基于高分辨率遙感影像的城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

■張志文

（遼寧省地理信息院　遼寧　沈陽(yáng)　110034）

基于高分辨率遙感影像的城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

■張志文

（遼寧省地理信息院遼寧沈陽(yáng)110034）

城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜、巨大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的系統(tǒng)工程。本研究利用區(qū)域高分辨率遙感影像，借助影像融合技術(shù)、影像解譯技術(shù)和空間分析技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市規(guī)劃實(shí)施中變化信息的提取，并結(jié)合規(guī)劃管理規(guī)則等數(shù)字技術(shù)對(duì)城市建設(shè)進(jìn)行了初步監(jiān)督管理。

遙感影像城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

面對(duì)目前城市規(guī)劃建設(shè)中存在的若干問(wèn)題：違法建設(shè)大量出現(xiàn)、城鄉(xiāng)結(jié)合部建設(shè)混亂、毀壞文物大拆大建、無(wú)規(guī)則擅自批建等，有必要采取一種實(shí)時(shí)有效的方式來(lái)加強(qiáng)城市規(guī)劃監(jiān)管。遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等信息技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用，為城市規(guī)劃中違法建設(shè)的監(jiān)測(cè)與管理提供了一種高效的技術(shù)手段。

1　遙感影像技術(shù)

遙感技術(shù)是高效的信息采集手段，利用遙感技術(shù)獲取的遙感數(shù)據(jù)具有能取得大面積的綜合信息、能最準(zhǔn)確地反映現(xiàn)狀信息、速度快等特點(diǎn)，正好適應(yīng)了城市規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)的需要，成為目前獲取和更新城市信息的最好手段，遙感數(shù)據(jù)也因此成為城市地理信息的重要數(shù)據(jù)源。

1.1遙感影像的選擇目前商業(yè)化的主要遙感

目前商業(yè)化的主要遙感影像列表通過(guò)對(duì)幾種遙感衛(wèi)星影像的比較，在遙感影像的輔助下進(jìn)行城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)管時(shí)，為了提高發(fā)現(xiàn)違法建設(shè)用地的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星遙感影像的分辨率和性價(jià)比，可采用高分辨率的IKONOS和QuickBird衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行研究。

1.2遙感影像的處理

獲取了遙感衛(wèi)星影像后，首先對(duì)影像進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)和鑲嵌的處理，然后進(jìn)行影像的融合和增強(qiáng)，為后續(xù)的變化信息提取做準(zhǔn)備，

2　遙感影像變化圖斑的提取

變化圖斑的提取可分兩類：基于多時(shí)相遙感影像的變化信息提取和基于單時(shí)相遙感影像的變化信息提取。對(duì)于多時(shí)相遙感影像，當(dāng)同一地物反映在前一時(shí)相影像上的信息與其反映在后一時(shí)相影像上的光譜信息一一對(duì)應(yīng)時(shí)，作多時(shí)相影像融合，就能如實(shí)地顯示出地物的正確光譜屬性。但如果兩者信息表現(xiàn)為不一致時(shí)，那么融合后影像的光譜就表現(xiàn)得與正常地物有所差別，此時(shí)稱地物發(fā)生了光譜特征變異，這些地物可以通過(guò)影像判讀來(lái)勾繪出來(lái)，多時(shí)相遙感影像變化圖斑提取流程對(duì)于單時(shí)相遙感影像，主要是利用現(xiàn)有城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)和高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市用地變化信息的檢測(cè)與提取，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)城市違法建設(shè)的目標(biāo)。

3　信息提取

3.1高分遙感路網(wǎng)提取

一般道路具有以下特征：（1）道路寬度變化不大，且變化緩慢；（2）道路方向改變較慢；（3）道路不太可能很短；（4）道路局部平均灰度變化較慢；（5）景物灰度變化較大。其中前3個(gè)條件為必要條件，后2個(gè)為附加條件，附加條件可提高道路提取的精度。根據(jù)以上特征選擇適合于長(zhǎng)條狀地物特征的主動(dòng)輪廓模型，該算法亦稱“蛇”模型。在某個(gè)掃描扇區(qū)內(nèi)，n個(gè)追蹤方向相當(dāng)于釋放n掃描蛇，每條蛇都擁有自己的m個(gè)蛇節(jié)（待考察的掃描剖面連線）；然后在每條蛇的蛇節(jié)上進(jìn)行像元灰度、梯度等特征掃描，同時(shí)搜索滿足條件的梯度極值點(diǎn)對(duì)，當(dāng)滿足k個(gè)時(shí)，則為該蛇記k個(gè)積分；最后選擇積分最大方向?yàn)橄聜€(gè)搜索方向和起始位置，并重新搜索直至某條路段追蹤結(jié)束。

3.2高分遙感車輛提取

首先，影像中車輛與背景一般有明顯的梯度差異，因此采用增強(qiáng)梯度變化較大的區(qū)域，削弱梯度變化較小的區(qū)域，同時(shí)經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)膨脹與腐蝕處理，剔除車輛周圍的平滑道路和綠地等。圖像膨脹操作能獲取較好的亮目標(biāo)邊緣，對(duì)于暗目標(biāo)采用腐蝕操作則效果較好，故對(duì)測(cè)試影像目標(biāo)邊緣檢測(cè)結(jié)果采用支持向量機(jī)作為分類器對(duì)特征進(jìn)行分類。

4　信息數(shù)據(jù)應(yīng)用城市群交通路網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

（1）交通隊(duì)列狀態(tài)判別城市群交通特點(diǎn)是點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，而目前通過(guò)十字路口視頻信息統(tǒng)計(jì)的瞬時(shí)交通隊(duì)列狀態(tài)數(shù)據(jù)宏觀性不足，且信息存儲(chǔ)占用空間大，城鄉(xiāng)偏僻區(qū)域數(shù)據(jù)缺失，核心城市間數(shù)據(jù)共享不足，導(dǎo)致對(duì)城市群范圍交通狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)支持。將高分辨率遙感影像車輛和道路信息引入后，可克服以上不足，還可以為重大節(jié)假日全區(qū)域交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)和緊急狀態(tài)下的交通疏導(dǎo)指揮提供信息?；诟叻直媛蔬b感影像的對(duì)交通隊(duì)列狀態(tài)判別的技術(shù)路線。由于目前道路提取還無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分道路中心，而交通隊(duì)列是分車向進(jìn)行的，因此采用道路寬度平均分配法，使用ENVI、ArcMap等工具將道路提取的矢量文件圖層進(jìn)行人工分割。研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生擁堵或緩行后，道路車輛表現(xiàn)為隊(duì)列狀態(tài)，對(duì)此，諸多學(xué)者將交通狀態(tài)的判別信息聚集到了基于高分遙感的隊(duì)列信息提取。針對(duì)前人應(yīng)用邊緣提取、線形和寬度函數(shù)來(lái)建立車輛隊(duì)列模型的不足，作者提出交通密度法作為隊(duì)列判別依據(jù)，交通密度定義某條道路上車輛面積總和占單位面積的百分比。采用對(duì)一般道路隊(duì)列狀態(tài)下車輛占道面積統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)值，計(jì)算不同隊(duì)列下的隊(duì)列交通密度k，作為隊(duì)列判別閾值。根據(jù)實(shí)際擁堵隊(duì)列表現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，車輛隊(duì)列長(zhǎng)度小于20m，多數(shù)為紅綠燈等候。因此，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分塊法，將單方向矢量道路數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)鄤澐譃閚個(gè)20m長(zhǎng)的隊(duì)列搜索塊，只需判斷計(jì)數(shù)的搜索塊，然后對(duì)搜索塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，即可得到全區(qū)域形成≥k的隊(duì)列長(zhǎng)度及其分布。（2）新建住宅公交站點(diǎn)需求分析城市群的發(fā)展表現(xiàn)為城市融合、公交聯(lián)網(wǎng)，城市連接區(qū)域的住宅建設(shè)又關(guān)系融城的質(zhì)量和進(jìn)度。同時(shí)，在城市區(qū)域內(nèi)由于中國(guó)行政管理體制“條”、“塊”化模式，公交站點(diǎn)布局與住建部門、規(guī)劃部門缺乏有效的信息共享，城市群范圍內(nèi)此現(xiàn)象更為嚴(yán)重，導(dǎo)致諸多新建建筑小區(qū)公交站點(diǎn)建設(shè)“先住人后通車”，公交公司依靠居民投訴意見(jiàn)進(jìn)行公交補(bǔ)點(diǎn)，滯后期短則0．5a，長(zhǎng)則3a以上。由于交通站點(diǎn)對(duì)周邊商業(yè)經(jīng)濟(jì)具有吸引作用，若不能及時(shí)調(diào)整公交站點(diǎn)，不僅導(dǎo)致居民出行困難，而且延緩周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程。對(duì)此，提出對(duì)前后兩幅高分影像進(jìn)行新建小區(qū)異常信息比對(duì)，確認(rèn)新建小區(qū)面積和位置，粗略估計(jì)小區(qū)人口數(shù)量，按公交布局標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以1km緩沖區(qū)搜索周邊公交線路，判斷是否滿足該小區(qū)公交需求，對(duì)不能滿足的小區(qū)用特殊標(biāo)示標(biāo)記，并將結(jié)果發(fā)送至公交規(guī)劃部門。

5　城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)

城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)使得遙感影像分析技術(shù)的運(yùn)用更加靈活，其中各種規(guī)劃審批信息、批后監(jiān)管、違法建設(shè)等數(shù)據(jù)庫(kù)的建立使得影像監(jiān)測(cè)更加直觀、快捷，為城市規(guī)劃建設(shè)動(dòng)態(tài)管理提供輔助決策。根據(jù)管理級(jí)別和范圍的不同，系統(tǒng)分為省級(jí)和市級(jí)兩個(gè)版本。省級(jí)版城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。省級(jí)版實(shí)現(xiàn)不同時(shí)相遙感影像雙窗口對(duì)比判斷，提取發(fā)生變化圖斑，對(duì)城市遙感影像及各類規(guī)劃信息數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整合集成，建立城市遙感影像、變化圖斑信息和城市總體規(guī)劃等數(shù)據(jù)庫(kù)。圍繞變化圖斑,疊加各類數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行比較分析，初步了解城市規(guī)劃中違法建設(shè)情況。市級(jí)版本具有省級(jí)版本一切功能，并在省級(jí)版本的基礎(chǔ)上加以細(xì)化。市級(jí)版的城市規(guī)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由圖形信息查詢、數(shù)據(jù)管理與維護(hù)以及信息發(fā)布幾個(gè)部分組成。圖形信息查詢采用VB+MapObjects進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各種圖形調(diào)用、數(shù)據(jù)綜合查詢、統(tǒng)計(jì)分析、指標(biāo)計(jì)算等功能，達(dá)到各種空間數(shù)據(jù)查詢、瀏覽使用的目的。

6　結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)獲取是源頭，信息提取是關(guān)鍵，行業(yè)應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)力。對(duì)此，本文所述方法基本打通了影像信息提取—行業(yè)應(yīng)用的鏈路，有助于提高相關(guān)業(yè)務(wù)的科學(xué)化水平，是一種有益的探索和實(shí)踐。然而還存在諸多困難，如路網(wǎng)信息提取還需結(jié)合人工干預(yù)，高分遙感數(shù)據(jù)共享程度較低，行業(yè)應(yīng)用尚在探索階段，其深度和廣度還需進(jìn)一步挖掘和拓展。隨著高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的“平民化”，加大數(shù)據(jù)在交通行業(yè)應(yīng)用的廣度和深度是今后交通工程領(lǐng)域各界關(guān)注的重點(diǎn)。

[1]王天鵬.遙感影像中道路的半自動(dòng)提取研究 [D].解放軍信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[2]戴昌達(dá)，姜小光，堂伶俐.遙感圖像應(yīng)用處理與分析 [M].北京，清華大學(xué)出版社. 2004年3月第1版

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-351-1

孫亭亭（1992～），女，環(huán)境哲學(xué)專業(yè)，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)文明。