基于Sentinel-2数据的不透水面识别方法与应用研究

快速、准确获取不透水面的空间分布信息对揭示城市发展与生态环境的关系具有重要意义.该文提出一种基于Sentinel-2数据的不透水面识别方法(Impervious Surface Identification Method,ISIM-S2),首先基于分层分类思想,利用多种指数算法剔除裸土和不透水面以外的地物,得到不透水面靶区,然后采用主成分分析对裸土和不透水面进行分离.为验证ISIM-S2的普适性,将其应用于北京、长春、广州和昆明4个不同地理环境下的研究区,并与生物物理综合指数、不透水面综合指数、比值居民地指数的提取结果进行对比,结果表明:ISIM-S2方法降低了云、水体对不透水面的影响,能有效改善不透水面提取中与裸土的混淆,在上述4个研究区不透水面总体识别精度分别为92.56％ 、95.78％ 、92.70％ 和91.68％,优于其他3种指数,且该方法操作简单、易实现,可为不透水面有效识别提供一种新途径.     

基于改进线性光谱解混和 SCS-CN 模型的广州主城区降雨产流模拟

城市降雨产流特征的定量研究对于城市雨水资源开发利用、科学规划和管理具有十分重要的意义。以广州市主城区为研究对象,提出一种改进的线性光谱解混方法提取遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度,并结合SCS-CN 产流模型进行城区降雨径流模拟。首先利用线性光谱解混方法提取 2015-10-18 Landsat 8 OLI 遥感影像的不透水面、植被和土壤盖度;然后利用归一化建筑物指数和归一化植被指数进一步优化解混结果;最后结合优化的不透水面、植被和土壤盖度计算合成的 CN 值,并应用 SCS-CN 产流模型分析研究区在不同降雨重现期的降雨产流分布特征。结果表明：改进的线性光谱解混方法能较好地提高不透水面、植被和土壤盖度的提取精度;不透水面盖度越高的区域,CN 值越高;CN 值对地表径流深模拟有显著的影响;在不同重现期降雨条件下,研究区地表径流深空间分布格局差异显著;总体上,降雨量越大,不透水面盖度越高,形成的地表径流深越深,内涝发生的可能性越大。     

基于遥感的三亚市不透水面及热环境效应分析

城市化进程的快慢是权衡一个地区经济增长速度和社会发展水平的重要指标,改变着城市居住热环境。不透水面的分布能够很好地展现城市化的方向及趋势。三亚作为中国亚热带海岛旅游城市,近年来大量人口的涌入导致三亚城市发生了巨大变化。为了更好地了解三亚市城市化及其对城市热环境的影响,以1998、2011、2018年的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI/TIRS卫星遥感影像作为主要数据源,利用归一化差值不透水面指数(NDISI)对三亚市近21年来的不透水面时空变化及其对地表温度影响进行了研究。结果表明,三亚市的不透水面积在21年间净增长206.5 km~2,扩大了1.58倍左右,特别是2011年以后人口和经济的快速增加,不透水面扩张速率提高了3倍以上。统计表明,不透水面与地表温度显著正相关,不透水面增加显著引起地表温度升高,而植被和水体能够显著缓解地表温度的升高,抵消不透水面对地表温度的正效应。     

2003—2019年厦门市不透水面时空演变特征

不透水面是衡量城市化水平的重要因子,其发展趋势对城市发展规划和生态环境具有重要意义.厦门市作为经济特区,城市化率高,剖析其不透水面演变规律具有典型性.采用线性光谱混合分解法获取不透水面信息,从时间和空间角度出发,引入转移矩阵、中位数中心来揭示厦门市不透水面的演变规律,为城市发展提供一定的理论依据.结果表明:(1)厦门市...     

城市不透水面高光谱遥感监测研究进展

1995年Ridd提出VIS模型以来,城市不透水面便成为遥感应用领域中较为关注的问题。在城市遥感研究中,不透水面不仅仅是城市重要的物质组成,同时也对城市地表环境产生重要的影响。另一方面,随着遥感空间分辨率和光谱分辨率的提高,城市不透水面的提取在理论方法、技术路线等方面都得到了很大的提升。尤其是高光谱数据的发展,基于城市不透水面物质光谱信息的混合像元分解成为当前研究的热点。本文就城市不透水面在遥感应用领域的历史发展状况进行梳理和剖析,清晰化城市不透水面研究的状态,并介绍当前研究方向,为城市不透水面研究提供引玉之砖。主要讨论的内容包括:不透水面的内涵和物质组分研究、不透水面提取的技术方法进展、不透水面数据源/尺度变换等方面的进展以及不透水面研究的未来发展方向,尤其是基于高光谱数据的不透水面研究中的热点和存在的问题。     

基于混合光谱分解模型的城市不透水面遥感估算方法

城市不透水表面是城市发展建设的一种地表水不能直接下渗到土壤中的人工地貌特征,包括城市中的公路、车道、人行道、停车场、建筑屋顶等。城市不透水面是城市最基本的组分之一,其覆盖状况随城市发展的变化产生一系列生态环境效应。本文应用Landsat7-TM影像,基于线性混合光谱分解模型,提取了北京城市不透水面分布并对其进行分析。     

基于卡方变换的中分辨率遥感影像土地覆盖变化对象识别方法

该文旨在探讨中分辨率遥感影像的土地覆盖变化对象识别方法。首先基于植被-不透水层-土壤(VIS)模型,参考OIF指数的信息量进行对象特征指标选取,基于过分割和欠分割指数确定最优分割尺度,对两期SPOT影像进行多时相分割,然后利用卡方变换方法自动选择阈值,进行植被、不透水层、土壤和水体4种土地覆盖类型之间的变化对象识别。精度评价表明,随着对象特征指标包含信息量的不断增加,检测结果的总精度不断提高,其中对影像所有特征指标进行主成分分析并选择前3个主成分作为特征指标组合对土地覆盖变化对象进行识别的总精度最高,为93.9%,Kappa系数为0.824,证明了该方法的有效性。     

基于Google Earth Engine的湖南省近30年不透水面时空变化研究

准确获取城市不透水面信息对洪涝治理、生态保护以及智慧城市建设等具有重要意义。该文基于Google Earth Engine云平台,以Landsat TM/ETM+/OLI影像为数据源,重构目标年份的最佳影像数据集;在此基础上构建光谱和纹理的分类特征集,采用随机森林分类算法提取不透水面信息,并分析湖南省1987-2017年每3年的不透水面时空变化特征。结果表明:1)该文方法能够有效提取不透水面信息,分类总体精度和Kappa系数分别为97.19%和0.92。2)湖南省不透水面扩张显著,面积从1987年的1 107.48 km~2增至2017年的3 929.26 km~2,平均扩展速率为94.06 km~2/a,动态度为8.49%。增长较快区域集中在长沙(19.14 km~2/a)、常德(8.46 km~2/a)、衡阳(8.03 km~2/a)、岳阳(7.10 km~2/a)、株洲(6.50 km~2/a)等地;长株潭城市群的不透水面扩张显著,扩展速率和动态度分别为30.28 km~2/a和14.27%。     

城市不透水表面的水环境效应研究进展

快速城市化导致的生态环境变化是当前城市生态环境研究的热点问题,而城市化的水环境效应则是其中的重要方向之一。本文通过梳理城市化过程对水环境效应的影响机制,总结和归纳城市不透水表面的水环境效应研究的核心内容与主要方法,指出当前城市化过程的水环境效应研究所面临的诸多难点,并对未来研究趋势进行展望。研究认为,城市化的显著特征之一是不透水表面的不断增加,以不透水表面指数(ISA)为表征的地表覆被参数日益受到城市土地利用/覆被变化研究的重视,成为城市化过程水环境效应研究的热点指标。不透水表面对水文效应的影响主要表现在两个方面,即短时间内增大降雨的径流量,长时间内增加洪水频率和径流总量。同时,不透水表面对水质的影响主要表现为增加水体的非点源污染负荷,目前的研究方法主要依靠城市水文水质监测及模型模拟,对水环境效应的影响机制方面尚缺乏对非点源污染负荷影响机制的深入研究,同时还需要进一步构建适用于城市地区的水文水质模型。可以预见,不透水表面指数将会是城市化过程水环境效应研究的重要参数,并将推动城市土地利用/覆被变化的水环境效应研究向参数简单化与精确化方向发展。     

基于中等空间分辨率遥感影像的建筑用地信息提取

本研究从中等空间分辨率遥感影像（如LandsatTM影像）的地物光谱响应曲线入手,介绍分析了国内外几种常用的建筑用地提取指数构建原理．然后选取LandsatTM影像进行建筑用地提取实验,并用QuickBird和Google Earth的同期影像辅以验证．实验得出,比值居民地指数RRI,由于其作者构建时并没有对影像进行辐射校正,从而影响了提取精度和模型适用性;归一化建筑指数NDBI和差值建筑覆盖指数DBI,提取精度相对较高,但是会混有裸土、污染水体等信息;指数型建筑用地指数IBI和增强的指数型建筑用地指数EIBI,提取精度最高,达到92％．虽然EIBI期望改进IBI未能很好抑制裸土信息的问题,但实际上所构建指数并没有较好的去除裸土信息,可能是其权重选择没有普适性,所以建议建筑信息提取优先使用IBI．     

基于POI与不透水表面指数的城市建成区提取

准确识别城市建成区边界,对科学实施城市规划和建设、促进城乡可持续发展具有重要意义。从城市建成区概念出发,综合考虑建成区连片和公共设施配置,提出一种基于POI核密度与不透水表面指数的建成区边界提取方法。该方法以不透水表面指数和市政公用设施和公共设施POI核密度为主要数据源,通过构建城市建成区综合指数（POI&ISA指数）和最佳阈值选取等步骤可实现较为准确的城市建成区提取。以武汉都市发展区为例,将该方法与基于POI方法的建成区提取结果进行对比,结果表明基于POI&ISA指数的方法提取精度较高。该方法可弥补单一POI数据源在城市尺度建成区提取中的不足,且通过对POI数据类型初选和带宽的适当选取提高对公共设施配置的表征能力,在局部地区可获得更好的建成区提取效果。     

2006―2016年粤港澳大湾区城市不透水面 时空变化与驱动力分析

以遥感和地理信息系统技术为支撑,从城市地理学视角对粤港澳大湾区城市不透水面的时空变化状况进行分析,并探讨了不透水面变化的驱动力。结果表明：1）湾区内城市不透水面扩张现象明显,面积从2006年的12 127.69 km2增加到2016年的20 188.87 km2,年均增长速度高达6.65%;2）区域内城市不透水面空间分布越来越集中,呈现高密度区域聚集;3）交通道路（省道及以上级别）与城市不透水面扩张的速度和方向关系密切,其中与国道的关系最为紧密;4）国民生产总值（GDP）和常住人口的增长都对城市不透水面的扩张产生深刻的正向影响,相关系数分别为0.840 7和0.834 1;5）近10年来,粤港澳大湾区城市不透水面的空间格局变化显著,湾区各城市的发展阶段存在差异性,在未来城市发展中应该协调好各城市不透水面的扩张范围和速度,避免过高不透水面带来生态环境问题。     

武汉城市扩张对热场时空演变的影响

深入分析城市扩张对城市热场时空分布及演变的影响机制,对探求城市热岛效应缓解对策、改善城市生态环境质量意义重大。基于1987年、1996年、2007年和2013年的Landsat影像反演武汉主城区地表温度、提取不透水面值,定量研究两者的关系,探讨城市建设对城市热场空间分布的影响;采用不透水面和正规化地表温度差值影像动态定量1987-2013年武汉城市扩张对热场时空演变的影响机制。结果表明：① 1987-2013年,武汉不透水面不断增加,城市建设强度加强,城市扩张明显,但是不同时期表现出不同的扩张方向、范围和模式。② 城市热岛效应主要发生在相应时期的建成区和武钢工业区,而城市大型水体则表现出明显的“冷廊效应”和“冷岛效应”;1987-1996年、1996-2007年和2007-2013年热状况恶化面积分别为382.0 km²、305.1 km²和105.7 km²,热状况总体呈现恶化趋势。③ 不透水面指数能较好地解释热场空间的异质性,两者回归方程的系数为0.751~0.923,不透水面值每增加0.1,正规化地表温度值会增加0.01~0.02。④ 城市热状况变化从改良极显著、改良较显著、无变化、恶化较显著到恶化极显著,对应的不透水面差值由小到大,城市扩张和城市建设强度加大对恶化城市热环境和加剧城市热岛扩展作用明显。     

黄河黑山峡无植被区的地表组成物质遥感信息模型

下垫面物质组成是土壤侵蚀模型最主要的输入参数。应用遥感技术提取无植被地区下垫面物质组成信息对于研究大面积土壤侵蚀是非常重要的。黄河黑山峡地区地形复杂,加之裸土、沙漠和岩石光谱的相似性与复杂性,使遥感技术在该地区的应用受到限制,但是由于地形起伏、岩石风化及表面粗糙度等因素的影响,石质山地纹理明显。综合了光谱和纹理信息特征,本文提出光谱归一化方法,并将归一化的光谱与纹理信息相结合构建了石质山地指数(RMI),应用归一化光谱进一步得到沙漠指数(DI),实现石质山地、沙漠与裸土分离。结果表明,该方法提高了信息提取的精度。     

粤港澳大湾区不透水面变化及城市扩展研究

监测和分析不透水面的动态变化不仅能了解城市化进程,而且对城市未来发展规划具有重要意义。该文基于Landsat TM、ETM+、OLI和HJ-1A、B数据,结合地表特征指数变化,分析1990-2020年粤港澳大湾区不透水面的时空扩展变化,并利用象限方位分析方法探索城市扩展模式,进而揭示社会经济因素和政策因素的影响。研究结果显示:1)粤港澳大湾区不透水面的扩展主要集中在1990-2010年,后10年扩展速度最快,对耕地面积的影响最大,其次为林地和湿地;2)近30年粤港澳大湾区不透水面扩展主要呈东—西向,重心沿东南—西南—西北方向迁移,区内城市不透水面扩展模式主要为跳跃式组团扩展和沿交通轴线带状扩展,对城市群的空间格局产生巨大影响,未来应加强粤港澳大湾区东西两翼的协同发展,增加城市的绿化设施建设,避免城市扩展带来的生态环境问题。     

不透水表面遥感监测及其应用研究进展

不透水表面是城市中一种人工地表特征,隔离地表水下渗到土壤,割断了城市地表与地下水文联系,主要由城市中的道路、停车场、广场及屋顶等建筑物组成.不透水表面影响城市的地表径流、水文循环、水体质量、局部气候、生物多样性等生态环境要素,是监测城市生态系统及环境变化的重要指标,也是许多生态环境模型的主要输入参数.本文归纳了不透水表面提取技术及其对城市自然生态环境影响的研究进展.从遥感提取技术方面看,亚像元分解等新的运算方法提取中尺度分辨率遥感影像的不透水表面,将是未来遥感技术应用到城市自然资源环境研究的趋势.在数据源方面,中分辨率(10～100m)与高分辨率(0.3～5m)遥感数据为不透水表面指数在大范围、多时段的获取提供了可靠基础.在不透水表面指数应用方面,城市地表覆被监测与模拟可以为城市未来发展及规划管理提供基础.鉴于不透水表面决定了城市地区的地表水文循环、非点源污染、能量分布、植被变化及生物多样性等生态环境要素,因此搭起深入理解城市景观格局与生态过程相互关系的桥梁,是研究城市化的生态环境效应的最佳切入点.     

基于UCI指数的1988—2021年莆田市城区不透水面时空演变分析

基于时序Landsat影像采用城市组分指数(urban composition index, UCI)获取1988—2021年莆田市城区不透水地表分布图,综合分析莆田市城区不透水面的时空变化特征,探究其演化的相关驱动因素。结果表明：1988—2021年莆田市城区不透水面面积呈增长趋势,增加面积为127.42 km²,扩张速度由快变慢;空间分布为分散-聚集格局,主要扩张方向为东南沿海方向,以市中心为内核不断完善周边建设,以交通为轴向进行带状扩展。在政府政策引导和控制城市发展进程下,人口和经济的增长是莆田市城区不透水面扩张的决定性因素,地形和交通也有着一定的驱动作用。     

基于GF-2影像的雨后洪涝区超绿水体指数提取方法

暴雨后水体含沙量增加使其光谱反射率发生变化,导致利用现有水体指数方法不能很好地提取水体信息.为有效提取洪水及其他类型水体,该文基于GF-2影像,根据暴雨后水体光谱信息变化规律,提出一种超绿水体指数(Ultra-Green Water Index,UGWI),并通过实验对比分析UGWI与归一化差异水体指数法、单波段阈值法、单波段与阴影水体指数结合法的水体提取精度,结果表明:UGWI能够准确识别不同泥沙含量以及阴影下的水体,总体精度达95.75％,Kappa系数为0.91,效果优于其他几种方法;选取不同时间、不同地区、不同空间分辨率的影像进行水体提取,UGWI结果亦优于其他几种方法,总体精度达92.33％,Kappa系数为0.90;UGWI相比其他对比方法,抗干扰性更强,提取的水体信息更全面,可识别的水体类型更多,对洪区水体提取更具普适性.     

旧城改造与城市热岛效应关系的遥感研究——以福州市苍霞片区为例

随着城市建设的快速发展,老城区改造已成为城市发展的重点工程之一。福州市近十几年来对原有旧城区中的棚屋区进行了大规模的改造,改善原有的居住条件。利用遥感技术重点研究和评价了福州市苍霞片区棚屋区改造前后的热环境变化,利用系列Landsat TM影像反演了该区1986年、1996年和2006年的地表温度、不透水面和植被等信息,计算了城市热岛比例指数(URI),并对该区改造前后热岛效应的时空变化进行了全面分析,探讨了其产生的主要原因。研究表明,不透水面与地表温度呈指数相关关系,高不透水面比例地区温度上升比低不透水面比例地区更快。总的看来,福州市苍霞片区通过棚屋区改造,热岛效应有了明显的缓解,在这20 a间,城市热岛比例指数从0.648下降到0.245。福州市苍霞棚屋区的重新规划和改造对缓解该片区的城市热岛效应起到了积极的作用。     

山地城市扩展及生态变化遥感分析

城市化进程使植被和水体等生态资源用地日渐缩小和破碎。遥感技术由于具有宏观、快速、准确认知对象的优势在城市生态环境变化监测中发挥着日益重要的作用。本研究采用Landsat系列遥感数据,选择EIBI建筑指数提取城市建筑用地扩展信息,并运用遥感生态指数(RSEI)对龙岩市生态质量变化进行遥感评估。结果表明:1)增强的指数型建筑指数(EIBI)可有效抑制裸土信息,增强建筑用地信息,使用EIBI提取建筑用地的精度可达90%以上;2)2002—2014年为龙岩市快速发展期,建成区面积增幅达50%;生态退化面积大大超过生态改善面积;整体生态指数均值自0.684降至0.636,降幅达7.02%,建成区生态指数均值自0.370降至0.351;3)造成龙岩市生态质量退化的主要因素包括:一是城市建筑用地扩展,二是采矿工程建设和地表开挖工程建设。