基于遙感的合肥市不透水層覆蓋度研究

高學(xué)武，李茂林，曹艷，陳立君，黃仁慶，方剛

(宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

0　引　言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，城市最突出的變化是城市不透水層面積不斷增加.不透水層被定義為屋頂、瀝青、水泥道路、停車場等具有不透水性的地物表面[1]，隨著城市不透水面的不斷增加，城市熱島效應(yīng)及水質(zhì)面源污染也會(huì)不斷加劇，城市不透水面是表征城市環(huán)境的一個(gè)重要因子，也是衡量城市化水平的一個(gè)重要指標(biāo)[2].城市地表同種地物光譜變異強(qiáng)烈，給終端單元選取帶來較大的不確定性，直接影響線性光譜混合模型對各端元分量的擬合精度[3].目前，利用遙感技術(shù)估算城市不透水層的方法大致分為五類：(1)用其他地類(如植被)和不透水面關(guān)系獲取不透水面信息.(2)使用最小噪音(MNF)變換和線性光譜分解模型(LSMA)估算不透水面面積.(3)通過將影像分類結(jié)果和其他數(shù)據(jù)生成的不透水面系數(shù)進(jìn)行解算獲取不透水面面積.(4)通過影像分類，手工或半自動(dòng)獲取不透水面信息.(5)利用主成分分析(PCA)融合算法獲取不透水面信息[4].前兩種方法是基于VIS模型.在此之前，周紀(jì)、張道衛(wèi)[5]、金晶[6]等也進(jìn)行了類似研究.合肥市作為安徽省省會(huì)，對其進(jìn)行城市不透水面信息研究是十分重要的.作者在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)和徐涵秋提出的歸一化差值不透水指數(shù)(NDISI)模型[7]，提取合肥市城市不透水面信息，并對合肥市城市不透水層覆蓋度進(jìn)行分析.

1　研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1　研究區(qū)概況

合肥市地處長江和淮河之間，位于116°41′-117°58′E，30°57′-32°32′N間，面積為11900 km2，其中巢湖水域面積為809.4 km2，市區(qū)總面積為838.52 km2，本文研究區(qū)為合肥市市區(qū)及其縣區(qū)，由于2017年合肥市進(jìn)行了行政區(qū)劃調(diào)整，研究區(qū)也做了相應(yīng)調(diào)整，如圖1所示.

圖1　合肥市行政區(qū)劃圖Fig.1　Map of the administrative divisions of Hefei

圖2　研究區(qū)影像圖Fig.2　Image of study area

1.2　數(shù)據(jù)來源

2013年美國成功發(fā)射Landsat-8衛(wèi)星.由于Landsat-8衛(wèi)星OLI影像能提供更大的灰度值區(qū)間，使不同土地覆蓋類型的區(qū)分更加明顯，能明顯提升水體、不透水層、耕地和裸土分類精度[8].TIRS主要用于收集地球兩個(gè)熱區(qū)地帶的熱量流失，目標(biāo)是了解所觀測地帶的水分消耗.論文采用的遙感數(shù)據(jù)是2017年4月23日Landsat8衛(wèi)星影像，天氣晴好，軌道號為121-38，云量為0%.由于Landsat 8數(shù)據(jù)已進(jìn)行幾何校正，因此只需對其進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，利用合肥市矢量邊界圖裁剪出合肥市影像圖，其影像大小為4021×6097像元，研究區(qū)影像圖如圖2所示.

2　研究方法

徐涵秋在研究不透水層時(shí)發(fā)現(xiàn)，不透水面在熱紅外波段具有較高的輻射率，而在近紅外波段具有較低的反射率，可利用熱紅外波段與復(fù)合波段比值運(yùn)算來增強(qiáng)不透水面信息，在此基礎(chǔ)上提出歸一化差值不透水面指數(shù)(Normalized Difference Impervious Surface Index，NDISI)，并將其在福州、廈門地區(qū)實(shí)驗(yàn)成功.歸一化差值不透水面指數(shù)的計(jì)算原理：在多光譜波段內(nèi)分別找出對不透水層輻射最強(qiáng)波段和最弱波段，將輻射弱者作為分母，強(qiáng)者作為分子.為了去除水體對不透水層信息的影響，將改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)(MNDWI)加入NDISI指數(shù)中的弱反射波段[7]，即：

(1)

公式(1)中RG為綠色波段反射值，是Landsat8衛(wèi)星OLI影像第3波段.

(2)

公式(2)中RNIR、RMIR和RTIR分別為Landsat8衛(wèi)星近紅外波段、中紅外波段和熱紅外波段反射值.在Landsat 8衛(wèi)星OLI影像中：NIR是第5波段，MIR是第6波段；在Landsat 8衛(wèi)星TIRS影像中：TIR是第10波段[9].在公式(2)中，由于水體在可見光波段中的反射率要低于不透水層，所以將改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)(MNDWI)加入NDISI指數(shù)中的弱反射波段.為了避免出現(xiàn)分子太小和分母太大而造成指數(shù)偏低的狀況，特將弱反射組值(MNDWI+RNIR+RMIR)除以3，使不透水層信息值為正值，植被、沙土和水體信息值均為負(fù)值，擴(kuò)大不透水層和植被、沙土、水體的反差，抑制這些背景地物信息，從而增強(qiáng)不透水面信息.NDISI指數(shù)的缺點(diǎn)在于其所使用的熱紅外波段分辨率較低，雖與多光譜波段的混合計(jì)算起到了一定融合細(xì)化作用，仍加劇了中分辨率影像的混合像元現(xiàn)象.克服這一問題的思路是先對熱紅外波段影像進(jìn)行細(xì)化，然后再計(jì)算該指數(shù)，可明顯提高NDISI影像的清晰度[10].

NDISI具有歸一化指數(shù)特征，NDISI值介于-1和1之間，如果取“0”值作為閾值，則大于“0”的值是被增強(qiáng)的不透水層信息，受抑制的其他地物值要小于或等于“0”.對NDISI反演的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，使其值介于0-1之間，其結(jié)果可作為城市不透水面蓋度.

3　合肥市歸一化差值不透水面指數(shù)的計(jì)算與分析

在參考和借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，以Landsat8衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，利用歸一化差值不透水面指數(shù)(NDISI)、公式(1)和公式(2)來計(jì)算合肥市城市不透水面信息，計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，合肥市NDISI指數(shù)大于0的范圍(即城市不透水信息)主要分布在城市建成區(qū)、平原區(qū)和河流兩側(cè).

在前面圖像處理的基礎(chǔ)上，將NDISI指數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，使其值統(tǒng)一到0-1間，歸一化結(jié)果可作為合肥市城市像元的不透水面蓋度，2017年合肥市城市不透水面蓋度如圖4所示.利用ENVI軟件的統(tǒng)計(jì)功能，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到合肥市2017年平均不透水蓋度為6.22%.

圖3　2017年NDISI指數(shù)圖Fig.3　2017 NDISI index chart

圖4　2017年合肥市不透水蓋度圖Fig.4　Impervious coverage of Hefei city in 2017

圖5　基于NDISI的不透水面二值化結(jié)果圖Fig.5　Two value map of impervious surface Based on NDISI

圖6　研究區(qū)不透水蓋度分布圖Fig.6　Coverage of impervious surface chart in study area

為了更直觀地了解不透水面蓋度在合肥市區(qū)的分布，在ENVI5.3軟件中，以“0”值作為閾值進(jìn)行二值化處理，結(jié)合合肥市實(shí)際情況，將合肥市不透水面蓋度分為不透水層、水體、植被、裸土等四類，分類結(jié)果如圖5和圖6所示.由圖5可知，研究區(qū)不透水層主要分布在城市建成區(qū)，透水層主要分布在市郊及縣城，而且分布相對集中.

在ENVI5.3軟件中，利用“Class Statistics”功能統(tǒng)計(jì)出合肥市2017年不透水層面積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.

表1　2017年合肥市不透水蓋度

由表1可知，2017年合肥市城市不透水層面積為739.35 km2，透水層面積為11154.1 km2，為了更詳細(xì)地了解不透水層蓋度在空間上的分布特征，通過ENVI掩膜功能計(jì)算出研究區(qū)各個(gè)區(qū)縣范圍內(nèi)的不透水層蓋度，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2　2017年合肥市各區(qū)縣不透水層蓋度

合肥市市區(qū)的不透水層蓋度明顯高于郊區(qū)，城市中心的不透水層蓋度最高，且由市中心老城區(qū)向外，各縣不透水層面積均有所增加.主要是由于合肥市近幾年城市化快速發(fā)展，城市不斷向外擴(kuò)張所致，城市內(nèi)的居民區(qū)、地鐵線路、工廠等建設(shè)，使不透水層明顯增多.由表2可知，在研究區(qū)范圍內(nèi)，合肥市的不透水層蓋度最高，比例達(dá)27.8%，廬江縣的不透水層蓋度最低，比例只有2.9%，肥東縣、肥西縣和長豐縣不透水層蓋度比例基本持平.

4　結(jié)　論

(1)論文以Landsat8衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，利用ENVI5.3軟件和歸一化差值不透水面指數(shù)(NDISI)提取了合肥市2017年城市不透水層信息.研究表明，合肥市市區(qū)的不透水層蓋度明顯高于郊區(qū)及周邊縣區(qū)，市中心的不透水層蓋度最高.

(2)合肥市城市不透水層主要分布在建成區(qū)，其不透水層面積占研究區(qū)面積的6.22%，這與合肥市城市大規(guī)模擴(kuò)張密切相關(guān).近年來，合肥市整體發(fā)展趨勢向南，工業(yè)向北發(fā)展，城市道路及公共設(shè)施面積大幅增加，使得建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)大，從而引起城市不透水層蓋度也不斷增加.

(3)研究區(qū)透水層主要分布在市郊及周邊農(nóng)村地區(qū).

(4)研究成果可為合肥市城市建設(shè)和城市規(guī)劃提供一定的參考和借鑒.