多源遥感数据融合在城市发展研究中的应用.pdf

信阳师范学院学报自然科学版Journal of Xinyang Teachers College 第14卷 第1期 2001年1月N atural Science EditionVol . 14 No. 1 Jan. 2001 应用技术研究 多源遥感数据融合在城市发展研究中的应用 高瑞莲,邹 凤,周海波 华东师大 城市与环境动态过程重点研究实验室,上海200062 摘 要多源遥感数据融合是一种通过高级影像处理技术来复合多源遥感影像的技术,其目的是将单一传 感器的多波段信息或不同类别传感器所提供的信息加以综合,提高获取信息的有效性和准确性,解译的可靠 性,以形成对目标的完整一致的信息描述.把不同传感器的遥感数据和非遥感数据融合在一起应用,是遥感技 术应用向纵深发展的必然趋势.本文利用上海地区不同时期、 不同卫星的遥感数据及不同时期上海城区发展的 地图数据,制作了上海市城市发展态势图,并对结果进行了分析研究. 关键词遥感;传感器;数据融合;解译 中图分类号 K909; TP79 文献标识码 B 文章编号 10032097220010120114204 多源遥感数据融合是指由不同传感器信息源 实际联合融合为统一的表达形式,数据融合的基 本目标就是通过组合,获得比任何单个输入数据元 素更多的信息.它是一种通过高级影像处理技术来 复合多源遥感影像的技术,其目的是将单一传感器 的多波段信息或不同类别传感器所提供的信息加 以综合,消除多传感器信息之间可能存在的冗余和 矛盾,加以互补,降低其不确定性,减少模糊度,以 增强影像中信息透明度,改善解译的精度、 可靠性 以及使用率,以形成对目标的完整一致的信息描 述.与单传感器遥感数据处理相比,多源遥感数据 融合则显示出更明显的优越性. 城市是一个规模庞大、 结构复杂、 不断发展的 动态体系.它的发展变化和城市化过程不仅表现在 人口的增加、 经济的发展和功能的变化上,而且也 表现在城市空间结构的变化上,这使得以遥感手段 监测与研究城市变迁成为可能.采用遥感技术可以 获得不同时相的,关于城市空间结构的准确信息, 这些信息的解译、 提取、 分析、 研究将为城市变迁的 动态监测与规划提供有用的技术参数[1]. 20世纪 70年代发射的第一颗人造陆地卫星L andsat , 开 创了从空间来勘测地球资源和监测自然环境新纪 元.自此以来,许多学者致力于探讨利用卫星遥感 来动态监视城市扩展问题.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、 反应宏观规律性,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.目前,遥感技术和空间技术 迅速发展,同一地区可能有不同的传感器数据和不 同时期的遥感数据.同时,许多地区的非遥感数据 已走上数字化道路,建成了可用的数据库.因此,如 何充分利用这些数据,把不同传感器的遥感数据和 非遥感数据融合在一起应用,是遥感技术应用向纵 深发展的必然趋势.本文利用上海地区不同时期、 不同卫星的遥感数据及不同时期上海城区发展的 地图数据,制作了上海市城市发展态势图,并对结 果进行了分析研究. 1 多源数据融合的优势 常规的遥感技术应用只是从单一传感器数据 处理出结果,对于目视判读而言,其信息或信息的 表达常常不能满足实际要求.例如,经过彩色合成 的TM图像,色彩比较丰富,对郊区的农田、 水系 有较好的反应,但对城区的内部结构无法识别,整 个城区偏向于某一种色调,对城区边缘的只能按照 这一种色调来确定; SPOT全色图像分辨率较高, 对城区的内部结构有良好的反应,但图像中有同物 收稿日期 2000206206 作者简介高瑞莲19752 , 女,山东胶州人,现为华东师范大学地图学与地理信息系统专业硕士研究生,主要从事遥感与 地理信息系统的应用与开发研究. 411 高瑞莲等多源遥感数据融合在城市发展研究中的应用 异谱、 异物同谱的现象,在城区边缘的农地与城市 的裸地不易区分.尤其是以上两种图像,都不能够 从图像中直接反应出历史中某个时期的城市边缘. 但经过遥感数据及地图数据的信息经过融合处理 后,能够使TM图像与SPOT图像的信息体现在 一起,有利于城区边缘的确定,根据地图数据还可 以将历史中某个时期的城市边缘界限在图像上表 现出来,而且不同时相的遥感图像融合,能够提取 城市在某一阶段的动态变化信息. 2 总体实施方案及流程图 本课题在进行图像处理的总体思想是利用 TM图像的光谱信息及SPOT图像的空间信息以 及相关的地图数据,经过信息融合,来确定上海市 不同时期的城市边界,从宏观的角度来研究城市发 展规律.图像处理的流程图如下 图1 图像处理流程框图 2. 1 数据情况 上海市城市发展态势图是利用不同时相、 不同 卫星的遥感图像及相关地图数据的融合,制作出上 海市在六个不同时期内的城区发展态势图,进行上 海市城市发展研究.从宏观的角度直接展示上海市 城区从20世纪30年代到1998年之间的六个时期 城区扩展情况,目的是有效监测城市的扩展,在城 市规划、 管理方面为政府部门提供信息服务.这六 个时期分别为 20世纪30年代到50年代, 50年代 到70年代, 70年代到80年代初、80年代初到 1988年、1988年到1993年、1993年到1998年.所 采用的 遥感数据分别为 1988年上海市TM图像 一景、SPOT全色图像六景, 1998年上海市TM图 像一景、SPOT全色图像六景,所用的地图数据为 上海市1 5万行政线划图、30年代上海市城区边 界图、50年代上海市城区边界图、70年代上海市城 区边界图、80年代初上海城区边界图及1993年上 海市城区边界图. 2. 2 上海城市边界界定的研究 在遥感图像上来界定城市边界,主要是根据城 市土地利用类型来确定,本文的土地利用类型采用 了建设部的分类系统. 进行图像解译时,首先把识别目标物所依据的 影像特征建立为解译标志,解译标志主要由图像中 目标物的大小、 形状、 阴影、 色调、 颜色、 纹理、 图案、 位置及与周围的关系等组成[2],目的是在解译过程 中减少人为因素带来的误差.本文根据城市土地利 用类型建立不同的解译标志,经过图像判读以后, 在影像上确定上海城区扩展的边界对于其他年代 的城市边界,可根据相关的地图数据来确定 , 在解 译判读的过程中,还要考虑到在图像中城市空间分 布的连续性以及图像的制图综合[3].空间分布的连 续性是指在城市发展过程中,城市边缘与城区内部 相连接在一起,在空间上是一种连续的过程.图像 上的制图综合包括两个方面图斑的取舍及图斑形 状的概括.图斑的取舍是指选取主要图斑而舍去次 要图斑;图斑形状的概括是指除去微小弯曲,显示 和强调图斑的主要形状和特点.上海城市边缘区土 地利用类型比较复杂,城市用地和乡村用地交错分 布,大面积的农业用地在城市边缘区分布少.近年 来随着城市工业的不断外迁,房地产市场的迅速发 展,上海城市大规模的工业区和住宅区基本分布在 城市边缘区范围内,仓储用地几乎都分散在边缘区 内.由于上海市在发展过程中,建筑类型、 密度等不 同,在图像上的解译标志有明显差异,形成几个主 要圈层结构[4]. 老城区中心层 大多数是里弄住宅、 简屋、 旧 工厂的复杂分布区.主要在黄浦江和吴凇江的交汇 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,在遥感图像上呈灰色或深灰色 调. 新建城区以新建的居民区和迁移到外围的城 市工业为多,位于核心层外围,大部分是水泥制的 平顶楼房,反射率较高,而且结构整齐,与旧城区有 较大的区别.在遥感图像上呈明亮色调. 城乡结合部在新建城区的外围是城乡结合 部,包围着上海市区,在1988年的遥感图像上还是 非常明显和完整连续的绿带,但在1998年的遥感 图像上成为新建城区和菜地互相交错的地带,土地 利用的种类较多,在图像上变化比较大. 郊区在图像上比较完整、 连续,成绿色色调, 511 第14卷 第1期信阳师范学院学报自然科学版2001年1月 有较清晰的几何形态.为上海市的蔬菜、 粮棉作物、 果品等基地,另外还有淡水渔业、 现代化饲养场的 图像信息. 这种不规则的环状分带、 分层现象,应用融合 后的结果可准确地划定边界,便于监视城市的动态 扩展.需要指出的是,城市边界是城乡之间的渐变 地域,本身没有十分明确的地域界线,因此这里所 划分的也只是边界的大体范围. 2. 3 上海市城区面积变化结果分析 上海城市发展态势图用六种特定的颜色代表 六个时期的城区发展过程,从图中可清楚地看出上 海市在各个时期的发展状况.在计算面积时,可统 计出不同颜色的图斑在图像中所占的象元数,换算 出各个时期上海市的城区面积,与常规的地图面积 量算方法相比更精确、 更方便.由于融合图像的分 辨率为10m ,每个象元所代表的面积为100m 2. 20 世纪30年代以来上海市区城市化面积及发展变化 见表1和图2. 表1 30年代以来上海市区城市化面积 单位 km 2 年份图象面积象元城市化面积扩展面积 30年代60150460115 50年代101326410113340118 70年代180522018015279119 1988年270845527018590133 1993年3802776380128109143 1998年5692399569124188196 从表1及图2的结果可分析出,上海自解放以 来城市有了较大的发展.作为我国第一大城市,上 海发展迅猛,上海市城市范围在不断扩大,特别是 1988年到1998年这十年其间,上海发展迅猛,几 乎呈 “跳跃式” 增长. 30年代至50年代,城市建成 区面积年均扩展增长率为2. 01 km 2 年, 50 年代至 70年代,城市建成区面积年均扩展增长率为3. 96 km 2 年, 70 年代至1988年,城市建成区面积年均 扩展增长率为5. 02 km 2 年, 而1988年至1993年 城市建成区面积年均增长率高达21. 89 km 2 年, 1993年至1998年,城市建成区面积年均扩展增长 率为37. 79km 2 年 .城市化区域的扩展带来了城市 边缘区的不断向外推移,使上海城城市边缘区的地 域范围有显著扩大.需要指出的是,以上计算的建 成区面积年均扩展增长率在某一段时期内并不是 匀速增长,仅代表一个宏观的趋势. 图2 30年代以来上海市建成区面积变化图 上海市自1989年以来,已成功进行了两轮航 空遥感综合调查,并取得了一系列的成果,而且在 计划中每5年将进行一轮新的航空遥感调查,这在 目前的遥感应用中将起到十分积极的作用.随着遥 感卫星的空间分辨率及光谱分辨率不断提高,卫星 遥感在城市发展中的应用将越来越重要.如果将航 空遥感及卫星遥感的优势相互补充,其应用前景则 更为广泛. 3 结论 本文对卫星遥感在城市发展研究的应用作了 初步尝试,用多源数据融合的技术方法,制作了上 海市城市发展态势图.并结合遥感图像的分析研 究,对上海市城区边界的界定、 城区扩展速度等方 面进行了探讨.多种数据源信息的相互补充,使得 得到的遥感图像信息更为丰富,目视解译效果更 佳,与常规的制图方法相比,制作周期大大缩短,现 势性较强.对于及时了解城市化发展的进程和具体 数量及其空间位置,以使有效地控制城市扩展进 程,遥感是监视城市发展趋势的重要手段. 参考文献 [1] 孙天纵,周坚华.城市遥感[M ].上海上海科学技术文献出版社, 1995. [2] 刘勇卫,贺雪鸿译.遥感精解[M ].北京测绘出版社, 1993. [3] 吴健平.区域土地利用 土地覆盖遥感调查[M ].上海华东师范大学出版社, 1999. [4] 庄逢甘,陈述彭.卫星遥感与政府决策[M ].北京宇航出版社, 19971 611 高瑞莲等多源遥感数据融合在城市发展研究中的应用 图3 上海城市发展态势图 An application of multi-source remote sensing data fusion in urban development research GAO Rui2lian, ZOU Feng, ZHOU Hai2bo East China NormalU niversity, Shanghai 200062 ,China Abstract M ulti2source remote sensing data fusion is a technology to combine multi2source remote sens2 ing images by means of advanced image processing technology, in order to integrate various ination either from various wavebands of one sensor or from multi2sensors, to raise the efficiency of the infor2 mation and the accuracy, reliability of the interpretation. The comprehensive description of the ina2 tion can be got. Fuse different sensor’s image data and non2remote sensing data together to use, it is an inevitable trend for application of remote sensing technology development.The paper uses map data of different developing period of Shanghai to build a urbanization dynam icmap, and the resultswere tested and analyzed. Key words remote sensing; sensors; data fusion; interpretation 责任编辑张建合 711