基于高分辨率遥感影像的不透水面信息提取方法研究

不透水面是城市地区的典型特征,它与城市总用地面积的比值--不透水率作为一个重要的城市生态指数常出现于城市水文、水质、面源污染以及城市植被制图等研究中。利用高分辨率遥感影像提取不透水面不仅可获得较高精度的不透水面信息,而且可为中低分辨率遥感影像的不透水面提取提供样本训练区并检验其提取精度。本文利用南京IKONOS影像,采用面向对象分类方法提取不透水面信息,初步解决了阴影归类和遮盖不透水面的植被剔除等问题,提高了不透水面信息提取精度。     

协同Sentinel合成孔径雷达和光学影像多特征的不透水面随机森林提取方法

不透水面的精确提取对区域人口密度估计、环境评估、灾害预测、水文模型构建、城市热岛效应研究以及气候变化分析等具有重要意义。传统大尺度不透水面提取方法主要受限于遥感数据质量和提取特征的选择，提取的不透水面空间分辨率较低，难以满足现阶段不透水面的精细化需求。以Sentinel-1 SAR和Sentinel-2 MSI为遥感数据源，从光谱、纹理、时序等3个维度选取不透水面的多个提取特征，构建了基于随机森林的不透水面提取模型，并利用GEE平台开展了2020年长三角地区的10 m空间分辨率不透水面提取实验。结果表明：在不同类型实验区，与仅用光谱特征、光谱特征和时序特征相比，该方法的总体精度、Kappa系数分别提升5%、9%和2%、6%，且针对不透水面覆盖水平不同的各类城市，均具有较好的提取效果；长三角地区全域尺度不透水面提取的总体精度和Kappa系数分别达93.75%和0.88，不透水面面积为61 591.38 km²，占全域总面积的比例约为17%，主要分布在长三角的东部区域，西、北部不透水面占比较低且呈放射性分布。该方法针对10 m分辨率遥感影像提出的，适用于山区、乡村、城...     

基于多源时空信息的西宁和拉萨近70年来城市扩展过程重现及地表覆盖变化分析

西宁和拉萨城市作为青藏高原人类活动的热点地区,其发展历程对青藏高原社会经济发展具有重要影响。研究基于遥感影像、城市规划图和历史地图等资料重建了西宁和拉萨城市1949基准年、1978基准年、1990年、2000年、2010年和2018年城市扩展及2000年以来城市不透水层和绿地空间组分数据,分析了1949基准年以来西宁和拉萨主城区城市扩展的时空特征,揭示了社会经济因素和政策因素对城市土地利用/覆盖变化的影响。研究结果表明：①新中国成立以来,西宁和拉萨主城区持续扩展,均呈现非线性的增长态势,城市土地面积分别从1949基准年的1.98 km²和1.10 km²增长到2018年的79.26 km²和77.04 km²;西宁主城区城市扩展呈现十字状的扩展态势,拉萨呈现出圈层外延式的扩展模式;②自2000年来,西宁和拉萨城市绿化水平显著提升。2000~2018年,西宁和拉萨城市不透水层面积分别从36.91 km²和21.56 km²增加到55.34 km²和48.21 km²,城市绿地空间面积分别从10.78 km²和8.48 km²增加到19.21 km²和20.35 km²,年均扩展速度分别为0.47 km²/a和0.66 km²/a;主城区城市不透水层比例分别从74.09%和66.21%下降到69.82%和62.58%,城市绿地空间比例从21.64%和26.05%上升到24.24%和26.41%;③西宁和拉萨城市人口增长、经济发展和国家相关政策与主城区城市扩展及其土地利用/覆盖变化密切相关,主城区城市扩展阶段与人口增长、经济发展阶段以及国家相关政策实施时间接近吻合。主城区土地利用/覆盖变化与城市规划相关政策高度相关,尤其是园林绿化建设,显著增加了城市绿地空间面积,城市绿地空间面积比例较2000年显著提升。     

1985～2020年上海市不透水面时空特征演化分析

不透水地表的分布与变化是城市发展过程的直观标志和重要指示因子,在城市生态功能、城市规划和可持续发展研究等方面发挥着重要作用。利用中国科学院空天信息创新研究院研发的1985～2020年长时序30m不透水面动态数据集(GISD30),结合GIS空间统计方法,研究分析了过去35 a上海市不透水面时空特征演化。结果表明：(1)35 a来,上海市不透水面面积从878.07 km²增长至2 849.90 km²,面积扩张到原来的3.25倍,随着1990年浦东新区的开发开放,上海城市化进程明显加快,1990～2010年上海市不透水面扩张最为显著,2010年以后不透水面扩张速度和扩张强度开始显著下降。(2)从区位分异特征来看,不透水面迅速扩张的行政区主要位于城市郊区,其中,浦东新区在各个研究时段的扩张速度均大于其他区划。(3)基于紧凑度和分形维数发现,中心城区不透水面空间分布结构趋于疏散,上海市整体不透水面边界复杂程度降低,城市空间形态更加规则。(4)“南北两翼”的上海城市扩张特点较为明显,南部郊区的高强度扩张带动了不透水面空间重心的持续南移,发展至2010...     

哈尔滨城乡梯度建设用地结构变化及不透水面遥感监测分析

在快速城镇化背景下,客观掌握城市扩张进程中的城乡建设用地及内部不透水面变化特征,有利于优化大都市城乡用地结构及空间融合发展。基于城乡建设用地及不透水面遥感监测数据集,应用空间分析模型,对哈尔滨2000~2015年城乡建设用地规模、结构及内部不透水面时空演变特征进行分析,探究城市扩张格局、区位差异、建设用地利用强度及城乡之间的差异。结果表明：①2000年以来城乡建设用地快速扩张了158.32 km²,年变化率和动态度均呈先增大后减小趋势;从城市核心区至远郊区方向其扩张规模依次增大,建设重点不断向城市周边推移,呈现出较明显的空间异质性;②城镇建设用地和独立工矿用地面积及占比逐年增加,扩张来源均以耕地为主;农村居民点占比降低了13.14%,城乡建设用地结构特征发生了较明显变化;③2000~2015年城乡建设用地内部不透水面面积和比例分别增加了145.32 km²和10.04%,城镇建设用地利用强度已达到较高水平,农村居民点用地利用强度快速提高,城市和农村之间的差距不断缩小;自城市核心区至远郊区方向不透水面比例不断降低,可利用潜力越大,不透水面面积增量、比例增量、比例增长率及扩张强度大体呈增加趋势,不透水面与城乡建设用地规模变化趋势相近,可在一定程度上揭示城市扩张轨迹。     

基于云平台的中哈干旱区典型城市地表覆盖变化遥感监测与比较

城市地表覆盖组分是影响人居生存环境和城市生态系统服务的关键因素。基于Google Earth Engine平台,利用Landsat 5/8遥感影像数据,采用改进的“植被—不透水面—土壤”模型及线性光谱混合分解方法,提取地处干旱区的中国西部大城市乌鲁木齐市与邻国哈萨克斯坦首都城市努尔–苏丹市、大城市阿拉木图市的地表覆盖信息,对比分析1990~2015年3个城市地表覆盖的变化特征。结果表明：1990~2015年间乌鲁木齐市城市建成区扩张面积最大,扩张了349.81 km²;其次为努尔-苏丹市,城市扩张面积为158.16 km²;由于哈萨克斯坦首都由阿拉木图市迁往努尔-苏丹市,整个时段阿拉木图市城市扩张最慢,总计扩张了126.23 km²。在城市建成区内,1990年到2015年间乌鲁木齐市城市地表不透水组分增加了7.10%,努尔—苏丹市和阿拉木图市分别减少了14.9%、4.49%。建成区内绿地组分努尔—苏丹市从1990年到2015年增加了6.68%;乌鲁木齐市和阿拉木图市分别减少了6.65%和2.75%。城市所表现出来的不同地表覆盖特征乌鲁木齐市主要受国家政策支持,阿拉木图市由于其历史背景和城市规划,努尔—苏丹市城市的快速发展则受哈萨克斯坦迁都的影响。     

基于线性光谱混合分析的乌鲁木齐不透水层提取及其时空变化分析

利用Landsat TM、OLI多光谱卫星遥感数据,采用VIS（植被－不透水层－土壤）模型和线性光谱混合分析法对丝绸之路经济带核心区乌鲁木齐建城区及其周边进行丰度估算,并针对红色彩钢板屋顶在不透水层丰度图像上低亮度特点,进行改进处理,提高了不透水层丰度估算精度。研究结果表明：1994~2018年的24年间乌鲁木齐市不透水层呈现出显著扩展的特点,其面积从140.41 km²扩大到462.62 km²;扩展速率在1994~2005年间缓慢上升,2005年之后迅速上升;扩展强度先上升,2010~2015年达到最大,之后出现下降;同时,城市不透水层的空间扩展具有明显差异,向西和东北方向扩展最为显著。综合分析指出：乌鲁木齐城市不透水层的空间扩展受到周边山体地形和煤矿开采等因素的限制,而“乌昌一体化”政策是城市扩展的主要助力因素。     

融合WorldView-2与机载激光雷达数据估算城市不透水面

针对高空间分辨率遥感影像进行城市不透水面提取时存在的同物异谱、异物同谱及阴影等局限性,提出一种基于WorldView-2高分影像与机载激光雷达数据融合的分层分类估算城市不透水面的方法。该方法首先运用基于雾霾与比值(haze-and-ratio-based,HR)的融合算法对WorldView-2多光谱波段与全色波段进行数据融合;然后依据LiDAR归一化数字表面模型(normalization digital surface model,nDSM)高度阈值分为地面物体与非地面物体,运用像元尺度上分层支持向量机分类算法进行城市不透水面百分比估算;最后结合特征阈值和GIS空间分析法探测阴影区域不透水面。研究结果表明,与传统的高分影像提取城市不透水面方法相比,该方法可以明显改善材质复杂的建筑物屋顶提取不完整,以及高亮裸土与高反照度屋顶相互混淆的现象,并通过阴影校正可以较好地区分阴影区域的植被与不透水面信息,进而提高城市不透水面估算精度。     

基于混合光谱分解的兰州城市热岛与下垫面空间关系分析

利用Landsat ETM+数据,采用混合像元线性光谱分解方法提取的城市植被覆盖度与不透水面表征城市下垫面,通过单窗算法反演地表真实温度,对兰州市中心城区的夏季城市热岛强度与城市下垫面的空间分布关系进行相关分析。结果显示,利用中等分辨率ETM+影像对兰州中心城区不透水面和植被盖度分布提取,其成本较低,精度令人满意;兰州城区植被覆盖、不透水面与热岛强度的分布呈空间正自相关,地表温度的空间依赖性极强,与植被盖度和不透水面在空间方向上的相关性差异较大。     

多时相影像福州市不透水面对城市地表温度的空间分布研究

随着城市化进程的加快,城市热力场也随之发生变化,从而影响着城市区域环境、社会经济以及社会环境。由于NDVI具有季相变化的不稳定性,本研究采用两个时相TM/ETM+影像分析福州市及其周边地区不透水面对热力场的时空分布变化状况。为了获取精确的城市不透水面信息,本实验采用NDVI二元法结合2000年同区域的IKONOS影像提取不透水面信息。通过定量分析不透水面百分比、NDVI与地表温度的关系,得出不透水面百分比与城市地表温度呈线性相关,其相关系数在0.7左右;尤其30%以上的不透水面对地表热环境的空间分布影响最为突出,因此,相对于不稳定的NDVI而言,不透水面信息能更好地反映城市热环境的空间分布状况。     

基于2030可持续发展目标的珠三角土地消耗率与人口增长率协调关系评价

量化联合国可持续发展目标SDG 11.3.1“土地消耗率与人口增长率的比率（LCRPGR）”有助于了解城市扩张与人口增长之间的关系,为城市国土空间规划和人口城镇化调控提供数据支撑,并且对指导决策者制定城市增长计划至关重要。基于土地利用产品、夜间灯光数据和人口普查数据,提取了城市建成区,利用地理加权回归模型测算了珠三角地区1 km×1 km格网尺度人口密度。依据SDG 11.3.1指标元数据中定义和公式,对珠三角地区可持续发展进行了可靠评价。结果显示：①1990~2010年珠三角建成区面积扩张4.6倍,城区人口增长3.7倍;②1990~2010年珠三角的LCRPGR值由0.71增长到2.01;城市扩张速度与人口增长速度并非是成比例协调增长关系;③建成区的扩张主要是由耕地和农村居民用地转换而来。综上,自2000年后珠三角地区土地消耗率已经超过人口增长率,城市扩张速度与人口增长速度并非是成比例协调增长关系,二者的差异在增大,应当引起一定注意。     

Annual dynamics of impervious surfaces at city level of Pearl River Delta metropolitan

Human activities have transformed natural land surface to artificial constructions, which causes the urban regions increasingly expanding. Urban development can be reflected by the dynamic changes of impervious surfaces, which can be assessed using time-series satellite data. The Pearl River Delta (PRD) metropolitan has witnessed fast urban development over past decades. Even though many studied have focused on monitoring the urbanization of megacities, there is still a lack of comprehensive understanding about the long-term annual dynamics of urban impervious surfaces at city level in PRD. In this study, MOD09A1 (MODIS Surface Reflectance 8 Day L3 Global 500 m) products were chosen to assess the annual dynamics of impervious surface at city level in PRD. Temporal filtering was utilized to improve the accuracy of the impervious surface estimation. Moreover, a new index, normalized difference urban development index (NDUDI) was proposed to investigate relative development of impervious surface in PRD. Additionally, the economy factor, Gross Domestic Product (GDP) was introduced to reveal the correlation with the impervious surfaces. Results demonstrated that the overall accuracy for impervious surface extraction was about 91.00–94.00%. The impervious surfaces area in PRD dramatically increased from 6000 km² to 115,840 km² in the past 16 years. Guangzhou and Foshan have the fastest developing speed, while Dongguan, Shenzhen and Foshan sacrificed much more lands to the construction of PRD than other cities. Besides, areas of impervious surface per city show very good correlations with GDP in city of Guangzhou, Huizhou, Foshan, Zhongshan, Hong Kong and Zhuhai-Macau. The scatter plot between NDUDI and GDP data display different clustering pattern between different cities.     

利用长时序流域不透水面数据集探索城市增长模式——以秦淮河流域为例

南京作为秦淮河下游的中心城市,在快速城镇化进程中面临着下垫面条件急剧变化带来的生态环境效应。不透水面作为衡量区域城镇化发展状况的关键指标,搭建了城市开发与环境质量的桥梁,可为当前空间治理与统筹城乡发展提供新的研究视角。在我国海绵城市建设背景下,以南京所在的秦淮河流域为研究区,通过半自动决策树分类模型从1988~2017年9景卫星影像提取流域基础不透水面数据集,利用多重滤波器构建连续变化的不透水地表,采用扩展强度指数和景观扩展指数定量分析30 a秦淮河流域不透水面时空扩展特征与城镇增长模式,揭示流域内城市发展轨迹及其成因。研究结果初步表明：①流域城镇化进程十分迅速。不透水面占比从1988年的3.09%增至2017年的26.49%,特别是2006年以来不透水面处于快速扩展期;②流域内不同城市的不透水面扩展进程差异明显。初期集中在南京城区和江宁城区,进入21世纪后则以江宁区、溧水区和句容市为主;③“多核扩展”和“点—轴扩展”是秦淮河流域城镇形态组建和增长的主要模式。初期以城区边缘式扩张为主,后期逐渐转向填充式增长,城镇一体化水平不断提升;④流域不透水面扩展是自然环境、经济发展、交通建设和政策规划等多种因素综合导致的结果。     

1992~2013我国干旱区城市不透水遥感制图与扩张过程分析

城市不透水地表作为城市建成区的重要环境指标和物理参数,在城市管理规划、环境评估、灾害预测、城市热岛以及气候变化等领域具有重要价值。及时准确地获取区域尺度城市不透水地表信息,对于城市发展综合规划、科学研究等具有重要意义。以DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）和MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）为主要数据,通过构建植被调节型不透水指数（Vegetation-Adjusted Impervious Surface Index, VAISI）和非线性机器学习模型支持向量回归（Support Vector Regression, SVR）,完成了1992~2013年我国干旱区主要城市不透水面的22期遥感制图与变化过程聚类分析。研究结果表明：近20 a来我国干旱区城市不透水面总体上扩张幅度较大;时间变化过程上呈现显著扩张的趋势,且这一扩张在过程在2000年前后出现了提速;空间上,干旱区城市扩展的区域异质性显著,各城市不透水面扩张速度不均衡,不同等级规模城市扩张的速度差异明显。结合城市扩张动态度和城市面积聚类分析,我国干旱区主要城市的扩张过程可分为：高速扩张型、快速扩张型、中速扩张型和低速扩张型。     

一带一路沿海超大城市热岛时空特征遥感分析

城市热岛不仅影响城市局地及区域气候,而且对城市空气质量、能源消耗、居民健康等有显著的负面作用。利用长时序遥感数据,系统地分析各超大城市热岛的时空特征,能够为城市热岛效应减缓政策的制定提供参考,对带路城市可持续发展具有重要意义。基于2001~2017年MODIS地表温度产品和Landsat土地利用分类数据,以城市热岛强度（Surface Urban Heat Island Intensity, SUHII）作为指标,从季节和年际的角度分析一带一路沿海超大城市2001~2017年热岛效应时空格局的变化。研究结果表明：①2001~2017年期间各超大城市的核心区存在扩张趋势,高强度热岛主要分布在人口活动密集的城市核心区;②年均城市热岛强度最大的城市是卡拉奇,多年SUHII平均值为3.02 ℃,热岛强度显著上升的是金奈（0.07 ℃/a,P<0.1）;③各城市热岛强度存在季节性差异,其中夏季城市热岛强度最大的城市是伊斯坦布尔,SUHII平均值为2.88 ℃,冬季城市热岛强度最大的城市是卡拉奇,SUHII平均值为4.45 ℃。     

非渗透表面丰度提取方法运用——以广州市海珠区为例

非渗透表面丰度即非渗透表面含量百分比,是水文学中不透水层与遥感领域混合像元分解概念相结合的产物。在城市区域,非渗透表面多指房屋、道路、停车场等建设用地区。本文基于广州市海珠区2000年ETM＋数据,首次采用单窗算法反演的地表温度数据与植被-非渗透表面-土壤（V-I-S）模型、归一化线性混合光谱模型（NSMA）相结合的方法提取研究区非渗透表面丰度值,并对提取结果进行49个300m×300m有效样区的抽样检验。结果表明抽样值与真实值之间存在10.03%的均方根误差以及2.65%的系统误差,从而进一步验证了三模型结合使用提取非渗透表面丰度的可行性。     

超大城市土地覆盖与热环境的随机森林回归模型研究

目前对于超大城市土地覆盖和热环境定量模型研究报道不足,这主要是因为大城市地表温度和地表生物物理组分之间存在复杂的潜在非线性关系,这使得准确评估城市热环境情况遇到了严峻的技术挑战。研究选取中外6个典型超大城市（北京、上海、广州、伦敦、纽约和东京）为研究对象,以Landsat遥感影像为主要数据源,利用单通道算法反演各城市地表温度,采用随机森林回归模型（RFR）建立土地覆盖类型与城市热环境定量关系模型（LCT）,综合分析城市土地覆盖因子与热环境间的多维定量关系。土地覆盖与地表温度的定量关系显示,城市地表热场的空间结构在很大程度上被下垫面用地类型所左右,不透水面会导致高温热场的聚集,而植被和水体则有降温作用。6个超大城市地表覆盖结构变化产生的升温/降温效应有所差异,北京、上海、纽约和东京等城市区域的植被和水体降温效应较广州和伦敦显著。基于随机森林回归方法建立了NDVI、MNDWI和NDISI等3种土地覆盖类型与城市热环境的综合定量关系模型（LCT）,模型得到的精度高于基于多元线性回归方法建立的模型。LCT_RF模型的R²值在0.623~0.826之间,比LCT_MLR模型高0.021~0.074;RMSE比LCT_MLR模型低0.07℃~0.35℃。研究超大城市土地覆盖与城市热环境的互动作用机理,能为未来生态城市建设提供宝贵建议。     

长三角城市群城市扩张区环境质量变化遥感评价

加强城市动态扩张与环境质量变化监测对促进长三角城市群高质量一体化协同发展具有重要意义。基于DMSP/OLS夜间灯光数据、多源环境遥感数据等,运用趋势线分析、综合评价指数（Comprehensive Evaluation Index,CEI）构建等方法,对长三角城市群2001~2013年的城市扩张模式、扩张区内环境质量变化特征及二者的协调性情况进行分析。结果表明：①46.24%的城市显著扩张,上海—苏锡常城市化水平和一体化程度最高,其次为环杭州湾城市群和沿江发展带,此外未形成多区域规模化的城市高速扩张模式,经济总量、对外开放程度和用电水平是长三角城市高速扩张的主要驱动因素;②46.35%的显著扩张区环境逐步恶化,集中在江苏省和安徽省,环境恶化型集聚在合肥主城区周围,浙江省城市环境最优,上海市基本未变,多数城市环境变化主要由PM2.5增长所致;③城市扩张与环境变化叠加结果可反映区域城市发展与生态环境建设的协调程度。上海市嘉定区、浦东新区和崇明岛,苏锡常及沿江地区协调性较弱,浙江省城市的“渐变”分布模式体现其高协调性,合肥市城区表现为环境质量远落后于城市化进程的双系统非协调发展状态。谷歌影像定位结果表明结合DMSP/OLS与CEI可有效检测出区域内由人类活动所产生的环境破坏型地表覆盖类型变化情况。该研究成果可揭示区域可持续发展状况,对长三角双系统动态发展协调性的空间转移研究具有指示作用。