高分辨率遙感影像的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

趙允亮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006）

高分辨率遙感影像的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

趙允亮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006）

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量就是指生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度，其中植被是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是自然和人文多種因素影響的結(jié)果，城市綠化水平從某種程度上反映了城市可持續(xù)發(fā)展的水平。本文結(jié)合實(shí)際情況，選擇以國內(nèi)某別墅區(qū)為研究區(qū)，應(yīng)用高分辨率Quick Bird影像，利用ENVI影像處理軟件提取植被信息，采用監(jiān)督分類和決策樹方法提取影響環(huán)境質(zhì)量的各種因子，確定影響因子的可定量性，合理地賦予每種因子對環(huán)境影響的權(quán)重值，采用加權(quán)法，最終得到環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)。

城市生態(tài)環(huán)境；高分辨率影像；環(huán)境因子；質(zhì)量評價(jià)

1 城市生態(tài)環(huán)境含義與質(zhì)量評價(jià)方法

城市生態(tài)環(huán)境是在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，按照人的意志，經(jīng)過加工改造形成的適合人類生存發(fā)展的人工環(huán)境[1]。城市生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評價(jià)是城市生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域,是城市區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)管理的基礎(chǔ)[2]。在城市中，城市生態(tài)環(huán)境是經(jīng)過人類充分改造過的人工環(huán)境，是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)可分為城市自然生態(tài)子系統(tǒng)，城市經(jīng)濟(jì)生態(tài)子系統(tǒng)，以及城市社會(huì)生態(tài)子系統(tǒng)。

城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)是依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)和方法對城市生態(tài)環(huán)境所處狀態(tài)的整體性描述[3]。目前為止，對于城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)的方法和評價(jià)指標(biāo)體系有很多，但絕大部分都是定性的，沒有一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)體系和方法。一般都是根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合研究區(qū)域的現(xiàn)狀，在一定的原則指導(dǎo)下進(jìn)行。利用高分辨率遙感影像評價(jià)城市環(huán)境質(zhì)量，首先應(yīng)該確定影響環(huán)境質(zhì)量的因素。衡量環(huán)境質(zhì)量的因素很多，對于城市這個(gè)特殊生態(tài)系統(tǒng)來說，不僅要考慮自然界的植被水體覆蓋度外，還要考慮到人工景觀、建筑物道路密度等因素。盡管高分辨率遙感影像包含大量的信息，但是由于缺乏完善的技巧，從影像中僅靠有用的圖像精度難以掌握很多信息。本文旨在挖掘遙感影像的可讀信息，忽略影響環(huán)境質(zhì)量的次要因素，然后試著確定各因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的權(quán)重值，在對環(huán)境質(zhì)量作一個(gè)合理的評價(jià)后，最后通過實(shí)地調(diào)查和對相關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)別墅區(qū)開發(fā)已經(jīng)成熟，依附于市中心位置，植被覆蓋類型主要由人工草坪、灌木以及喬木構(gòu)成，建筑占據(jù)了小區(qū)的大部分。較其它城市地區(qū)植被覆蓋度較高。本文所用的高分辨率遙感數(shù)據(jù)為Quick Bird影像，它覆蓋研究區(qū)域。

Quick Bird衛(wèi)星于2001年10月18日在美國范登堡空軍基地由DeltaⅡ運(yùn)載火箭發(fā)射升空，其運(yùn)行軌道高度為450 km，傾角為98°，與太陽同步，重訪周期為1～3.5 d，軌道周期為93.4 min，每軌拍攝數(shù)量約57景。主要景幅寬：星下點(diǎn)為16.5 km，可達(dá)到的地面寬度544 km（中心點(diǎn)為衛(wèi)星地面軌道，最大傾角30°），定位精度的圓誤差為23 m、線性誤差為17 m（無地面控制點(diǎn)），傳感器視角沿軌道方向和垂直軌道方向且均可調(diào)整。其數(shù)據(jù)編碼方式為11 bit/s，星上存儲(chǔ)器是128 Gbit/s，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是三軸穩(wěn)、恒星跟蹤穩(wěn)定、慣性平臺(tái)、飛輪、GPS，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命是7年。

3 地物提取

3.1 監(jiān)督分類

研究區(qū)內(nèi)的Quick Bird影像，對其分別進(jìn)行地物的提取，提取的方法利用監(jiān)督分類方法進(jìn)行，即使用確認(rèn)類別的樣本像元去識(shí)別其他未知像元的過程[3]。建立統(tǒng)計(jì)識(shí)別函數(shù)為理論基礎(chǔ)，依據(jù)典型樣本訓(xùn)練方法進(jìn)行分類的技術(shù)。即根據(jù)已知訓(xùn)練區(qū)提供的樣本，通過選擇特征參數(shù)，求出特征參數(shù)作為決策規(guī)則，建立判別函數(shù)以對影像進(jìn)行的圖像分類，是模式識(shí)別的一種方法。要求訓(xùn)練區(qū)域具有典型性和代表性。判別準(zhǔn)則若滿足分類精度要求，則此準(zhǔn)則成立；反之，需重新建立分類的決策規(guī)則，直至滿足分類精度要求為止。常用算法有判別分析、最大似然分析、特征分析、序貫分析和圖形識(shí)別等。

所包含的樣本在種類上要與待分區(qū)域的類別一致。訓(xùn)練樣本應(yīng)在各類目標(biāo)地物的面積較大的中心選取，這樣才具有代表性。如果采用最大似然法，分類要求各變量正態(tài)分布，因此訓(xùn)練樣本應(yīng)盡量滿足這一要求。訓(xùn)練樣本的數(shù)目應(yīng)能提供各類足夠的信息和克服各種偶然因素的影響。訓(xùn)練樣本最少要滿足能夠建立分類判別函數(shù)的要求，所需個(gè)數(shù)與所采用的分類方法、特征空間的維數(shù)、各類的大小與分布有關(guān)。

3.2 統(tǒng)計(jì)分析

分類結(jié)束后用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算一下圖片的可分離性精度，分離精度在1.8到2.0之間都是符合要求的。計(jì)算顯示，每一類和每一類分離精度以及最后總的分類精度達(dá)到符合研究分析要求。

圖像統(tǒng)計(jì)是計(jì)算表征圖像像元值數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征、空間分布特征和空間結(jié)構(gòu)特征的各種參量。ENVI的統(tǒng)計(jì)可對整個(gè)圖像進(jìn)行，也可以對某個(gè)感興趣區(qū)或某一類地物分布區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以數(shù)字報(bào)表或文件形式給出，可以看出各種地物的信息，如像素、面積等。對研究區(qū)內(nèi)的圖像進(jìn)行分類，用上面介紹的監(jiān)督分類對其進(jìn)行分類，在這里將其分為陰影、建筑、道路、樹、草地、灌木共六類。

4 生態(tài)環(huán)境評價(jià)

4.1 評價(jià)方法的確定

本文采用加權(quán)評價(jià)法，即對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)根據(jù)對環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)不同賦以大小不等的權(quán)重，加權(quán)后進(jìn)行評價(jià)。不同屬性影響對象分類的能力不同，說明屬性權(quán)重是客觀的，但需決策人通過“間接測量”來確定。研究中，根據(jù)遙感影像的可判讀信息，結(jié)合實(shí)際情況，選取的評價(jià)指標(biāo)符合以下3個(gè)特點(diǎn)：1）完整性原則，能完整、正確地反映南京市環(huán)境質(zhì)量狀況，盡量避免重復(fù)、交叉和冗余；2）可量化性原則，每個(gè)評價(jià)因子能在影像上提取出來，并可計(jì)算其值；3）合理的權(quán)重值，在作評價(jià)時(shí)，結(jié)合城市的環(huán)境現(xiàn)狀，合理確定影響環(huán)境質(zhì)量的因子的權(quán)重值。根據(jù)以上原則確定環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系。

由于遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)方法的限制，植被、建筑物等信息可以在影像上直接讀出，而污染等信息無法在影像上直接獲取。同時(shí)，該研究區(qū)域的絕大部分是建筑和綠地，所以本文的重點(diǎn)放在植被覆蓋以及建筑物密度上。

綜上所述，提取了以下2個(gè)重要的因子作為環(huán)境評價(jià)的基本指標(biāo)：

1）植被覆蓋度。植被覆蓋率通常是指森林面積占土地總面積之比，植被作為城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的部分，其作用十分重要，較高的植被覆蓋率，對小區(qū)的環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)化十分有利，不同的植被喬木、灌木、草地對小區(qū)的影響也不一樣。

2）建筑物密度。指在研究區(qū)域的建筑物所占總面積的比重，建筑物密度與居民人口有直接聯(lián)系，因此可通過這個(gè)指標(biāo)推斷出人口數(shù)，然而通過提取的陰影來判斷建筑物的大小從而來計(jì)算出建筑的容積率，人口過多會(huì)導(dǎo)致交通擁擠，市民出行不便，同時(shí)城市環(huán)境會(huì)遭到破壞，如噪音、空氣、污染、植被破壞等。

4.2 分析與運(yùn)算

結(jié)合上文所列舉常用的幾種環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比，本文采用加權(quán)評價(jià)法，即對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)根據(jù)對環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)不同賦以大小不等的權(quán)重，加權(quán)后進(jìn)行評價(jià)。

式中：P為綜合評價(jià)后的環(huán)境質(zhì)量；Pi為選取的評價(jià)因子的指標(biāo)值；Wi為每種對應(yīng)的因子的權(quán)重值；n評價(jià)因子的數(shù)目。環(huán)境要素權(quán)重：植被覆蓋度為0.6，建筑物密度為0.4；土地覆蓋權(quán)重：樹為0.5，灌木為0.3，草地為0.2。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算小區(qū)內(nèi)建筑與植被等影響因子的實(shí)際面積，得出小區(qū)生態(tài)狀態(tài)指數(shù)為0.57。分析可知，小區(qū)建筑占據(jù)了大部分的面積，植被覆蓋度不是很高。所以綠化面積相對較少。

5 結(jié) 語

高分辨率遙感影像由于其具有較高的空間分辨率，使得在以城市為研究尺度上進(jìn)行人居環(huán)境質(zhì)量評價(jià)成為可能。本文從生態(tài)學(xué)角度，選取合適的評價(jià)因子，利用遙感手段，進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。在研究方法上，利用監(jiān)督分類等方法將建筑物、道路等的通過目視解譯分類，取得較好的效果，提高了影像分類精度。綜合以上結(jié)果可知，用這此類方法進(jìn)行城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)是可行的。

［1］胡習(xí)英，屈吉鴻，郭潔.城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)研究進(jìn)展［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26（2）：62—64.

［2］萬本太，王文杰，崔書紅，等.城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（03）：1068—1073.

［3］李海華，陳南祥.城市生態(tài)環(huán)境評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)模型研究［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（03）：270—273.

［4］楊鑫.淺談遙感圖像監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：251—254.

X821

B

2016-10-20