智慧城市建設是全行業(yè)互相合作、全社會共同推進的一個“協(xié)作型任務”，需要在技術、管理等方面同時推進，因此，各行業(yè)的企業(yè)都能在智慧城市中找到自己的舞臺;其中遙感技術在智慧城市中的應用也日益廣泛，例如在國情監(jiān)測、國情普查、城市規(guī)劃以及公眾服務方面也都需要有高精度遙感影像。在智慧城市建設過程中傳感器會越來越多，同時現(xiàn)在的衛(wèi)星遙感影像愈加豐富，精度也越來越高，隨之而來的產(chǎn)品也就更加多樣化，可以滿足不同的行業(yè)需求和公眾服務需求。

　　隨著衛(wèi)星影像的精度越來越高，衛(wèi)星也越來越小，但是還沒有哪個衛(wèi)星能夠做到搭載大量傳感器，或是達到實時的更新速度。因此有人提出將影像進行融合，各取所需來得到一張高精度、實時、各種傳感器都覆蓋的影像。香港中文大學太空與地球信息科學研究所副所長黃波就致力于研究影相融合技術，他希望通過影像融合技術可以促進城市的可持續(xù)發(fā)展，以更好地建設智慧城市。

　　所得非所需

　　黃波告訴《3S新聞周刊》，日益增長的遙感應用對遙感影像提出了更高的要求，但是當前衛(wèi)星遙感系統(tǒng)又具有局限性，“我們稱之為分辨率制衡，即現(xiàn)在的衛(wèi)星影像都是以高空間分辨率見長，但是在時間分辨率、光譜分辨率和角度分辨率方面都很低，這就降低了遙感應用產(chǎn)品的精度;相應的，如果空間分辨率、光譜分辨率以及時間分辨率都高，那么所覆蓋的覆框就會比較窄。因為四大分辨率之間的相互矛盾，限制了遙感產(chǎn)品的精度更限制了它的很多應用。遙感研究者只能得到他們能得到的數(shù)據(jù)，而不是他們真正想要的數(shù)據(jù)。”理論上，隨著科技水平的發(fā)展，衛(wèi)星的體積會越來越小，發(fā)射成本越來越低，所帶的傳感器會更多、精度更高。但是目前來看，這些條件的代價都太大。

　　黃波談到現(xiàn)在的遙感數(shù)據(jù)越來越多，因此他主張從多源圖像結合中獲得更好的質量。傳統(tǒng)的影相融合方法多以“全色銳化”為主，即通過結合全色波段的高空間分辨率與多光譜波段的光譜特性，以形成高空間分辨率的多光譜影像，便于判讀與分類，“但是所生成的影像沒有矯正到真實值，也沒有涉及時空或空角融合。”黃波告訴《3S新聞周刊》他正在研究的“一體化融合”就可以解決這一問題。所謂一體化融合就是利用已有的高、低分辨率影像的特性，建立他們之間的關系，并采用影像超分辨率技術，生成時間、空間、光譜及角度可選擇的或全屬性高分辨率影像。

　　監(jiān)測空氣污染

　　監(jiān)測空氣污染多是要監(jiān)測氣溶膠等顆粒的分布，但是現(xiàn)在的遙感平臺單純追求空間分辨率上的高精度，反而在光譜傳感器上面要稍微落后，而搭載了相關傳感器的遙感平臺又受制于低分辨率和低更新速度，這是很無奈的現(xiàn)狀，這也限制了空氣污染監(jiān)測的時效性和準確性。黃波介紹一體化融合包括時空的融合、空譜的融合和空角的融合(如圖1、圖2、圖3)。

　　時空融合：Landsat具有高空間分辨率、低時間分辨率，MODIS具有低空間分辨率、高時間分辨率，通過一體化融合可以合成時間分辨率和空間分辨率都高的一組影像。

　　空角融合：衛(wèi)星傳感器能夠繞固定軌道對同一地點進行多角度的觀測，通過稀疏表示技術進行融合，可以體現(xiàn)對象的在空間上的變化。

　　黃波告訴《3S新聞周刊》，他們是在ArcGIS平臺作為一個插件實現(xiàn)時空譜角一體化的融合。他的團隊利用這個技術生成了世界上第一套時空譜角香港高分辨率的影像。影像也是來源于MODIS和Landsat，得出的融合產(chǎn)品在空氣污染監(jiān)測方面具有極大優(yōu)勢。圖4左邊是MODIS的影像，分辨率為10公里×10公里，是無法建立公共污染、健康監(jiān)測和傳染病控制的關系;(圖4)右邊是通過融合以后生成的產(chǎn)品，這就可以清晰地得到空氣污染的細節(jié)。“接下來，通過跟地面的監(jiān)測站建立關系，我們就可以生成覆蓋整個香港全境的PM2.5、PM10的數(shù)據(jù);最近我們主要做的工作是同OMI(Ozone Monitoring Instrument)衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合，生成二氧化碳、二氧化硫、臭氧30米全覆蓋的產(chǎn)品”，黃波總結道。

　　一體化融合數(shù)據(jù)除了可以應用于空氣污染的監(jiān)測，還可以作為城市環(huán)境的監(jiān)測手段，例如對北京地區(qū)熱島效應的監(jiān)測(圖5)，通過將MODIS和Landsat數(shù)據(jù)融合，各取所長，就可以生成右邊這列高空間分辨率、每天一景的地面溫度產(chǎn)品。“同時，我們還可以對目標地區(qū)的碳源、碳匯進行估算，即利用一體化融合影像遙感進行時間尺度上的估算，所生產(chǎn)的產(chǎn)品可以應用到可持續(xù)城市規(guī)劃和土地利用的規(guī)劃上面。”

　　現(xiàn)在公眾對于PM2.5很關注，黃波表示他們正在開發(fā)可以獲取PM2.5數(shù)據(jù)的App。

　　預測城市發(fā)展

　　有了一體化融合技術，可以生成高時空譜角數(shù)據(jù)，進而可進行變化建模分析，理解復雜的時空過程，并識別驅動因素，了解這些因素的權重，最后以這些分析結果可以進行優(yōu)化引導，即對未來發(fā)展進行預測。

　　黃波介紹他們開發(fā)了一款名為ChangeAnalyst的軟件，主要是用城市土地利用變化建?？臻g統(tǒng)計分析，根據(jù)一段時間內城市土地利用變化以及不同驅動因素隨時間的變化，找出城市發(fā)展有哪些驅動力，來推測未來城市土地利用該如何合理分配。

　　黃波以香港建成區(qū)擴展分析為例，介紹ChangeAnalyst是如何得到2050年香港城市擴展的預測。首先生成香港從1991年到2007年的土地利用變化(上頁圖6)，設定主要因子的影響范圍(圖7)，利用邏輯思維的回歸，通過ChangeAnalyst進行分析，最后做基于時間的內插和預測。“香港發(fā)展非常有規(guī)律，基本是沿著鐵路發(fā)展，所以我們利用內插結果來驗證預測結果，可以達到95.8%(圖8)。”黃波總結，“這樣我們就根據(jù)這個模型得出2015年的香港土地利用分布情況(圖9)，當然這也要到2015年才能驗證。”

　　通過研究城市的擴展情況，可以研究城市的擴展對于生態(tài)、環(huán)境、天氣或者是氣候造成的影響;這樣就能在做城市規(guī)劃的時候進行模擬以便讓城市規(guī)劃對周邊環(huán)境的環(huán)境破壞達到最小。黃波告訴《3S新聞周刊》在城市規(guī)劃方面，建設部門更強調物質規(guī)劃，是從小到大的發(fā)展;而地理層面則更強調宏觀虛擬的規(guī)劃，是從地理的角度出發(fā)，從大到小的落實;他認為應該既考慮到城市的需要，也要考慮到生態(tài)環(huán)境的需要，這樣才能做出一個好的規(guī)劃。“一些新城區(qū)的城市規(guī)劃可以直接以此為基礎進行設計，這就為智慧城市打了個好的基礎”黃波談到他的研究對城市規(guī)劃方面的作用，“對于一些老城區(qū)的改造、拆遷項目和城市更新也是適用的。”

　　遙感技術的應用范圍越來越廣，空間分辨率精度已經(jīng)可以達到很高的水平了，但是其他分辨率就更加有待提高，我們期待更完美、更全面的衛(wèi)星升天以為我們服務，但是眼下如何利用已有遙感數(shù)據(jù)進行分析就是需要動腦筋挖掘了。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)提供更多產(chǎn)品和服務也許就是促進遙感技術普及的一個好辦法。（文丨本刊編輯 張鵬英）