基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的方法探索
——以嘉興海綿城市示范區(qū)為例

張建英，付 帥，艾 波

(1. 嘉興市測繪與地理信息局，浙江 嘉興 314050； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

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基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的方法探索
——以嘉興海綿城市示范區(qū)為例

張建英1，付 帥1，艾 波2

(1. 嘉興市測繪與地理信息局，浙江 嘉興 314050； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

依據(jù)綜合雨量徑流系數(shù)計算公式，提出了一種基于高分影像光譜特征的綜合雨量徑流系數(shù)快速估算方法。結(jié)合面向?qū)ο蟮挠跋穹指罘诸惣夹g及陰影區(qū)再分類方法，獲取了試驗區(qū)覆被分類信息，從而達到了快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的目的，并以嘉興海綿城市示范區(qū)為例，對比嘉興市地理國情普查成果，驗證本文方法的可行性。

綜合雨量徑流系數(shù)；光譜特征；快速估算；海綿城市；嘉興市地理國情普查

中央城鎮(zhèn)化工作會議提出“要建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”，并頒布《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[1](以下簡稱《指南》)。作為典型的江南水鄉(xiāng)城市，嘉興被列入首批海綿城市建設試點。根據(jù)《指南》介紹，綜合雨量徑流系數(shù)，通過各地塊雨量徑流系數(shù)加權(quán)(城市覆被類型所占比例)計算獲得，是計算入滲控制指標、確定年徑流總量控制率、制定低影響開發(fā)規(guī)模(LID)方案[2-3]及雨洪綜合優(yōu)化管理決策的前提和依據(jù)[1,4]。因此，快速估算城市綜合雨量徑流系數(shù)對海綿城市建設具有重要意義[5]。

由于城市覆被類型所占比例決定綜合雨量徑流系數(shù)的計算結(jié)果，因此利用遙感影像數(shù)據(jù)精確、快速地提取各地表材質(zhì)類型成為研究的關鍵。目前，影像分類的研究方法主要概括為3種類型[6]：①基于像素的直接分類法。Wu借助QuickBird數(shù)據(jù)，采用光譜混合分析的方法提取不透水層[7]；肖錦成等選取ETM+遙感數(shù)據(jù)中4個波段，構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的濱海濕地覆被分類模型，并將其應用于鹽城自然海濕覆被分類[8]；劉大偉等基于深度信念網(wǎng)絡(DBN)模型對Resurs DK1高分辨率遙感影像進行了基于光譜-紋理特征的分類[9]。②面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?。佃袁勇等采用Mean-Shift分割算法對影像進行多尺度分割,構(gòu)建了不同尺度上的地理對象，保持了地物對象的完整性和地物細節(jié)信息，從而實現(xiàn)了地物的變化檢測[10]；劉純等在多尺度分割的基礎上，融合光譜特征、像元形狀指數(shù)PSI、初始尺度和最優(yōu)尺度區(qū)域特征，有效減少了基于像素的高分辨率遙感影像分類算法的“胡椒鹽”現(xiàn)象，提高了易混淆類別的分類精度[11]。③多源數(shù)據(jù)協(xié)同的分類方法。蘇偉等利用激光掃描LiDAR數(shù)據(jù)有無回波值提取水體，利用生成的數(shù)字表面模型DSM提取建筑物，利用QuickBird數(shù)據(jù)提取植被、道路等，有效地提高了城市覆被分類精度[12]。此外，城市范圍高分辨率遙感影像覆被分類需考慮陰影區(qū)域?qū)Ψ诸惤Y(jié)果的影響。段光耀等提出了一種特征分量構(gòu)建與面向?qū)ο蠼Y(jié)合的陰影提取方法，有效地提取了陰影區(qū)域[13]，由于光譜信息缺失，陰影區(qū)域分類還需要進一步研究[6,14]。

本文提出一種基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的方法，以嘉興海綿城市示范區(qū)為例，采用面向?qū)ο蟮姆指罘诸惙椒?，提取城市覆被信息，同時考慮高分辨率影像中陰影區(qū)域?qū)τ跋穹诸惖挠绊懀嬎愕玫骄C合雨量徑流系數(shù)；并與嘉興市地理國情普查成果數(shù)據(jù)對比，試驗結(jié)果表明本文提出方法具有有效性和可行性。

1 研究區(qū)域與試驗數(shù)據(jù)

嘉興海綿城市建設示范區(qū)范圍北至環(huán)城河，南至槜李路，西至長水塘、西板橋港，東至菜花涇、紡工路、富潤路，總用地面積為18.44 km2，其中包含舊城改造示范區(qū)域3.89 km2、南湖重點保護示范區(qū)域5.58 km2、已建新城改造示范區(qū)域6.02 km2及未建新城改造示范區(qū)域295 km2。如圖1所示，虛線范圍內(nèi)為嘉興海綿城市示范區(qū)。

圖1 嘉興海綿城市示范區(qū)

試驗數(shù)據(jù)包括：①WorldView-3高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，包含空間分辨率為2 m的多光譜波段及0.5 m的全色波段，數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性為2015年8月2日，經(jīng)輻射校正、數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理工作后，得到0.5 m空間分辨的DN值數(shù)據(jù)；②空間分辨率為0.2 m的數(shù)碼航空影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間為2013年11月—12月；③嘉興市地理國情普查成果數(shù)據(jù)，其中市情普查涵蓋了海綿城市示范區(qū)地表材質(zhì)與透水性質(zhì)。

2 研究方法

2.1 綜合雨量徑流系數(shù)計算方法及技術路線

隨著對降雨、入滲及地表徑流之間特征關系認識的深入，已經(jīng)明確了多種地表匯水面種類的降雨徑流系數(shù)[4-5]，根據(jù)《指南》中“通過加權(quán)計算得到各地塊的綜合雨量徑流系數(shù)”的方法，總結(jié)綜合雨量徑流系數(shù)φ的計算公式為

式中，φi為第i種匯水面的雨量徑流系數(shù)；Ii為第i種匯水面的面積占比率。表1中列出了幾種匯水面的雨量徑流系數(shù)[1,15]。

表1 徑流系數(shù)

由綜合雨量徑流系數(shù)φ的計算公式可知，城市覆被類型提取的準確度是關鍵。本文技術流程為(如圖2所示)：①采用過度分割的方式將影像數(shù)據(jù)分割為對象，再通過神經(jīng)網(wǎng)絡方法實現(xiàn)面向?qū)ο蟮姆诸?，得到初級分類結(jié)果；②構(gòu)建3種針對陰影的特征分量，并結(jié)合航空影像選取樣本，完成再分類；③統(tǒng)計分類面積，計算綜合雨量徑流系數(shù)。

圖2 估算綜合雨量徑流系數(shù)技術路線

2.2 面向?qū)ο蟮姆指罘诸惙椒?/p>

與面向像元的分割方法相比，面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘椒ㄓ行У靥岣吡擞跋窠庾g精度和效率。本文借助eCognition軟件實現(xiàn)嘉興海綿城市示范區(qū)的分割：①為示范區(qū)WorldView-3數(shù)據(jù)紅綠藍及紅外4個波段賦予相同的權(quán)重；②經(jīng)過多次試驗，選定適宜的分割尺度參數(shù)，保證影像的過度分割，避免尺度過大引起的分割錯誤；③執(zhí)行多尺度分割，獲得影像對象層level1；④經(jīng)過多次試驗，選定適宜的最大光譜差異參數(shù)，執(zhí)行光譜差異分割，合并光譜相似區(qū)，破碎光譜差異大的區(qū)域，得到影像對象層level2；⑤分區(qū)統(tǒng)計影像對象層level2中每個對象包含像元的均值，分別賦予對象相應的紅、綠、藍及紅外屬性字段，最后輸出level2，得到面向?qū)ο蟮姆指罱Y(jié)果。

圖3 3層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

2.3 陰影區(qū)再分類

圖4 初級分類結(jié)果

圖5 原始影像

圖6 3種特征分量圖

圖7 數(shù)碼航空影像

圖8 再分類結(jié)果

3 試驗與分析

經(jīng)過多次試驗，選定分割尺度參數(shù)為20，多尺度分割得到影像對象層level1(如圖9所示)，共715 423個要素；選定最大光譜差異參數(shù)為5，光譜差異分割得到影像對象層level2(如圖10所示)，共691 746個要素。對比對象層level1與level2，可見光譜差異較小的水體類合并效果明顯。在影像對象層level2中選取750個樣本對象(瀝青混凝土類304個、橡膠類53個、裸土類144個、植被類173個及水體類76個)，基于多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(MLP)模型得到分類結(jié)果(如圖4所示)。由于陰影區(qū)域光反射率低，影像中的光譜特征更接近水體類，因此初級分類結(jié)果中陰影區(qū)域被劃分為水體類。構(gòu)建3種特征分量，得到再分類結(jié)果(如圖11所示)，修正錯誤的陰影區(qū)域共計0.55 km2。

圖9 度尺度分割

圖10 光譜差異分割

根據(jù)分類結(jié)果，統(tǒng)計得到各類型匯水面的面積及占示范區(qū)的比例(見表2)，結(jié)合表1幾種匯水面的雨量徑流系數(shù)，利用綜合雨量徑流系數(shù)公式計算得到嘉興海綿城市示范區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)為0.44。為了驗證試驗結(jié)果的準確性，本文查閱嘉興地理國情普查成果中海綿城市示范區(qū)地表材質(zhì)與透水性質(zhì)的資料，得到表3，平均綜合徑流系數(shù)為0.49。

圖11 再分類結(jié)果

透水性匯水面面積/km2比例/(%)不透水層瀝青混凝土6．9737．8橡膠塑膠0．050．3透水層裸土1．819．8植被7．8442．5水面水面1．779．6

表3 嘉興市第一次地理國情普查成果公報中海綿城市示范區(qū)地表材質(zhì)與透水性質(zhì)

透水性匯水面面積/km2比例/(%)不透水層屋面2．3812．9混凝土0．965．2瀝青2．4813．5橡膠塑膠0．060．3塊石鋪砌1．347．3其他不透水層0．020．1弱透水層碎石0．30 1．6 地下空間上綠化0．040．2屋頂綠化0．030．2其他弱透水層0．764．1透水層植被7．30 39．6 裸土和土路面0．191．0

對比試驗結(jié)果可知，本文估算結(jié)果接近地理國情普查數(shù)據(jù)，可作為海綿城市綜合雨量徑流系數(shù)的參考，從而證明了該方法的可行性。同時試驗估算的綜合雨量徑流系數(shù)偏低，分析原因主要有以下兩點：①影像采集時間為植被茂盛的8月，且地下空間上綠化、屋頂綠化等被分類為植被，導致試驗獲取的植被面積要大于普查數(shù)據(jù)；②部分碎石、塊石鋪砌分類為裸土，連同植被間隙的裸土統(tǒng)計在內(nèi)，導致試驗獲取的裸土面積要大于普查數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

依據(jù)綜合雨量徑流系數(shù)計算公式，本文提出了一種基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的方法，結(jié)合面向?qū)ο蟮挠跋穹指罘诸惣夹g及陰影區(qū)再分類方法，獲取試驗區(qū)覆被分類信息，從而達到了快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的目的；并以嘉興海綿城市示范區(qū)為例，對比嘉興市地理國情普查成果，驗證了本文方法的可行性。

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A Method for Rapid Estimation of Runoff Coefficient Based on Spectral Features of High Resolution Image——A Case Study in Sponge City Demonstration Area,JiaXing

ZHANG Jianying1，F(xiàn)U Shuai1，AI Bo2

(1. Jiaxing Administration of Surveying Mapping and Geoinformation, Jiaxing 314050, China； 2. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

According to the formula of runoff coefficient of integrated rainfall,a rapid estimation method of runoff coefficient of integrated rainfall is proposed based on spectral features of high resolution image. With object oriented segmentation and classification technology and shadow classification method, classification information of demonstration area is obtained, so as to achieve the purpose of estimating the ratio.Taking Jiaxing sponge city demonstration area as an example, this paper compares the results of the national geographical census in Jiaxing to verify the feasibility of the method.

runoff coefficient of integrated rainfall; spectral features; rapid estimation; sponge city; the national geographical census of Jiaxing

張建英，付帥，艾波.基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數(shù)的方法探索——以嘉興海綿城市示范區(qū)為例[J].測繪通報，2017(6)：82-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0195.

2017-03-20

國家自然科學基金(41401529)

張建英(1967—)，女，高級工程師，主要研究方向為地理國情普查成果應用。E-mail:zzzren@163.com

付 帥。E-mail: geofushuai@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)06-0082-05