高分辨率對地觀測系統(tǒng)在智慧城市中的應用

楊 龍

（三門峽職業(yè)技術學院建筑工程學院，河南 三門峽 472000）

20世紀中后期，遙感技術的產(chǎn)生使得地面信息的高效收集成為可能。初始階段的遙感影像分辨率最大只有幾十米，數(shù)據(jù)可用性較低。近年來，我國在航空航天領域取得了巨大進步，遙感影像分辨率逐步提高，地面掃描范圍逐漸擴大，影像中的數(shù)據(jù)信息越來越豐富。2014年發(fā)射的高分二號遙感衛(wèi)星全色分辨率達到0.8 m，其1景影像可覆蓋地面面積約500 km2，信息量十分豐富。遙感技術的飛速發(fā)展，為我國城市化推進和眾多民生行業(yè)工作模式的轉變提供了良好的數(shù)據(jù)支持?！笆濉睍r期，我國全面進入城市時代，城市成為真正意義上的經(jīng)濟社會主導[1]，越來越多的城市將準確、便捷、高效的綜合管理視為城市管理的最終目標，用富有創(chuàng)新意義的新手段，更加“智慧”地管理城市。信息技術是支撐城市發(fā)展的重要因素之一，衛(wèi)星遙感技術是基于現(xiàn)代空間技術、通信技術而發(fā)展起來的，是研究區(qū)域發(fā)展的重要信息源。將先進的科技力量用于解決城市發(fā)展問題是至關重要的。本文通過對高分辨率對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及在智慧城市中的信息優(yōu)勢進行討論和實踐，對高分辨率對地觀測系統(tǒng)的應用價值進行拓展。

1. 高分辨率對地觀測系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀

段[2]。所謂高分辨率圖像，是指那些地面分辨率優(yōu)于5 m或者5 m左右的陸地遙感圖像數(shù)據(jù)，它在軍用和民用方面都有廣闊的應用前景[3]。按照距離地面高度不同，遙感技術可分為航空遙感和航天遙感。航空遙感發(fā)展較早，其理論和技術體系更為成熟，但因飛行投資大、耗時長等因素很快被航天遙感取代。高分辨率對地觀測系統(tǒng)屬于航天遙感領域，其優(yōu)勢在于圖像更新周期短，成本低，影像分辨率高，所反映的地面信息內(nèi)容豐富，影像獲取波段多，生產(chǎn)應用性強等。

高分辨率對地觀測系統(tǒng)是空間信息技術的重要技術領域，該系統(tǒng)屬于軍民融合型項目。我國對高分辨率對地觀測系統(tǒng)的研究從未停止過。2006年，國家將高分辨率對地觀測系統(tǒng)納入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》，成為當年16個國家重大專項之一。 2013年4月26日，長征2號運載火箭搭載高分一號衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空，標志著我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)正式進入部署階段。伴隨著2019年11月3日高分七號衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)衛(wèi)星全部部署到位(見表1)。從高分一號到高分七號，實現(xiàn)了從2 m全色分辨率和8 m多光譜分辨率到民用亞米級高分辨率的巨大進步。

高分辨率遙感衛(wèi)星是一個國家高技術水平的標志，也是促進經(jīng)濟社會發(fā)展和維護國家安全的重要手

表1 高分系列衛(wèi)星主要參數(shù)

2. 高分辨率對地觀測系統(tǒng)在智慧城市建設和運營管理中的優(yōu)勢

2.1 信息在智慧城市中的地位

智慧城市是社會發(fā)展進入數(shù)字、信息時代的必然趨勢，它集合了城市信息化建設、城鎮(zhèn)化建設所需的優(yōu)勢技術和手段，同時，又是城市經(jīng)濟發(fā)展和工作管理模式的一種變革，推動社會管理朝著更加合理和舒適的方向發(fā)展。從本質(zhì)上看，城市發(fā)展既要在技術上實現(xiàn)透徹感知、互聯(lián)互通和深入智能，更要實現(xiàn)城市經(jīng)濟、生活和管理上的全面“智慧”[1]。

作為一個管理者，掌握準確、及時的信息是城市管理的必要條件，這些信息包括了經(jīng)濟、自然資源、規(guī)劃等多個方面，種類多，數(shù)據(jù)量大。智慧城市中所需要的信息已經(jīng)成為社會發(fā)展中不可或缺的重要部分，它的來源可以是多方面的，但就獲取方式而言，全面、便捷、低成本的信息一直是我們研究的目標。

2.2 高分辨率對地觀測系統(tǒng)在智慧城市建設和運營管理中的優(yōu)勢

在城市管理過程中，精細化、智能化管理一直是政府追求的目標，想要全面了解和掌握城市的發(fā)展現(xiàn)狀，更好地提高政府各管理部門的工作效率，城市變化的各方面信息不能缺少。依據(jù)傳統(tǒng)管理和技術手段獲取信息的時間較長，人力投入較大，但能獲取的信息量卻比較有限，且效率低下，很多實時情況和數(shù)據(jù)很難及時被反饋到?jīng)Q策者面前，信息的單一性和滯后性問題明顯?；诂F(xiàn)代空間技術、通信技術而發(fā)展起來的衛(wèi)星遙感技術已成為研究全球變化、區(qū)域發(fā)展的最根本的信息源，我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)目前在眾多行業(yè)已經(jīng)開展應用。該系統(tǒng)在智慧城市中的應用優(yōu)勢主要有以下幾個方面。

第一，通過高分辨率對地觀測系統(tǒng)獲取的遙感影像在時效性、分辨率、宏觀性上相較于其他信息獲取途徑有著明顯的優(yōu)勢。高分遙感衛(wèi)星的監(jiān)測服務可獲取城市的宏觀影像、精細結構、局部信息、微觀特征，為國土資源監(jiān)測、城市建設管理、農(nóng)用地保護監(jiān)測、環(huán)境保護監(jiān)測、林業(yè)資源及變化監(jiān)測、水務監(jiān)測、大氣治理等綜合管理工作提供強有力的技術支撐，這將使城市管理工作更加直接、精確、具體，事半功倍，提高城市管理部門的工作效率，為智慧城市建立和運營管理提供數(shù)據(jù)支撐。

第二，高分對地觀測系統(tǒng)可以將指定區(qū)域作為觀測目標，通過多時相、多波段、多平臺，按照固定的周期和軌道對地面進行掃描。高分二號衛(wèi)星的最短觀測周期為4天生成遙感影像，通過對遙感影像進一步的解譯和分析，能得到非常精確的地面信息量化數(shù)據(jù)。通過某地多期影像對比分析，可對某事物的發(fā)展趨勢進行預判。

第三，高分對地觀測系統(tǒng)可以獲取具有高時間分辨率和高空間分辨率度的遙感影像。高分辨率遙感影像在民用方面最大分辨率可以達到0.8 m，在這樣的分辨率下，影像解譯后提供的信息可以取代大部分傳統(tǒng)測繪獲取的信息。在特殊時期，可以通過指令改變衛(wèi)星的鏡頭傾角來實現(xiàn)遙感影像拍攝周期的調(diào)整，以方便獲取及時影像數(shù)據(jù)，解決實時難題。例如，某地突發(fā)泥石流、洪水等自然災害，可以通過縮短定點拍攝周期，獲取災區(qū)第一時間的影像資料，通過快速處理后提供給管理決策者，方便其準確掌握災情實況，從而制定有效的救災方案。

3. 高分辨率對地觀測系統(tǒng)在某地智慧城市建設和運營管理中的應用

高分遙感影像是積累資料、更新資料、追蹤城市建設軌跡、監(jiān)控生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、進行大型工程以及預測、評估自然災害的重要手段，為各級領導提供實時輔助決策依據(jù)。

3.1 對城市變遷發(fā)展的動態(tài)分析

城市的發(fā)展受到政治、地理位置、人口等多方面因素的影響，是一個動態(tài)過程。高分辨率對地觀測系統(tǒng)可以提供多期遙感影像資料進行對比分析，從宏觀角度出發(fā)查看和研究城市發(fā)展的現(xiàn)狀和規(guī)律，再結合往期保存的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)有各方面信息，為決策者更加全面地做出有利于城市良性發(fā)展的決策提供參考。

利用高分辨率衛(wèi)星遙感技術，對某城市開展新增建設用地監(jiān)測，通過對高分遙感影像的解譯(圖1)，可以快速、準確掌握城市實際新增建設用地情況，查清新增建設用地總量、用地來源、用地結構及用地狀況，結合國土空間規(guī)劃、土地供應審批數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)疑似違規(guī)新增建設用地、疑似閑置土地、未供利用土地，分析新增建設用地增減趨勢、占用耕地及基本農(nóng)田情況，為土地管理與執(zhí)法等提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 新增建設用地監(jiān)測

3.2 對城市資源調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測

當下，環(huán)境問題已經(jīng)成為各個國家都非常重視的問題，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須在發(fā)展的同時保護環(huán)境。水資源、綠地資源、森林資源是城市發(fā)展的必須資源，而受我國人口基數(shù)大、城市分布密度高等特點影響，人均自然資源占有量不足，一定程度上限制了智慧城市的發(fā)展。高分遙感影像為國土調(diào)查提供了良好的信息基礎，高分辨率遙感影像的及時性信息能提高國土資源區(qū)域監(jiān)測的準確性，提高國土調(diào)查的整體效率[4]。

某市為了掌握地表資源空間分布格局，定期用高分辨率對地觀測系統(tǒng)獲取各類地表資源基本信息，建立數(shù)據(jù)庫，調(diào)查土地的地類和面積，掌握各類用地的分布和利用狀況，基于高分辨率遙感影像和地物波譜信息構建解譯標志，提取區(qū)域內(nèi)耕地、林地、草地、水域和濕地、建設用地、未利用地等地表資源空間信息，構建地表資源本底庫，形成“地表資源一張圖”(圖2)，實現(xiàn)國土資源變化信息調(diào)查、統(tǒng)計、監(jiān)測的常態(tài)化、實時化，有助于國土資源優(yōu)化利用。

圖2 國土資源調(diào)查

3.3 對城市發(fā)展規(guī)劃與決策支持

城市化建設是一項系統(tǒng)工程，其發(fā)展具有不可逆性，其規(guī)劃建設的合理性將對我國社會民生和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。傳統(tǒng)規(guī)劃給城市發(fā)展帶來了各種問題，科學合理的城市規(guī)劃變得尤其重要。利用高分遙感系統(tǒng)可以獲取當前地面各類建設現(xiàn)狀，也可以獲取往期多個時間點城市建設狀況信息。對比建設規(guī)劃，可以及時發(fā)現(xiàn)城市發(fā)展過程是否在有序進行，同時，還可以看出未來城市發(fā)展的模型。

重大工程是帶動經(jīng)濟發(fā)展的重要推動力，重大項目的進展情況是領導的關注重點。某市利用高分辨率衛(wèi)星遙感技術，定期開展重大固定資產(chǎn)投資項目建設進度監(jiān)測，結合重大項目建設計劃和資金到位情況等，分析判斷項目建設是否按計劃進行（圖3），輔助推進項目按計劃開展和進行項目投資管理。

圖3 高速公路工程建設進度（土地平整階段）

3.4 對城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查

城市生態(tài)環(huán)境涉及到大氣、水體、綠色植被、廢棄物排放等方面。目前，大部分地區(qū)在環(huán)境監(jiān)測和調(diào)查方面仍然采用較為傳統(tǒng)的方式。如，廢棄物堆放點主要依靠人工實地查看，大氣質(zhì)量依靠城市固定空氣質(zhì)量探測，水體質(zhì)量采用采樣抽查檢測等。而利用高分辨率對地觀測系統(tǒng)中多個波段獲取的影像信息，可以從宏觀方面直接獲取大氣污染程度、污染傳播路徑、廢棄物堆放點數(shù)量分布、水體水質(zhì)變化、綠色植被面積及分布等具體生態(tài)環(huán)境信息，從而為后續(xù)的治理提供極有意義的指導幫助，提高工作效率。

圖1中通過高分遙感衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了國土資源實時現(xiàn)狀調(diào)查，掌握了最新的國土資源現(xiàn)狀分布，再利用高分遙感衛(wèi)星高時間分辨率和高空間分辨率優(yōu)勢，對該區(qū)域進行持續(xù)宏觀動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)變化圖斑（圖4），對長時間地表資源監(jiān)測所形成的空間大數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)其資源變化趨勢，掌握城市歷史變遷及發(fā)展規(guī)律。最后，與城市管理指揮系統(tǒng)、視屏攝像頭系統(tǒng)等進行對接，形成天地一體的城市管理監(jiān)督網(wǎng)絡，服務于城市管理工作。

4. 結束語

（a）2015年10月 耕地 （b）2016年4月 建筑工地

高分辨率遙感技術及影像圖的處理和信息提取技術越來越成熟, 成為數(shù)字城市規(guī)劃的關鍵技術之一[5]，對于目前智慧城市的建設和運營管理是必不可少的重要手段。高分辨率對地觀測系統(tǒng)在城市規(guī)劃建設監(jiān)測中的應用本著“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策”的原則，通過快速獲取重大工程施工進度、新增建設用地、建筑施工裸地、城市綠地等位置信息，與城市規(guī)劃數(shù)據(jù)疊加分析，對城市管理固疾頑癥開展綜合治理，為智慧城市建設和運營管理提供準確、及時的數(shù)據(jù)信息和分析報告，成為輔助城市向智慧城市發(fā)展的重要技術力量。