高分辨率对地观测系统在智慧城市中的应用

杨 龙

（三门峡职业技术学院建筑工程学院，河南 三门峡 472000）

20世纪中后期，遥感技术的产生使得地面信息的高效收集成为可能。初始阶段的遥感影像分辨率最大只有几十米，数据可用性较低。近年来，我国在航空航天领域取得了巨大进步，遥感影像分辨率逐步提高，地面扫描范围逐渐扩大，影像中的数据信息越来越丰富。2014年发射的高分二号遥感卫星全色分辨率达到0.8 m，其1景影像可覆盖地面面积约500 km2，信息量十分丰富。遥感技术的飞速发展，为我国城市化推进和众多民生行业工作模式的转变提供了良好的数据支持。“十二五”时期，我国全面进入城市时代，城市成为真正意义上的经济社会主导[1]，越来越多的城市将准确、便捷、高效的综合管理视为城市管理的最终目标，用富有创新意义的新手段，更加“智慧”地管理城市。信息技术是支撑城市发展的重要因素之一，卫星遥感技术是基于现代空间技术、通信技术而发展起来的，是研究区域发展的重要信息源。将先进的科技力量用于解决城市发展问题是至关重要的。本文通过对高分辨率对地观测系统的发展现状以及在智慧城市中的信息优势进行讨论和实践，对高分辨率对地观测系统的应用价值进行拓展。

1. 高分辨率对地观测系统发展及现状

段[2]。所谓高分辨率图像，是指那些地面分辨率优于5 m或者5 m左右的陆地遥感图像数据，它在军用和民用方面都有广阔的应用前景[3]。按照距离地面高度不同，遥感技术可分为航空遥感和航天遥感。航空遥感发展较早，其理论和技术体系更为成熟，但因飞行投资大、耗时长等因素很快被航天遥感取代。高分辨率对地观测系统属于航天遥感领域，其优势在于图像更新周期短，成本低，影像分辨率高，所反映的地面信息内容丰富，影像获取波段多，生产应用性强等。

高分辨率对地观测系统是空间信息技术的重要技术领域，该系统属于军民融合型项目。我国对高分辨率对地观测系统的研究从未停止过。2006年，国家将高分辨率对地观测系统纳入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，成为当年16个国家重大专项之一。 2013年4月26日，长征2号运载火箭搭载高分一号卫星在酒泉卫星发射中心顺利升空，标志着我国高分辨率对地观测系统正式进入部署阶段。伴随着2019年11月3日高分七号卫星在太原卫星发射中心成功发射，我国高分辨率对地观测系统卫星全部部署到位(见表1)。从高分一号到高分七号，实现了从2 m全色分辨率和8 m多光谱分辨率到民用亚米级高分辨率的巨大进步。

高分辨率遥感卫星是一个国家高技术水平的标志，也是促进经济社会发展和维护国家安全的重要手

表1 高分系列卫星主要参数

2. 高分辨率对地观测系统在智慧城市建设和运营管理中的优势

2.1 信息在智慧城市中的地位

智慧城市是社会发展进入数字、信息时代的必然趋势，它集合了城市信息化建设、城镇化建设所需的优势技术和手段，同时，又是城市经济发展和工作管理模式的一种变革，推动社会管理朝着更加合理和舒适的方向发展。从本质上看，城市发展既要在技术上实现透彻感知、互联互通和深入智能，更要实现城市经济、生活和管理上的全面“智慧”[1]。

作为一个管理者，掌握准确、及时的信息是城市管理的必要条件，这些信息包括了经济、自然资源、规划等多个方面，种类多，数据量大。智慧城市中所需要的信息已经成为社会发展中不可或缺的重要部分，它的来源可以是多方面的，但就获取方式而言，全面、便捷、低成本的信息一直是我们研究的目标。

2.2 高分辨率对地观测系统在智慧城市建设和运营管理中的优势

在城市管理过程中，精细化、智能化管理一直是政府追求的目标，想要全面了解和掌握城市的发展现状，更好地提高政府各管理部门的工作效率，城市变化的各方面信息不能缺少。依据传统管理和技术手段获取信息的时间较长，人力投入较大，但能获取的信息量却比较有限，且效率低下，很多实时情况和数据很难及时被反馈到决策者面前，信息的单一性和滞后性问题明显。基于现代空间技术、通信技术而发展起来的卫星遥感技术已成为研究全球变化、区域发展的最根本的信息源，我国高分辨率对地观测系统目前在众多行业已经开展应用。该系统在智慧城市中的应用优势主要有以下几个方面。

第一，通过高分辨率对地观测系统获取的遥感影像在时效性、分辨率、宏观性上相较于其他信息获取途径有着明显的优势。高分遥感卫星的监测服务可获取城市的宏观影像、精细结构、局部信息、微观特征，为国土资源监测、城市建设管理、农用地保护监测、环境保护监测、林业资源及变化监测、水务监测、大气治理等综合管理工作提供强有力的技术支撑，这将使城市管理工作更加直接、精确、具体，事半功倍，提高城市管理部门的工作效率，为智慧城市建立和运营管理提供数据支撑。

第二，高分对地观测系统可以将指定区域作为观测目标，通过多时相、多波段、多平台，按照固定的周期和轨道对地面进行扫描。高分二号卫星的最短观测周期为4天生成遥感影像，通过对遥感影像进一步的解译和分析，能得到非常精确的地面信息量化数据。通过某地多期影像对比分析，可对某事物的发展趋势进行预判。

第三，高分对地观测系统可以获取具有高时间分辨率和高空间分辨率度的遥感影像。高分辨率遥感影像在民用方面最大分辨率可以达到0.8 m，在这样的分辨率下，影像解译后提供的信息可以取代大部分传统测绘获取的信息。在特殊时期，可以通过指令改变卫星的镜头倾角来实现遥感影像拍摄周期的调整，以方便获取及时影像数据，解决实时难题。例如，某地突发泥石流、洪水等自然灾害，可以通过缩短定点拍摄周期，获取灾区第一时间的影像资料，通过快速处理后提供给管理决策者，方便其准确掌握灾情实况，从而制定有效的救灾方案。

3. 高分辨率对地观测系统在某地智慧城市建设和运营管理中的应用

高分遥感影像是积累资料、更新资料、追踪城市建设轨迹、监控生态环境质量、进行大型工程以及预测、评估自然灾害的重要手段，为各级领导提供实时辅助决策依据。

3.1 对城市变迁发展的动态分析

城市的发展受到政治、地理位置、人口等多方面因素的影响，是一个动态过程。高分辨率对地观测系统可以提供多期遥感影像资料进行对比分析，从宏观角度出发查看和研究城市发展的现状和规律，再结合往期保存的历史数据和现有各方面信息，为决策者更加全面地做出有利于城市良性发展的决策提供参考。

利用高分辨率卫星遥感技术，对某城市开展新增建设用地监测，通过对高分遥感影像的解译(图1)，可以快速、准确掌握城市实际新增建设用地情况，查清新增建设用地总量、用地来源、用地结构及用地状况，结合国土空间规划、土地供应审批数据，发现疑似违规新增建设用地、疑似闲置土地、未供利用土地，分析新增建设用地增减趋势、占用耕地及基本农田情况，为土地管理与执法等提供数据支撑。

图1 新增建设用地监测

3.2 对城市资源调查和动态监测

当下，环境问题已经成为各个国家都非常重视的问题，要实现可持续发展，必须在发展的同时保护环境。水资源、绿地资源、森林资源是城市发展的必须资源，而受我国人口基数大、城市分布密度高等特点影响，人均自然资源占有量不足，一定程度上限制了智慧城市的发展。高分遥感影像为国土调查提供了良好的信息基础，高分辨率遥感影像的及时性信息能提高国土资源区域监测的准确性，提高国土调查的整体效率[4]。

某市为了掌握地表资源空间分布格局，定期用高分辨率对地观测系统获取各类地表资源基本信息，建立数据库，调查土地的地类和面积，掌握各类用地的分布和利用状况，基于高分辨率遥感影像和地物波谱信息构建解译标志，提取区域内耕地、林地、草地、水域和湿地、建设用地、未利用地等地表资源空间信息，构建地表资源本底库，形成“地表资源一张图”(图2)，实现国土资源变化信息调查、统计、监测的常态化、实时化，有助于国土资源优化利用。

图2 国土资源调查

3.3 对城市发展规划与决策支持

城市化建设是一项系统工程，其发展具有不可逆性，其规划建设的合理性将对我国社会民生和经济发展产生深远影响。传统规划给城市发展带来了各种问题，科学合理的城市规划变得尤其重要。利用高分遥感系统可以获取当前地面各类建设现状，也可以获取往期多个时间点城市建设状况信息。对比建设规划，可以及时发现城市发展过程是否在有序进行，同时，还可以看出未来城市发展的模型。

重大工程是带动经济发展的重要推动力，重大项目的进展情况是领导的关注重点。某市利用高分辨率卫星遥感技术，定期开展重大固定资产投资项目建设进度监测，结合重大项目建设计划和资金到位情况等，分析判断项目建设是否按计划进行（图3），辅助推进项目按计划开展和进行项目投资管理。

图3 高速公路工程建设进度（土地平整阶段）

3.4 对城市生态环境监测与调查

城市生态环境涉及到大气、水体、绿色植被、废弃物排放等方面。目前，大部分地区在环境监测和调查方面仍然采用较为传统的方式。如，废弃物堆放点主要依靠人工实地查看，大气质量依靠城市固定空气质量探测，水体质量采用采样抽查检测等。而利用高分辨率对地观测系统中多个波段获取的影像信息，可以从宏观方面直接获取大气污染程度、污染传播路径、废弃物堆放点数量分布、水体水质变化、绿色植被面积及分布等具体生态环境信息，从而为后续的治理提供极有意义的指导帮助，提高工作效率。

图1中通过高分遥感卫星已经实现了国土资源实时现状调查，掌握了最新的国土资源现状分布，再利用高分遥感卫星高时间分辨率和高空间分辨率优势，对该区域进行持续宏观动态监测，及时发现变化图斑（图4），对长时间地表资源监测所形成的空间大数据进行统计分析，可以发现其资源变化趋势，掌握城市历史变迁及发展规律。最后，与城市管理指挥系统、视屏摄像头系统等进行对接，形成天地一体的城市管理监督网络，服务于城市管理工作。

4. 结束语

（a）2015年10月 耕地 （b）2016年4月 建筑工地

高分辨率遥感技术及影像图的处理和信息提取技术越来越成熟, 成为数字城市规划的关键技术之一[5]，对于目前智慧城市的建设和运营管理是必不可少的重要手段。高分辨率对地观测系统在城市规划建设监测中的应用本着“用数据说话、用数据管理、用数据决策”的原则，通过快速获取重大工程施工进度、新增建设用地、建筑施工裸地、城市绿地等位置信息，与城市规划数据叠加分析，对城市管理固疾顽症开展综合治理，为智慧城市建设和运营管理提供准确、及时的数据信息和分析报告，成为辅助城市向智慧城市发展的重要技术力量。