国产卫星遥感的城乡规划综合应用平台研究及示范

胡艳，袁超，陈静

(1.重庆市地理信息中心，重庆 401120；2.武汉大学 遥感信息工程学院，武汉 430079)

1 引 言

空间遥感技术的发展是人类进步的重大飞跃，对21世纪人类的世界观和生活、生产以及信息交流方式产生了深远的影响[1]，世界各国尤其是发达国家都非常重视卫星遥感技术的发展，空间遥感技术的发展上升为国家战略层面，关乎国家安全及国计民生。我国于1970年4月24日首次发射了科学试验卫星，为遥感技术的发展提供了技术保障。经过四十多年的发展，现阶段我国已有了自主知识产权的资源系列卫星、海洋系列卫星、气象系列卫星、遥感系列卫星等，广泛用于测绘、气象、海洋、国土资源勘查、城乡规划、灾害监测与环境保护、国防、能源、交通、应急管理和工程等诸多学科及领域，积累了一定的应用基础。目前卫星遥感技术已成为我国制定环境保护政策、资源开发和利用必不可少的技术支持，广泛应用于经济社会的诸多领域。

我国自主卫星遥感数据虽已初步形成系列，也在国民经济与社会发展的众多领域发挥了重大作用，但与发达国家比起来，我国卫星遥感产业存在的主要问题有[2-4]：

①标准规范：数据处理与应用服务的标准化、规范性滞后，直接导致产品可靠性差、流通性弱、标准化低；

②数据产品：国产卫星影像的精度、品质及资源频段等与国外卫星数据产品以及国内需求存在一定的差距，缺乏统一的遥感数据产品设计；

③技术能力：数据的加工处理能力弱，在关键技术如分辨率增强、无控制点几何精正等技术，尚未业务化推广；缺乏多星多传感器综合处理与深加工处理能力，专业性不强，产品单一；

④人才队伍：缺乏规模化、专业化的卫星遥感数据处理队伍，产能低，时延长；

⑤政策机制：缺乏统一的遥感产业顶层设计；缺乏商业化运行的政策机制与市场环境，缺乏商业化信息数据分发服务手段与渠道，积压、贫乏与需求的矛盾突出；

⑥行业应用：卫星遥感与行业应用的结合度不高，应用不深入，可靠性不强，没有融入常态管理、实现业务化。

本研究基于我国国产卫星遥感和自主空间信息技术，以推动国产卫星遥感数据在城乡规划与管理监测评价领域中的应用为宗旨，针对国产卫星标准规范缺乏、数据加工处理以及城乡规划行业应用的关键技术问题，建立面向城乡规划与管理监测评价全过程的国产卫星遥感信息处理与应用服务平台，生产支撑城乡规划与管理监测评价的国产遥感数据产品、提供相关应用服务；通过在重庆市的5个试点，开展不同层级的典型应用示范，形成具有中国特色的城乡规划卫星遥感信息支持和应用模式，推动国产卫星遥感在城乡规划建设领域的广泛应用和业务化运行。

2 国产卫星遥感的城乡规划综合应用平台设计及关键技术

2.1 平台总体架构

平台以国产卫星遥感数据源为主，面向城乡规划管理业务全过程(规划编制、规划实施、监督检查、公众参与)，为重庆市以及区县的城乡规划管理部门提供规模化、标准化的数据加工处理服务和一站式卫星遥感综合信息服务，平台的整体框架如图1所示。

图1中，标准体系主要面向国产卫星处理以及规划行业应用需求，建立了处理类标准1个，即《重庆市国产遥感影像预处理技术规程》，服务类标准1个，即《重庆市遥感信息分发服务规范》，应用类标准9个，包括《重庆市城市规划建设用地现状遥感解译准则》、《重庆市城乡总体规划遥感评估标准》、《重庆市城乡建设用地适宜性评价技术规程》、《重庆市城乡规划现状分析技术纲要》、《重庆市生态敏感性分析技术规程》等，其中《重庆市城乡建设用地适宜性评价技术规程 DB50/T1475-2012》已被列入重庆市地方标准。

平台遵循面向服务体系架构理念(SOA)，多层体系框架在解决复杂关系的同时提高了平台的灵活性和可扩展性。平台框架自下而上由支撑层、平台层、应用层组成(图1)。支撑层包括计算服务、存储服务、网络通信服务等软硬件设备支撑；平台层主要是卫星综合信息管理与应用服务平台，包含卫星遥感海量数据管理系统、卫星遥感海量信息快速处理系统、城乡规划3S综合信息集成分析系统以及城乡规划综合信息分发服务系统，涵盖卫星影像从获取到处理到分析应用到分发服务的全流程处理平台；应用层主要是基于支撑层以及平台层，开展城乡规划示范工程。

2.2 平台关键技术

平台的建设中采用了多项关键技术，涉及到数据管理、遥感影像处理以及与行业分析应用等。

(1)多层次国产卫星遥感影像校正关键技术

多项式几何校正方法在地形平坦地区能够有效消除影像的几何变形，但由于没有考虑地形起伏对影像几何形变的影响，在重庆这种地形复杂地区经常会产生严重的误差。卫星遥感信息快速处理系统针对国产卫星影像以及主流的国外影像，结合重庆市典型山地城市的特点及需求，实现了地形复杂地区4个层次卫星遥感影像快速校正处理，即严格物理模型正射校正，支持SPOT严格物理模型；RPC校正模型，支持国产CEBERS系列卫星、遥感系列卫星以及国外主流商用卫星等的RPC/RPB纠正模型；准严格校正模型，因部分国产卫星数据尚不能提供RPC/RPB参数，即采取顾及地形起伏的多项式几何校正方法，利用影像地区已有的数字高程模型，利用多项式建立像点与真实三维地理坐标之间的函数关系[5-7](图2)；一般几何多项式模型，即一般的多项式校正，但同时支持影像的自动匹配，以提高影像纠正的处理速度。

图1 国产卫星遥感的城乡规划综合应用示范平台总体架构

图2 准严格校正模型和一般多项式纠正(遥感系列卫星影像)

(2)复杂山地环境卫星校正的DEM修改技术

在利用已有DEM对影像进行正射纠正时，由于DEM数据现势性以及重庆典型山地城市高架桥、高架路等区域的局部扭曲变形问题，研究和实现了局部区域DEM的修复技术解决局部扭曲变形[8]。

图3 DEM修复前后

(3)典型山地区域影像辐射增强关键技术

重庆地区特殊的气候条件及典型的山地地形对光学遥感影像的辐射处理提出了更高的技术要求。比如重庆市水蒸气作用比较明显，尤其薄雾很常见，因此光学遥感影像的质量相比其他地区较差，实际处理中采用ATCOR2大气变化模型进行，通过屏幕交互式输入参数阈值，确定水汽和云雾的边界和光学深度后，进行薄雾去除(图3)。此外，重庆地区典型山地环境以及城市区域高楼林立，影像上的阴影较重，采用基于改善的Wallis滤波和直方图匹配的方法进行阴影校正处理，取得较好的效果(图5)。

图4 薄雾去除前后(CEBERS多光谱影像)

图5 阴影去除前后

(4)面向规划行业应用的分析模型库及技术实现

城乡规划3S综合信息集成分析系统深入结合重庆市城乡规划与管理监测评价的主要业务需求，基于ArcGIS Model Buider建模工具和二次开发语言，建立了面向行业应用的3个模型大类(通用集成模型、专题集成模型和规划评估模型)，10个模型群和39个主要模型，实现了对多源遥感信息、地理空间信息以及社会经济统计数据等异构信息源进行同化处理、模型构建与分析评价。其中通用集成模型主要是基于地理单元的统计型社会经济数据空间离散化模型8个；专题集成模型面向现状分析与动态监测需求，包括城市建成区识别模型、城镇体系布局模式分析模型、城市建设用地适宜性评价模型、交通线路通达度分析模型、城市用地扩展模型等14个；规划评估模型主要包括用地结构模型、城市外部形态模型、拓展规模模型等17个。

以城市用地适宜性评价模型为例[9]，评价指标体系由指标类型、一级和二级指标层构成，指标类型为特殊指标(刚性指标)和基本指标(弹性指标)；一级指标为控制指标，分为地形地貌、生态环境、工程地质和其他影响四个层面；二级指标为明细指标。在此基础上明确特殊指标的定性分级以及基本指标的定量分值，评价模型如下：

(1)

其中，S为适宜性综合定量评价计算分值，以高分值为优；Bi为第i项评价指标的定量得分(无量纲)；Wi为第i种评价指标的权重；n为参与评价的因子数量。

(5)海量数据批处理与任务流程化定制关键技术

平台面向与提高产业化应用能力，系统在每个关键环节都着力解决海量数据批量处理，研制和开发任务流程化定制与管理，大大提高工作效率。

3 国产卫星遥感的城乡规划综合应用示范工程

为便于平台的业务化运行和产业化推广，将平台所含的管理-处理-分析-分发的四个子系统集成封装成统一的平台(图6)。卫星遥感海量数据管理系统全流程的数据及产品管理，包括原始影像、基础产品、增值产品。卫星遥感海量信息快速处理系统的输入端为原始影像，输出端为基础产品，主要包含由原始数据经过辐射校正、几何校正、影像融合和遥感解译后得到的产品，按照处理水平及深度其下分1～4级。城乡规划3S综合信息集成分析系统的输入端为基础产品、基础地理信息、专题地理信息以及社会经济信息等，其输出端为经过模型运行分析后的增值产品，比如用地适宜性分析、交通通达度分析、景观破碎度和生态敏感型分析等增值产品。城乡规划综合信息分发服务系统主要为城乡规划行业部门提供与发布数据、产品及服务。

图6 统一集成支撑平台

图7 生态敏感型分析图

国产卫星遥感的城乡规划综合应用示范工程以国产卫星遥感影像为数据基础，以国产卫星遥感的城乡规划综合应用平台为支撑，面向城乡规划管理业务全过程(规划编制、规划实施、监督检查、公众参与)，为规划编制提供现状分析服务，并动态监测规划实施情况，对规划实施的效果进行评估，从而提供支撑规划管理全业务过程的相关技术应用服务(表1)，通过开展应用示范工程，提高国产卫星遥感应用产业化能力。

表1 国产卫星数据源与规划应用服务对应表

重庆市永川(区级)、珞璜(镇级)卫星遥感城乡规划现状分析应用示范基于国产卫星数据源，开展永川(区级)、珞璜(镇级)的林地、水资源、土地利用、城镇建设用地、综合交通、重大基础设施等的解译与调查；在此基础上，开展示范区的用地适宜性分析、生态敏感性分析(图7)、城镇体系布局评价等，从而为城乡规划的研究和编制提供综合现状信息支撑。重庆市主城区卫星遥感城乡规划动态监测应用示范从2005年开始，连续6年开展主城区林地、城市建设用地、综合交通、重大基础设施以及违法建设的动态实时监测，以期实时监管城乡规划的实施情况，及时发现实施过程中存在的问题。重庆市城乡总体规划实施卫星遥感评估应用示范以《重庆市城乡总体规划(2007-2020)》为研究对象，构建评价模型，对规划的实施进行全面考量、评估既定规划的实施效果，并形成相关信息反馈，为规划内容和政策设计以及规划运作制度的架构提出修正、调整的建议。重庆市卫星遥感城乡规划信息公众服务应用示范，则以平台为生产线，建立二三维一体化的空间信息集成平台，为社会公众提供综合规划信息服务。

4 结束语

我国卫星遥感经过几十年的发展和应用，尤其是近几年的突飞猛进，已经开始朝着产业化方向迈进。本文面向城乡规划领域，探讨建立面向城乡规划全业务流程的国产卫星遥感的城乡规划综合应用平台研究与关键技术，并选取3种层级5个应用示范，进行了国产卫星遥感在城乡规划领域的具体实践。实践证明相关技术路线的可行性与实用性，这对改变传统遥感应用服务模式，推进遥感技术在规划行业的全面应用和普及推广，以及城乡规划管理部门后期业务化运行奠定了基础；对于推进国产卫星应用的深度与广度意义重大。

当然，针对国产卫星在产业化应用与推广中面临的诸多问题，本研究仍存在很多不足，比如国产遥感数据的辐射校正、多星多传感器综合处理与深加工处理能力、无控制点几何精正技术、业务分析模型与行业应用的深度结合等问题，还需要在后续的研究中更深入的探索与完善，此外，关于国产卫星产品的相关标准规范、政策机制以及产品顶层设计等方面，则需要更多的探索。

参考文献：

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[7] 张剑清，张祖勋.高分辨率遥感影像基于仿射变化的严格几何模型[J].武汉大学学报.信息科学版，2002，27(6)：555-559.

[8] 胡艳，张治清，张少佳，等.高分辨率遥感影像正射纠正的DEM修复技术[J].地理空间信息，2011，9(4)：26-29.

[9] DB50/T475-2012，城乡建设用地适宜性评价技术规程.