張曉萍, 呂 穎, 張華國, 李朝奎
(1.洛陽師范學(xué)院國土與旅游學(xué)院,洛陽 471934; 2.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310012; 3.湖南科技大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,湘潭 411201)
不透水面(impervious surfaces,IS)是城市中普遍存在的人工地表特征,其表面覆蓋著諸如水泥、瀝青、混凝土、磚和壓實(shí)的土地等不滲透性材料[1]。IS隔離地表水向土壤下滲,影響區(qū)域地表徑流、水文循環(huán)、水體質(zhì)量及生物多樣性等生態(tài)環(huán)境要素[2]。近幾十a(chǎn)來,在快速城鎮(zhèn)化的影響下,舟山海島的自然地表被不斷增加的不透水硬化地面所代替[3]。地表覆蓋硬化加劇了海島地表徑流的活動(dòng),人類開發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的污染則隨地表徑流匯入島內(nèi)水庫,或隨河道排入海中,不僅嚴(yán)重污染了島上的淡水資源,還使原本就很有限的淡水資源變得更加稀缺。為此,因海島土地利用方式改變而引發(fā)的海島淡水資源環(huán)境安全問題受到了廣泛關(guān)注。在這樣的背景下,定量化研究舟山群島的IS變化動(dòng)態(tài),對(duì)分析海島城市淡水污染機(jī)制及其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
遙感技術(shù)的快速發(fā)展使得獲取不同時(shí)空尺度的IS變化信息成為可能。Carlson等[4]運(yùn)用AVHRR和Landsat TM影像,根據(jù)植被覆蓋度反比關(guān)系,獲取了美國賓夕法尼亞州切斯特地區(qū)1987―1996年間的IS變化信息; Xian等[5]運(yùn)用Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)及航空數(shù)字影像,通過回歸決策樹方法提取了美國佛羅里達(dá)州坦帕灣流域1991―2002年的IS動(dòng)態(tài)變化信息; Powell等[6]基于1972―2006年獲取的Landsat數(shù)據(jù)集,運(yùn)用光譜混合分析法,估算了美國華盛頓地區(qū)的IS變化狀況。徐涵秋[7]基于Landsat ETM+及ASTER影像數(shù)據(jù)提出一種歸一化差值IS指數(shù),估測(cè)了我國福州市的IS動(dòng)態(tài)變化; Zhang等[8]基于1998―2013年獲取的Landsat影像數(shù)據(jù)集,綜合地表溫度指數(shù)、生物物理組合指數(shù)及歸一化植被指數(shù)與IS覆蓋度的線性關(guān)系,分析了近25 a我國珠江流域的IS變化。此外,也有研究者綜合使用WorldView-2等高空間分辨率影像及LiDAR數(shù)據(jù),采用面向?qū)ο?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)及決策樹方法研究了城市區(qū)域的IS動(dòng)態(tài)變化[9-11]??傮w上,估算IS的方法大致可分為4類: 光譜混合分析法、回歸法、分類法及指數(shù)法[12]。上述研究的IS主要是內(nèi)陸地區(qū)(包括城市、內(nèi)陸河流域等),對(duì)海島而言,除林地、耕地、建筑區(qū)、農(nóng)村居住區(qū)及河流之外,還有鹽田、灘涂、養(yǎng)殖區(qū)、水庫及坑塘等,這些地物的光譜特性在水的影響下極易與IS混淆,給海島地區(qū)的IS變化分析造成了一定困難。光譜混合分析法在處理混合像元問題上具有一定優(yōu)勢(shì),但不適用于大范圍、地物復(fù)雜區(qū)域的IS提取,因?yàn)樵谶@種情況下不易獲取代表純凈IS端元的光譜特征[13]。分類法是較為成熟的IS提取方法,可操作性強(qiáng),但一般需要解譯人員結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)建立完善的IS解譯標(biāo)志。指數(shù)法可提出能反映IS分布與其他地物具有較高分離度的特征指數(shù),計(jì)算相對(duì)簡單、高效,但需要自定義IS分割閾值,且IS指數(shù)不能與真實(shí)的IS含量相關(guān)聯(lián),難以進(jìn)行絕對(duì)量化分析[12]。回歸法是通過地物光譜特征和IS的比例關(guān)系建立回歸函數(shù),進(jìn)而估計(jì)區(qū)域的IS分布,常應(yīng)用在地物相對(duì)復(fù)雜的IS提取中。植被覆蓋度反比關(guān)系法是回歸法的一種,其基本原理是根據(jù)城市建成區(qū)中植被覆蓋度與不透水面覆蓋度的強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系獲取IS信息,植被覆蓋度可由歸一化植被指數(shù)或者纓帽變化的綠度分類獲得; 該方法簡單易行,避開了混合像元的問題,在植被、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和水文氣候模擬等方面應(yīng)用廣泛[1]。國內(nèi)已有不少研究者運(yùn)用遙感及地理信息技術(shù)對(duì)我國長島[14]、崇明島[15]、舟山群島[3]和廈門島[16]的土地利用變化進(jìn)行了分析,但是較少關(guān)注并系統(tǒng)分析群島城市的IS動(dòng)態(tài)變化信息[17]。因此,本文的研究目標(biāo)是在已有研究成果基礎(chǔ)上,基于植被覆蓋度反比關(guān)系法提取舟山群島1990─2011年近20 a間的IS信息,包括IS面積變化、新增IS的空間分布及高程分布變化信息,并分析其影響因素。
選取舟山本島及其附近島嶼為研究區(qū)。舟山群島附近島嶼包括金塘島、秀山島、冊(cè)子島、長白島、長峙島、大貓島、岙山島、盤峙島、小干島和魯家峙等,行政上涉及舟山市的定海區(qū)、普陀區(qū)及岱山縣,島陸總面積約703.34 km2(圖1)。
圖1 研究區(qū)位置
研究區(qū)內(nèi)各主要海島的基本信息見表1。
表1 研究區(qū)主要海島基本信息Tab.1 Basic information of major islands in study area
研究區(qū)屬北亞熱帶南緣海洋性季風(fēng)氣候區(qū),年均降雨量為1 300~1 500 mm; 森林覆蓋類型主要有針葉林、常綠闊葉林及落葉闊葉林。舟山市是海島城市,淡水資源缺乏,海島生態(tài)系統(tǒng)脆弱,島嶼眾多(故習(xí)慣稱“舟山群島”),但面積普遍狹小,且以丘陵山地為主,可利用土地資源有限。1988年以來,舟山市的港口海運(yùn)、臨港工業(yè)、海島旅游、海洋漁業(yè)等行業(yè)發(fā)展迅速。在舟山市海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),經(jīng)濟(jì)增長與海島土地資源、淡水資源環(huán)境安全之間的矛盾也日漸突出。1990―2011年間,舟山群島的IS發(fā)生了較大變化。
獲取研究區(qū)3期中等空間分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù): 1990年6月11日Landsat5 TM、2000年6月14日Landsat7 ETM+和2011年5月20日Landsat5 TM,影像空間分辨率均為30 m; 3期高空間分辨率航空/衛(wèi)星數(shù)據(jù): 1990年12月1 m空間分辨率全色航空影像、2002年10月1 m空間分辨率多光譜航空影像和2011年4月20日2.5 m空間分辨率SPOT5多光譜融合影像。以上數(shù)據(jù)研究區(qū)內(nèi)都無云遮擋,影像清晰,質(zhì)量均較好。運(yùn)用ENVI EX5.1 軟件對(duì)TM/ETM+影像進(jìn)行輻射定標(biāo)處理,將各時(shí)相影像的DN值校正為星上反射率。利用ERDAS IMAGINE2013軟件的AutoSync模塊對(duì)多時(shí)相遙感影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn),影像重采樣方式為最鄰近像元法,配準(zhǔn)的均方根誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi)。
本文所用的其他數(shù)據(jù)包括: 2005年舟山市土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)、2011年研究區(qū)行政區(qū)劃矢量圖、1980年研究區(qū)30 m空間分辨率數(shù)字高程模型柵格圖及1989―2011年間舟山市統(tǒng)計(jì)年鑒等。為便于遙感影像、矢量數(shù)據(jù)及專題圖等之間進(jìn)行空間疊置分析,將所有數(shù)據(jù)的投影方式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984橫軸墨卡托(Transverse Mercator)投影。
2.2.1 城市建成區(qū)確定
運(yùn)用分類、掩模的方法獲取建成區(qū)信息[17]。首先,將研究區(qū)內(nèi)的用地類型劃分為林地、旱地、水田、鹽田、養(yǎng)殖水面、河流水庫水面、灘涂、高密度建筑用地和低密度建筑用地(其中,高密度建筑用地是指城市、建制鎮(zhèn)、獨(dú)立工礦用地、港口碼頭用地、公路用地及特殊用地等IS覆蓋比例較高的用地類型; 低密度建筑用地是指IS覆蓋比例相對(duì)較低的居民地及水工建筑用地),以2005年的實(shí)測(cè)土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過ENVI EX5.1 軟件中的最大似然監(jiān)督分類法分別提取1990年、2000年和2011年的土地利用/覆蓋信息,分類結(jié)果如圖2所示; 然后,利用ArcGIS10.3軟件分別從上述3景Landsat影像中通過掩模運(yùn)算去掉除高、低密度建筑用地之外的其他地類,獲得各個(gè)時(shí)期的城市建成區(qū)影像。
(a) 1990年 (b) 2000年 (c) 2011年
圖21990―2011年舟山群島土地利用/覆蓋分類
Fig.2Landuse/landcovermapofZhoushanIslandsfrom1990to2011
2.2.2 植被覆蓋度計(jì)算
植被覆蓋度是衡量地表植被覆蓋狀況的一個(gè)重要指標(biāo),可通過纓帽變化的綠度分量或歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)獲得[4,18]。在確定城市建成區(qū)的基礎(chǔ)上,本文利用NDVI方法計(jì)算掩模運(yùn)算后各時(shí)期遙感影像的植被覆蓋度,即
綜合前文兩個(gè)回歸分析結(jié)果,我們可以發(fā)現(xiàn)較高程度的銀行信任雖有助于提高小微企業(yè)的信貸可獲得性(假說1成立),但對(duì)其議價(jià)能力的提升無顯著影響,既未對(duì)其貸款利率產(chǎn)生顯著影響,也無益于降低貸款抵押要求(假說2和假說3不成立)。
Fr≈N*2,
(1)
(2)
(3)
式中:Fr為植被覆蓋度;N*為調(diào)整后的植被指數(shù);NDVIs為純裸土像元;NDVIv為純植被像元;ρr為TM/ETM+影像紅光波段(630~690 nm)的反射率;ρnir為近紅外波段(760~900 nm)的反射率。
對(duì)于多數(shù)裸露地表,NDVIs一般不隨時(shí)間改變,理論上接近0; 但因受地表溫度、粗糙度、土壤類型、土壤顏色和土地利用程度等條件影響,變化范圍一般在-0.1~0.2之間[19]。受植被類型不同等因素影響,NDVIv也會(huì)隨時(shí)間和空間而改變。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)NDVIs和NDVIv這2個(gè)參數(shù)做出適當(dāng)?shù)呐袛唷1疚耐ㄟ^把每一時(shí)相的NDVI圖疊置到相應(yīng)時(shí)期的分類圖上,分別提取與林地、旱地對(duì)應(yīng)的NDVI像元,作為純植被像元和純裸土像元。
2.2.3 IS覆蓋度估算及精度驗(yàn)證
利用城市建成區(qū)內(nèi)IS覆蓋度(impervious surface area,ISA)與植被覆蓋度之間的強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系,定義ISA為單位面積地表中IS面積所占百分比,無量綱。其計(jì)算方法為
ISA=(1-Fr)dev,
(4)
式中:ISA為單個(gè)像素中的ISA; 下標(biāo)dev表示城市建成區(qū)。
從高空間分辨率影像中隨機(jī)選擇樣本,通過目視解譯和最大似然分類法對(duì)樣本進(jìn)行分類,包括不透水面、草地、林地、農(nóng)田、裸地、水體、陰影及灘涂。基于高空間分辨率數(shù)據(jù)分類結(jié)果,統(tǒng)計(jì)落在30 m×30 m網(wǎng)格內(nèi)的IS像元數(shù),得到30 m空間分辨率的ISA。以高空間分辨率數(shù)據(jù)計(jì)算的ISA為參考值,以Landsat影像提取的ISA為估計(jì)值,選取平均相對(duì)誤差(average relative error,MRE)、相關(guān)系數(shù)(R)為ISA提取的精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[20],即
(5)
(6)
1990―2011年間舟山群島ISA分布如圖3所示。
(a) 1990年 (b) 2000年 (c) 2011年
圖31990―2011年舟山本島及其附近島嶼ISA分布
Fig.3ISAmapsofZhoushanIslandsfrom1990to2011
ISA提取結(jié)果的精度評(píng)價(jià)見表2。
表2ISA提取結(jié)果的精度評(píng)價(jià)
Tab.2AccuracyassessmentforresultsofISAextraction
年份統(tǒng)計(jì)指標(biāo)MRE/%R1990年15.050.6712000年11.950.6052011年 8.000.733
2000年的ISA提取精度相對(duì)較低,主要是因所用的高空間分辨率參考數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的ISA估算數(shù)據(jù)獲取時(shí)間不一致引起的。此外,裸土、灘涂及細(xì)小水體的混入,也會(huì)影響ISA估算值,進(jìn)而影響樣本點(diǎn)的精度對(duì)比。總體上,R>0.6,MRE控制在15%以內(nèi),表明本文方法基本能較好地估算研究區(qū)近20 a的IS變化信息。1990—2011年間研究區(qū)IS面積變化見圖4。
(a) 研究區(qū) (b) 舟山島(c) 金塘島(d) 秀山島
(e) 冊(cè)子島 (f) 長白島(g) 長峙島(h) 大貓島
圖4-11990―2011年研究區(qū)及各主要島嶼IS面積變化
Fig.4-1ChangesofISareainZhoushanIslandsfrom1990to2011
(i) 岙山島 (j) 小干島(k) 盤峙島(l) 魯家峙
圖4-21990―2011年研究區(qū)及各主要島嶼IS面積變化
Fig.4-2ChangesofISareainZhoushanIslandsfrom1990to2011
由圖4可知,IS面積1990年為47.96 km2(占研究區(qū)總面積的6.28%),2000年為64.98 km2(占比9.24%),2011年為114.40 km2(占比16.27%)。1990―2011年間,研究區(qū)IS面積呈快速增加趨勢(shì)。2000―2011年IS面積的增加明顯大于1990―2000年,平均增幅為4.49 km2/a。
對(duì)比各主要島嶼的IS面積變化,發(fā)現(xiàn)呈明顯的異質(zhì)性。在過去20 a中,小干島和長峙島的IS面積變化最大(增加約8倍),其次是冊(cè)子島和岙山島(增加約4倍),秀山島、長白島和魯家峙增加約2~3倍,其他島(大貓島、盤峙島、舟山島及金塘島)的IS面積增加最少(約1倍)。其中,1990―2000年間,岙山島和冊(cè)子島的IS面積變化最大(增加近1倍); 長峙島和魯家峙的IS面積增加最少(約10%); 2000―2011年間,長峙島和小干島的IS面積增幅最大(約5~7倍),而舟山島和盤峙島的IS面積增幅最小(約40%)。
以1990年研究區(qū)的IS分布為參考,1990―2000年和2000―2011年2段時(shí)期內(nèi)新增IS的空間分布如圖5所示。從總體來看,2段時(shí)期中新增的IS沿著各島陸周邊外圍分布。1990年的IS區(qū)域主要分布在舟山本島的定海、普陀2個(gè)老城區(qū)(即解放街道、昌國街道、環(huán)南街道與沈家門街道),以及一些建制鎮(zhèn)(如展茅鎮(zhèn)、白泉鎮(zhèn)、馬岙鎮(zhèn)、岑港鎮(zhèn)及金塘鎮(zhèn)等)。1990―2000年間,舟山本島的定海老城區(qū)內(nèi)及外圍城東街道和普陀區(qū)的東港街道的IS明顯增加,其他建制鎮(zhèn)及其附近島嶼的IS面積也有不同程度的擴(kuò)張。2000―2011年間,舟山本島定海區(qū)的IS分布由中心城區(qū)向東南方向的臨城街道擴(kuò)展,并逐漸與普陀區(qū)連成一片,而舟山本島其他地區(qū)以及秀山島、長白島、小干島、冊(cè)子島、魯家峙及金塘島的周邊沿岸區(qū)域也增加了大片IS區(qū)域。
圖5 不同時(shí)期新增IS的空間分布
將獲取的1990―2000年和2000―2011年2段時(shí)期內(nèi)的新增IS空間分布分別疊置在1980年的研究區(qū)數(shù)字高程模型柵格圖上,得到不同時(shí)期新增IS處的高程變化情況。
以高程值0為分界線,2段時(shí)期的新增IS主要分布在高程值>0的區(qū)域; 但2000―2011年間則有更多的新增IS分布在高程值<0的區(qū)域,表明新增IS明顯在向沿岸低海拔地區(qū)推進(jìn)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)新增IS處高程值的變化發(fā)現(xiàn),在高程值≤0區(qū)域,1990―2000年間的高程均值為-1.21 m; 而2000―2011年間則降低為-1.59 m。在高程值>0區(qū)域,2段時(shí)期的高程均值約為13 m,而高程最大值則達(dá)到了455 m以上,但這些極大高程值的頻數(shù)較低(圖6),且一般分布在山上(表3)。
(a) 1990―2000年 (b) 2000―2011年
圖6 不同時(shí)期新增IS處高程變化Fig.6 Changes of height for new increased IS during different periods表3 不同時(shí)期新增IS區(qū)域的高程Tab.3 Height of new increased IS during different periods (m)
1)影響IS動(dòng)態(tài)變化的地形因素。1990―2011年間,舟山本島及其附近島嶼的IS呈快速增加趨勢(shì),新增IS多分布在舟山本島老城區(qū)周邊、本島沿岸及附近島嶼(圖3―圖5)。研究區(qū)屬海島和丘陵地貌,尤其在舟山本島內(nèi)部分布有大片的丘陵和山地,這樣的海島地形不利于舟山市城區(qū)的快速發(fā)展。2000年前新增的IS多分布在舟山本島南部的定海及普陀老城區(qū)周邊,且增加的IS面積相對(duì)較小; 而附近島嶼(如魯家峙、小干島和長峙島等)離舟山市城區(qū)近,且分布有大量灘涂平原,為舟山市臨港工業(yè)的快速發(fā)展提供了有利的土地基礎(chǔ),因此2000―2011年間附近島嶼的IS面積增加迅速。可見,地形是研究區(qū)IS動(dòng)態(tài)變化的主要影響因素之一。
2)影響新增IS變化的功能定位及交通因素。由圖4中可以看出,舟山本島附近主要島嶼的IS面積變化呈明顯的異質(zhì)性: 在島陸面積較小的小干島、長峙島及岙山島,近20 a間IS面積增加約4~8倍; 而在島陸面積相對(duì)較大的秀山島和長白島,IS面積增加約2倍。結(jié)合表1中的基本信息發(fā)現(xiàn),凡IS面積變化大的島嶼,其功能定位一般是“港口物流”或“臨港工業(yè)”,且由跨海大橋連接舟山本島,交通便利,人類活動(dòng)影響大; 而IS面積變化相對(duì)較小的島嶼,其功能定位為“海洋旅游”,大多無跨海大橋連接舟山本島,交通不便,人類活動(dòng)干擾相對(duì)較小。因此,功能定位及交通狀況是影響各島嶼新增IS變化的2個(gè)重要因素。
3)影響IS時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化的政策因素。2000―2011年間,臨城街道有大片IS面積增加,并與定海及普陀老城區(qū)連成一片,極大擴(kuò)大了舟山本島的城區(qū)面積(圖5)。1990年,舟山政府開始推行“大島建小島遷”政策,組織居民向大島遷移,以便共享更多的淡水資源和基礎(chǔ)設(shè)施(包括能源、醫(yī)院、道路和住房等),提高防御臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的能力。圖7顯示,近20 a來舟山本島的人口密度呈持續(xù)增長趨勢(shì),而附近島嶼的人口密度整體呈降低趨勢(shì)。
圖7 不同時(shí)期各島嶼的人口密度變化
因此,“大島建小島遷”政策在一定程度上促使舟山本島城區(qū)IS面積增加。2005年起,舟山政府開始實(shí)行“以港興市”的發(fā)展政策,使靠近岸線地區(qū)興建了很多港口、碼頭和工礦企業(yè),故這期間臨港工業(yè)發(fā)展迅猛。圖7也顯示,2001―2011年多數(shù)島嶼的人口密度呈增加趨勢(shì)。無疑,“以港興市”的政策促使這一時(shí)期舟山本島沿岸及附近島嶼有大片IS區(qū)域增加(圖5)。此外,根據(jù)《舟山市灘涂圍墾規(guī)劃》,預(yù)計(jì)到2020年,將新建促淤圍墾項(xiàng)目30處,圍墾面積為24.62萬畝*1畝≈0.066 7 hm2,促淤面積為3.46萬畝。在快速城鎮(zhèn)化壓力下,舟山市通過圍墾工程逐漸向深水區(qū)“要地”,以增加居住空間、發(fā)展海洋臨港工業(yè)。由圖6也可以看出,2000―2011年間新增IS的高程均值明顯降低。因此,政策是影響研究區(qū)IS時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化的又一重要因素。
1)1990―2011年間,研究區(qū)IS面積快速增加,由1990年的47.96 km2(占研究區(qū)總面積的比例為6.28%)增至2011年的114.40 km2(占比為16.27%)。其中,2000―2011年的IS增加最快,平均增幅為4.49 km2/a。研究區(qū)各主要島嶼的IS面積變化呈明顯的異質(zhì)性: 小干島、長峙島、冊(cè)子島及岙山島的IS面積變化最大(增加約4~8倍); 其次是秀山島、長白島和魯家峙(增加約2倍); 大貓島、盤峙島、舟山島及金塘島增加的最少(約1倍)。
2)1990―2000年間,新增IS主要分布在舟山本島定海老城區(qū)與城東街道、普陀區(qū)的東港街道及一些建制鎮(zhèn)。2000―2011年,舟山本島定海區(qū)的IS分布由中心城區(qū)向東南方向的臨城街道擴(kuò)展,并逐漸與普陀區(qū)連成一片; 舟山本島其他地區(qū)以及秀山島、長白島、小干島、冊(cè)子島、魯家峙及金塘島的沿岸地帶有大量IS區(qū)域增加。
3)與1990―2000年相比,2000―2011年間有更多的新增IS分布在高程值<0的區(qū)域,或在很大高程處,前者發(fā)生在灘涂圍墾區(qū),后者主要分布在山上的工礦用地中。從總體上來看,近20 a來研究區(qū)新增IS明顯向沿海低海拔地區(qū)擴(kuò)張。
4)對(duì)IS變化的影響因素進(jìn)行討論分析,發(fā)現(xiàn)地形、政策、功能定位及交通(跨海大橋)等因素是影響研究區(qū)IS時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)力。
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