基于多目標(biāo)遙感信息處理的城市擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與分析

陳紹杰,趙麗花,逄云峰,王曉玲

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建龍巖 364000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116;3.龍口礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)處,山東龍口 265700)

基于多目標(biāo)遙感信息處理的城市擴(kuò)展監(jiān)測(cè)與分析

陳紹杰1,2,趙麗花2,逄云峰3,王曉玲2

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建龍巖 364000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116;3.龍口礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)處,山東龍口 265700)

基于徐州市1994年、2002年和 2007年的多時(shí)相Landsat T M/ET M+遙感影像,利用建筑用地指數(shù)( IB I)提取城市建筑用地信息,通過監(jiān)督分類獲得城市土地覆蓋圖,由單窗算法反演地表溫度。利用多目標(biāo)遙感信息處理得到的建筑用地分布、土地覆蓋圖和地表熱環(huán)境信息,從土地利用結(jié)構(gòu)變化、城市熱環(huán)境時(shí)空演變兩個(gè)方面分析了徐州市城市擴(kuò)展動(dòng)態(tài),表明徐州市建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大,城市擴(kuò)展速度進(jìn)一步加快,土地利用類型相互轉(zhuǎn)換頻繁;城市熱島現(xiàn)象顯著,熱島分布與城市建筑用地的輪廓基本吻合,建筑用地不斷增加是熱島效應(yīng)加重的主要因素。研究表明,綜合土地覆蓋分類、專題信息提取和地表參數(shù)定量反演的多目標(biāo)遙感信息處理用于監(jiān)測(cè)分析城市擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)具有明顯的優(yōu)越性。

城市擴(kuò)展;建筑用地指數(shù)(I B I);城市熱島;遙感

一、引 言

城市化主要表現(xiàn)在以建成區(qū)為主的城市空間領(lǐng)域的擴(kuò)展上,城市擴(kuò)展及其引發(fā)的土地利用/覆被變化是國(guó)土資源監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)之一[1-2]。遙感技術(shù)以其快速準(zhǔn)確、多分辨率觀測(cè)、重訪周期短、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)為城市擴(kuò)展及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了便捷的途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在城市擴(kuò)展遙感監(jiān)測(cè)、城市物理環(huán)境和熱環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)分析等方面開展了大量工作,Masek等利用Landsat衛(wèi)星研究了華盛頓特區(qū)城市擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)變化[3];Martin等對(duì)城市擴(kuò)展監(jiān)測(cè)分析的空間和時(shí)間尺度問題進(jìn)行了研究[4];WENG Qihao等利用混合像元分解得到不透水面和植被覆蓋度,從覆蓋度和地表溫度的變化來說明美國(guó)印第安納州的城市化進(jìn)程[5];陳云浩等在RS、GIS的支持下,對(duì)不同時(shí)期上海城市熱環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)和格局進(jìn)行了研究[6];徐涵秋分析了福清市城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展的規(guī)律及城市的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制[7]。

目前,應(yīng)用遙感對(duì)城市擴(kuò)展進(jìn)行研究主要通過以下三種信息處理策略：①土地覆蓋分類與變化分析(轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局參數(shù)等);②專題信息提取(NDB I、不透水層、道路密度、建筑用地等);③城市生態(tài)物理參數(shù)遙感定量反演(地表溫度、植被覆蓋度等)。針對(duì)不同方法之間的互補(bǔ)性,本研究提出將專題信息提取、土地覆蓋分類、定量參數(shù)反演多種目標(biāo)的遙感信息處理予以綜合集成,實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)遙感信息處理的城市擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)定量監(jiān)測(cè)與分析。

二、研究區(qū)與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次研究重點(diǎn)以徐州市區(qū)為中心,向外輻射至市區(qū)周邊的主要煤礦基地,包括市區(qū)全部、城鄉(xiāng)結(jié)合部及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn),研究區(qū)域大體位于徐州四環(huán) (環(huán)城高速公路)以內(nèi)。徐州市位于江蘇省西北部,是蘇北最大的城市,占江蘇總面積的 11%,地理坐標(biāo)為東經(jīng) 116°22′～118°40′、北緯 33°43′～34°58′。屬暖溫半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,夏熱多雨,冬寒干燥,年氣溫平均 14℃左右,年均降水量 800～930 mm。徐州市是蘇、魯、豫、皖邊區(qū)組成的淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心,是全國(guó)重要的交通樞紐、能源基地和工業(yè)基地。

本研究利用的數(shù)據(jù)包括徐州市 1994年 9月 6日、2002年 7月 11日和 2007年 5月 14日 3期Landsat T M/ET M+遙感影像。以 2007年影像為基準(zhǔn),采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行幾何校正,最鄰近法進(jìn)行灰度重采樣,配準(zhǔn)誤差控制在 0.5個(gè)像元內(nèi)。最后,利用徐州市矢量邊界圖提取研究區(qū)范圍。

三、研究方法

將專題信息提取、土地覆蓋分類、定量參數(shù)反演多種目標(biāo)的遙感信息處理予以綜合集成,實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)遙感信息處理的城市擴(kuò)展與生態(tài)環(huán)境響應(yīng)定量監(jiān)測(cè)與分析。

1.城市建成區(qū)提取

城市建成區(qū)的提取是研究城市擴(kuò)展的重要方面。采用基于指數(shù)的建筑用地指數(shù) ( IB I)提取徐州市建成區(qū)[8]。IB I的計(jì)算公式為

式中,NDB I為查勇[8]等提出的歸一化建筑指數(shù); SAV I為土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù);MNDW I為修正歸一化水體指數(shù)。IB I指數(shù)值介于 -1～1之間,建筑用地值大于 0,非建筑用地值小于 0,從而擴(kuò)大了建筑用地和植被、水體的反差,大大增強(qiáng)了建筑用地信息,抑制了植被和水體信息。徐涵秋應(yīng)用 IB I提取建筑用地精度達(dá)到了 96.7%[9-10]。

2.城市溫度反演

采用適用于 Landsat T M/ET M+的單窗算法(mono-window algorithm)計(jì)算真實(shí)地表溫度[11]。由于每?jī)善谶b感影像之間相隔數(shù)年,數(shù)據(jù)獲取時(shí)的具體條件不同,不能直接進(jìn)行地表溫度之間的比較,但季節(jié)的不同改變的只是溫度的強(qiáng)度 (即溫度大小),并不改變溫度的空間分布[12]。因此,分別對(duì)計(jì)算出的地表溫度作正規(guī)化處理。

其中,T代表正規(guī)化后的結(jié)果;t代表正規(guī)化處理前的溫度值;tmax和 tmin分別是正規(guī)化處理前的最高溫度和最低溫度。正規(guī)化處理后,溫度分布將統(tǒng)一到0和 1之間,絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)溫度,以便于不同年份直接比較。

3.土地覆蓋分類

根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合徐州市土地利用實(shí)際情況,采用支持向量機(jī)(SVM)監(jiān)督分類將研究區(qū)土地覆蓋類型分為建筑用地、耕地、林地、草地、水體和裸地六類,生成徐州市 1994年、2002年和 2007年的土地利用現(xiàn)狀圖。

四、結(jié)果與分析

1.土地利用結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)提取的徐州市建成區(qū)范圍,對(duì)影像作二值化處理,即背景值為 0,城市建成區(qū)值為 1,得到 3個(gè)時(shí)相的城市專題圖。將多時(shí)相的城市專題圖疊加,突出 13年來徐州市的城市擴(kuò)展情況,賦予城市擴(kuò)展區(qū)域不同的顏色,如圖 1、表 1所示。以下從建成區(qū)的擴(kuò)展速度、強(qiáng)度和土地利用結(jié)構(gòu)變化兩個(gè)方面定量分析徐州市的土地利用變化情況。

1)擴(kuò)展速度和強(qiáng)度：統(tǒng)計(jì)建成區(qū)面積可知, 1994年徐州市建成區(qū)面積為 100.41 km2,2002年面積為 131.58 km2,2007年面積增加到 178.34 km2,如表 1所示。1994—2002年間面積凈增加 31.17 km2,年平均擴(kuò)展速度為 3.90 km2/a,擴(kuò)展強(qiáng)度為 3.88; 2002—2007年間城市面積凈增加 46.76 km2,年平均擴(kuò)展速度為 9.35 km2/a,約是 1994—2002年的 2.4倍,擴(kuò)展強(qiáng)度是 7.11,約是 1994—2002年的 1.8倍。

圖 1 1994—2007年徐州市建成區(qū)的擴(kuò)展

表1 城市建筑用地的擴(kuò)展

2)土地利用結(jié)構(gòu)變化：統(tǒng)計(jì)三年各土地利用類型的面積及動(dòng)態(tài)變化,建立 1994—2002年、2002—2007年間研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,定量表示期間土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換和城市擴(kuò)展情況,結(jié)果如圖 2和表 2所示。對(duì)比 1994年和 2002年的土地利用現(xiàn)狀圖可知,徐州城區(qū)擴(kuò)展是在原建成區(qū)的基礎(chǔ)上逐步向外占用周邊的土地。

圖 2 徐州市 1994—2007年土地利用變化

表 2 1994—2007年徐州市土地利用結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化 km2

由表 2和圖 2可知,1994—2002年間徐州市土地利用變化較大：建筑用地、裸地面積大幅增加,尤其是裸地面積由 30.28 km2猛增到 91.07 km2,增長(zhǎng)近 3倍;耕地、林地和草地的面積均不同程度地減少,耕地減少了 42.06 km2,其中 5.28 km2轉(zhuǎn)化為建筑用地,占總增加的建筑用地的 9.06%,林地共減少 40.44 km2,17.50 km2轉(zhuǎn)為建筑用地,約占30.03%,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換后總草地面積也略微降低,但其中 27.81 km2的草地轉(zhuǎn)為建筑用地,占總增加的建筑用地的 47.73%;水域面積變化不大。統(tǒng)計(jì)表明,變化較為劇烈的城市建筑用地、耕地、林地和裸地之間存在復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換,增加的建筑用地主要來自于草地、林地、裸地和耕地,其中草地的貢獻(xiàn)最大,其次是林地,水體的貢獻(xiàn)最少。

2002—2007年間土地利用變化情況較 1994—2002相似,較多的集中在建筑用地、耕地、草地和裸地。2007年建筑用地面積凈增 46.76 km2;耕地較2002年增加了 35.56 km2,草地面積凈減少15.40 km2,裸地凈減少 69.16 km2。徐州城市建筑用地?cái)U(kuò)張中草地的貢獻(xiàn)最大,共有 41.06 km2的草地轉(zhuǎn)化為建筑用地,占總增量的 52.05%;裸地其次,共 18.91 km2的裸地轉(zhuǎn)為建筑用地,占總增量的23.97%;耕地和林地分別貢獻(xiàn) 8.01 km2、8.45 km2;水體的貢獻(xiàn)最少。

2.基于熱環(huán)境的城市擴(kuò)展分析

城市化過程中,自然植被、土壤表面逐步被水泥、瀝青、建筑等不透水層所取代,城市下墊面的熱輻射加強(qiáng),易形成以城市為中心的熱島現(xiàn)象。為定量分析研究區(qū) 13年間城市熱環(huán)境的時(shí)空演變,將研究區(qū)劃分為高溫、常溫和低溫 3個(gè)溫度區(qū)間,同時(shí)統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型在不同溫度區(qū)間內(nèi)所占的比例,進(jìn)一步衡量土地利用類型對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)大小[13]。不同土地利用類型對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率見表3。

表 3 不同土地利用類型對(duì)城市熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)率 (%)

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),1994—2002年常溫區(qū)面積減少,全部轉(zhuǎn)化為高溫區(qū)和低溫區(qū);2002—2007年低溫和常溫區(qū)面積略微降低,都轉(zhuǎn)化為高溫區(qū)。13年來高溫區(qū)面積穩(wěn)定增長(zhǎng),1994年高溫區(qū)面積為 103.05 km2, 2002年為 113.59 km2,2007年增加到 116.93 km2,說明徐州市城市熱島范圍逐步增大,與城市建筑用地同步增長(zhǎng)。高溫區(qū)中城市建筑用地占了絕大比例,對(duì)熱島效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大,1994年甚至達(dá)到了80.66%;溫度等級(jí)越低,建筑用地的貢獻(xiàn)率也越低,而其他土地利用類型的貢獻(xiàn)則逐步增加,充分表明熱島分布與城市建筑用地的輪廓基本吻合,不斷擴(kuò)大的熱島范圍反應(yīng)了城市的擴(kuò)展情況。

3.基于多因子綜合的城市擴(kuò)展分析

建筑用地、溫度和植被是影響城市生態(tài)環(huán)境的主要因子。表 4表明了建筑用地、地表溫度和植被(采用 SAV I植被指數(shù)表示)三者之間的關(guān)系:SAV I和 IB I、Ts呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,IB I和 Ts呈顯著正相關(guān)關(guān)系,城市建筑用地的增加顯然導(dǎo)致了地表溫度的上升和植被覆蓋的減少。

表 4 IB I、Ts和SAV I的相關(guān)分析

采用多變量回歸分析定量判別三者之間的關(guān)系

IB I、Ts和 SAVI在回歸分析中都通過了 0.01的顯著性檢驗(yàn)。式 (3)表明,建筑用地的擴(kuò)大對(duì)城市增溫起重要作用,當(dāng)植被覆蓋不變時(shí),IB I每增加0.1,Ts將上升 0.6°C,進(jìn)一步說明城市建筑用地的擴(kuò)展是城市熱島作用的最主要因子,二者呈正比例變化趨勢(shì);且植被的增加有助于緩解城市熱島效應(yīng)。

五、結(jié) 論

本文將專題信息提取、土地覆蓋分類、地表參數(shù)反演等多目標(biāo)遙感信息處理策略應(yīng)用于城市擴(kuò)展監(jiān)測(cè)分析,通過本文的研究,可以得出如下結(jié)論：

1)1994—2007年間徐州市建成區(qū)不斷擴(kuò)張,土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了大幅變化,建筑用地、耕地、林地、草地和裸地之間存在復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換,其中草地、林地和裸地對(duì)徐州城市建筑用地的增加貢獻(xiàn)較大,同時(shí)擴(kuò)張中也侵占了部分耕地。

2)徐州市城市熱島效應(yīng)顯著。建筑用地的平均溫度最高,建筑用地指數(shù)和溫度呈正相關(guān)變化;城市熱島空間分布與建筑用地的輪廓基本一致,且二者呈同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此,不斷增加的建筑用地是熱島效應(yīng)加重的主要因素。

3)單一目標(biāo)的遙感信息處理往往難以深入揭示某一問題,而通過專題信息提取、土地覆蓋分類、地表參數(shù)反演等綜合的多目標(biāo)遙感信息處理可以相互印證、補(bǔ)充,對(duì)研究對(duì)象從不同角度予以論證,是今后遙感應(yīng)用的重要發(fā)展方向。

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M on itoring Urban Expansion Based on M ulti-objective Processing of Remote Sensing I mages

CHEN Shaojie,ZHAO Lihua,PANG Yunfeng,WANG Xiaoling

0494-0911(2010)08-0024-04

P237.9

B

2010-06-23

福建省自然科學(xué)基金和龍巖市科技計(jì)劃聯(lián)合資助

陳紹杰(1967—),男,福建龍巖人,副教授,主要從事測(cè)繪工程、遙感技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。