城市遥感需求与应用：监测城市环境变化

城市是人类文明的重要组成部分，是伴随着人类文明与进步发展起来的。近几十年以来，全球经历了快速城市化的进程。据联合国统计，1950年全球城市人口占总人口的比例约30%，2018年这个比例已达到55%，预计在2050年将有68%的人口居住在城市。城市化促进了人类社会的发展，提高了人类物质和精神生活水平，同时也带来了一系列负面影响，城市扩张过程中对绿地系统的侵占破坏，人类生活、生产造成的环境污染与资源短缺，这些问题是无法忽视的(刘慧民，2019)。如何协调城市发展与生态环境的关系，已成为当前亟需解决的热点问题。

城市的健康发展是联合国2030年可持续发展议程的关注重点。联合国2030年可持续发展议程共包括可持续城市和社区等17项可持续发展目标(图1-1)。这些目标涵盖气候变化、经济不平等、可持续消费等领域，致力于通过协同行动消除贫困、保护地球并确保人类享有和平与繁荣。联合国2030年可持续发展指标体系包括营养不足发生率、使用得到安全管理的饮用水服务的人口比例、能获得电力的人口比例、居住在贫民窟和非正规住区内或住房不足的城市人口比例等共232个指标，其中与城市有关的指标有15个，包括居住在贫民窟和非正规住区内或住房不足的城市人口比例、土地使用率与人口增长率之间的比率、城市建设区中供所有人使用的开放公共空间的平均比例等。

图1-1　联合国2030年可持续发展议程
(https://www.un.org/sustainabledevelopment/)

遥感技术可以在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知，快速获取城市发展的有关信息，既包括城市的宏观全貌数据，又可提取城市中一楼一桥的微观影像数据。遥感影像是开展城市化监测、管理和分析研究的重要信息源。城市遥感是遥感的一个重要应用分支，是遥感应用与城市科学两个领域的重要研究内容。

《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》指出，在我国城镇化快速发展过程中存在着一些必须高度重视并着力解决的问题:城镇空间分布和规模结构不合理、与资源环境承载能力不匹配，城市管理服务水平不高，自然历史文化遗产保护不力，城乡建设缺乏特色，城镇化健康发展存在阻碍。城市遥感可为国家新型城镇化规划与生态建设提供基础数据和支撑技术。城市遥感为城市管理者提供地理基础信息及其他与城市发展有关的资料，成为优化城镇化格局、科学规划城市发展、完善城镇化体制机制的基础(孙天纵等，1995；詹庆明等，1999；周成虎等，1999)。

过去30年，遥感技术在城市各个行业中已经陆续开展应用，主要包括以下5项。

1.为城市文明提供宝贵的数字档案资料

图1-2所示为罗马古城2002年QB卫星遥感影像，记录了城市文明景观，游客排队参观的场景也留下了清晰的记载。

图1-2　罗马古城QB卫星遥感影像

2.为城市规划提供现势性基础数据

城市内部资源设施的合理布局对城市发展、居民生活等极其重要，城市规划部门应用遥感信息，为城市管线布局、交通路线规划、不同功能用地建设规划提供数据支持(Weng，2014；Xian，2015)。遥感技术是地理市情普查和监测、城市自然资源调查和监测的重要技术手段，并为城市规划提供现势性最好的可视化基础数据。图1-3所示为2002年武汉市QB高分辨率卫星遥感影像，为武汉市城市规划和基础测绘提供了当时最现势性的工作底图。

3.为城市变化检测提供技术支撑

遥感卫星观测范围广，一次成像可覆盖较大区域，且可以以一定周期对指定区域进行重复观测，城市卫星遥感影像为城市变化检测提供了数据支撑，通过遥感手段获取城市发展变化信息为城市管理者提供科学合理的决策支持(孙家抦等，1999；朱述龙等，2002；陈述彭等，2000；Watson，1983；Peng et al.，2019)。遥感技术在地面沉降、城市开发边界监测、基本农田保护等土地利用中，发挥着重要作用。图1-4为2004年武汉市QB卫星遥感影像，与图1-3相比较，在2年的时间内武汉市发生了哪些变化?这可以从遥感影像上提取出来，我们将在后续的章节中学习如何提取、检测这些变化。(www.xing528.com)

图1-3　2002年武汉市QB卫星遥感影像

图1-4　2004年武汉市QB卫星遥感影像

4.为城市“健康体检”提供支撑技术，监测城市环境变化

城市环境问题一直以来便备受关注。城市热环境影响居民的舒适度与健康，热红外卫星影像为城市热岛研究提供了大量数据。大气环境也对人类健康有重要影响，利用遥感数据对大气气溶胶进行研究，监测空气质量，这也是遥感技术的一个重要应用(Zhang et al.，2019；Sabins，2007)。再如，在太湖蓝藻监测、滇池和洱海水质保护监测中，遥感技术都发挥了重要作用。

城市遥感可支持城市热环境局部分析，图1-5显示了每个区域的地表覆盖情况，所选区域中数字越大，其建筑密度越高。区域1主要为物流仓储用地，建筑密度最低，由于地表覆盖基本为不透水面，植被较少，地表温度达到最高等级。区域2为教育科研用地、居住用地及行政办公用地的混合用地，这个区域的植被覆盖度高，植被与水体在该区域的降温效应显著。区域3为工业用地与居住用地的混合用地，是六个区域中地表温度最高的，这样的高温严重影响居住用地居民的舒适度。区域4隶属青山工业园，地表温度为六个区域中次高，见缝插针式地营造城市绿色微空间是该区域实现降温的可行渠道。区域5与区域6均为居住用地、教育用地及商业用地的混合用地。区域5的地表温度是六个区域中最低的，区域内水体降温作用远大于植被。区域6的建筑密度最高，建筑布局相当紧凑，降温途径主要是增加植被覆盖度与丰富度。

图1-5　武汉市局部热环境等级图(刘慧民，2019)

5.支持城市应急监测

例如，在1998年长江流域重大洪涝灾害、汶川地震(图1-6)、舟曲泥石流、深圳泥石流等自然灾害发生后，城市遥感为灾区的灾害监测提供了及时的基础资料。

遥感技术在城市内各个领域得到普遍应用，是城市发展与规划的一个重要技术支撑，未来城市遥感这一学科的发展将为城市优化建设提供极大的动力。因而对于城市遥感的研究是非常必要的，也具有重大意义。

图1-6　汶川地震后0.3m分辨率遥感影像