基于SAR圖像的城市形態(tài)時(shí)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(xué)管理和規(guī)劃具有重要的實(shí)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(jìn)展?fàn)顩r。其次討論了研究城市形態(tài)的手段和工具隨著信息時(shí)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(qiáng)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(jìn)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(dá)在城市探測應(yīng)用方面的研究比較少，成像雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)為城市遙感帶來新的應(yīng)用潛力。大量機(jī)載SAR的高質(zhì)量圖像改變了人們對雷達(dá)遙感空間分辨率不高的舊觀念，而雷達(dá)的全天候工作的特點(diǎn)更使人刮目相看。最近幾年，雷達(dá)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(xué)圖像的一個(gè)重

3、要的補(bǔ)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(shí)間在空間上的變化情況進(jìn)行了分析。從對微波信號對城市典型地物的成像機(jī)理進(jìn)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(xué)理論對北京市的城市形態(tài)進(jìn)行了深入的研究和分析，從兩個(gè)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(gè)方向進(jìn)行研究，分析了城市擴(kuò)展方向和在每個(gè)方向的演化特點(diǎn)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(shí)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(kuò)展方向和擴(kuò)展規(guī)模的差異程度分析。城市的擴(kuò)展方向分四個(gè)方向進(jìn)行研究，對每個(gè)方向擴(kuò)展的差異程度進(jìn)行了

5、分析。最后利用社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和城市規(guī)劃圖對城市形態(tài)時(shí)空演化的深層次原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為城市形態(tài)在空間上的變化與社會經(jīng)濟(jì)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(diǎn)有如下幾個(gè)方面：(1)利用SAR圖像對城市形態(tài)進(jìn)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(diǎn)噪聲的影響以及雷達(dá)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(diǎn)和難點(diǎn)，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(jì)的監(jiān)督分類法、非監(jiān)督分類法后，提出了基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jìn)方法。經(jīng)過和傳統(tǒng)的于貝葉斯分類方法比較和試驗(yàn)證明，得出結(jié)論，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shí)空變化特點(diǎn)，北京市的城市形態(tài)隨著時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(qiáng)列的相關(guān)關(guān)系。 (5)利用空間信息數(shù)