智慧城市建設(shè)是全行業(yè)互相合作、全社會(huì)共同推進(jìn)的一個(gè)“協(xié)作型任務(wù)”，需要在技術(shù)、管理等方面同時(shí)推進(jìn)，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(tái);其中遙感技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用也日益廣泛，例如在國(guó)情監(jiān)測(cè)、國(guó)情普查、城市規(guī)劃以及公眾服務(wù)方面也都需要有高精度遙感影像。在智慧城市建設(shè)過程中傳感器會(huì)越來越多，同時(shí)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(wù)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(gè)衛(wèi)星能夠做到搭載大量傳感器，或是達(dá)到實(shí)時(shí)的更新速度。因此有人提出將影像進(jìn)行融合，各取所需來得到一張高精度、實(shí)時(shí)、各種傳感器都覆蓋的影像。香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所副所長(zhǎng)黃波就致力于研究影相融合技術(shù)，他希望通過影像融合技術(shù)可以促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，以更好地建設(shè)智慧城市。

　　所得非所需

　　黃波告訴《3S新聞周刊》，日益增長(zhǎng)的遙感應(yīng)用對(duì)遙感影像提出了更高的要求，但是當(dāng)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(zhǎng)，但是在時(shí)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(yīng)用產(chǎn)品的精度;相應(yīng)的，如果空間分辨率、光譜分辨率以及時(shí)間分辨率都高，那么所覆蓋的覆框就會(huì)比較窄。因?yàn)樗拇蠓直媛手g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(yīng)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(huì)越來越小，發(fā)射成本越來越低，所帶的傳感器會(huì)更多、精度更高。但是目前來看，這些條件的代價(jià)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(jié)合中獲得更好的質(zhì)量。傳統(tǒng)的影相融合方法多以“全色銳化”為主，即通過結(jié)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(shí)值，也沒有涉及時(shí)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(guān)系，并采用影像超分辨率技術(shù)，生成時(shí)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(cè)空氣污染

　　監(jiān)測(cè)空氣污染多是要監(jiān)測(cè)氣溶膠等顆粒的分布，但是現(xiàn)在的遙感平臺(tái)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(guān)傳感器的遙感平臺(tái)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(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。黃波介紹一體化融合包括時(shí)空的融合、空譜的融合和空角的融合(如圖1、圖2、圖3)。

　　時(shí)空融合：Landsat具有高空間分辨率、低時(shí)間分辨率，MODIS具有低空間分辨率、高時(shí)間分辨率，通過一體化融合可以合成時(shí)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(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行多角度的觀測(cè)，通過稀疏表示技術(shù)進(jìn)行融合，可以體現(xiàn)對(duì)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(tái)作為一個(gè)插件實(shí)現(xiàn)時(shí)空譜角一體化的融合。他的團(tuán)隊(duì)利用這個(gè)技術(shù)生成了世界上第一套時(shí)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(cè)方面具有極大優(yōu)勢(shì)。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(cè)和傳染病控制的關(guān)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(xì)節(jié)。“接下來，通過跟地面的監(jiān)測(cè)站建立關(guān)系，我們就可以生成覆蓋整個(gè)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(jié)道。

　　一體化融合數(shù)據(jù)除了可以應(yīng)用于空氣污染的監(jiān)測(cè)，還可以作為城市環(huán)境的監(jiān)測(cè)手段，例如對(duì)北京地區(qū)熱島效應(yīng)的監(jiān)測(cè)(圖5)，通過將MODIS和Landsat數(shù)據(jù)融合，各取所長(zhǎng)，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(shí)，我們還可以對(duì)目標(biāo)地區(qū)的碳源、碳匯進(jìn)行估算，即利用一體化融合影像遙感進(jìn)行時(shí)間尺度上的估算，所生產(chǎn)的產(chǎn)品可以應(yīng)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(duì)于PM2.5很關(guān)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(yù)測(cè)城市發(fā)展

　　有了一體化融合技術(shù)，可以生成高時(shí)空譜角數(shù)據(jù)，進(jìn)而可進(jìn)行變化建模分析，理解復(fù)雜的時(shí)空過程，并識(shí)別驅(qū)動(dòng)因素，了解這些因素的權(quán)重，最后以這些分析結(jié)果可以進(jìn)行優(yōu)化引導(dǎo)，即對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　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(jì)分析，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)城市土地利用變化以及不同驅(qū)動(dòng)因素隨時(shí)間的變化，找出城市發(fā)展有哪些驅(qū)動(dòng)力，來推測(cè)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(kuò)展分析為例，介紹ChangeAnalyst是如何得到2050年香港城市擴(kuò)展的預(yù)測(cè)。首先生成香港從1991年到2007年的土地利用變化(上頁圖6)，設(shè)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(jìn)行分析，最后做基于時(shí)間的內(nèi)插和預(yù)測(cè)。“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(nèi)插結(jié)果來驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，可以達(dá)到95.8%(圖8)。”黃波總結(jié)，“這樣我們就根據(jù)這個(gè)模型得出2015年的香港土地利用分布情況(圖9)，當(dāng)然這也要到2015年才能驗(yàn)證。”

　　通過研究城市的擴(kuò)展情況，可以研究城市的擴(kuò)展對(duì)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(shí)候進(jìn)行模擬以便讓城市規(guī)劃對(duì)周邊環(huán)境的環(huán)境破壞達(dá)到最小。黃波告訴《3S新聞周刊》在城市規(guī)劃方面，建設(shè)部門更強(qiáng)調(diào)物質(zhì)規(guī)劃，是從小到大的發(fā)展;而地理層面則更強(qiáng)調(diào)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(shí);他認(rèn)為應(yīng)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(gè)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(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就為智慧城市打了個(gè)好的基礎(chǔ)”黃波談到他的研究對(duì)城市規(guī)劃方面的作用，“對(duì)于一些老城區(qū)的改造、拆遷項(xiàng)目和城市更新也是適用的。”

　　遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，空間分辨率精度已經(jīng)可以達(dá)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(wù)，但是眼下如何利用已有遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就是需要?jiǎng)幽X筋挖掘了。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)提供更多產(chǎn)品和服務(wù)也許就是促進(jìn)遙感技術(shù)普及的一個(gè)好辦法。（文丨本刊編輯 張鵬英）