胡艷，袁超，陳靜

(1.重慶市地理信息中心，重慶 401120；2.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079)

1 引 言

空間遙感技術(shù)的發(fā)展是人類進步的重大飛躍，對21世紀人類的世界觀和生活、生產(chǎn)以及信息交流方式產(chǎn)生了深遠的影響[1]，世界各國尤其是發(fā)達國家都非常重視衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，空間遙感技術(shù)的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略層面，關(guān)乎國家安全及國計民生。我國于1970年4月24日首次發(fā)射了科學(xué)試驗衛(wèi)星，為遙感技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，現(xiàn)階段我國已有了自主知識產(chǎn)權(quán)的資源系列衛(wèi)星、海洋系列衛(wèi)星、氣象系列衛(wèi)星、遙感系列衛(wèi)星等，廣泛用于測繪、氣象、海洋、國土資源勘查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境保護、國防、能源、交通、應(yīng)急管理和工程等諸多學(xué)科及領(lǐng)域，積累了一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。目前衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為我國制定環(huán)境保護政策、資源開發(fā)和利用必不可少的技術(shù)支持，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟社會的諸多領(lǐng)域。

我國自主衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)雖已初步形成系列，也在國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，但與發(fā)達國家比起來，我國衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)存在的主要問題有[2-4]：

①標準規(guī)范：數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用服務(wù)的標準化、規(guī)范性滯后，直接導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性差、流通性弱、標準化低；

②數(shù)據(jù)產(chǎn)品：國產(chǎn)衛(wèi)星影像的精度、品質(zhì)及資源頻段等與國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及國內(nèi)需求存在一定的差距，缺乏統(tǒng)一的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品設(shè)計；

③技術(shù)能力：數(shù)據(jù)的加工處理能力弱，在關(guān)鍵技術(shù)如分辨率增強、無控制點幾何精正等技術(shù)，尚未業(yè)務(wù)化推廣；缺乏多星多傳感器綜合處理與深加工處理能力，專業(yè)性不強，產(chǎn)品單一；

④人才隊伍：缺乏規(guī)模化、專業(yè)化的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理隊伍，產(chǎn)能低，時延長；

⑤政策機制：缺乏統(tǒng)一的遙感產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計；缺乏商業(yè)化運行的政策機制與市場環(huán)境，缺乏商業(yè)化信息數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)手段與渠道，積壓、貧乏與需求的矛盾突出；

⑥行業(yè)應(yīng)用：衛(wèi)星遙感與行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合度不高，應(yīng)用不深入，可靠性不強，沒有融入常態(tài)管理、實現(xiàn)業(yè)務(wù)化。

本研究基于我國國產(chǎn)衛(wèi)星遙感和自主空間信息技術(shù)，以推動國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理監(jiān)測評價領(lǐng)域中的應(yīng)用為宗旨，針對國產(chǎn)衛(wèi)星標準規(guī)范缺乏、數(shù)據(jù)加工處理以及城鄉(xiāng)規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題，建立面向城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理監(jiān)測評價全過程的國產(chǎn)衛(wèi)星遙感信息處理與應(yīng)用服務(wù)平臺，生產(chǎn)支撐城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理監(jiān)測評價的國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、提供相關(guān)應(yīng)用服務(wù)；通過在重慶市的5個試點，開展不同層級的典型應(yīng)用示范，形成具有中國特色的城鄉(xiāng)規(guī)劃衛(wèi)星遙感信息支持和應(yīng)用模式，推動國產(chǎn)衛(wèi)星遙感在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和業(yè)務(wù)化運行。

2 國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用平臺設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 平臺總體架構(gòu)

平臺以國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源為主，面向城鄉(xiāng)規(guī)劃管理業(yè)務(wù)全過程(規(guī)劃編制、規(guī)劃實施、監(jiān)督檢查、公眾參與)，為重慶市以及區(qū)縣的城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門提供規(guī)?；藴驶臄?shù)據(jù)加工處理服務(wù)和一站式衛(wèi)星遙感綜合信息服務(wù)，平臺的整體框架如圖1所示。

圖1中，標準體系主要面向國產(chǎn)衛(wèi)星處理以及規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用需求，建立了處理類標準1個，即《重慶市國產(chǎn)遙感影像預(yù)處理技術(shù)規(guī)程》，服務(wù)類標準1個，即《重慶市遙感信息分發(fā)服務(wù)規(guī)范》，應(yīng)用類標準9個，包括《重慶市城市規(guī)劃建設(shè)用地現(xiàn)狀遙感解譯準則》、《重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃遙感評估標準》、《重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價技術(shù)規(guī)程》、《重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃現(xiàn)狀分析技術(shù)綱要》、《重慶市生態(tài)敏感性分析技術(shù)規(guī)程》等，其中《重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)用地適宜性評價技術(shù)規(guī)程 DB50/T1475-2012》已被列入重慶市地方標準。

平臺遵循面向服務(wù)體系架構(gòu)理念(SOA)，多層體系框架在解決復(fù)雜關(guān)系的同時提高了平臺的靈活性和可擴展性。平臺框架自下而上由支撐層、平臺層、應(yīng)用層組成(圖1)。支撐層包括計算服務(wù)、存儲服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)等軟硬件設(shè)備支撐；平臺層主要是衛(wèi)星綜合信息管理與應(yīng)用服務(wù)平臺，包含衛(wèi)星遙感海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感海量信息快速處理系統(tǒng)、城鄉(xiāng)規(guī)劃3S綜合信息集成分析系統(tǒng)以及城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合信息分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)，涵蓋衛(wèi)星影像從獲取到處理到分析應(yīng)用到分發(fā)服務(wù)的全流程處理平臺；應(yīng)用層主要是基于支撐層以及平臺層，開展城鄉(xiāng)規(guī)劃示范工程。

2.2 平臺關(guān)鍵技術(shù)

平臺的建設(shè)中采用了多項關(guān)鍵技術(shù)，涉及到數(shù)據(jù)管理、遙感影像處理以及與行業(yè)分析應(yīng)用等。

(1)多層次國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像校正關(guān)鍵技術(shù)

多項式幾何校正方法在地形平坦地區(qū)能夠有效消除影像的幾何變形，但由于沒有考慮地形起伏對影像幾何形變的影響，在重慶這種地形復(fù)雜地區(qū)經(jīng)常會產(chǎn)生嚴重的誤差。衛(wèi)星遙感信息快速處理系統(tǒng)針對國產(chǎn)衛(wèi)星影像以及主流的國外影像，結(jié)合重慶市典型山地城市的特點及需求，實現(xiàn)了地形復(fù)雜地區(qū)4個層次衛(wèi)星遙感影像快速校正處理，即嚴格物理模型正射校正，支持SPOT嚴格物理模型；RPC校正模型，支持國產(chǎn)CEBERS系列衛(wèi)星、遙感系列衛(wèi)星以及國外主流商用衛(wèi)星等的RPC/RPB糾正模型；準嚴格校正模型，因部分國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)尚不能提供RPC/RPB參數(shù)，即采取顧及地形起伏的多項式幾何校正方法，利用影像地區(qū)已有的數(shù)字高程模型，利用多項式建立像點與真實三維地理坐標之間的函數(shù)關(guān)系[5-7](圖2)；一般幾何多項式模型，即一般的多項式校正，但同時支持影像的自動匹配，以提高影像糾正的處理速度。

圖1 國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用示范平臺總體架構(gòu)

圖2 準嚴格校正模型和一般多項式糾正(遙感系列衛(wèi)星影像)

(2)復(fù)雜山地環(huán)境衛(wèi)星校正的DEM修改技術(shù)

在利用已有DEM對影像進行正射糾正時，由于DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性以及重慶典型山地城市高架橋、高架路等區(qū)域的局部扭曲變形問題，研究和實現(xiàn)了局部區(qū)域DEM的修復(fù)技術(shù)解決局部扭曲變形[8]。

圖3 DEM修復(fù)前后

(3)典型山地區(qū)域影像輻射增強關(guān)鍵技術(shù)

重慶地區(qū)特殊的氣候條件及典型的山地地形對光學(xué)遙感影像的輻射處理提出了更高的技術(shù)要求。比如重慶市水蒸氣作用比較明顯，尤其薄霧很常見，因此光學(xué)遙感影像的質(zhì)量相比其他地區(qū)較差，實際處理中采用ATCOR2大氣變化模型進行，通過屏幕交互式輸入?yún)?shù)閾值，確定水汽和云霧的邊界和光學(xué)深度后，進行薄霧去除(圖3)。此外，重慶地區(qū)典型山地環(huán)境以及城市區(qū)域高樓林立，影像上的陰影較重，采用基于改善的Wallis濾波和直方圖匹配的方法進行陰影校正處理，取得較好的效果(圖5)。

圖4 薄霧去除前后(CEBERS多光譜影像)

圖5 陰影去除前后

(4)面向規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用的分析模型庫及技術(shù)實現(xiàn)

城鄉(xiāng)規(guī)劃3S綜合信息集成分析系統(tǒng)深入結(jié)合重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理監(jiān)測評價的主要業(yè)務(wù)需求，基于ArcGIS Model Buider建模工具和二次開發(fā)語言，建立了面向行業(yè)應(yīng)用的3個模型大類(通用集成模型、專題集成模型和規(guī)劃評估模型)，10個模型群和39個主要模型，實現(xiàn)了對多源遙感信息、地理空間信息以及社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等異構(gòu)信息源進行同化處理、模型構(gòu)建與分析評價。其中通用集成模型主要是基于地理單元的統(tǒng)計型社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間離散化模型8個；專題集成模型面向現(xiàn)狀分析與動態(tài)監(jiān)測需求，包括城市建成區(qū)識別模型、城鎮(zhèn)體系布局模式分析模型、城市建設(shè)用地適宜性評價模型、交通線路通達度分析模型、城市用地擴展模型等14個；規(guī)劃評估模型主要包括用地結(jié)構(gòu)模型、城市外部形態(tài)模型、拓展規(guī)模模型等17個。

以城市用地適宜性評價模型為例[9]，評價指標體系由指標類型、一級和二級指標層構(gòu)成，指標類型為特殊指標(剛性指標)和基本指標(彈性指標)；一級指標為控制指標，分為地形地貌、生態(tài)環(huán)境、工程地質(zhì)和其他影響四個層面；二級指標為明細指標。在此基礎(chǔ)上明確特殊指標的定性分級以及基本指標的定量分值，評價模型如下：

(1)

其中，S為適宜性綜合定量評價計算分值，以高分值為優(yōu)；Bi為第i項評價指標的定量得分(無量綱)；Wi為第i種評價指標的權(quán)重；n為參與評價的因子數(shù)量。

(5)海量數(shù)據(jù)批處理與任務(wù)流程化定制關(guān)鍵技術(shù)

平臺面向與提高產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力，系統(tǒng)在每個關(guān)鍵環(huán)節(jié)都著力解決海量數(shù)據(jù)批量處理，研制和開發(fā)任務(wù)流程化定制與管理，大大提高工作效率。

3 國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用示范工程

為便于平臺的業(yè)務(wù)化運行和產(chǎn)業(yè)化推廣，將平臺所含的管理-處理-分析-分發(fā)的四個子系統(tǒng)集成封裝成統(tǒng)一的平臺(圖6)。衛(wèi)星遙感海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)全流程的數(shù)據(jù)及產(chǎn)品管理，包括原始影像、基礎(chǔ)產(chǎn)品、增值產(chǎn)品。衛(wèi)星遙感海量信息快速處理系統(tǒng)的輸入端為原始影像，輸出端為基礎(chǔ)產(chǎn)品，主要包含由原始數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、幾何校正、影像融合和遙感解譯后得到的產(chǎn)品，按照處理水平及深度其下分1～4級。城鄉(xiāng)規(guī)劃3S綜合信息集成分析系統(tǒng)的輸入端為基礎(chǔ)產(chǎn)品、基礎(chǔ)地理信息、專題地理信息以及社會經(jīng)濟信息等，其輸出端為經(jīng)過模型運行分析后的增值產(chǎn)品，比如用地適宜性分析、交通通達度分析、景觀破碎度和生態(tài)敏感型分析等增值產(chǎn)品。城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合信息分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)主要為城鄉(xiāng)規(guī)劃行業(yè)部門提供與發(fā)布數(shù)據(jù)、產(chǎn)品及服務(wù)。

圖6 統(tǒng)一集成支撐平臺

圖7 生態(tài)敏感型分析圖

國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用示范工程以國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用平臺為支撐，面向城鄉(xiāng)規(guī)劃管理業(yè)務(wù)全過程(規(guī)劃編制、規(guī)劃實施、監(jiān)督檢查、公眾參與)，為規(guī)劃編制提供現(xiàn)狀分析服務(wù)，并動態(tài)監(jiān)測規(guī)劃實施情況，對規(guī)劃實施的效果進行評估，從而提供支撐規(guī)劃管理全業(yè)務(wù)過程的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用服務(wù)(表1)，通過開展應(yīng)用示范工程，提高國產(chǎn)衛(wèi)星遙感應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化能力。

表1 國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源與規(guī)劃應(yīng)用服務(wù)對應(yīng)表

重慶市永川(區(qū)級)、珞璜(鎮(zhèn)級)衛(wèi)星遙感城鄉(xiāng)規(guī)劃現(xiàn)狀分析應(yīng)用示范基于國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，開展永川(區(qū)級)、珞璜(鎮(zhèn)級)的林地、水資源、土地利用、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、綜合交通、重大基礎(chǔ)設(shè)施等的解譯與調(diào)查；在此基礎(chǔ)上，開展示范區(qū)的用地適宜性分析、生態(tài)敏感性分析(圖7)、城鎮(zhèn)體系布局評價等，從而為城鄉(xiāng)規(guī)劃的研究和編制提供綜合現(xiàn)狀信息支撐。重慶市主城區(qū)衛(wèi)星遙感城鄉(xiāng)規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范從2005年開始，連續(xù)6年開展主城區(qū)林地、城市建設(shè)用地、綜合交通、重大基礎(chǔ)設(shè)施以及違法建設(shè)的動態(tài)實時監(jiān)測，以期實時監(jiān)管城鄉(xiāng)規(guī)劃的實施情況，及時發(fā)現(xiàn)實施過程中存在的問題。重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃實施衛(wèi)星遙感評估應(yīng)用示范以《重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2007-2020)》為研究對象，構(gòu)建評價模型，對規(guī)劃的實施進行全面考量、評估既定規(guī)劃的實施效果，并形成相關(guān)信息反饋，為規(guī)劃內(nèi)容和政策設(shè)計以及規(guī)劃運作制度的架構(gòu)提出修正、調(diào)整的建議。重慶市衛(wèi)星遙感城鄉(xiāng)規(guī)劃信息公眾服務(wù)應(yīng)用示范，則以平臺為生產(chǎn)線，建立二三維一體化的空間信息集成平臺，為社會公眾提供綜合規(guī)劃信息服務(wù)。

4 結(jié)束語

我國衛(wèi)星遙感經(jīng)過幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是近幾年的突飛猛進，已經(jīng)開始朝著產(chǎn)業(yè)化方向邁進。本文面向城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域，探討建立面向城鄉(xiāng)規(guī)劃全業(yè)務(wù)流程的國產(chǎn)衛(wèi)星遙感的城鄉(xiāng)規(guī)劃綜合應(yīng)用平臺研究與關(guān)鍵技術(shù)，并選取3種層級5個應(yīng)用示范，進行了國產(chǎn)衛(wèi)星遙感在城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域的具體實踐。實踐證明相關(guān)技術(shù)路線的可行性與實用性，這對改變傳統(tǒng)遙感應(yīng)用服務(wù)模式，推進遙感技術(shù)在規(guī)劃行業(yè)的全面應(yīng)用和普及推廣，以及城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門后期業(yè)務(wù)化運行奠定了基礎(chǔ)；對于推進國產(chǎn)衛(wèi)星應(yīng)用的深度與廣度意義重大。

當然，針對國產(chǎn)衛(wèi)星在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與推廣中面臨的諸多問題，本研究仍存在很多不足，比如國產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)的輻射校正、多星多傳感器綜合處理與深加工處理能力、無控制點幾何精正技術(shù)、業(yè)務(wù)分析模型與行業(yè)應(yīng)用的深度結(jié)合等問題，還需要在后續(xù)的研究中更深入的探索與完善，此外，關(guān)于國產(chǎn)衛(wèi)星產(chǎn)品的相關(guān)標準規(guī)范、政策機制以及產(chǎn)品頂層設(shè)計等方面，則需要更多的探索。

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