重慶市城市綠地變化監(jiān)測方法研究?

王 快 徐元龍

1 重慶市勘測院 重慶 401121 2 重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心 重慶 401121

重慶市城市綠地變化監(jiān)測方法研究?

王 快1，2徐元龍1

1 重慶市勘測院 重慶 401121 2 重慶市地理國情監(jiān)測工程技術(shù)研究中心 重慶 401121

城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的一部分，在改善生態(tài)與人居環(huán)境方面起著積極的作用。遙感技術(shù)因其具有多時相和快速獲取的特點，已逐漸成為城市綠地變化監(jiān)測的主要手段。文章以城市遙感的理論知識為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了面向像斑的變化監(jiān)測技術(shù)及相關(guān)的特征分類理論，并以重慶市為例，研究了變化監(jiān)測技術(shù)在城市綠地監(jiān)測中的應(yīng)用，并分析了兩年間城市綠地系統(tǒng)的分布狀態(tài)及其變化趨勢，為相關(guān)部門正確決策提供有效依據(jù)。

城市綠地，遙感，變化監(jiān)測，像斑

城市綠地不僅能為市民提供日常游玩和休憩的園地，凈化城市空氣和水體，防風(fēng)固沙，降低城市的噪聲，改善城市的區(qū)域氣候；還能夠維持人居環(huán)境的生態(tài)平衡，提高人們的生活質(zhì)量，改善城市的生態(tài)系統(tǒng)等[1，2]。然而隨著不斷加快的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程，城市綠地受到了不同程度的破壞，抑或是原來預(yù)留的城市綠地被改作其他用途[3]。因此，對城市綠地開展動態(tài)監(jiān)測，有效掌握城市綠地的演變過程，引導(dǎo)城市健康發(fā)展，建立和諧的城市生態(tài)系統(tǒng)顯得十分必要。

由于城市綠地具有覆蓋面廣、綜合性強、數(shù)據(jù)量大、內(nèi)容豐富等特點，傳統(tǒng)的測繪方法費用昂貴，花費太多的人力物力和財力，且監(jiān)測結(jié)果也不一定準(zhǔn)確等原因，已經(jīng)很難對城市綠地進行實時或者準(zhǔn)實時的監(jiān)測；另外，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用空間信息技術(shù)監(jiān)測城市綠地已取得了很大進展。目前，遙感技術(shù)因其能夠動態(tài)地、周期性地獲取地表信息而廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境的調(diào)查和地表環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域[4]。同時，結(jié)合GIS強大的空間數(shù)據(jù)的處理和分析能力，為遙感信息的處理提供了有力平臺，兩者的結(jié)合可以快速、準(zhǔn)確地獲取城市綠地資源的多維信息，全面了解城市綠化狀況，及時掌握綠地的動態(tài)變化，為進一步對城市綠地的規(guī)劃調(diào)整打下基礎(chǔ)[1，5-7]。在這樣的大背景下，如何利用各時期測繪地理信息成果，對城市綠地進行動態(tài)監(jiān)測，并統(tǒng)計分析其分布特性和變化趨勢，實現(xiàn)城市生態(tài)綠地的合理布局和空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使城市綠地充分、高效地發(fā)揮其生態(tài)效益，已成為地理國情監(jiān)測的重要研究內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外已有利用高分辨率遙感影像開展城市綠地的提取、分類等相關(guān)研究。如對珠海、廣州等城市的綠地進行分類、提取，開展動態(tài)分析研究[8-9]。也有學(xué)者結(jié)合K-T變換和ICA變換，根據(jù)地物的遙感影像特征、光譜特征信息和基于閥值的分類技術(shù)進行有效波段最優(yōu)組合及地物分類，以及用多尺度分割方法來界定城市綠地邊界，大幅提高了綠地專題信息提取的精度[10-11]。Puissant等[12]人結(jié)合了隨機森林分類技術(shù)和面向?qū)ο髨D像分析技術(shù)，對城市綠地的信息的變化情況進行檢測，結(jié)果具有較高的精度。

本文利用遙感手段對重慶市城市綠地進行動態(tài)監(jiān)測，探討基于像斑的變化監(jiān)測技術(shù)以及在城市綠地保護中的應(yīng)用，以期形成快速化、規(guī)模化、常態(tài)化的地理國情監(jiān)測能力，形成科學(xué)客觀、內(nèi)容豐富、形式多樣的地理國情監(jiān)測成果，為政府、企業(yè)和公眾提供地理國情信息服務(wù)，為常態(tài)化地理國情監(jiān)測工作奠定技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

重慶市是我國西部地區(qū)唯一的直轄市，地處較為發(fā)達的東、中部地區(qū)和資源豐富的西部地區(qū)的結(jié)合部，東臨湖北、湖南，南靠貴州，西接四川，北連陜西。重慶主城區(qū)城市綠地規(guī)劃形成了 “兩江”“四山”“多廊”的空間結(jié)構(gòu)體系。

重慶主城區(qū)離海洋較遠，屬中亞季風(fēng)區(qū)，冬季受偏北季風(fēng)控制，夏季受偏南季風(fēng)影響。氣候冬暖夏熱，四季分明，空氣濕潤，日照少，無霜期長，多霧，雨熱同季，常有大風(fēng)冰雹。多年平均氣溫18℃，多年平均降雨量在1 100 mm左右，降雨時空分布不均，75%～80%以上的雨量主要集中在5—10月。重慶市主城區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較好，2016年GDP為17 558.76億人民幣，人均國內(nèi)生產(chǎn)總值為91 597.47元，超過全市人均國內(nèi)生產(chǎn)總值58%。

1.2 數(shù)據(jù)資料

1)2014—2015年高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。利用采購的2014年和2015年的worldVIEW-2衛(wèi)星影像(分辨率0.5 m)以及SPOT-7衛(wèi)星影像的主城區(qū)高分辨率遙感衛(wèi)星影像 (分辨率1.5 m)，作為本項目研究的主要影像數(shù)據(jù)源。

2)主城區(qū)的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)。從已有的數(shù)字線劃圖中提取其中的綠地面數(shù)據(jù)進行整合，用作補充數(shù)據(jù)源。因普查指標(biāo)限制，部分綠地并未采集，而從數(shù)字線劃圖中采集的圖斑更為精細(xì)，可作為綠地源的補充數(shù)據(jù)。

3)第一次地理國情普查數(shù)據(jù)。包括地表覆蓋分類數(shù)據(jù)、地理國情要素數(shù)據(jù)、地理單元數(shù)據(jù)，將其作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并依據(jù)2014年10月和2015年10月高分辨率影像，采集兩年間的綠地信息。

4)城鄉(xiāng)規(guī)劃數(shù)據(jù)。包括主城區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃資料、重慶市綠地系統(tǒng)規(guī)劃資料，用于對比分析評估主城區(qū)綠地規(guī)劃與保護情況。

2 研究方法

本文以重慶市第一次地理國情普查成果數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合2014、2015年主城區(qū)高分辨率衛(wèi)星遙感影像，針對重慶市主城區(qū)規(guī)劃范圍(1 440 km2)的城市綠地變化開展專項監(jiān)測:采集區(qū)域內(nèi)2014、2015年公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地、附屬綠地和其他綠地的范圍及空間分布信息數(shù)據(jù)，對主城區(qū)2014—2015年城市綠地變化、規(guī)劃實施效果等進行分析評價。

本文探索了以多源遙感影像為基礎(chǔ)的面向像斑的變化檢測技術(shù)，變化監(jiān)測的流程主要包括同質(zhì)像斑的獲取、特征提取和變化檢測3個環(huán)節(jié)。其總體技術(shù)流程如圖1所示。

1)同質(zhì)像斑的獲取。本文主要利用數(shù)據(jù)套合的方法來獲取影像的像斑對象。數(shù)據(jù)套合法是利用矢量數(shù)據(jù)與遙感影像進行疊加來獲取影像的像斑[13]。同時，利用根據(jù)矢量數(shù)據(jù)中包含的地類碼屬性，獲得像斑的類別信息。為了提高各類別像斑的同質(zhì)性，保證變化檢測的精度，對套合后獲取的像斑進行再分割，生成子像斑，直到各類別的像斑同質(zhì)性達到分割設(shè)定的閾值標(biāo)準(zhǔn)。

2)基于像斑的特征提取。獲取同質(zhì)像斑后，提取兩期影像像斑的特征信息來構(gòu)建特征空間。為了實現(xiàn)對地物的準(zhǔn)確識別，還需要對像斑特征進行優(yōu)化，即選擇一組最佳的特征組合，使得組合內(nèi)的特征之間的相關(guān)性較小，從而有效地剔除像斑中的冗余信息。

3)變化檢測。本文主要使用了分類后處理和分類前比較的變化檢測方法。針對分類后處理的變化檢測方法，當(dāng)獲取了兩個時期的像斑分類結(jié)果后，對兩個時期遙感影像的對應(yīng)像斑類別進行疊置分析，獲取變化檢測結(jié)果；針對分類前比較的變化檢測方法，本文通過獲取兩個時期影像對應(yīng)像斑內(nèi)的所有像元灰度差值的熵，然后通過設(shè)定合理的閾值來得到變化檢測結(jié)果。

圖1 基于高分辨率遙感影像與地理國情數(shù)據(jù)結(jié)合的變化監(jiān)測技術(shù)框架

3 結(jié)果與分析

3.1 城市綠地現(xiàn)狀

主城規(guī)劃區(qū)范圍的總面積為14.4萬hm2，通過遙感監(jiān)測手段得到該范圍內(nèi)的綠地總面積約占規(guī)劃區(qū)面積的29.58%。城市綠地中一部分是用于城市綠化的公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地和附屬綠地，另一部分是其他綠地。統(tǒng)計分析得到用于綠化的公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地、附屬綠地和其他綠地的占地現(xiàn)狀如圖2所示。

從圖2中可以看出，其他綠地由于包含了風(fēng)景名勝區(qū)、水源保護區(qū)、郊野公園、森林公園、自然保護區(qū)、風(fēng)景林地、縣城綠化隔離帶、野生動植物、濕地等綠地類型，因而占據(jù)了相當(dāng)大的比重。附屬綠地則主要包含了城市建設(shè)用地中綠地之外的各類用地的附屬綠化，因此也占據(jù)了較大的比重。公園綠地是指向公眾開放，以游憩為主要功能，兼具生態(tài)、美化、防災(zāi)等作用的綠地，相比較而言，所占的比重較小。防護綠地是城市中具有衛(wèi)生、隔離和安全防護功能的綠地，隨著近年來重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，防護了本地的總面積也保持在相當(dāng)?shù)乃?；而生產(chǎn)綠地主要是為城市綠化提供苗木、花草、種子的苗圃、花圃等圃地。常常帶有季節(jié)性或者臨時性，因此所占的比重較低。

圖2 各類綠地面積所占百分比統(tǒng)計

3.2 城市綠地變化

3.2.1 城市綠地新增情況

對比分析2014年和2015年城市綠地分布情況，通過疊加分析方法提取兩期綠地變化信息。同時結(jié)合外業(yè)核查數(shù)據(jù)和相關(guān)成果資料，統(tǒng)計分析得出主城區(qū)綠地新增情況，如表1所示。

1)城市新修的居住用地導(dǎo)致居住用地的附屬綠地面積得以增加，而新增的附屬綠地又是新增城市綠地的主要組成部分。

2)公園綠地主要是新增了居住區(qū)公園。

3)因新建道路而新增的防護綠地和生產(chǎn)綠地都有了不同程度的增加。

表1 城市綠地新增情況統(tǒng)計

3.2.2 城市綠地減少情況

通過GIS的疊加分析方法，對比分析2014年和2015年城市綠地分布情況，提取兩期綠地變化信息，如表2所示。同時結(jié)合外業(yè)核查數(shù)據(jù)和相關(guān)成果資料，得出如下結(jié)論:

1)主城區(qū)綠地減少主要分為兩部分，一部分是用于城市綠化的綠地，另一部分是城市建設(shè)用地之外的其他綠地。

2)用于城市綠化部分綠地減少按類別統(tǒng)計主要是防護綠地和居住綠地。

3)綠地減少后主要變成施工區(qū)和草地 (挖掘后長期放置未動工而長草)，少量變?yōu)楦?、硬化地表、道路、房屋等?/p>

4)綠地減少量最大的區(qū)域是在北碚區(qū)蔡家灣附近。

5)部分公園如街旁綠地、石虎公園、鐵山坪森林公園和悅來會展公園等，因公園改建或是新修公路等原因?qū)е戮G地減少。

表2 城市綠地減少情況統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

本文利用第一次地理國情普查數(shù)據(jù)和地形圖數(shù)據(jù)，以2014年10月和2015年10月影像為基礎(chǔ)，對主城規(guī)劃區(qū)范圍的綠地進行了更新采集，探討了利用變化監(jiān)測技術(shù)在城市綠地監(jiān)測中的應(yīng)用，提出了一種基于遙感影像像斑的可靠性變化檢測技術(shù)方法，重點討論了分類后比較變化檢測方法以及基于像斑差熵的分類前比較變化檢測方法。同時，將監(jiān)測得到的城市綠地現(xiàn)狀信息與重慶主城區(qū)綠地規(guī)劃數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。主城區(qū)城市綠地減少主要是因建筑施工、新建道路所致，應(yīng)盡快完成修復(fù)和改造，避免因為過度開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境破壞。

城市綠地的監(jiān)控是城市規(guī)劃的一項重要課題，將遙感技術(shù)應(yīng)用到城市綠地系統(tǒng)監(jiān)測中可以動態(tài)掌握綠地的覆蓋面積，從而優(yōu)化城市綠地的空間結(jié)構(gòu)，提高城市的可持續(xù)發(fā)展?jié)撃埽贿€能提高城市相關(guān)部門在規(guī)劃城市園林綠地建設(shè)中決策的科學(xué)性，為制定城市園林綠化遠景規(guī)劃提供量化的、直觀的依據(jù)。

今后將進一步擴大監(jiān)測范圍，開展居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、倉儲用地等其他專題規(guī)劃實施情況監(jiān)測，為城鄉(xiāng)規(guī)劃工作的科學(xué)性提供保障。

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Research on M onitoring M ethod of Urban Green Space Change in Chongqing City

Wang Kuai1，2Xu Yuanlong1
(1.Chongqing SurveyInstitute， Chongqing 401121， China；2.Chongqing Geography and National Conditions Monitoring Engineering Technology Research Center，Chongqing 401121，China)

As a part of urban ecosystem，green spaces play an active role in improving ecological environment and living surroundings.Remote sensing has gradually become the main method to monitor the areas of green space changes in urban areas because of its characteristics of multiple phases and quick access.Based on the basic knowledge of remote sensing，this paper elaborated in details the object-oriented technology of changemonitoring and the related theory of feature classification.Meanwhile，it took the Chongqing City as an example to study the application of the technology to urban green spacemonitoring.Finally，the distribution of green spaces in urban areas and their change trend in recent two yearswere analyzed to provide an effective basis for relevant department tomake right decisions.

urban green space， remote sensing， changemonitoring， image spot

10.3969/j.issn.1672-4925.2017.05.010

2017-04-17

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科研項目:“低碳城鎮(zhèn)化及其影響因子的遙感監(jiān)測與應(yīng)用研究 (2015-K8-009)”；地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金:“城市綠地的動態(tài)監(jiān)測與應(yīng)用研究 (2016NGCM05)”

王快 (1988-)，女，碩士，工程師，研究方向為遙感科學(xué)與技術(shù)，E-mail:525905702＠qq.com

徐元龍 (1987-)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向為地理信息系統(tǒng)，E-mail:397320989＠qq.com