基于最小噪聲分離的沙特吉贊省城市建成區(qū)信息提取

李樵民 王文龍 魏采用 侯敏 楊雪茹

摘? ?要：基于MNF最小噪聲分離光譜增強(qiáng)技術(shù)以及面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)開(kāi)展了沙特吉贊省城市建成區(qū)信息提取。研究成果顯示，2008、2014、2018年三年度，吉贊省城市建成區(qū)面積分別為262.34、354.43和409.17km2。2008至2014年，吉贊省新增城市建成區(qū)92.09km2，增幅35.1%，年增長(zhǎng)面積15.34km2，面積年增長(zhǎng)率5.85%。2014至2018年新增城市建成區(qū)面積主要集中在吉贊經(jīng)濟(jì)城，且新增城市建成區(qū)主要為規(guī)劃開(kāi)發(fā)的獨(dú)立新城，原城鎮(zhèn)居民點(diǎn)面積增幅較小，空間上主要分布于該省中南部平原地區(qū)。

關(guān)鍵詞：遙感? 最小噪聲分離? ?建成區(qū)? 一帶一路

中圖分類號(hào)：TP79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（c）-0047-04

2013年9～10月國(guó)家主席習(xí)近平出訪中亞和東南亞國(guó)家期間，先后提出共同建設(shè)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”（簡(jiǎn)稱“一帶一路”）重大倡議，得到國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注。沙特吉贊省地處紅海東岸，是推進(jìn)“一帶一路”共建的重要地區(qū)之一。利用遙感技術(shù)開(kāi)展境外“一帶一路”沿線重點(diǎn)地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，推進(jìn)遙感技術(shù)“走出去”，為“一帶一路”共建提供了一項(xiàng)新的科技合作橋梁。吉贊省城市建成區(qū)信息是反映該地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的重要指標(biāo)之一。城市建成區(qū)面積及分布能夠很好的反映研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r的分布形勢(shì)，其變化情況也是研究區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的狀況的重要指標(biāo)。

1? 研究區(qū)概況

吉贊省位于沙特阿拉伯西南部，與也門接壤，西臨紅海，位于東經(jīng)42°至43.8°，北緯16.5°至17°之間，屬熱帶沙漠氣候，全年高溫干燥、炎熱少雨，面積約為1.2萬(wàn)平方公里。該省地形多樣，從北到南分布有多處河谷，洪水通過(guò)這些河谷從東部山區(qū)流向西部，直達(dá)紅海。全省可分為內(nèi)陸、林區(qū)和平原三部分。內(nèi)陸是綿延的山脈，林區(qū)有豐盛的牧草，平原地區(qū)盛產(chǎn)農(nóng)作物。區(qū)位如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1? 遙感數(shù)據(jù)源

選擇吉贊省2008年、2014年于2018年的Landsat數(shù)據(jù)與國(guó)產(chǎn)GF-1數(shù)據(jù)進(jìn)行城市建成區(qū)解譯與分析，選用的遙感數(shù)據(jù)源如表1所示。

國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星搭載兩臺(tái)2m分辨率全色和8m分辨率多光譜相機(jī)（PMS），四臺(tái)16m分辨率多光譜相機(jī)（WFV）。其數(shù)據(jù)時(shí)相自2013年4月26至今，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星工程水平的提升、提高我國(guó)高分辨率數(shù)據(jù)自給率具有重大戰(zhàn)略意義。其數(shù)據(jù)參數(shù)如表2、圖2所示。

Landsat-8于2013年2月運(yùn)行至今，目前中國(guó)科學(xué)院中國(guó)遙感衛(wèi)星地面站所生產(chǎn)的Landsat-8數(shù)據(jù)產(chǎn)品一共有四個(gè)級(jí)別，分別是0級(jí)、1級(jí)、系統(tǒng)糾正級(jí)與精糾正級(jí)，系統(tǒng)級(jí)糾正產(chǎn)品可獲取性最高。此外，通過(guò)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）同樣可獲取到相應(yīng)Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Landsat-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)如表3、圖3所示所示。

2.2 研究方法

基于MNF最小噪聲分離光譜增強(qiáng)技術(shù)以及面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)進(jìn)行城市建成區(qū)范圍提取。

最小噪聲分離變換（Minimum Noise Fraction Rotation，MNF Rotation）通過(guò)判斷圖像數(shù)據(jù)內(nèi)在維數(shù)（即遙感數(shù)據(jù)波段數(shù)），通過(guò)分離數(shù)據(jù)噪聲達(dá)到減少隨后處理中的計(jì)算需求量的目的。在真彩色影像中，受制于吉贊省熱帶荒漠氣候條件，砂質(zhì)土地與城市建成區(qū)難以區(qū)分，在USGS推薦的7/6/4波段組合中，雖然用到了短波紅外波段，相較于波長(zhǎng)較短的波段來(lái)說(shuō)，城市建成區(qū)效果比較明亮，但其邊界紋理仍然不夠清晰。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終通過(guò)最小噪聲分離處理，有效的將分布在建成區(qū)范圍內(nèi)的噪聲分離并且將有用信息保留在前三波段中。通過(guò)對(duì)處理后的波段進(jìn)行重新組合，得到了基于MNF增強(qiáng)了的建成區(qū)范圍的遙感影像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行面向?qū)ο蟮挠跋穹诸悺Ｓ跋裨鰪?qiáng)效果如圖4所示。

面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)是指，集合臨近像元為對(duì)象用來(lái)識(shí)別感興趣的光譜要素，利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)的空間紋理和光譜信息來(lái)分割和分類的特點(diǎn)，以提供高精度的分類結(jié)果。其中，比較常用的就是多尺度分割算法，該方法綜合遙感圖像的光譜和紋理特征，計(jì)算圖像中每個(gè)波段的光譜異質(zhì)性與形狀異質(zhì)性，并根據(jù)各個(gè)波段所占的權(quán)重計(jì)算數(shù)據(jù)所有波段加權(quán)值，當(dāng)分割出的對(duì)象和形狀綜合加權(quán)值小于指定的閾值時(shí)進(jìn)行重復(fù)迭代運(yùn)算，直到所有分割對(duì)象的綜合加權(quán)值大于閾值。

由于本次工作以通過(guò)最小噪聲分離變換增強(qiáng)了城市建成區(qū)的邊界紋理，為了排除“異物同譜”現(xiàn)象的干擾，分割方法有針對(duì)性的選擇了基于灰度與紋理的分割算法。分割效果如圖5所示。

3 研究成果

研究成果顯示，吉贊省城市建成區(qū)面積總量不大。2008、2014、2018年三年度，吉贊省城市建成區(qū)面積分別為262.34、354.43和409.17km2。2008至2014年，吉贊省新增城市建成區(qū)92.09km2，增幅35.1%，年增長(zhǎng)面積15.34km2，面積年增長(zhǎng)率5.85%。城市建成區(qū)新增地區(qū)主要集中在阿布阿里什東側(cè)的QAIMA地區(qū)、阿布阿里什南側(cè)的ISKAN城，以及薩米泰北部地區(qū)。上述三處地區(qū)均為人工規(guī)劃開(kāi)發(fā)的獨(dú)立新城，房屋建筑規(guī)劃整齊劃一，路網(wǎng)完整。2014至2018年，新增城市建成區(qū)54.74km2，增幅14.44%，年增長(zhǎng)面積13.68km2，面積年增長(zhǎng)率3.86%。城市建成區(qū)新增地區(qū)主要集中在阿布阿里什東北側(cè)的工業(yè)城以及吉贊經(jīng)濟(jì)城規(guī)劃區(qū)內(nèi)。如圖7所示。

整體看來(lái)，2008至2018年十年間，吉贊省城市建成區(qū)面積增幅較為穩(wěn)定，處于年增長(zhǎng)率5%左右。同時(shí)，近四年增速略有放緩。但是從城市建成區(qū)新增區(qū)域分布狀況仍可看出，吉贊經(jīng)濟(jì)城開(kāi)工建設(shè)后，成為了該省主要的開(kāi)發(fā)集中區(qū)。如表4、圖6、圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）2014至2018年新增城市建成區(qū)面積主要集中在吉贊經(jīng)濟(jì)城。

根據(jù)吉贊經(jīng)濟(jì)城高精度遙感監(jiān)測(cè)成果顯示，2014至2018年間該區(qū)域城市建成區(qū)（道路廣場(chǎng)用地、對(duì)外交通用地、工業(yè)用地、居住用地、公共設(shè)施用地）合計(jì)增長(zhǎng)面積8.54km2，占全省新增面積54.74km2的15.6%。是該省城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)最為集中的區(qū)域。同時(shí)，根據(jù)2008與2014年兩期吉贊省城市建成區(qū)調(diào)查成果圖對(duì)比可見(jiàn)。該6年間吉贊經(jīng)濟(jì)城區(qū)域城市建成區(qū)面積增幅在全省范圍內(nèi)并不顯著，其主要的開(kāi)發(fā)建設(shè)集中在了2014至2018年間。

（2）新增城市建成區(qū)主要為規(guī)劃開(kāi)發(fā)的獨(dú)立新城，原城鎮(zhèn)居民點(diǎn)面積增幅較小。

根據(jù)吉贊省2008、2014以及2018年三期城市建成區(qū)調(diào)查成果疊加分析顯示，吉贊省新增的城市建成區(qū)主要為統(tǒng)一規(guī)劃開(kāi)發(fā)的獨(dú)立新城，原城鎮(zhèn)居民點(diǎn)面積增幅較小。且2008至2014年新增城市建成區(qū)主要為以人類居住區(qū)為主的新城區(qū)，而2014至2018年主要為工業(yè)園區(qū)。

原有城鎮(zhèn)居民點(diǎn)中，僅省會(huì)吉贊市南部與北部具有少許新增建成區(qū)、阿布阿里什東北部具有少許新增建成區(qū)，其余城市并沒(méi)有顯著的建成區(qū)擴(kuò)大現(xiàn)象。

（3）城市建成區(qū)主要分布于中南部平原地區(qū)。

根據(jù)吉贊省2008、2014和2018年三年度城市建成區(qū)遙感調(diào)查成果顯示，吉贊省城市建成區(qū)雖然呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是主要分布于中南部平原地區(qū)的這一特征始終未變。北部荒漠戈壁地區(qū)與東部山區(qū)未出現(xiàn)明顯的城市建成區(qū)擴(kuò)大、增長(zhǎng)現(xiàn)象。結(jié)合高分影像判斷推斷，相較于北部平原地區(qū)，中南部平原區(qū)河谷分布密度明顯較高，水資源是制約城市分布與擴(kuò)張的重要因素。而東部山區(qū)城鎮(zhèn)以高分散度的零星建筑聚落存在，其光譜特征難以被30m分辨率遙感數(shù)據(jù)采集，提取效果不明顯。并且結(jié)合高分影像分析，該地區(qū)沒(méi)有明顯的城市建成區(qū)擴(kuò)大現(xiàn)象。吉贊經(jīng)濟(jì)城位于中南部城市集中區(qū)的最北端，成為該省新的城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)極。

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