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遥感和GIS在调查城市绿地中的应用研究.doc

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遥感 GIS 调查 城市 绿地 中的 应用 研究
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遥感和GIS 在调查城市绿地中的应用研究【摘要】城市绿地是城市生态和谐建设的基本内容之一,充当着城市自然的生产力主题的作用。它在维护和改善城市环境,调节城市的生态平衡中发挥极其重要的作用。目前城市绿地的支离化的程度比较高,采用人工的手段获取相关绿地信息工作量和困难相对较大。为了合理地对城市绿地进行规划管理,本文以城市绿地作为研究对象,运用遥感测量和 gis 手段获取城市绿地覆盖信息,用于解决城市绿地分布广、周期变化快、信息量较大等问题;同时,运用地理信息系统能够更方便迅速地对城市绿地信息进行动态查询、管理、规划、和分析等,为城市绿地规划提供科学依据,同时也为城市绿地管理走向自动化,可视化奠定基础。随着计算机技术和空间卫星技术的发展,遥感技术在遥感平台、遥感器、遥感的基础研究和应用领域等方面发生了根本的变化 , 而地理信息系统也具有了 对多源空间数据进行处理、分析和管理的强大功能,二者结合应用为城市绿地评估提供了有力的技术支持:RS 能够快速、及时准确地提供内容丰富的城市绿地空间数据, GIS 空间数据库的现势性有了保证; RS 影像的存储、管理和分析的强大操作平台都在 GIS 为处理后的 形成。 将 GIS 和 RS 的集成数据应用于城市绿地的评估 , 为城市绿地的建设提供了决策,同时也提供更加科学的事实依据 , 而且也是目前城市绿地量化评估的重要手段和实现未来城市绿地规范话管理规划的必然趋势。【关键词】遥感;地理信息系统;城市绿地;城市规划目录1 绪论 .......................................................................31.1 研究背景及意义 ........................................................31.2 国内外现状 ............................................................31.2.1 基于遥感方法的城市绿地研究 .....................................41.2.2 基于 GIS 工具的城市绿地研究 .....................................52 基础技术简介................................................................52.1 遥感技术 ..............................................................52.2 GIS 技术 ..............................................................63 RS 与 GIS 城市绿地评估应用 ...................................................73.1 城市绿地评估系统的总体框架 ............................................73.2 城市绿地评估的流程和关键技术 ..........................................73.2.1 数据源的选取 ...................................................73.2.3 城市绿地空间格局分析 ...........................................83.2.4 绿地生态环境效益分析 ...........................................94 总结与展望 ................................................................114.1 论文总结 .............................................................114.2 未来展望 .............................................................11参考文献 ....................................................................12致谢 ........................................................................131 绪论1.1 研究背景及意义人类经济社会的发展衍生出了城市这个变产物,生产力提高和社会进步的必然结果就是导致城市化。随着经济社会的迅猛发展,城市的规模和数量都在不断地扩大和增长,工业产值与规模化不断增大,人们的生活质量也在明显地提高。但是,随着生态环境的日益严峻,人口负荷大,交通状况差,环境污染严重都限制了城市的可持续化发展。因此,以改善城市生态质量,美化城市景观为目标的城市绿地系统建设, 已成为当前城市的生态建设与可持续发展的重要内容。城市绿地是城市内容中的自然发展的主体,在城市的生态和谐系统中作用显著,城市绿地的质量充分提现出城市的综合质量。然而随着经济的高速发 展,城市化水平日益提高,城市用地也显得极为紧张。因此,在有限的土地资源上要及时地了解城市绿地动态变化,并且实现城市绿地的空间结构优化和合理的布局,使绿地高效、充分地发挥其生态、社会和经济效益就显得尤为重要。遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术的广泛应用,也为综合地、多层次地进行城市景观空间结构的分析奠定了基础。因此,基于 GIS 和 RS 技术,能够及时、准确地掌握城市绿地资源的动态发展趋势,以景观生态学的理论为指导分析城市绿地景观结构和布局,为城市科学决策和建设、宏观调控提供依据。遥感(RS)、地理信息系统(GIS)是当前人类快速获取大区域地球动态和定位信息并提供处理、分析和辅助决策等服务的有效手段。遥感和GIS 结合,在空间数据获取、分析处理方面具显著地优势,已经广泛运用到农作物监测、矿产资源管理、城市规划等领域。遥感和 GIS 技术在城市绿地系统中的应用研究主要集中在以下几个方面:1、运用遥感和 GIS 技术进行城市绿地调查2、基于 GIS 的城市绿地数据的管理3、基于遥感和 GIS 技术的城市绿地生态效益的评价1.2 国内外现状随着城市化进程的加速发展,愈加强烈的人类活动使得城市生态系统服务功能降低,城市环境问题不断加剧,最终导致城市生态环境状况不断恶化,城市居 民生活水平降低。在这种背景下,作为城市这一复合生态系统重要组成部分的城市绿色空间,其所具有的服务生态功能已经被许多人们注意到,如何,改善城市内部生态环境,调研城市绿地生态服务功能所带来的经济与生态效益,优化城市绿色空间的分布与结构,为城市的民众提供越来越好的生活质量,是国内外当前对于城市生态系统研究的重要方向。 目前,对城市绿地空间生态服务功能的研究中,我国的研究主要还是以城市绿地结构以及绿地空间分布以为方向,其中也包括生态功能量化评估,绿地评价指标体系等几个方 面;而在国外进行的同类研究则以城市绿地的社会经济效益,提供休闲娱乐功能, 改善城市气候环境,保持生物多样性等为主要研究方向。数学统计分析和绿化覆盖调查方法(人工普查方法)是传统的获取城市绿地覆盖信息的主要手段。城市绿地根据其存在的形态分为两大类,即成片绿地和散状树。传统的人工普查方法往往采用一下统计公式:公式中 是个面积系数,是指某一类绿化覆盖统计对象每株树冠的平均面积, 表示𝐾𝑖 𝑁𝑖某一类绿化覆盖统计对象的数量总和。(1) 传统的人工普查方法有一下几个问题:(2) 多为手工作业,资金和人力投入大;(3) 数据量大,统计量任务重,周期长;(4) 统计过程中人为因素影响大,数据准确性低;(5) 多为统计分析,空间分析弱;(6) 调查、统计结果多为表格或测绘图件,可视化程度低,不便于综合分析评价。当前的城市绿地研究工作中,主要采用的研究方法有以下几种:景观生态学 原理,绿地评价指标体系计算,公众调查,遥感方法,GIS 工具,绿地模型研究。1.2.1 基于遥感方法的城市绿地研究遥感方法主要基于 Landsat、SPOT、NOAA 等一系列地面观测卫星发回的地面遥感图像进行研究,由于不同类型的地面物体在不同波段上所表现出的光谱特 性不同,基于这一原理,对同一地区在相同时段下拍摄的不同波段光谱图像进行特定处理,可以在遥感图像中突出符合某一光谱特性的特定类型地物图像。由于 遥感图像大范围、高分辨率的特点,通过遥感方法能够快速准确的获取在一个较大范围内多种研究对象的地表数据,这些特性使得遥感方法可作为一种理想的工具用以提取研究区域数据信息。应用遥感提取绿地信息主要有三类方法:TM 原始波段合成法、植被指数法 和多源信息融合法。TM 原始波段合成法采用多个波段合成方案,突出地表植物信息,方便解译,常用的波段合成方案有:波段 234(蓝、绿、红)合成、波段 347(蓝、绿、红)合成、波段345(蓝、绿、红)合成;植被指数法根据植物的光谱特征,选取遥感图像的部分波段进行指数运算,使地表植被表现出与其它 地物不同的指数特征,以达到提取地表植被信息的目的,目前利用较多的植被指数有简单的比值植被指数(RvI)、归一化植被指数 (NDVI)、垂直植被指数(PVI) 、 土壤调整植被指数 (SAVI)、转换型土壤调整植被指数(TSAVI)以及缨帽变换的绿度植被指数(GVI)等,其中 NDVI 指数以其计算方便、结果可靠、易于辨认等特点,是目前对地表植被空间分布的遥感研究中应用最广泛,最具有代表性的植被指数之一,常用于城市和大范围地区的植被覆盖遥感研究;多源信息融合法主要是融合 ETM 的多光谱特征与SPOT 影像的高空间分辨率特性,融合后的图像既保持了多光谱属性,同时又导入了 SPOT影像的高空间分辨率特性,使目视解译的结果更加准确可靠。武佳卫等利用自 20 世纪 80 年代年以来的 6 个典型年份的 Landsat 卫星遥感 数据反演了地表温度,揭示上海市热岛范围的扩展情况。同时,由各年份的遥感数据经过计算得到相应年份的植被盖度及归一化植被指数分布情况,并利用相关 分析、回归分析方法,研究上海地表温度(LST)、植被盖度(V F)、归一化植 被指数(NDVI)之间的关系,客观评价了上海市热岛效应和植被的空间分布特 征及其之间的相关关系。结果表明,上海市建成区的扩展是导致城市热岛范围扩大、强度加大,最根本的原因之一;植被覆盖与地表温度具有明显的负相关关系, 植被分布面积的增加对城市热岛强度的降低具有非常积极的作用1.2.2 基于 GIS 工具的城市绿地研究随着地理信息系统(GIS)的出现,为城市绿色空间的研究工作又增加一个 强大的工具。通过将其他途径获得的各类数据在 GIS 平台上数字化,将传统绿 地研究中懂得各种调查统计数据数字化并用图像形式表示于地理信息系统中,使 研究数据更加直观,可以十分方便的与其他不同类型的数据进行组合及对比,便于分析,帮助研究者更加容易的发现在错综复杂的各类数据底下所隐藏的规律。 由于 GIS 系统强大的空间数据管理、检索和分析能力,使其在许多研究领域都 能发挥重要的作用,传统数据获取途径与 GIS 系统相结合的研究方法,是未来 研究工作的总体发展趋势。王雪等选用 2002 年 11 月的 SPOT-5 遥感影象,结合 l:10000 地形图及实 地考察,将深圳市绿地分为公园绿地、道路交通绿地、居住区绿地、单位附属绿 地和风景名胜区绿地,并应用 GIS 系统将各类绿地分类数字化于数字地图上, 并利用 FRAGSTATS 软件对绿地景观构成、景观多样性、优势度、廊道密度和分维数等指数进行了计算,以景观生态学原理分析了深圳特区城市绿地景观的空间格局。陈士银等也利用了类似的方法,将湛江市建成区的景观要 素斑块利用 GIS 软件进行数字化,计算了斑块形状指数、斑块分维数、多样性 指数、均匀度及优势度等景观空间格局指数,并通过对这些指数的分析探讨了湛 江市城市景观生态空间格局。Shin 等使用 ArcView 软件将多个来源的数据结合到一起,包括由 1987 年和 1999 年遥感图像反演得到的地表温度图,由 IKONOS 卫星影象及 1:3000 的汉城地图解译得到的用地分类图,以城郊新近扩展中的城区作为研究对象,在 GIS 软件中对各来源的数据进行了综合分析,确认了植被覆盖与地表温度之间的负相关关系,认为合理进行城市规划、减少绿地破碎化程度可以有效抑制热岛效应我国的葛伟强等,以中巴资源一号卫星、Landsat27 陆地卫星、 NOAA 气象卫星等不同来源的遥感数据为主要信息源,结合土地利用、地面气象观测、绿地统计等相关资料,将各类数据进行同化及配准处理,采用同步观测的点面结合方法,通过 GIS 多要素空间分析模式,对近年来上海城市,热岛、绿岛,分布以及相关关系、作用效果进行综合分析,进而揭示了城市绿地对城市气 温的调节作用和影响效果。2 基础技术简介2.1 遥感技术遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息,判认地球环境和资源的技术。遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线,对目标进行探测和识别的技术。遥感技术的基本原理是这样的:任何物体都具有光谱特性,具体地说,它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同,同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体,在不同的时间和地点,由于太阳光照射角度不同,它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根 据这些原理,对物体作出判断。遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性;红光段探测植物生长、变化及水污染等;红外段探测土地、矿产及资源。此外,还有微波段,用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。完成上述功能的全套系统称为遥感系统,其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多,主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成象光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星) 传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。2.2 GIS 技术地理信息系统(GIS)技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术,在资源与环境应用领域中,它发挥着技术先导的作用。GIS 技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息,对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试,便于制定决策、进行科学和政策的标准评价,而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较,也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流,明显地提高工作效率和经济效益,为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。在计算机发展史上,计算机辅助设计技术(CAD)的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据,图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标,不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说,拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等;点有坐标(x, y) ;线可以看成由无数点组成,线的位置就可以表示为一系列坐标对(x1, y1) , (x2, y2) , ……(xn, yn) ;平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系,如一个点在一条线上或在一个多边形内,一条线穿过一个多边形等等。在实际应用中,一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据,可能有几万个多边形,几万条线,上万个点,还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系。3 RS 与 GIS 城市绿地评估应用3.1 城市绿地评估系统的总体框架城市绿地评估系统的总体框架如图 3.1 所示,从框架图中可以看出在获取绿地的景观分析与生态分析结果后能对绿地进行综合评价并提供决策支持。图3.1 城市绿地评估系统总体框架图3.2 城市绿地评估的流程和关键技术3.2.1 数据源的选取城市绿地评估的数据源包括城市的近期彩红外影像、现有的电子地图、人口普查数据和历年的社会经济数据等。彩红外影像主要用于城市绿地专题空间数据库的初始建立和后续更新。它主要是通过处理灰度影像来提取城市绿地线划图。在大多数城市所具有的 1:10000 电子地图的基础上,利用统计启发式搜索方法,快速识别产生变化的绿地区域并确定其大小,从而实现城市绿地数据库的更新 。 这样 , 不仅大大缩短数据库更新的时间 , 而且可避免因重新建库所带来的人力和财力的消耗。同时也可以从中提取相关专题数据,如行政区划专题数据。人口和社会经济数据是建立城市绿地景观和生态分析模型所必需的重要数据。人口数据主要包括按年龄 、 性别和学业登记的人口数 , 历年来常住及流动人口数和人口出生 、 死亡 、 迁移等数据 。 社会经济数据主要指城市历年国民经济主要指标。3.2.2 建立城市绿地空间数据库RS 和 GIS 结合,实现城市绿地空间数据库的建立。目前 RS 和 GIS 的结合模式主要采用分开平行的结合,如图 3.2 所示。GIS图 3.2 RS 和 GIS 结合模式在对各种数据预处理的基础上,将它们纳入到 统一的空间数据库,是 GIS 软件面临的一个重要任务 。 美国 ESRI 公司的空间数据库引擎 ArcSDE 具有这种功能 。 它由数据存储引擎 、 数据分析引擎和数据可视化引擎等组成。它对目前普通数据库管理系统(SQL Server、Oracle 和 DB2 等) 进行了一定的扩展 ,使它们在数据类型、查询方法以及索引机制等方面得到加强,能够同时对空间和非空间数据进行操作。 我们可利用 ArcSDE, 将城市绿地矢量 、栅格和属性数据以及人口经济数据导入后台数据库 Oracle 8 中,形成集空间数据和属性数据为一体的城市绿地数据库。3.2.3 城市绿地空间格局分析景观分析功能和 GIS 功能集成的城市绿地空间格局分析。传统景观分析软件主要侧重于景观指数的计算 , 对数据的来源 、 分析结果的表达以及数据的管理比较弱 , 而普通的GIS 软件虽然在数据的处理 、 存储、管理和表现形式上具有很大的优势,但是却不具备专业的城市景观空间格局分析功能。将现有景观分析 软件和 GIS 软件进行集成,是实现城市绿地空间景观结构格局分析的有效手段和方法。在这里可以利用 Fragstats 的 AML 接口在 Arcinfo WorkStation 的开发环境中实现 。Fragstats 提供了一整 套量化评价景观空间格局的指标模型 , 是一组公开了 源代码的开放程序。它有矢量和栅格两个独立的版本 , 其中矢量版是针对城市绿地多边形 Converrage 数据模型,将 Fragstats 公开代码植入标准的 AML 接口,同 AML 解释器进行连接 。 利用 DE开发的程序 , 可以对程序流程进行有效控制 , 对城市绿地专用模块的调用是通过 AML 解释器来实现的,而对 Arcinfo 的核心和组件则直接进行访问。因此,它既具备 Fragstats 的城市绿地景观分析功能,又可以通过 Arcinfo 实现对城市绿地数据的管理、存储、查询功能以及用图形、列表统一形式来表达分析结果 。Arcinfo FragstAML图3.3 景观格局分析程序调用机制3.2.4 绿地生态环境效益分析利用新的城市绿地生态环境效益评价指标,实现绿地生态环境效益分析。在对城市绿地景观格局评估的基础上 , 利用城市绿地的景观生态学标准 , 建立一套城市绿地生态效益的量化评估系统 , 对促进城市绿地建设朝着注重生态的方向发展有着重要作用和意义。传统的评估系统以绿地率、绿化覆盖率和人均公共绿地面积为指标进行评价,该体系不能完全客观地反映绿地的生态效益功能 , 存在的缺陷主要是没有体现绿地在城市内的空间分布状况 、 展布形态和绿地性质差异。例如,位于市中心和位于城市郊区的同样的绿地相比是不同的;同样面积大小的绿地,呈圆形展布和呈廊道或斑块展布也有明显的差异;具有同分布状况、展布形态和相等面积的同一块绿地,植树与种草相比在生态效益上也会有很大的差别 。 再如 , 就吸碳产氧的 功能而言 , 成年有林地的日吸碳产氧量约相当于同面积草地的 3 到 5 倍,而降噪音的能力在成年林地、灌木和草(高叶面指数)的篱障阻挡和吸收噪声的功能又大大高于同样厚度的单纯有林地篱障。为此,从景观生态学原理出发,针对城市绿地的种类多、产生的生态效益参差不齐的实际情况 , 我们引入绿量 ( 周坚华 ,2001) 这个指标,并以此来建立绿地生态效益三维评价模型。其中,绿量计算公式如下:Y=b(ax)/c式中 y 是绿量,x 是树冠径(草和灌木的连续覆盖半径 )是 b 回归系数 ,a 和 c 是系数 。系统开发可以有多种选择 , 其中比较实用的一种是利用空间数据库引擎 ArcSDE 对关系型 Oracle DBMS 的数据库扩展,建立城市绿地评价数据库。然后 在 VC++开发环境中 ,通过专业 ActiveX-MapObject 来 实现。 ArcSDE 服务进程直接连接到 Oracle 关系型数据库,利用应用程序 API 接口。实现空间数据检索和分析功能 ; MapObject 则依靠具有制图和GIS 功能的 OLE 组件和对象 , 将 ArcSDE 的矢量 、 栅格等数据以及相关的属性表进行组合,结合城市绿地的生态效益模型进行一定的空间分析。以专题图或表格的形式反映城市绿地生态功能。图 3.4 所示的是城市绿地生态评估和决策开发结构层次图。 MapObjectArcSDERDBMS图 3.4 城市绿地生态评估和决策开发结构层次图
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