共设施用地（0）、工业用地（M）、绿地（G）、村镇建设用地（E6）等。其中涉及绿线、蓝线、紫线、黄线及红线等城市总体规划强制性内容的变化图斑共27个，面积35.41hm2。3