2004-2015年三亞市不透水面分布數(shù)據(jù)集

王憲凱，孟慶巖，劉瑩，要志鑫

1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京 100083

2.海南省地球觀測重點實驗室，海南三亞 572029

3.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 2004-2015年三亞市不透水面分布數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 王憲凱、孟慶巖、劉瑩、要志鑫數(shù)據(jù)通信作者 孟慶巖（mengqy@radi.ac.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 2004-2015年地理區(qū)域 地理范圍包括北緯18°09′-18°37′，東經(jīng)108°56′-109°48′空間分辨率 30 m數(shù)據(jù)量 25.1 MB數(shù)據(jù)格式 *.TIF數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/721基金項目 海南省自然科學(xué)基金（417218）；海南省重大科技計劃（ZDKJ2016021）；四川省科技支撐計劃（2016JZ0027）。數(shù)據(jù)庫（集）組成本數(shù)據(jù)集包括三亞市2004-2015年5期不透水面分布圖數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)存放于一個壓縮文件中。壓縮文件內(nèi)含5個Tif文件，分別對應(yīng)2004年、2008年、2011年、2013年和2015年的三亞市不透水分布。數(shù)據(jù)總量為25.1 MB。

引 言

不透水面是指能阻止水滲入土壤的土地覆蓋表面，主要包括道路、停車場、廣場、屋頂和城市建筑物中不具有滲透性的表面[1]。不透水面面積增加意味著區(qū)域建設(shè)用地增加和城市化進(jìn)程加快，是衡量區(qū)域發(fā)展的一項指標(biāo)，對合理規(guī)劃城市建設(shè)具有重要參考價值[2]。不透水地表不僅可以表征城市化程度，還可以用于評價城市生態(tài)環(huán)境[3]。2010年，世界人口約有50%居住在城市，中國的城市人口比例達(dá)到了47%[4]。伴隨著城市化進(jìn)程的加快，我國城市，特別是大中型城市的數(shù)量迅速增加，城市建設(shè)用地規(guī)模日益擴(kuò)大，城市經(jīng)歷了高速發(fā)展與高強(qiáng)度開發(fā)，導(dǎo)致不透水地表面積急劇增加。截至2008年，中國城市不透水地表平均比例約為66%[5]。隨著不透水面的增加，環(huán)境污染也日益加劇，城市景觀格局發(fā)生了劇烈變化[6]。因此，開展不透水面研究具有重要意義。

本研究以三亞市為研究區(qū)。三亞市別稱鹿城，地處海南島的最南端，位于北緯 18°09′34″-18°37′27″、東經(jīng) 108°56′30″-109°48′28″之間，下設(shè)海棠、天涯、吉陽和崖州 4 個區(qū)，全境北靠高山，南臨大海，地勢由北向南逐漸傾斜，形成一個狹長狀的多角形[7]。三亞市對推動海南省建設(shè)發(fā)展發(fā)揮了顯著作用，在海南省發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位。近年來，三亞市進(jìn)入了城市化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段。三亞市快速發(fā)展使城市用地面積急劇擴(kuò)張，土地覆蓋類型發(fā)生劇烈變化。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，優(yōu)化城市總體規(guī)劃和土地利用規(guī)劃成為了三亞市發(fā)展的重要任務(wù)之一，因此作為城市規(guī)劃和土地利用規(guī)劃的重要監(jiān)測指標(biāo)，城市不透水面狀況對城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)尤為重要。據(jù)此，本數(shù)據(jù)集基于Landsat數(shù)據(jù)，采用生物物理成分指數(shù)[8（]Biophysical Composition Index，BCI）與裸土指數(shù)[9（]Bare Soil Index，BI）結(jié)合的方法對三亞市不透水面信息進(jìn)行提取，得出研究區(qū)不透水面分布圖。相比其他同類數(shù)據(jù)集，本數(shù)據(jù)集所選數(shù)據(jù)源間隔年限大致相同，使研究結(jié)果能更好地反映數(shù)據(jù)漸變過程，并且時相更新；使用的BCI指數(shù)與BI指數(shù)結(jié)合提取不透水面信息方法能夠保證數(shù)據(jù)的精度和可靠性；本數(shù)據(jù)集可對外公開共享，可供其他應(yīng)用參考。通過分析不透水面變化規(guī)律研究三亞市城市化建設(shè)特點，進(jìn)而為科學(xué)合理劃定城市開發(fā)邊界和保護(hù)區(qū)域，最大限度保護(hù)原有生態(tài)體系，為“海綿城市”建設(shè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本研究總體結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線如圖1所示。

本研究以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源，對影像數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建BCI指數(shù)與BI指數(shù)相結(jié)合的不透水面信息提取方法，進(jìn)而對研究區(qū)進(jìn)行長時間序列不透水面信息提取，最終生成近10年三亞市不透水面分布數(shù)據(jù)集。

1.1 數(shù)據(jù)采集

本數(shù)據(jù)集以2004-2015年間每隔2-4年為時間間隔，獲得2004年、2008年、2011年、2013年和2015年5期長時間尺度的Landsat基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要從地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）獲取，影像云量少，質(zhì)量較好。具體的實驗數(shù)據(jù)情況如下表1所示，三亞市遙感影像如圖2所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

圖2 2011年三亞市Landsat 5真彩色遙感影像圖

表1 數(shù)據(jù)列表

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像是在不直接接觸目標(biāo)的情況下，通過搭載在衛(wèi)星、飛機(jī)等平臺上的傳感器感知目標(biāo)信息，并以像元空間信息和亮度值的變化來表征目標(biāo)地物的空間位置和光譜特征。由于不直接接觸，目標(biāo)信息在傳輸過程中受到多種因素的影響，傳感器獲得的遙感影像存在一定的幾何畸變、輻射失真等現(xiàn)象[10]。為解決上述問題，研究過程中對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正、輻射校正、影像配準(zhǔn)等預(yù)處理，使其盡可能真實地反映地表光譜信息和幾何位置信息。

1.2.2 不透水面信息提取方法

（1）BCI指數(shù)原理

BCI指數(shù)由Deng等首次提出，該指數(shù)是基于纓帽變換（TC transformation）生成的亮度（TC1）、綠度（TC2）和濕度（TC3）3個分量所構(gòu)建的。對于BCI指數(shù)，不透水面與其正相關(guān)且灰度值大于0，植被與其他土地覆蓋灰度值小于0，與植被覆蓋度負(fù)相關(guān)，而土壤的灰度值接近0，這樣可以將3種組分區(qū)分開。考慮水體的影響，在計算BCI指數(shù)之前，對經(jīng)預(yù)處理的Landsat數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)[11]（Modification of Normalized Difference Water Index，MNDWI）去除水體，再計算BCI指數(shù)。

式中：Green為綠光波段的光譜反射率；MIR為中紅外波段的光譜反射率。Landsat數(shù)據(jù)經(jīng)去除水體等處理后，由以下公式計算BCI指數(shù)：

式中：H為高反射率即歸一化TC1分量；L為低反射率即歸一化TC3分量；V為植被即歸一化TC2分量。3個因子的計算公式分別如下：

式中：TCi(i=1,2,3)為前三個TC分量；TCimin和TCimax分別是第i個TC分量的最小值和最大值。

（2）BI指數(shù)原理

BI指數(shù)是Rikimaru等在2002年提出，該指數(shù)根據(jù)土壤在紅光波段和短波紅外波段的反射率較其他地表覆被類型高，而在中紅外波段和藍(lán)光波段較其他地表覆被類型偏低的特征，可以有效提取土壤信息。BI指數(shù)取值范圍在0～200之間，BI值越大，則土壤的概率越大，這樣就可通過設(shè)置閾值提取土壤信息，在很大程度上可以有效剔除土壤信息，相較于歸一化土壤指數(shù)[12]（Normalized Difference Soil Index，NDSI）等，BI指數(shù)表現(xiàn)更好。BI值計算公式如下：

式中BLUE、RED、NIR和SWIR1分別對應(yīng)著遙感影像中的藍(lán)光、紅光、近紅外和短波紅外波段的光譜反射率。

（3）BCI指數(shù)與BI指數(shù)結(jié)合提取不透水面信息

基于BCI的不透水面提取方法較其他指數(shù)具有一定優(yōu)勢，但研究發(fā)現(xiàn)BCI指數(shù)在區(qū)分土壤和不透水面上依然存在困難，部分土壤的BCI值很高，和不透水面存在混淆。為提高不透水面提取精度，在利用BCI方法得到不透水面提取結(jié)果后，本研究引入BI指數(shù)，使用BI指數(shù)提取研究區(qū)土壤信息，進(jìn)而在很大程度上有效剔除土壤信息。利用BCI指數(shù)與BI指數(shù)相結(jié)合的方法提取不透水面信息，可得到更精確的研究結(jié)果。

1.2.3 研究區(qū)長時間序列不透水面信息提取

在給定研究區(qū)的前提下，確定城市不透水面信息提取輸入的最優(yōu)數(shù)據(jù)源類型、空間分辨率和信息提取方法，對該研究區(qū)的城市不透水面進(jìn)行長時間序列分析，獲取間隔相應(yīng)年限的城市不透水面信息。經(jīng)過對研究區(qū)近10年的Landsat影像數(shù)據(jù)加工處理，形成時間序列的不透水面分布產(chǎn)品。

1.2.4 生成數(shù)據(jù)集

將所得研究區(qū)不透水面信息提取結(jié)果制作生成數(shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)集能直觀地呈現(xiàn)出研究區(qū)不透水面分布狀況及時空演變特征，從而反映研究區(qū)城市發(fā)展建設(shè)方向。該成果有助于促進(jìn)示范區(qū)城市環(huán)境變化監(jiān)測，為城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)流程支撐。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

基于遙感影像數(shù)據(jù)完成三亞市2004-2015年不透水面信息提取，生成不同時相不透水面分布圖。通過所得數(shù)據(jù)結(jié)果可以有效獲取三亞市不透水面分布及演變特征信息，如圖3所示a-e為2004年、2008年、2011年、2013年和2015年5期三亞市不透水面分布圖，圖4為2004-2015年三亞市不透水面擴(kuò)張圖。

圖3 2004-2015年5期三亞市不透水面分布圖

圖4 2004-2015年三亞市不透水面擴(kuò)張圖

基于各期三亞市不透水面分布圖及2004-2015年三亞市不透水面擴(kuò)張圖，可得三亞市不透水面主要集中在包括崖州區(qū)的南部、天涯區(qū)的東南部、吉陽區(qū)和海棠區(qū)，由于三亞市的北部為山區(qū)，故不透水面分布相對較少。從不透水面的年際變化上，2004-2015年間三亞市不透水面積逐漸增加，不透水面聚集程度提高，在區(qū)域變化上以沿海區(qū)域的增加較為明顯。并且通過三亞市不透水面擴(kuò)張分析可以預(yù)測在將來一定時期三亞市不透水面仍將沿著沿海區(qū)域擴(kuò)展，并逐步向內(nèi)陸延伸，內(nèi)部填充和外延式擴(kuò)充同時進(jìn)行，逐漸形成各城市間的連接趨勢，三亞市城市化水平將不斷提高。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為確保最終生成高質(zhì)量的研究區(qū)不透水面分布數(shù)據(jù)集，研究過程中對采用的BCI指數(shù)與BI指數(shù)結(jié)合的不透水面信息提取方法進(jìn)行精度驗證。研究基于2013年三亞市Landsat 8遙感影像（圖5a），選擇有裸土分布的典型區(qū)域為試驗區(qū)（圖5b），分別使用BCI指數(shù)及BCI指數(shù)與BI指數(shù)相結(jié)合2種方法進(jìn)行不透水面信息提取，比較兩者在提取精度上的差異。當(dāng)使用BCI指數(shù)時，提取的不透水面結(jié)果如圖5c所示，當(dāng)采用2個指數(shù)結(jié)合方法時結(jié)果如圖5d，其中白色部分為透水區(qū)域，黑色部分為不透水區(qū)域。通過對提取結(jié)果對比可得，圖5c中單獨使用BCI指數(shù)誤分為不透水面的土壤信息，在圖5d中由2個指數(shù)結(jié)合的方法可以很大程度有效剔除，提高了不透水面提取精度。該方法簡單，便于操作，可應(yīng)用于大尺度不透水面提取。

圖5 不透水面提取方法區(qū)域試驗

故本文將BCI指數(shù)與BI指數(shù)結(jié)合提取了三亞市2004年、2008年、2011年、2013年及2015年5個時期的不透水面，并分別在全區(qū)域均勻選取驗證樣本點，分為不透水面和透水面2種類型，經(jīng)Google Earth高精度影像精度驗證，定量檢驗不透水面的提取精度。經(jīng)驗證該方法具有很好的研究效果，最高精度在90%以上，檢驗結(jié)果如表2所示。

表2 不透水面提取精度表

4 數(shù)據(jù)價值

城鎮(zhèn)化的一個重要表現(xiàn)是不透水面分布比率的上升。不透水面是衡量城市發(fā)展水平的重要指標(biāo)，城市內(nèi)部不透水面分布變化對城市生態(tài)環(huán)境具有重要影響。對于規(guī)模較大的城市，采用高性價比的中等空間分辨率影像，獲取不透水面的分布，是當(dāng)前國際研究的熱點。本研究以Landsat影像為數(shù)據(jù)源，以三亞市為研究區(qū)，制作2004-2015年間5期不透水面分布數(shù)據(jù)集，在較大時空尺度上驗證了指數(shù)結(jié)合方法對不透水信息提取的適用性，并為三亞市生態(tài)環(huán)境評估、“海綿城市”建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。