基于遙感分析的城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)

萬婷 曲忠捷

摘? 要： 針對傳統(tǒng)空間布局重構(gòu)系統(tǒng)無法準確定位城市綠色空間的問題，設(shè)計基于遙感分析的城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)。設(shè)計由遙感圖像采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的系統(tǒng)硬件部分。在硬件部分的基礎(chǔ)上，軟件部分對壓縮后的圖像做預處理。使用遙感分析技術(shù)，分析提取圖像特征，獲取綠色空間布局信息。根據(jù)分析結(jié)果，對城市綠色空間布局重構(gòu)，完成系統(tǒng)設(shè)計。通過與傳統(tǒng)布局重構(gòu)系統(tǒng)的對比測試，驗證了基于遙感分析技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)能夠更準確地定位城市綠色空間。

關(guān)鍵詞： 布局耦合重構(gòu); 系統(tǒng)設(shè)計; 城市綠色空間布局; 遙感分析; 圖像處理; 對比測試

中圖分類號： TN911.73?34; TU986? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0049?03

Urban green spatial layout coupling reconstruction system based on

remote sensing analysis

WAN Ting， QU Zhongjie

（School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： An urban green spatial layout coupling reconstruction system based on remote sensing analysis is designed to deal with the problem that the traditional spatial layout reconstruction system cannot locate urban green space accurately. The hardware part of the system is designed， which is composed of the remote sensing image acquisition module and data transmission module. On the basis of the hardware part， the compressed images are preprocessed in the software part. The image features are analyzed and extracted by means of the remote sensing analysis technology， so as to obtain green spatial layout information. The urban green spatial layout is reconstructed according to the analysis results to complete the system design. The comparison testing results verify that， in comparison with the traditional layout reconstruction system， the system designed based on the remote sensing analysis technology can locate urban green space more accurately.

Keywords： layout coupling reconstruction; system design; urban green space layout; remote sensing analysis; image processing; comparison testing

0? 引? 言

城市綠色空間是為了解決城市化所帶來的一系列影響城市居民健康等新問題而提出的全新概念。隨著城市的不斷發(fā)展，城市綠地面積不斷減少，改變了原有綠色空間布局的同時，也加重了生態(tài)環(huán)境的負擔。合理的城市綠色空間布局不僅能夠改善生態(tài)環(huán)境，保護和維持生態(tài)多樣性，還能調(diào)節(jié)現(xiàn)今社會的快節(jié)奏生活[1?2]。因此，城市綠色空間的合理布局有利于城市的發(fā)展。

本文將設(shè)計基于遙感分析的城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計的目標是對城市綠色空間合理布局，并對已經(jīng)改變的空間布局耦合重構(gòu)。本文設(shè)計的系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，利用遙感分析方法處理系統(tǒng)硬件部分采集的二維城市空間布局圖像，在軟件部分使用小波分解等算法實現(xiàn)對城市綠色空間布局的耦合重構(gòu)。下面對系統(tǒng)的硬件和軟件部分分別詳細說明。

1? 城市綠色空間布局耦合系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1? 空間布局遙感圖像采集模塊設(shè)計

為保證采集的城市綠色空間布局圖像的準確性，采用多個不同遙感傳感器采集模塊。首先利用遙感傳感器生成地面建筑及植反射圖像，結(jié)合攝像式成像傳感器和掃描式傳感器保證圖像細節(jié)，并使用無人機搭載相機在高空對空間布局信息進行分區(qū)采集[3]。經(jīng)過圖像壓縮模塊處理后，實現(xiàn)城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計。具體使用遙感傳感器的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2? 遙感圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

遙感圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊由傳輸總線、數(shù)據(jù)傳輸卡和控制器組成。由于遙感圖像中包含數(shù)據(jù)信息較多，要求傳輸模塊需要具有較好的性能。因此，傳輸模塊的總線選擇傳輸速率為132 MB/s的PCI總線，數(shù)據(jù)傳輸卡選擇支持PCI總線協(xié)議的通用PLX9052芯片[4?5]。PLX9052的連接示意圖如圖1所示。

由于遙感圖像尺寸過大，對其分析時需要具有較大空間的處理器，因此需要對傳輸?shù)倪b感圖像壓縮處理。

1.3? 遙感圖像壓縮硬件設(shè)計

遙感圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊包括發(fā)送端、接收端、壓縮和解壓縮3個部分。圖2所示為遙感圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊框圖。

為了在保證遙感圖像質(zhì)量，采用實現(xiàn)JPEG壓縮的ADV212芯片，將圖像轉(zhuǎn)換為RAW格式的灰度遙感圖像[6?7]。再將圖像輸入至ADV212芯片編碼后，再由FPGA芯片將輸出的遙感數(shù)據(jù)流發(fā)送至ADV212芯片解碼，輸出壓縮處理后的遙感圖像[8]。

2? 城市綠色空間布局耦合系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 遙感圖像預處理

遙感圖像壓縮由ADV212芯片中的控制器控制，經(jīng)過解壓縮處理后，完成對遙感圖像的壓縮。經(jīng)系統(tǒng)硬件部分采集、壓縮處理后的遙感圖像需要在軟件部分進一步處理。由于采集圖像的遙感傳感器和采集過程有一定程度上的失真[9]，這種畸變會影響遙感圖像與真實目標匹配的準確度。因此需要對遙感圖像做幾何校正處理。本文采用三次多項式校正函數(shù)，將遙感圖像整體做平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等變形處理[10]。對遙感圖像幾何校正后，對遙感圖像數(shù)據(jù)融合。

通過遙感圖像數(shù)據(jù)融合將單一傳感器獲取的數(shù)據(jù)融合，來增強遙感圖像分析時的可靠性。為明確遙感圖像融合目標，對遙感灰度圖像按照波段進行如下的小波分解。

式中：i為小波分解的層數(shù);R，G，B分別為按照光譜分解的三個波段;[LLR4]，[LLG4]，[LLB4]為三個波段對應的低頻系數(shù);[HLi]，[HIi]，[HHi]為小波分解后的遙感圖像高頻系數(shù)[11?12]。取小波分解后的高頻和低頻系數(shù)，進行小波合成，實現(xiàn)對遙感圖像的融合，并增強圖像中的細節(jié)邊緣。利用遙感分析技術(shù)提取處理后遙感圖像的綠色空間分布特征。城市綠色空間主體由于其光學效應與其他人造物體不同，故可以從遙感圖像中獲取城市綠色空間布局信息，實現(xiàn)對綠色空間布局耦合重構(gòu)。

2.2? 實現(xiàn)綠色空間布局耦合重構(gòu)

考慮到我國多數(shù)城市的綠色空間主體特點，以河流為布局耦合主要聯(lián)系媒介，道路為輔助媒介。如圖3所示，采用圖中的兩種空間布局耦合方式。

根據(jù)確定的耦合關(guān)系，對綠色空間布局重構(gòu)，并對城市中不同分布的區(qū)域分別進行改造，來實現(xiàn)城市綠色空間的耦合重構(gòu)設(shè)計。

3? 系統(tǒng)性能測試

本文設(shè)計的基于遙感分析的城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)，能夠?qū)Σ缓侠淼目臻g分布進行耦合重構(gòu)。為了測試本文設(shè)計系統(tǒng)的性能，設(shè)計對比實驗，通過與傳統(tǒng)的空間布局重構(gòu)系統(tǒng)的對比，驗證本文設(shè)計的系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

3.1? 測試內(nèi)容

如圖4所示，從該城市隨機劃分出5個總面積相同但綠色空間布局不同的區(qū)域作為實驗對象。本文設(shè)計的系統(tǒng)作為實驗組，傳統(tǒng)的布局重構(gòu)系統(tǒng)作為對照組，通過對比兩組系統(tǒng)對實驗對象中的綠色空間的識別程度，來驗證兩個系統(tǒng)的性能。

重構(gòu)系統(tǒng)對綠色空間的定位精確程度，影響對綠色空間耦合關(guān)系的確定。準確對城市綠色空間布局定位，精準地劃分綠色空間與其他空間，使耦合重構(gòu)系統(tǒng)能夠根據(jù)劃分后空間之間的功能關(guān)系，確定空間耦合方式。因此，本次測試采用對比兩個系統(tǒng)定位綠色空間準確程度，來驗證性能。

3.2? 測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖5所示，圖中虛線框為兩組系統(tǒng)對實驗對象區(qū)域綠色空間的定位，分析圖5得出結(jié)論。

分析圖5可以得出如下結(jié)論。兩組系統(tǒng)都能對實驗對象區(qū)域中的綠色空間定位，但是實驗組方法的定位明顯更接近測試前框定的實驗區(qū)域，對照組的定位區(qū)域與實際實驗區(qū)域有重合，但是誤差較大。說明實驗組系統(tǒng)定位更準確。由于傳統(tǒng)的空間布局系統(tǒng)是通過歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，來實現(xiàn)對綠色空間定位，忽略了城市發(fā)展對綠色空間布局的影響。而實驗組系統(tǒng)是通過對遙感圖像的分析，完成定位，所以準確程度更高。綜上所述，本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)系統(tǒng)對城市綠色空間布局定位不準的問題，能夠更好地實現(xiàn)對空間布局的耦合重構(gòu)。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計了基于遙感分析的城市綠色空間布局耦合重構(gòu)系統(tǒng)，利用遙感分析技術(shù)對采集的城市綠色空間布局圖像分析，使用相關(guān)算法對圖像處理，根據(jù)分析結(jié)果完成對空間布局的耦合重構(gòu)。通過對比實驗，證明了本文設(shè)計的系統(tǒng)具有極佳的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對城市綠色空間布局耦合重構(gòu)。

注：本文通訊作者為曲忠捷。

參考文獻

[1] 李瑩瑩，鄧雅云，陳永生，等.基于衛(wèi)星遙感的合肥城市綠色空間對熱環(huán)境的影響評估[J].生態(tài)環(huán)境學報，2018，27（7）：1224?1233.

[2] 孟慶巖，孫云曉，張佳暉，等.基于多源遙感的建筑區(qū)綠化垂直分布特征與空間配置分析：以匈牙利塞克什白堡市為例[J].遙感技術(shù)與應用，2018（2）：180?186.

[3] 李瑩瑩，黃成林.快速城市化背景下上海綠色空間時空動態(tài)演變[J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報，2017，44（1）：87?93.

[4] 張楊，江平.基于RS和GIS的武漢市熱島效應時空演變研究[J].現(xiàn)代城市研究，2018（1）：119?125.

[5] 戴菲，陳明，傅凡，等.基于城市空間規(guī)劃設(shè)計視角的顆粒物空氣污染控制策略研究綜述[J].中國園林，2019，35（2）：171?174.

[6] 于丙辰，劉玉軒，陳剛.基于夜光遙感與POI數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系的南海港口城市空間結(jié)構(gòu)研究[J].地球信息科學學報，2018，20（6）：854?861.

[7] 田健，黃晶濤，曾穗平.基于復合生態(tài)平衡的城市邊緣區(qū)生態(tài)安全格局重構(gòu)：以銅陵東湖地區(qū)為例[J].中國園林，2019，35（2）：47?51.

[8] 潘思東.基于夜光遙感和小區(qū)POI的住宅發(fā)展與經(jīng)濟增長的空間耦合研究[J].地球信息科學學報，2017，19（5）：646?652.

[9] 吳建強，郭晉川，譚娟，等.廣西峰叢洼地區(qū)生態(tài)需水與景觀格局的空間耦合關(guān)系分析[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2017，33（9）：800?805.

[10] 金佳莉，王成，賈寶全.北京平原造林后景觀格局與熱場環(huán)境的耦合分析[J].應用生態(tài)學報，2018，29（11）：3723?3734.