基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測(cè)量方法

葉 進(jìn)

（福州潮洋工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

工業(yè)化加快了社會(huì)城鎮(zhèn)發(fā)展速度，導(dǎo)致城市土地的透水性越來越差，為了使土地使用穩(wěn)定，故設(shè)定固定的時(shí)間點(diǎn)，來測(cè)量城市的不透水面覆蓋程度。為此文獻(xiàn)[1]以北方某一城市為例，根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)用地真實(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間分析模型，通過提取不同時(shí)間段內(nèi)的不透水面特征數(shù)據(jù)，探究城市格局所處的發(fā)展階段[1]。文獻(xiàn)[2]結(jié)合不透水面的日常變化軌跡，通過模型分割不透水面的變化過程，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不透水面覆蓋率的測(cè)量[2]。此次研究引入多尺度遙感技術(shù)，該技術(shù)是獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境變化的重要手段之一，能夠拓寬數(shù)據(jù)觀測(cè)視野、擴(kuò)大數(shù)據(jù)識(shí)別面積，根據(jù)多尺度遙感技術(shù)的瞬態(tài)成像功能，快速獲取存在動(dòng)態(tài)變化的城市區(qū)域，獲得不透水面的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)程。此次研究結(jié)合多尺度遙感技術(shù)，提出全新的不透水面覆蓋率測(cè)量方法，為城市土地利用提供可靠的技術(shù)手段，為城市化管理工作提供更為先進(jìn)的管理技術(shù)。

1.基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測(cè)量方法

1.1 多尺度遙感技術(shù)提取光譜指數(shù)

多尺度遙感技術(shù)提取有四項(xiàng)影響不透水面特性的光譜指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究?jī)?nèi)容可知：可以利用遙感指數(shù)法擴(kuò)充光譜波段，調(diào)查區(qū)域的土地分割類型，增強(qiáng)各個(gè)子區(qū)域的影像顯示[3]。為此，首先提取歸一化差值植被指數(shù)，該指數(shù)是遙感技術(shù)中最常用的光譜指數(shù)，利用該指數(shù)獲得有關(guān)地表植被的光譜信息，同時(shí)增強(qiáng)此類數(shù)據(jù)的光譜特征，描述區(qū)域內(nèi)植物的生長狀態(tài)以及覆蓋度。在增強(qiáng)光譜特征過程中，通過組合計(jì)算紅外波段和近紅外波段，得到更加清晰的畫面，獲得該指數(shù)的計(jì)算式如式（1）所示：

式（1）中，p1、p2分別為紅外波段、紅光波段兩組測(cè)試方法，對(duì)應(yīng)參數(shù)值的反射率。

其次提取測(cè)試所需的增強(qiáng)型植被指數(shù)，用X2表示，該指數(shù)是對(duì)X1的改進(jìn)，因?yàn)楫?dāng)裸地噪聲較大時(shí)，X1存在識(shí)別缺陷，此時(shí)引入藍(lán)光波段強(qiáng)化信號(hào)，降低土壤和氣溶膠散射給多尺度遙感技術(shù)帶來的干擾，該指標(biāo)的計(jì)算公式如式（2）所示：

式（2）中，M1、M2分別為不同參數(shù)的干擾修正系數(shù)；P3為技術(shù)應(yīng)用下藍(lán)光波段在不斷變化過程中，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的反射率；λ為城市土壤被利用后，需要選擇的調(diào)節(jié)系數(shù)，通常情況下取值為1。

之后需要獲取改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)，用X3來表示，當(dāng)X1指數(shù)無法獲得不透水面的準(zhǔn)確范圍時(shí)，利用X3提取遙感影像的水系信息，該指數(shù)的獲取公式如式（3）所示：

式（3）中，p4、p5分別為綠光波段、中紅外波段測(cè)量過程中用于描述數(shù)據(jù)變化程度的反射率。該指數(shù)將p1替換為p5，當(dāng)p1對(duì)建筑物和水系有較強(qiáng)反射效果時(shí)，p5會(huì)增強(qiáng)建筑物的反射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不透水面信息的抑制。

最后提取生物物理成分指數(shù)，用X4表示，該值的計(jì)算公式如式（4）所示：

式（4）中，Z1、Z2分別為高反照率和低反照率；W為植被[4]。

結(jié)合上述四項(xiàng)光譜指數(shù)，獲取不透水面的空間分布特點(diǎn)。

1.2 基于像元尺度獲取不透水面時(shí)空演變規(guī)律

結(jié)合光譜指數(shù)下的不透水面空間分布特點(diǎn)，從像元尺度的角度進(jìn)行分析，獲取不透水面時(shí)空演變規(guī)律。不透水面作為分析城市覆蓋情況的重要參數(shù)，可用來描述城市化進(jìn)程，所以結(jié)合不同年份的遙感光譜影像特征，以二值化的方法進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，得到不透水面擴(kuò)張的時(shí)序發(fā)展規(guī)律，確定擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)和速度指數(shù)[5]。設(shè)置兩個(gè)指數(shù)分別為u和v，利用式（5）計(jì)算：

式（5）中，Δμij為從i階段到j(luò)階段的測(cè)量區(qū)域面積；μi為i階段的不透水面面積占比；C為測(cè)量區(qū)域的土地總面積；Δt為時(shí)間跨度。結(jié)合上述兩組指標(biāo)，結(jié)合像元尺度獲取不透水面在擴(kuò)張過程中的空間分異規(guī)律。其中對(duì)于空間自相關(guān)指標(biāo)來說，假設(shè)全局空間自相關(guān)指數(shù)為I，取值范圍為(-1，)1，表示空間上某一區(qū)域地理現(xiàn)象的自相關(guān)性。當(dāng)I值的取值為0時(shí)，表示某一區(qū)域地理現(xiàn)象為隨機(jī)分布狀態(tài)；當(dāng)I值的取值接近1時(shí)，說明現(xiàn)象呈正相關(guān)；當(dāng)I值的取值接近-1時(shí)，說明現(xiàn)象呈負(fù)相關(guān)。該值的計(jì)算公式如式（6）所示：

式（6）中，m為對(duì)象個(gè)數(shù)；φij為空間權(quán)重；ai、aj分別為兩個(gè)不同的測(cè)量區(qū)域；a-為平均值。而局部自相關(guān)指數(shù)可通過Ic來表示如式（7）所示：

式（7）中，c為局部區(qū)域面積；S2i為方差。通過上述計(jì)算公式分析不透水面時(shí)空演變規(guī)律，將其作為測(cè)量不透水面覆蓋率的基本約束條件。

1.3 計(jì)算地表能量通量

地表能量通量是影響不透水面覆蓋率測(cè)算結(jié)果的重要參數(shù)，所以在獲得上述數(shù)據(jù)后，計(jì)算測(cè)算區(qū)域地表的能量通量。到達(dá)地面的能量通過不同參數(shù)的影響，以其他形式存在，為地表能量平衡方程如式（8）所示：

式（8）中，R為凈輻射；A為能夠直觀得到的顯熱通量；B為需要經(jīng)多步計(jì)算才能得到的潛熱通量；K為土壤熱通量。其中R是地表物質(zhì)開始轉(zhuǎn)換的動(dòng)力參數(shù)，計(jì)算該值時(shí)需要通過下列方程組獲取相關(guān)參數(shù)如式（9）所示:

式（9）中，ε為大氣透過率；h為測(cè)量地區(qū)的海拔高度；l為日地距離因子；R2為太陽總輻射量；H為太陽常數(shù)；α為太陽天頂角；R1為地表凈輻射通量；γ為太陽光直射條件下地表所反饋的光反照率；ω為地表比輻射率；f1、f2分別為大氣和地面的長波輻射。根據(jù)上述方程組，獲得地表凈輻射通量的取值。參數(shù)K可根據(jù)深層土壤被傳導(dǎo)的能量而獲得，該值與凈輻射通量之間存在關(guān)聯(lián)性，當(dāng)植被覆蓋程度較大時(shí)，該值約為R1的50%；當(dāng)植被覆蓋程度較小時(shí)，則該值為R1的5%～12%。描述土壤熱通量的取值方法如式（10）所示：

式（10）中，D為地表溫度。而顯熱通量A和潛熱通量B，能夠描述地表和大氣之間不同變化規(guī)律的熱交換方式，所以可利用蒸散發(fā)模型的一般計(jì)算方法，獲得上述參數(shù)中的B值，如式（11）所示：

式（11）中，F(xiàn)為蒸散發(fā)參數(shù)，該參數(shù)的取值可通過式（12）獲得：

式（12）中，r為蒸散發(fā)模型的約束參數(shù)、rmax為標(biāo)準(zhǔn)值；Q為飽和水氣壓曲線斜率；β為限定控制系數(shù)；T1、T2、T3分別為地表溫度的干邊、濕邊以及地表的溫度值。將式（12）代入式（11）中，求得潛熱通量B，根據(jù)式（8）計(jì)算顯熱通量A，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表能量通量的獲取。

1.4 構(gòu)建不透水面覆蓋率測(cè)算模型

結(jié)合獲得的不透水面時(shí)空演變規(guī)律和地表能量通量，構(gòu)建不透水面覆蓋率測(cè)算模型。將時(shí)空演變規(guī)律作為分割遙感圖像的限制條件，將地表能量通量作為選定分割點(diǎn)的影響系數(shù)，由于使用的技術(shù)為多尺度遙感技術(shù)，所以利用直方圖法，選擇多幅多時(shí)遙感影像的閾值。該選擇可綜合式（1）～式（4），利用波段反射率得到水體掩膜、物理成分指數(shù)以及裸土指數(shù)。測(cè)算模型設(shè)置的不透水面決策流程（如圖1所示）：

圖1 測(cè)算模型決策流程

設(shè)置測(cè)算模型的決策流程后，根據(jù)多尺度遙感技術(shù)的光譜特征原理，構(gòu)建滿足不透水面覆蓋率測(cè)算要求的一般計(jì)算模型，計(jì)算公式如式（13）所示：

式（13）中，θ為波段；k1、k2分別為低反照率、高反照率的分量百分比，可通過地表能量通量獲得；Z1,θ、Z2,θ分別為同一波段下，兩個(gè)不同反照率的反射率，根據(jù)不透水面時(shí)空演變規(guī)律獲得；bθ為模型的殘差。在測(cè)算模型求解過程中，存在的殘差bθ可能影響實(shí)際測(cè)算結(jié)果，所以利用下列公式計(jì)算模型中的殘差bθ，當(dāng)該值被控制在0.02之內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)可式（13）計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。該殘差的驗(yàn)證方程如式（14）所示：

式（14）中，N為波段總數(shù)；δ為殘差bθ的誤差值。當(dāng)該值滿足上述條件后，認(rèn)可不透水面覆蓋率測(cè)算模型得到的數(shù)據(jù)，至此實(shí)現(xiàn)基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測(cè)量方法。

2.實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇M城市中的B區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象（如圖2所示），利用此次提出的不透水面覆蓋率測(cè)量方法，獲取該區(qū)域的不透水面變化情況。

已知該區(qū)域在1997年～2005年時(shí)，城市現(xiàn)代化進(jìn)程較為緩慢，城市中的主要干道較少，建筑總數(shù)量也未超過同期其他同類型城市的建筑總數(shù)量。自2006年上半年開始，M城市加快了城市化發(fā)展進(jìn)程，越來越多的主干道、支路，各個(gè)建筑、廠房開始出現(xiàn)，到了2012年，B區(qū)域中超過50%的空間都被不透水面覆蓋?？梢奙城市中的B區(qū)域發(fā)展總共可以分為3個(gè)階段。搭建仿真環(huán)境，利用仿真軟件模擬自1995年至2012年的B城市M區(qū)域不透水面覆蓋變化情況，利用此次研究的測(cè)量方法測(cè)量該區(qū)域的不透水面覆蓋率變化情況。為了保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，引入兩種常規(guī)的測(cè)量方法，分別記為對(duì)照A組和對(duì)照B組，比較三組方法得到的測(cè)量結(jié)果與B區(qū)域?qū)嶋H變化情況之間的差異。實(shí)驗(yàn)開始前測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備與搭建的仿真環(huán)境，檢查設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否穩(wěn)定，仿真環(huán)境是否具備動(dòng)態(tài)變化能力。硬件與軟件環(huán)境無問題后開始測(cè)試（如圖2所示）：

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象

2.2 不透水面變化情況

實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)對(duì)應(yīng)的測(cè)試階段，分別是1999年、2008年以及2014年。測(cè)試條件為1999年的不透水面變化情況測(cè)試結(jié)果（如圖3所示）：

圖3 第一階段測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖3顯示的第一階段測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)不透水面的覆蓋速度較慢時(shí)，三組測(cè)量方法得到的不透水面變化情況，與真實(shí)情況完全一致，可見當(dāng)不透水面的變化趨勢(shì)極小時(shí)，三組方法不存在過大的測(cè)量差異性。第二階段測(cè)試2008年時(shí)B區(qū)域的不透水面變化情況，結(jié)果（如圖4所示）：

圖4 第二階段測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖4顯示的測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)B區(qū)域的不透水面迅速擴(kuò)張時(shí)，實(shí)驗(yàn)組能夠獲得一致的測(cè)量結(jié)果，而兩組常規(guī)方法的覆蓋率測(cè)算結(jié)果，受獲得的覆蓋面積影響，存在一定程度的偏差。測(cè)試的第三階段，分別利用三組方法，測(cè)算2014年B區(qū)域的不透水面變化情況，測(cè)試結(jié)果（如圖5所示）：

圖5 第三階段測(cè)試結(jié)果

結(jié)合第三階段測(cè)試結(jié)果可知：隨著城市化進(jìn)程不斷加快，不透水面的覆蓋率大幅度增加，此時(shí)兩組常規(guī)方法受各自圖像處理技術(shù)的影響，獲得的不透水面面積比存在極大誤差，影響最終的不透水面覆蓋率測(cè)量結(jié)果。

2.3 不透水面覆蓋率測(cè)量精度評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步區(qū)分三組方法的不透水面覆蓋率測(cè)量精度，分別計(jì)算三組方法的測(cè)量結(jié)果精確程度，得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（如表1所示）：

表1 不透水面覆蓋率測(cè)量精度評(píng)價(jià)結(jié)果

為了方便比較，計(jì)算三個(gè)階段的不透水面覆蓋率測(cè)量結(jié)果平均值，分別為93.22%、85.55%以及85.95%?？梢姶舜翁岢龅牟煌杆娓采w率測(cè)量方法能夠得到更加精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。

3.結(jié)束語

此次研究結(jié)合常規(guī)測(cè)量方法的一般步驟，融合多尺度遙感技術(shù)，通過更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析與處理，得到更為精準(zhǔn)的不透水面覆蓋率測(cè)試結(jié)果。但綜合全文的研究?jī)?nèi)容來看，該方法存在兩方面問題：（1）涉及的指標(biāo)極多，因此計(jì)算工作體量較大；（2）在問題一的基礎(chǔ)上，提出的測(cè)量方法工作效率相對(duì)偏低。今后可將多尺度遙感技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，簡(jiǎn)化部分計(jì)算步驟，提高測(cè)量方法的整體工作效率，為城市化進(jìn)程研究工作提供更加可靠的技術(shù)支持。