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1、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 Information Systems）和遥感技术（ RS,RemoteSensing）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
2、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
3、、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
4、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
5、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
6、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。198
7、0 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11 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
8、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（
9、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 城市环境质量评价目前环境影响评价的方法有如综合指数法、图形叠置法、层次分析法和景观生态学法等, 但由于城市景观多样 ,建筑物林立 ,透视条件差 ,难以取得大范围内的适时观测资料以满足区域性和综合性都很强的城市环境质量评价
10、工作的需要。RS 技术以空中为信息获取平台,具有宏观、适时、快速获取地上物之优势，并可通过转换 ,以直观的形象真实显示地貌形态。GIS 技术具有编辑、加工和评价长时段、大地理区域数据的能力及卓越的建模和影响预测能力,能够识别和分析环境影响的时间和空间上的累积特征6，再配合以地面同步观测、 采样 ,就可在宏观信息和微观主份的结合上,把城市环境质量评价提高到一个新水平。就其评价侧重的应用领域而言，涵盖了城市的地质环境分析评价（陈春生，1990；李双林， 1996；韩震，杨锋杰，李永庆等， 2000；肖美英， 2007） ，城市植被覆盖的生态功能与效益评价（陈云浩，李晓兵，史培军等，2002；何兴元
11、，宁祝华，2002；陈晔 , 赵纯勇 , 杨华， 2005） ，城市环境污染研究中单项污染因子评价（丘荣祖，张东水，余德志等，2005；陈峰，尹春芹，蒋新等，2008） ，城市空间结构与拓展形态研究评价方面（赵滔滔， 1996；Murad ，2003；赵黎光， 2007；武占云， 2007） 。随着研究的深入，RS和 GIS 技术应用于专项规划环境影响评价成为一个新课题。陈功等利用RS 技术将卫星遥感影像数据进行土地利用分类以及植被信息提取, 同时利用GIS 技术对已有的各种调查资料及数据进行管理 , 为电网规划的环境影响评价提供直观的基础数据及图形, 并进行环境影响评价叠图分析,取得了较好的
12、效果7。 马玲等就西部支线机场建设的不利因素, 提出了将遥感和GIS 技术的优势充分应用于机场建设前期选址决策中, 并以腾冲驼峰国际机场建设为例, 探讨应用遥感技术, 制作遥感图像三维可视化, 为决策者提供直观的实地三维影像图; 利用地理信息系统的空间分析功能, 进行坡面、 坡度和净空分析 , 可以为机场选址、布线等方面提供决策依据。遥感和GIS 技术的综合应用对西部支线机场现代化建设创优工程提出了一定思路和技术方法8。随着遥感 (RS)与地理信息系统 (GIS)科学的发展 ,城市遥感观测与海量信息管理日趋成熟 ,使得将城市个体特征与区域地理信息结合起来进行城市风沙灾害性评价成为可能。在遥感和
13、地理信息系统的支持下,构建合理模型 (model) 全面评价中国北方沙区城市风沙灾害危险度,为灾害防治提供科学依据9。4.3 城市规划城市规划涉及 的基本 问题是 城市设 施和城 市资 源在空 间上的 合理分 布，地 理信 息系统 （ GIS, Geographical Information Systems ）作为存储、分析和管理空间数据的技术，为日益复杂的城市规划工作提供了强有力的辅助工具，可以协助城市规划工作者解决许多实际问题（朱阿兴、 Carl G. Amrhein、Anthony C. Lea，1996） 。相应的， GIS 在城市规划和城市管理中应用的研究也日益广泛和深入，研究的角
14、度也呈现出多样化的特点，按照研究涵盖的地域空间范围来看，其中就包括了城市空间扩展与建设用地格局分析研究（Anthony Gar-On Y ehand Xia Li ，1997；陈晓军、张洪业、刘庆生，2004；李江、段杰2004） 、土地评价研究（黄瑞红， 1997；梁留科， 1998；马安青、王建华、陈东景、巴雅尔、周月敏，2002；朱子豪， 1996） 、公共设施的选址应用研究（Mark W. Horner and Tony H. Grubesic ，2001；周启鸣、 K. Charnpratheep，1996） 、GIS 在小尺度的社区景观规划和设计中的应用（Kheir Al-Kodm
15、any ， 2000） 等方面。另外，有研究者对于GIS 作为增加公众参与城市规划编制过程程度和提高规划公平水平的工具（Emily Talen ，1998；Emily Talen，2000） 、城市规划和管理中应用GIS 的非技术性问题（Hiroyuki Kohsaka ，2000；宋小冬， 1996）以及利用GIS 实施在线规划 （OnlinePlanning ）的实践（ Lee Lik Meng and Tan TS，2002）等方面也作了探讨。GIS 在不同专业中的应用取得长足进展的同时，我们也要意识到GIS 应用的局限性，而不要忽略专业知识对GIS 在本专业中应用的重要性。具体到GIS
16、 在城市规划中应用的例子，正如有研究者指出的那样，只有将GIS 与城市规划专家的知识有机地结合起来，我们才能充分发掘出GIS 在城市规划中的应用潜力（朱阿兴、Carl G.Amrhein、Anthony C. Lea ，1996） 。城市规划既有一些世界性的普遍原则，也有很强的地方性。不同的国家实行着不同的规划制度和体系，一个国家内部的不同城市之间在城市规划体系方面，也存在着细微的的差别。就每个特定城市而言，也存在着不同层次的城市规划，国内的情况一般包括四个层次，即总体规划、分区规划、 控制性详细规划和修建性详细规划。不同层次的城市规划应用GIS 的可能性和问题也是不同的。4.3.1 GIS 在街区建筑技术经济指标统计分析中的应用在编制控制性详细规划中，合理确定每个规划地块的开发建设强度是其中一个核心环节。如果规划范围包括城市建成区，那么每个街区的现状开发强度是确定每个规划地块开发建设强度的重要考虑因素。另外，在规划范围涉及到旧城区的改造（redevelopment）的情况下，统计每个街区的现状建设强度可以为合理确定旧城改造的范围、时间安排以
