遙感和GIS在調(diào)查城市綠地中的應用研究

遙感和GIS在調(diào)查城市綠地中的應用研究【摘要】城市綠地是城市生態(tài)和諧建設的基本內(nèi)容之一，充當著城市自然的生產(chǎn)力主題的作用。它在維護和改善城市環(huán)境，調(diào)節(jié)城市的生態(tài)平衡中發(fā)揮極其重要的作用。目前城市綠地的支離化的程度比較高，采用人工的手段獲取相關(guān)綠地信息工作量和困難相對較大。為了合理地對城市綠地進行規(guī)劃管理，本文以城市綠地作為研究對象，運用遙感測量和gis手段獲取城市綠地覆蓋信息，用于解決城市綠地分布廣、周期變化快、信息量較大等問題；同時，運用地理信息系統(tǒng)能夠更方便迅速地對城市綠地信息進行動態(tài)查詢、管理、規(guī)劃、和分析等，為城市綠地規(guī)劃提供科學依據(jù)，同時也為城市綠地管理走向自動化，可視化奠定基礎。隨著計算機技術(shù)和空間衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在遙感平臺、遙感器、遙感的基礎研究和應用領域等方面發(fā)生了根本的變化，而地理信息系統(tǒng)也具有了對多源空間數(shù)據(jù)進行處理、分析和管理的強大功能，二者結(jié)合應用為城市綠地評估提供了有力的技術(shù)支持：RS能夠快速、及時準確地提供內(nèi)容豐富的城市綠地空間數(shù)據(jù)，GIS空間數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性有了保證；RS影像的存儲、管理和分析的強大操作平臺都在GIS為處理后的形成。將GIS和RS的集成數(shù)據(jù)應用于城市綠地的評估，為城市綠地的建設提供了決策，同時也提供更加科學的事實依據(jù)，而且也是目前城市綠地量化評估的重要手段和實現(xiàn)未來城市綠地規(guī)范話管理規(guī)劃的必然趨勢?！娟P(guān)鍵詞】遙感；地理信息系統(tǒng)；城市綠地；城市規(guī)劃目錄1緒論 31.1研究背景及意義 31.2國內(nèi)外現(xiàn)狀 31.2.1基于遙感方法的城市綠地研究 41.2.2基于GIS工具的城市綠地研究 52基礎技術(shù)簡介52.1遙感技術(shù) 52.2GIS技術(shù) 63RS與GIS城市綠地評估應用 73.1城市綠地評估系統(tǒng)的總體框架 73.2城市綠地評估的流程和關(guān)鍵技術(shù) 73.2.1數(shù)據(jù)源的選取 73.2.3城市綠地空間格局分析 83.2.4綠地生態(tài)環(huán)境效益分析 94總結(jié)與展望 114.1論文總結(jié) 114.2未來展望 11參考文獻 12致謝 131緒論1.1研究背景及意義人類經(jīng)濟社會的發(fā)展衍生出了城市這個變產(chǎn)物，生產(chǎn)力提高和社會進步的必然結(jié)果就是導致城市化。隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，城市的規(guī)模和數(shù)量都在不斷地擴大和增長，工業(yè)產(chǎn)值與規(guī)?；粩嘣龃螅藗兊纳钯|(zhì)量也在明顯地提高。但是，隨著生態(tài)環(huán)境的日益嚴峻，人口負荷大，交通狀況差，環(huán)境污染嚴重都限制了城市的可持續(xù)化發(fā)展。因此，以改善城市生態(tài)質(zhì)量，美化城市景觀為目標的城市綠地系統(tǒng)建設，已成為當前城市的生態(tài)建設與可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。城市綠地是城市內(nèi)容中的自然發(fā)展的主體，在城市的生態(tài)和諧系統(tǒng)中作用顯著，城市綠地的質(zhì)量充分提現(xiàn)出城市的綜合質(zhì)量。然而隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化水平日益提高，城市用地也顯得極為緊張。因此，在有限的土地資源上要及時地了解城市綠地動態(tài)變化，并且實現(xiàn)城市綠地的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理的布局，使綠地高效、充分地發(fā)揮其生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益就顯得尤為重要。遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的廣泛應用，也為綜合地、多層次地進行城市景觀空間結(jié)構(gòu)的分析奠定了基礎。因此，基于GIS和RS技術(shù)，能夠及時、準確地掌握城市綠地資源的動態(tài)發(fā)展趨勢，以景觀生態(tài)學的理論為指導分析城市綠地景觀結(jié)構(gòu)和布局，為城市科學決策和建設、宏觀調(diào)控提供依據(jù)。遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)是當前人類快速獲取大區(qū)域地球動態(tài)和定位信息并提供處理、分析和輔助決策等服務的有效手段。遙感和GIS結(jié)合，在空間數(shù)據(jù)獲取、分析處理方面具顯著地優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛運用到農(nóng)作物監(jiān)測、礦產(chǎn)資源管理、城市規(guī)劃等領域。遙感和GIS技術(shù)在城市綠地系統(tǒng)中的應用研究主要集中在以下幾個方面：1、運用遙感和GIS技術(shù)進行城市綠地調(diào)查2、基于GIS的城市綠地數(shù)據(jù)的管理3、基于遙感和GIS技術(shù)的城市綠地生態(tài)效益的評價1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀隨著城市化進程的加速發(fā)展，愈加強烈的人類活動使得城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能降低，城市環(huán)境問題不斷加劇，最終導致城市生態(tài)環(huán)境狀況不斷惡化，城市居民生活水平降低。在這種背景下，作為城市這一復合生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的城市綠色空間，其所具有的服務生態(tài)功能已經(jīng)被許多人們注意到，如何，改善城市內(nèi)部生態(tài)環(huán)境，調(diào)研城市綠地生態(tài)服務功能所帶來的經(jīng)濟與生態(tài)效益，優(yōu)化城市綠色空間的分布與結(jié)構(gòu)，為城市的民眾提供越來越好的生活質(zhì)量，是國內(nèi)外當前對于城市生態(tài)系統(tǒng)研究的重要方向。目前，對城市綠地空間生態(tài)服務功能的研究中，我國的研究主要還是以城市綠地結(jié)構(gòu)以及綠地空間分布以為方向，其中也包括生態(tài)功能量化評估，綠地評價指標體系等幾個方面;而在國外進行的同類研究則以城市綠地的社會經(jīng)濟效益，提供休閑娛樂功能，改善城市氣候環(huán)境，保持生物多樣性等為主要研究方向。數(shù)學統(tǒng)計分析和綠化覆蓋調(diào)查方法（人工普查方法）是傳統(tǒng)的獲取城市綠地覆蓋信息的主要手段。城市綠地根據(jù)其存在的形態(tài)分為兩大類，即成片綠地和散狀樹。傳統(tǒng)的人工普查方法往往采用一下統(tǒng)計公式：公式中Ki是個面積系數(shù)，是指某一類綠化覆蓋統(tǒng)計對象每株樹冠的平均面積，N傳統(tǒng)的人工普查方法有一下幾個問題：多為手工作業(yè)，資金和人力投入大；數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計量任務重，周期長；統(tǒng)計過程中人為因素影響大，數(shù)據(jù)準確性低；多為統(tǒng)計分析，空間分析弱；調(diào)查、統(tǒng)計結(jié)果多為表格或測繪圖件，可視化程度低，不便于綜合分析評價。當前的城市綠地研究工作中，主要采用的研究方法有以下幾種:景觀生態(tài)學原理，綠地評價指標體系計算，公眾調(diào)查，遙感方法，GIS工具，綠地模型研究。1.2.1基于遙感方法的城市綠地研究遙感方法主要基于Landsat、SPOT、NOAA等一系列地面觀測衛(wèi)星發(fā)回的地面遙感圖像進行研究，由于不同類型的地面物體在不同波段上所表現(xiàn)出的光譜特性不同，基于這一原理，對同一地區(qū)在相同時段下拍攝的不同波段光譜圖像進行特定處理，可以在遙感圖像中突出符合某一光譜特性的特定類型地物圖像。由于遙感圖像大范圍、高分辨率的特點，通過遙感方法能夠快速準確的獲取在一個較大范圍內(nèi)多種研究對象的地表數(shù)據(jù)，這些特性使得遙感方法可作為一種理想的工具用以提取研究區(qū)域數(shù)據(jù)信息。應用遙感提取綠地信息主要有三類方法:TM原始波段合成法、植被指數(shù)法和多源信息融合法。TM原始波段合成法采用多個波段合成方案，突出地表植物信息，方便解譯，常用的波段合成方案有:波段234(藍、綠、紅)合成、波段347(藍、綠、紅)合成、波段345(藍、綠、紅)合成;植被指數(shù)法根據(jù)植物的光譜特征，選取遙感圖像的部分波段進行指數(shù)運算，使地表植被表現(xiàn)出與其它地物不同的指數(shù)特征，以達到提取地表植被信息的目的，目前利用較多的植被指數(shù)有簡單的比值植被指數(shù)(RvI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、垂直植被指數(shù)(PVI)、土壤調(diào)整植被指數(shù)(SAVI)、轉(zhuǎn)換型土壤調(diào)整植被指數(shù)(TSAVI)以及纓帽變換的綠度植被指數(shù)(GVI)等，其中NDVI指數(shù)以其計算方便、結(jié)果可靠、易于辨認等特點，是目前對地表植被空間分布的遙感研究中應用最廣泛，最具有代表性的植被指數(shù)之一，常用于城市和大范圍地區(qū)的植被覆蓋遙感研究;多源信息融合法主要是融合ETM的多光譜特征與SPOT影像的高空間分辨率特性，融合后的圖像既保持了多光譜屬性，同時又導入了SPOT影像的高空間分辨率特性，使目視解譯的結(jié)果更加準確可靠。武佳衛(wèi)等利用自20世紀80年代年以來的6個典型年份的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演了地表溫度，揭示上海市熱島范圍的擴展情況。同時，由各年份的遙感數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到相應年份的植被蓋度及歸一化植被指數(shù)分布情況，并利用相關(guān)分析、回歸分析方法，研究上海地表溫度(LST)、植被蓋度(VF)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間的關(guān)系，客觀評價了上海市熱島效應和植被的空間分布特征及其之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，上海市建成區(qū)的擴展是導致城市熱島范圍擴大、強度加大，最根本的原因之一;植被覆蓋與地表溫度具有明顯的負相關(guān)關(guān)系，植被分布面積的增加對城市熱島強度的降低具有非常積極的作用1.2.2基于GIS工具的城市綠地研究隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)的出現(xiàn)，為城市綠色空間的研究工作又增加一個強大的工具。通過將其他途徑獲得的各類數(shù)據(jù)在GIS平臺上數(shù)字化，將傳統(tǒng)綠地研究中懂得各種調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)字化并用圖像形式表示于地理信息系統(tǒng)中，使研究數(shù)據(jù)更加直觀，可以十分方便的與其他不同類型的數(shù)據(jù)進行組合及對比，便于分析，幫助研究者更加容易的發(fā)現(xiàn)在錯綜復雜的各類數(shù)據(jù)底下所隱藏的規(guī)律。由于GIS系統(tǒng)強大的空間數(shù)據(jù)管理、檢索和分析能力，使其在許多研究領域都能發(fā)揮重要的作用，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取途徑與GIS系統(tǒng)相結(jié)合的研究方法，是未來研究工作的總體發(fā)展趨勢。王雪等選用2002年11月的SPOT-5遙感影象，結(jié)合l:10000地形圖及實地考察，將深圳市綠地分為公園綠地、道路交通綠地、居住區(qū)綠地、單位附屬綠地和風景名勝區(qū)綠地，并應用GIS系統(tǒng)將各類綠地分類數(shù)字化于數(shù)字地圖上，并利用FRAGSTATS軟件對綠地景觀構(gòu)成、景觀多樣性、優(yōu)勢度、廊道密度和分維數(shù)等指數(shù)進行了計算，以景觀生態(tài)學原理分析了深圳特區(qū)城市綠地景觀的空間格局。陳士銀等也利用了類似的方法，將湛江市建成區(qū)的景觀要素斑塊利用GIS軟件進行數(shù)字化，計算了斑塊形狀指數(shù)、斑塊分維數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度及優(yōu)勢度等景觀空間格局指數(shù)，并通過對這些指數(shù)的分析探討了湛江市城市景觀生態(tài)空間格局。Shin等使用ArcView軟件將多個來源的數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，包括由1987年和1999年遙感圖像反演得到的地表溫度圖，由IKONOS衛(wèi)星影象及1:3000的漢城地圖解譯得到的用地分類圖，以城郊新近擴展中的城區(qū)作為研究對象，在GIS軟件中對各來源的數(shù)據(jù)進行了綜合分析，確認了植被覆蓋與地表溫度之間的負相關(guān)關(guān)系，認為合理進行城市規(guī)劃、減少綠地破碎化程度可以有效抑制熱島效應我國的葛偉強等，以中巴資源一號衛(wèi)星、Landsat27陸地衛(wèi)星、NOAA氣象衛(wèi)星等不同來源的遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，結(jié)合土地利用、地面氣象觀測、綠地統(tǒng)計等相關(guān)資料，將各類數(shù)據(jù)進行同化及配準處理，采用同步觀測的點面結(jié)合方法，通過GIS多要素空間分析模式，對近年來上海城市，熱島、綠島，分布以及相關(guān)關(guān)系、作用效果進行綜合分析，進而揭示了城市綠地對城市氣溫的調(diào)節(jié)作用和影響效果。2基礎技術(shù)簡介2.1遙感技術(shù)遙感技術(shù)是從人造衛(wèi)星、飛機或其他飛行器上收集地物目標的電磁輻射信息，判認地球環(huán)境和資源的技術(shù)。遙感技術(shù)是從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對目標進行探測和識別的技術(shù)。遙感技術(shù)的基本原理是這樣的：任何物體都具有光譜特性，具體地說，它們都具有不同的吸收、反射、輻射光譜的性能。在同一光譜區(qū)各種物體反映的情況不同，同一物體對不同光譜的反映也有明顯差別。即使是同一物體，在不同的時間和地點，由于太陽光照射角度不同，它們反射和吸收的光譜也各不相同。遙感技術(shù)就是根據(jù)這些原理，對物體作出判斷。遙感技術(shù)通常是使用綠光、紅光和紅外光三種光譜波段進行探測。綠光段一般用來探測地下水、巖石和土壤的特性；紅光段探測植物生長、變化及水污染等；紅外段探測土地、礦產(chǎn)及資源。此外，還有微波段，用來探測氣象云層及海底魚群的游弋?，F(xiàn)代遙感技術(shù)主要包括信息的獲取、傳輸、存儲和處理等環(huán)節(jié)。完成上述功能的全套系統(tǒng)稱為遙感系統(tǒng)，其核心組成部分是獲取信息的遙感器。遙感器的種類很多，主要有照相機、電視攝像機、多光譜掃描儀、成象光譜儀、微波輻射計、合成孔徑雷達等。傳輸設備用于將遙感信息從遠距離平臺(如衛(wèi)星)傳回地面站。信息處理設備包括彩色合成儀、圖像判讀儀和數(shù)字圖像處理機等。2.2GIS技術(shù)地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)是近些年迅速發(fā)展起來的一門空間信息分析技術(shù)，在資源與環(huán)境應用領域中，它發(fā)揮著技術(shù)先導的作用。GIS技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，對資源環(huán)境管理和實踐模式進行快速和重復的分析測試，便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。在計算機發(fā)展史上，計算機輔助設計技術(shù)（CAD）的出現(xiàn)使人們可以用計算機處理象圖形這樣的數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)的標志之一就是圖形元素有明確的位置坐標，不同圖形之間有各種各樣的拓撲關(guān)系。簡單地說，拓撲關(guān)系指圖形元素之間的空間位置和連接關(guān)系。簡單的圖形元素如點、線、多邊形等；點有坐標（x，y）；線可以看成由無數(shù)點組成，線的位置就可以表示為一系列坐標對（x1，y1），（x2，y2），……（xn，yn）；平面上的多邊形可以認為是由閉合曲線形成范圍。圖形元素之間有多種多樣的相互關(guān)系，如一個點在一條線上或在一個多邊形內(nèi)，一條線穿過一個多邊形等等。在實際應用中，一個地理信息系統(tǒng)要管理非常多、非常復雜的數(shù)據(jù)，可能有幾萬個多邊形，幾萬條線，上萬個點，還要計算和管理它們之間的各種復雜的空間關(guān)系。3RS與GIS城市綠地評估應用3.1城市綠地評估系統(tǒng)的總體框架城市綠地評估系統(tǒng)的總體框架如圖3.1所示，從框架圖中可以看出在獲取綠地的景觀分析與生態(tài)分析結(jié)果后能對綠地進行綜合評價并提供決策支持。圖3.1城市綠地評估系統(tǒng)總體框架圖3.2城市綠地評估的流程和關(guān)鍵技術(shù)3.2.1數(shù)據(jù)源的選取城市綠地評估的數(shù)據(jù)源包括城市的近期彩紅外影像、現(xiàn)有的電子地圖、人口普查數(shù)據(jù)和歷年的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等。彩紅外影像主要用于城市綠地專題空間數(shù)據(jù)庫的初始建立和后續(xù)更新。它主要是通過處理灰度影像來提取城市綠地線劃圖。在大多數(shù)城市所具有的1：10000電子地圖的基礎上，利用統(tǒng)計啟發(fā)式搜索方法，快速識別產(chǎn)生變化的綠地區(qū)域并確定其大小，從而實現(xiàn)城市綠地數(shù)據(jù)庫的更新。這樣，不僅大大縮短數(shù)據(jù)庫更新的時間，而且可避免因重新建庫所帶來的人力和財力的消耗。同時也可以從中提取相關(guān)專題數(shù)據(jù)，如行政區(qū)劃專題數(shù)據(jù)。人口和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)是建立城市綠地景觀和生態(tài)分析模型所必需的重要數(shù)據(jù)。人口數(shù)據(jù)主要包括按年齡、性別和學業(yè)登記的人口數(shù)，歷年來常住及流動人口數(shù)和人口出生、死亡、遷移等數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要指城市歷年國民經(jīng)濟主要指標。3.2.2建立城市綠地空間數(shù)據(jù)庫RS和GIS結(jié)合，實現(xiàn)城市綠地空間數(shù)據(jù)庫的建立。目前RS和GIS的結(jié)合模式主要采用分開平行的結(jié)合，如圖3.2所示。圖3.2RS和GIS結(jié)合模式在對各種數(shù)據(jù)預處理的基礎上，將它們納入到統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫，是GIS軟件面臨的一個重要任務。美國ESRI公司的空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE具有這種功能。它由數(shù)據(jù)存儲引擎、數(shù)據(jù)分析引擎和數(shù)據(jù)可視化引擎等組成。它對目前普通數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(SQLServer、Oracle和DB2等)進行了一定的擴展，使它們在數(shù)據(jù)類型、查詢方法以及索引機制等方面得到加強，能夠同時對空間和非空間數(shù)據(jù)進行操作。我們可利用ArcSDE，將城市綠地矢量、柵格和屬性數(shù)據(jù)以及人口經(jīng)濟數(shù)據(jù)導入后臺數(shù)據(jù)庫Oracle8中，形成集空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為一體的城市綠地數(shù)據(jù)庫。3.2.3城市綠地空間格局分析景觀分析功能和GIS功能集成的城市綠地空間格局分析。傳統(tǒng)景觀分析軟件主要側(cè)重于景觀指數(shù)的計算，對數(shù)據(jù)的來源、分析結(jié)果的表達以及數(shù)據(jù)的管理比較弱，而普通的GIS軟件雖然在數(shù)據(jù)的處理、存儲、管理和表現(xiàn)形式上具有很大的優(yōu)勢，但是卻不具備專業(yè)的城市景觀空間格局分析功能。將現(xiàn)有景觀分析軟件和GIS軟件進行集成，是實現(xiàn)城市綠地空間景觀結(jié)構(gòu)格局分析的有效手段和方法。在這里可以利用Fragstats的AML接口在ArcinfoWorkStation的開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)。Fragstats提供了一整套量化評價景觀空間格局的指標模型，是一組公開了源代碼的開放程序。它有矢量和柵格兩個獨立的版本，其中矢量版是針對城市綠地多邊形Converrage數(shù)據(jù)模型，將Fragstats公開代碼植入標準的AML接口，同AML解釋器進行連接。利用DE開發(fā)的程序，可以對程序流程進行有效控制，對城市綠地專用模塊的調(diào)用是通過AML解釋器來實現(xiàn)的，而對Arcinfo的核心和組件則直接進行訪問。因此，它既具備Fragstats的城市綠地景觀分析功能，又可以通過Arcinfo實現(xiàn)對城市綠地數(shù)據(jù)的管理、存儲、查詢功能以及用圖形、列表統(tǒng)一形式來表達分析結(jié)果。圖3.3景觀格局分析程序調(diào)用機制3.2.4綠地生態(tài)環(huán)境效益分析利用新的城市綠地生態(tài)環(huán)境效益評價指標，實現(xiàn)綠地生態(tài)環(huán)境效益分析。在對城市綠地景觀格局評估的基礎上，利用城市綠地的景觀生態(tài)學標準，建立一套城市綠地生態(tài)效益的量化評估系統(tǒng)，對促進城市綠地建設朝著注重生態(tài)的方向發(fā)展有著重要作用和意義。傳統(tǒng)的評估系統(tǒng)以綠地率、綠化覆蓋率和人均公共綠地面積為指標進行評價，該體系不能完全客觀地反映綠地的生態(tài)效益功能，存在的缺陷主要是沒有體現(xiàn)綠地在城市內(nèi)的空間分布狀況、展布形態(tài)和綠地性質(zhì)差異。例如，位于市中心和位于城市郊區(qū)的同樣的綠地相比是不同的；同樣面積大小的綠地，呈圓形展布和呈廊道或斑塊展布也有明顯的差異；具有同分布狀況、展布形態(tài)和相等面積的同一塊綠地，植樹與種草相比在生態(tài)效益上也會有很大的差別。再如，就吸碳產(chǎn)氧的功能而言，成年有林地的日吸碳產(chǎn)氧量約相當于同面積草地的3到5倍，而降噪音的能力在成年林地、灌木和草（高葉面指數(shù)）的籬障阻擋和吸收噪聲的功能又大大高于同樣厚度的單純有林地籬障。為此，從景觀生態(tài)學原理出發(fā)，針對城市綠地的種類多、產(chǎn)生的生態(tài)效益參差不齊的實際情況，我們引入綠量（周堅華，2001）這個指標，并以此來建立綠地生態(tài)效益三維評價模型。其中，綠量計算公式如下