城市发展研究中地理信息系统和遥感技术应用文献综述

城市发展研究中地理信息系统和遥感技术应用文献综述

王轲

摘要:地理信息系统(GIS, Geographical Inf ormation Systems和遥感技术(RS,Remote Sensing的应用领域日趋广泛和深入。本文讨论了GIS 和RS在城市发展研究应用四个方面,即:城市环境质量监测、城市环境质量评价、城市规划以及城市管理。通过对这些技术实际应用的分析说明,探讨RS和GIS等信息化技术在城市发展科研领域更泛的应用。

1 前言

伴随着人口快速聚集、城市空间急剧扩张以及经济高速增长,城市人口、资源、环境、社会、交通等问题日益凸现;而城市化过程产生的负面效应反之又阻碍、减缓和抑制着城市化进程,给城市的健康发展带来极大挑战。随着城市发展问题研究的深入以及城市化影响在区域乃至全球尺度上的扩展,迫切需要将遥感和地理信息系统的图象处理与空间分析功能应用到城市发展研究领域,作为强有力的辅助工具协助研究和解决复杂的城市问题。因此,研究遥感和地理信息系统在城市发展过程中环境质量监测、评价以及城市规划和城市管理决策中的应用具有重要意义。

2 遥感和地理信息系统技术概述

遥感技术(remote Sensing 是20世纪60年代在现代物理学(如光学、红外、微波、雷达等、计算机技术、空间技术等支持下形成的一门综合性探测技术。[1]遥感技术系统主要由遥感平台(飞机、卫星等、遥感仪器、图像接收处理和分析判读判读应用四个部分组成。按遥感平台使用飞机或者卫星来划分,分为航空遥感和航天遥感(卫星遥感。过去近20年中,高分辨率、多时相、多波段的空间遥感信息业已揭示了城市化过程中人类活动对环境干预的区域演变及其动态特征的变化过程。作为一项信息工程,其应用是通过多平台、多时相、高分辨率的信息源,借助于地理

信息系统,使瞬间遥感信息延伸为时间序列的数据库,建立综合模型和专家系统,以期赢得预测、预报的时间,为决策和相关学科研究提供科学依据。

地理信息系统(geographical Information System,GIS是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究技术,是多种学科交叉的产物,是一种特定而十分重要的空间信息系统。地理信息系统的定义是由两部分组成:一方面,地理信息系统是一门描述、存储、分析和输出的空间信息的理论和方法的新兴的交叉学科;另一方面,地理信息系统是以地理空间数据库为基础,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

国际上的城市地理信息系统研究开始于20 世纪70 年代初,经过30 多年的迅猛发展,目前发达国家已将它作为城市的基础设施之一,用于城市动态管理和规划发展,并将它作为对城市重大问题和突发性事件进行科学决策的现代化手段。美国、日本、澳大利亚等许多国家在城市方面的发展尤为成功,而我国城市信息系统研究则以遥感为先导,1980 年在天津和1983 年在京、津、渤地区都进行了探索。1989 年利用世界银行贷款,正式在常州、洛阳和长沙市三个中等城市进行城市规划管理信息系统的研究和建设。1990 年后,计算机技术发展迅速,随着国民经济建设和城市化进程的加快,特别是在经济特区和东南沿海域市,对城市地理信息系统的需求出现了一股前所未有的热潮[2]。

3 城市发展过程中人类活动的地理效应

在城市自然生态系统中,土地、大气、生物等自然环境要素受到人类活动的严重干扰,使自然物理环境发生了重大的变化,产生人工化地貌(房屋建筑、人工化气候(热岛与温室效应等、人工化的地面(混凝土或沥青路面等、人工化“水系”(给排水管网等以及许多其他设施,形成具有人工化环境的生态系统[3],从根本上改变了自然景观自然景观形态结构,导致自然景观的退化。在人类生产生活活动中向环境投放大量化学物质,直接或间接干扰了大气层热平衡,同时通过改变水分循环和水量平衡、改变环境物质成分以及影响化学元素迁移,来改变地理系统物质流,加速了自然过程的速率。

4 RS和GIS在城市发展研究中的应用

4.1 城市环境质量监测

城市环境质量监测主要涉及水质监测、大气监测、生物监测和土壤监测等。20世纪80年代初,中国城市就开始进行应用航空、航天技术监测环境、调查土地资源和应用于规划、管理的尝试。1980年,天津市率先进行航空遥感监测实验,利用假彩色红外摄影,编制1∶1万土地利用与土地覆盖图。同时通过大气气溶胶采样及地面大气污染监测数据,对大气、水源、飘尘和SO2含量,进行了环境质量评价,在500米×500米格网上,自主开发制图软件,编绘出版了《天津市环境质量图集》[4]。80年代末期,遥感应用于赤潮监测。1989年中国遥感卫星地面站接收并处理了渤海海区赤潮TM图像,展示了利用卫星遥感技术监测赤潮的可能性[5]。90年代以后,中国城市遥感开始向纵深发展,其趋势之一是追溯城市化的过程和演变的历史,探索城市发展的动向,为制订城市发展规划提供科学依据;趋势之二是从遥感监测发展到建立城市地理信息系统,遥感则成为城市地理信息系统的主要信息源,而且作为定期动态监测系统,不断更新城市信息数据库。城市热岛导致的热环境问题分析方面,以卫星遥感和地理信息系统为技术支撑,选用LandsatETM+影像,分析了人类活动对城市热环境的影响特征,较好地模拟了热环境的空间变化,定量揭示了城市人类活动对热环境的影响机制(周亮,2006;岳文泽,徐建华,2008。在城市土壤重金属来源与污染指数空间分布状况调查方面,以GPS对采样点精确定位,采用克立格( Kriging法计算土壤重金属和Nemero 综合指数的差值,由ArcGIS9.0软件完成差值图的绘制,直观表征重金属污染高风险区(廖晓勇,陈同斌等, 2006。城市植被覆盖实地监测方面,以ASTERL1B级数据和土地利用图为数据源,统计分析,选择植物群落最敏感的植被指数,初步探索出快速、准确、方便的调查植被分布的方法和技术,为植被实地监测提供了重要参考依据(杨颖慧,2007,此外还建立基于像元信息分解的城市遥感自动识别系统,取代传统目视解译,已应用于城市绿地信息提取(余前等,2006。

4.2 城市环境质量评价