遥感技术在中国城市环境监测中的应用研究进展
    

摘要:城市的飞速发展带来了一系列环境问题。遥感以其快速、准确和实时地获取资源环境状况及其变化数据的优越性,成为城市环境监测的主要手段。对中国遥感在城市中的应用进行系统总结,主要包括:城市绿地、城市水体、城市大气遥感、城市热岛效应、城市垃圾堆放和城市土地利用变化监测,及在城市交通、灾害预警等方面的应用。遥感在城市环境监测中的应用,应在的基础上,形成系统的技术方法和规范,并加快城市环境遥感监测的指标体系和国家环境信息系统建设。
关键词:遥感;城市环境;监测
及时了解和掌握城市土地利用变化及环境状况,对于合理进行城市规划、调整用地结构、保护城市环境和实现区域可持续发展具有十分重要的意义。常规的人工调查方法由于周期长,耗资大,不能及时反映城市环境变化的趋势。而遥感(RS)技术由于具有快速、准确、大范围和实时地获取资源环境状况及其变化数据的优越性,为城市环境动态监测与分析提供了可靠的信息源,这成为当前和今后城市研究的主要技术手段。
1中国城市发展及环境问题
城市化是现代社会最突出的一项社会变革。中国目前正处于城市快速发展的时期。城市的发展一方面为人类生产生活带来了极大的便利,并造就了现代社会文明和经济繁荣;另一方面剧烈地改变着原有的城市自然环境,并带来了一系列矛盾和问题:人地矛盾突出、城市环境污染、大气污染、水资源匮乏和生物多样性丧失等,使城市环境问题成为当今世界所面临的人口、资源与环境三大问题中的重要内容。因此,如何采取合理有效的措施对城市环境进行监测和治理并实现城市的可持续发展,成为人类亟待解决的问题之一。
2遥感技术在中国城市环境监测中的应用
中国城市遥感研究源于1980年的天津—渤海湾环境遥感试验。20世纪80年代初以来,国内几十个大中城市相继开展了城市遥感综合调查研究工作,其成果得到了广泛应用,对现代城市的合理规划建设与管理,对解决城市发展中出现的各类问题起到了重要作用。之后,遥感在城市环境监测中的应用逐渐发展起来,主要集中在以下几个方面。
2.1城市绿地遥感
遥感技术能快速准确地获取城市绿地的分布和绿化覆盖度信息,并了解城市绿地景观的组成、种类和布局。利用遥感影像对城市绿地进行监测,首先是对遥感图像的选取,图像的选取分片种、时相和比例尺3个内容。然后对图像进行校正、解译和分类。最后计算出绿化面积并对城市绿化覆盖率按等级进行划分,然后通过不同时相的数据进行动态变化分析,还可以建立数据库以供政府决策。许多学者对遥感在城市绿地环境调查中的应用进行过研究,如叶勤等通过彩红外航片,利用计算机进行分类识别、统计绿化面积,根据分类结果、实测数据及统计公式计算出所分析区域的绿量值,得到三维绿量统计值,较好地模拟了上海局部地区城市绿地的覆被变化状况。石雪冬等通过GIS和RS技术在广州市城市绿地系统总体规划工作中的应用,探讨了运用GIS和RS技术提取城市现状绿地数据的方法。邢诒等对深圳城市景观生态进行遥感监测,动态分析了十多年来城市景观生态的变化。赵敏慧等对元江县植被进行分类,获得了较好的精度,对城市绿地遥感也具有很好的借鉴。
2.2城市水体遥感
城市水环境的遥感监测主要基于污染水体的光谱效应。由于水体污染物种类、浓度不同,使水体颜色、密度、透明度和温度等产生差异,导致水体反射波谱能量的变化,在遥感图像上反映为色调、灰阶、形态、纹理等特征的差别。根据影像信息,一般可以识别污染源、污染范围、面积和浓度。城市的水污染主要是由于工业、生活废水排入城市周围的水体,使水质发生变化。因此,对城市废水污染可用多光谱合成图像进行监测。污水除了在色调上与纯净水存在较大差异,其排放点、扩散方式、稀释混合等特征也是重要的识别标志,故结合GIS中的城市基本图件还可对城市废水的扩散进行分析。而综合利用RS、GPS及常规监测手段,以GIS为信息平台,则可实现对城市水域分布变化和水体沼泽化、水体富营养化、泥沙污染等进行监测。上海市对长江水域从海潮初涨到落急进行了7个时段的往返彩红外摄影与热红外扫描,同时在测区同步采样,根据遥感资料中提取的色密度信息和江水中的COD、BOD、DO等有机物污染因子间存在的相关关系,研究了测区内的污染源、污染类型、污染物浓度以及在不同潮情下污水的扩散范围。为动态水体污染的遥感监测提供了可行的措施。陈志远等以汕头市为例,探讨了遥感在城市水灾模型建立中的应用,在图像配准中运用DEM生成方法和有限单元法,并对洪水的发生发展过程进行了模拟,这是对城市水体遥感应用的进一步深化。佘丰宁和刘英等利用遥感数据与同步湖面多点观测资料分别对太湖和千岛湖水体叶绿素含量与不同波段遥感值之间的关系进行了定量分析,并建立了叶绿素遥感含量的估测模型,这为城市水体质量的定量分析提供可行的研究方法。
2.3城市大气遥感
城市大气污染的遥感监测主要是通过遥感手段调查产生大气污染的污染源的分布、污染源周围的扩散条件、污染物的扩散影响范围等。其研究通常用间接解译标志进行,即用植物对大气环境的指示作用来对城市大气环境质量进行判别。生长正常的植物叶片对红外线反射强,因此在彩色红外像片上色泽鲜艳、明亮;受到污染的叶子,反映在彩色红外像片上颜色较暗。因此,通过遥感监测结果可对城市污染源及其扩散影响、污染程度等进行分析研究。此外,对城市大气的监测要结合环境监测站点的资料进行分析,以获取定量化的大气污染指标。利用地物的波谱测试数据、彩色红外遥感图像及少量常规大气监测数据,可获取关于城市大气环境质量的基本数据,并建立城市大气污染的评价模型。
城市大气遥感主要包括两方面:(1)城市大气污染监测。依据航空遥感监测资料所编绘的各类大气污染源的分布图,显示了建成区工厂烟囱和高能耗的分布,而老建成区中的商业区、人口密集区和交通拥堵分布采用航空多光谱技术,根据同一地物的不同光谱特性,进行计算机处理,可监测大气污染的主要污染物、颗粒大小及空间区域的分布,从而对城市内不同类别的大气污染做不同处理。(2)大气污染物扩散规律的研究。遥感可观测到大气中气溶胶类型及其含量、分布与大气微量气体的铅垂分布。根据对热红外扫描图像的分析研究,可提出城市地面辐射温度和城市热岛现象形成的关系。
2.4城市热岛效应遥感监测
城市热岛是指城市气温高于外围郊区的现象。利用热红外遥感如Landsat—TM6波段等,可以在短时间内获得城市下垫面瞬间的温度场图像,使人们可以用视觉来研究那些看不见的热污染现象。热红外遥感方法在城市热岛效应研究方面具有无可比拟的优势。
陈云浩等在RS、GIS的支持下,创建了热力景观空间格局的评价指标体系,并应用转移矩阵法对不同时段上海城市多时相热力景观的转移概率进行计算,分析了热力景观的动态变化和热力景观类型的组分转移过程,并揭示了上海城市近10年热力景观类型的变化强度和趋势。周红妹等以上海市为例,借助气象卫星资料为主要信息源以陆地卫星TM资料、土地利用专题图件、气象观测资料为辅助信息源,利用GIS空间分析技术,对城市热力分布特征和变化规律进行动态监测和综合分析。同时还对地面亮温和气温的相关模式进行研究和建立,取得了较好的应用效果。并客观评估了上海市中心城区的热岛效应与绿地分布特征的关系。孙飒梅等通过热红外波段的TM6图像数据对厦门市城市热岛强度进行监测,并将其作为城市生态环境监测指标之一。这些研究都取得了较好的效果。徐涵秋等将不同时相热红外图像进行分级,使得不同时相的热红外图像得以对比。为了定量地研究城市热岛的变化(还创建了城市热岛比例指数(URI)。该指数通过热岛面积和城市建成区面积的比例关系并赋于不同的权重值来定量地评估热岛现象的变化情况。
2.5城市垃圾堆放和固体废弃物的遥感监测
利用遥感技术对固体废弃物进行监测管理,即根据有关的遥感图像解译标志,定期利用高分辨率遥感图像为信息源进行固体废弃物堆积的监测,并通过GPS技术确定相应的空间位置,然后在GIS中对不同时相的固体废弃物污染信息进行比较以确定其发展趋势,并结合城市产业布局及垃圾处理系统设置实施相应的管理策略,以实现对固体废弃物的动态监测和有效管理。
利于从光谱特性中区分出城市固体废物的主要参量有:固体废物的含水量、固体废物的有机质含量及表面粗糙度等。利用这些参量与光谱的关系,通过选用合理的阈值,可以有效去除与城市固体废物无关的像元,以突出城市固体废物。统计中的监督分类和非监督分类法也适用于固体废物的分类处理。对图像进行非监督分类,参考假彩色合成图像,去除与城市固体废物无关的类别,再将剩余图像进行样区选取和训练统计;进一步进行监督分类,调整可信度,同时加入空间地理信息,得到最终分类结果。北京市环境保护科学研究所曾用航空像片分析了北京市垃圾等废弃物的分布状况和特点。
2.6城市土地利用变化监测
土地利用/覆被变化(LUCC)研究是遥感应用最广泛的领域之一。城市土地利用变化研究需要有多时段、动态的遥感图像资料。要获得某区域土地利用变化的信息,首先需要对同一地区不同时段的图件进行LUCC分类,这也是对土地覆盖进行动态监测的依据。但图像资料中存在大量的干扰因素,如图像失真、大气状况差异、几何偏差等,所以在对LUCC进行动态监测的过程中,首先需要对图像进行几何纠正和辐射纠正,然后通过变化探测,识别变化类型并进行变化制图。史培军等利用不同时段的遥感影像,分析了深圳市15年来土地利用变化的空间过程,并对土地利用变化的驱动力进行了分析。王良健等基于RS与GIS对苍梧县土地利用变化进行了动态监测与预测。丁建丽利用两个时相同一季相的TM和XI-SPORT图像数据来提取土地利用/土地覆盖变化信息,具有很好的操作性。
目前遥感动态监测方法可分为分类比较法和光普直接比较法。何春阳等在分类后比较法和变化分析矢量相结合的基础上提出新的混合遥感监测方法,主要包括遥感图像预处理、单景图像分类、变化像元提取和分类动态信息提取4个步骤。唐俊梅等提出了基于MODIS数据的LUCC监测方法。
2.7其它方面的应用
遥感在城市环境监测方面的应用还包括很多方面,如城市的人口状况、建筑环境、交通状况、城市扩展、环境地质、旅游环境及城市污染、灾害预警等。如高芳琴等运用彩红外航空图像城市交通道路信息进行了提取。上海1988年利用航天遥感对市区交通的总体状况进行了调查,并全面分析了不同路段机动车辆的密度、流量、平均车速及其空间分布规律,找出了形成城市交通堵塞的11条主要原因,并提出缓解措施。查勇利用航空遥感影像,测定了21个建筑物的高度/楼层数。颜梅春等基于IKONOS影像利用MATLAB软件对图像增强和区域增长形状提取方法,进行了城市道路信息提取,取得了较好的精度效果。宁宝坤等探讨了IKONOS影像在地震灾害评价中应用的可行性,认为高分辨率卫星影像在城市基础数据获取与更新、震害的快速评估和地震应急决策中有广阔的应用前景。随着遥感的光谱分辨率和空间分辨率的进一步提高,人类可以通过遥感获得更多更细微的信息,从而推动遥感技术应用领域的不断拓宽,遥感将会在城市环境监测领域得到更广泛的应用。
3遥感技术在城市环境监测领域应用的展望
(1)应加强“3S”技术在城市环境方面的应用研究,其重点应该是实现3S的有效结合,建立适合环境保护领域应用的综合多功能型的遥感信息技术。
(2)中国在该领域方面的应用还刚刚起步,没有形成系统的技术方法和规范。目前各部门、单位只进行零散的研究,不可能形成系统的应用能力。要得到全面的应用必须有一整套技术方法和规范。
(3)城市环境监测的内容很多,哪些指标能采用卫星遥感技术进行有效的监测,其最佳监测光谱分辨率、监测时间频率和监测空间分辨率,还不是十分清楚,更没有形成实用模型数据库。因此应加快城市环境遥感监测的指标体系和国家环境信息系统建设。

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    收录时间:2014年04月20日 11:30:42 来源:环卫科技网 作者:匿名
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