基于SAR圖像的城市形態(tài)時空變化的研究——以北京市為例.pdf

1、城市形態(tài)是城市這一復(fù)雜巨系統(tǒng)中的重要體現(xiàn)，定量研究城市形態(tài)對城市科學管理和規(guī)劃具有重要的實踐意義。 本文首先對城市形態(tài)的研究作了回顧，了解國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究成果和進展狀況。其次討論了研究城市形態(tài)的手段和工具隨著信息時代的到來發(fā)生很大的變化，遙感技術(shù)為城市研究提供了重要的數(shù)據(jù)源，GIS為城市研究提供了強有力的工具。這兩者的結(jié)合為城市化研究帶來新的課題。在此基礎(chǔ)上，本文利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，從SAR圖像中提取了城市建筑覆蓋

2、區(qū)專題信息，為進一步研究城市形態(tài)提供了數(shù)據(jù)支持。 早期由于受到分辨率和成像系統(tǒng)的影響，雷達在城市探測應(yīng)用方面的研究比較少，成像雷達技術(shù)的出現(xiàn)為城市遙感帶來新的應(yīng)用潛力。大量機載SAR的高質(zhì)量圖像改變了人們對雷達遙感空間分辨率不高的舊觀念，而雷達的全天候工作的特點更使人刮目相看。最近幾年，雷達在探測城市方面的應(yīng)用逐漸增加。 微波信號對城市建筑區(qū)比較敏感，可以識別出城市和郊區(qū)的邊緣，SAR圖像對城市的研究是對光學圖像的一個重

3、要的補充，而用SAR圖像對城市形態(tài)的研究目前在國內(nèi)外還尚未多見，因此本文的研究具有一定的前沿性。 本文基于以上的研究狀況，針對SAR圖像中提取的城市形態(tài)，以北京市為例對自1995年到2002年間的城市形態(tài)隨時間在空間上的變化情況進行了分析。從對微波信號對城市典型地物的成像機理進行分析后，利用紋理信息和ART-Ⅱ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展了對SAR圖像的分類的研究，并提取出城市建筑覆蓋區(qū)專題信息。利用提取的城市建筑覆蓋區(qū)的專題信息，借助GIS工

4、具和分形學理論對北京市的城市形態(tài)進行了深入的研究和分析，從兩個方面研究了城市形態(tài)的變化特征，一是研究城市形態(tài)的自身的演化特征，將城市區(qū)域分為四個方向進行研究，分析了城市擴展方向和在每個方向的演化特點和規(guī)律。通過對城市形態(tài)的度量，研究了城市形態(tài)的分形特征，說明城市形態(tài)隨著時間變化，其復(fù)雜性和穩(wěn)定性的變化情況；二是分析城市形態(tài)變化規(guī)律，包括城市擴展方向和擴展規(guī)模的差異程度分析。城市的擴展方向分四個方向進行研究，對每個方向擴展的差異程度進行了

5、分析。最后利用社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和城市規(guī)劃圖對城市形態(tài)時空演化的深層次原因進行了分析，認為城市形態(tài)在空間上的變化與社會經(jīng)濟的發(fā)展是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。 本文的主要工作和創(chuàng)新點有如下幾個方面：(1)利用SAR圖像對城市形態(tài)進行研究分析，特別是北京市的城市化問題的研究。 (2)由于斑點噪聲的影響以及雷達系統(tǒng)成像過程的復(fù)雜性，SAR圖像分類問題一直是模式識別中研究的重點和難點，但在專題信息提取中又是不可避免的，如何在SAR圖像中獲取所需

6、要的信息是我們非常關(guān)注的問題。本文在分析了傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計的監(jiān)督分類法、非監(jiān)督分類法后，提出了基于地統(tǒng)計學紋理知識和有監(jiān)督ART-Ⅱ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器相結(jié)合的改進方法。經(jīng)過和傳統(tǒng)的于貝葉斯分類方法比較和試驗證明，得出結(jié)論，基于地統(tǒng)計學紋理知識和ART-Ⅱ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類效果優(yōu)于傳統(tǒng)的分類方法，精度得到了很大的提高，因此這種SAR圖像分類方法可以推廣應(yīng)用。在分類圖的基礎(chǔ)上利用閾值法提取了城市空間分布專題信息。 (3)在基于SAR圖像提取的城

7、市建筑專題圖的基礎(chǔ)上，利用分形理論和GIS空間分析方法，分析了北京市自1995年到2002年間的城市形態(tài)時空變化特點，北京市的城市形態(tài)隨著時間的變化城市形態(tài)越來越復(fù)雜，其空間形態(tài)愈來愈接近“圓形”。 (4)利用社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，驗證了城市形態(tài)變化與人口之間聯(lián)系，并模擬了城市形態(tài)與人口、城市建筑區(qū)面積之間的關(guān)系，即城市人口的增加與城市形態(tài)的分維數(shù)以及城市形態(tài)分維數(shù)與城市建筑區(qū)面積之間存在著強列的相關(guān)關(guān)系。 (5)利用空間信息數(shù)