不透水面產(chǎn)品在重慶地區(qū)的驗證

張少佳 吳鳳敏 鄭稚棚 余 洋 李仕峰

(重慶市地理信息和遙感應用中心, 重慶 401147)

0 引言

不透水面是指天然或人為形成的能夠阻隔地表水滲透的地表截面,能夠直接反映城市的發(fā)展狀態(tài),衡量城市發(fā)展的健康狀況[1-2]。近年來,許多國內(nèi)外研究學者對不透水面提取的數(shù)據(jù)源和方法進行了研究,包括光學遙感影像提取方法(指數(shù)法、分類回歸樹法、支持向量機法和光譜混合分析法等),利用雷達干涉技術提取方法以及融合多源遙感數(shù)據(jù)提取等[3-8]。2020年7月,中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院劉良云研究員團隊利用美國陸地衛(wèi)星計劃(Landsat-8)陸地成像儀(Operational Land Imager,OLI)反射率特征、哨兵1號(Sentinel-1)合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)結構特征和雷達往返測地任務數(shù)據(jù)(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(Digital Elevation Model,DEM)的地形特征,采用隨機森林分類模型生成了全球不透水面產(chǎn)品,并對數(shù)據(jù)進行了開放共享,該產(chǎn)品能夠較為準確地反映人工不透水面地表空間分布,對城市建設情況及生態(tài)動態(tài)監(jiān)測具有重要意義[9]。

本文以國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心發(fā)布的全球不透水面數(shù)據(jù)產(chǎn)品為基礎,利用地理國情數(shù)據(jù)中地表覆蓋分類提取的不透水面成果對重慶地區(qū)進行驗證,并與POI核密度、夜間燈光亮度進行相關性分析,采用閾值法提取城市建成區(qū)，與不透水面產(chǎn)品進行空間差異性分析,希望能夠?qū)ξ磥聿煌杆嫣崛?、?yōu)化以及城市規(guī)劃建設提供基礎支撐。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文研究范圍為重慶市全域,總面積8.24萬km2,下轄38個區(qū)縣(26個區(qū),8個縣,4個自治縣)。待驗證數(shù)據(jù)為國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心發(fā)布的不透水面數(shù)據(jù)(http:∥www.geodata.cn),分辨率為30 m,現(xiàn)勢性為2015年。驗證分析數(shù)據(jù)包括:地理國情數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)和極地軌道可見光近紅外輻射儀數(shù)據(jù)(Suomi National Polar-Orbiting Partnership’s Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,NPP/VIIRS)。其中,地理國情數(shù)據(jù)來源于地理國情普查成果,現(xiàn)勢性為2015年6月,地表覆蓋分類數(shù)據(jù)用于提取不透水面成果;POI數(shù)據(jù)為2016年通過網(wǎng)絡抓取高德地圖獲得;NPP/VIIRS數(shù)據(jù)(https:∥eogdata.mines.edu/download_dnb_composites.html)時間為2015年1～12月。研究采用的所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系。

2 基本分析

2.1 不透水面產(chǎn)品分析

不透水面產(chǎn)品坐標為全球大地測量系統(tǒng)-1984坐標系(World Geodetic System-1984 Coordinate System,WGS-84),對該數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換、范圍裁切等預處理,形成重慶市2015年不透水面產(chǎn)品。結果顯示,全市不透水面產(chǎn)品總面積1 479.82 km2,與《2016年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》(實際為2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù))中城市建成區(qū)相比,少150.37 km2(http:∥www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/jstjnj/)。

空間上,不透水面主要分布于中心城區(qū)和主城都市區(qū),其中,中心城區(qū)624.22 km2,主城都市區(qū)557.59 km2,兩者之和面積占比為79.86%。區(qū)縣層面,各區(qū)縣不透水面平均面積為38.94 km2,面積最大為渝北區(qū)(161.25 km2),最小為城口縣(1.63 km2);不透水面面積主要集中于20～50 km2,有13個區(qū)縣;50～100 km2有10個區(qū)縣;10～20 km2有8個區(qū)縣,小于10 km2有6個區(qū)縣,如圖1所示。審圖號為渝北S(2020)071號。

圖1 不透水面產(chǎn)品分布圖

2.2 地理國情不透水面分析

研究利用2015年地理國情普查成果中地表覆蓋分類數(shù)據(jù)提取不透水面范圍,地表覆蓋類型包括房屋建筑(區(qū))、道路、硬化地表、水工設施、交通設施、城墻、固化池、工業(yè)設施、建筑工地、巖石地表,地類代碼大類為0500、0600,中類為0710、0720、0740、0760、0770、0830、0950。結果顯示,基于地理國情的不透水面總面積為4 047.90 km2,與不透水面產(chǎn)品數(shù)據(jù)相比明顯偏大,由于地理國情數(shù)據(jù)主要采用優(yōu)于1 m高分辨率影像,通過人工目視解譯形成,且城市地區(qū)對不透水面面積大于100 m2均進行了采集,成果精細化程度較高?？臻g上,中心城區(qū)地理國情不透水面面積為822.09 km2,主城都市區(qū)面積1 544.48 km2,兩者面積之和占比為58.46%,渝東北地區(qū)和渝東南地區(qū)面積分別為1 136.38、544.96 km2,表明城市建設主要集中于中心城區(qū)和主城都市區(qū)(圖2)。

圖2 地理國情不透水面分布圖

2.3 POI核密度分析

POI數(shù)據(jù)在城市地區(qū)具有集聚效應和規(guī)模效益特征,已廣泛應用于城市建成區(qū)提取[10-11]。本文通過對POI數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)去重和坐標轉(zhuǎn)換等預處理,利用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS),以500 m為搜索半徑進行核密度計算(柵格單元為30 m),最終形成重慶市核密度分布圖,計算公式如下:

(1)

式中,f(M)為M處核密度估計值；R為搜索半徑；n為樣本總數(shù)；dx為POI點與x間距離;φ為距離權重。

全市POI核密度高值區(qū)主要分布于中心城區(qū)范圍內(nèi),與不透水面產(chǎn)品和地理國情數(shù)據(jù)均有一定相似性,其余主要位于各區(qū)縣城市中心區(qū)域(圖3)。按照不透水面產(chǎn)品數(shù)值進行擬合,得到等值線為9時,POI城市建成區(qū)矢量與不透水面產(chǎn)品擬合度最高,采用POI核密度提取城市建成區(qū)面積為1 498.74 km2,與不透水面產(chǎn)品數(shù)據(jù)差18.92 km2,相對誤差為1.28%。

圖3 POI核密度分布圖

2.4 NPP/VIIRS分析

將NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裁切、重采樣、噪聲去除等預處理。噪聲去除包含三個方面:采用海洋區(qū)域范圍內(nèi)(157.27°～178.33°E,20.89°～337.10°N)平均值作為背景值,將小于背景值的像元剔除[5];將前一個月亮度值大于后一個月亮度值的像元進行剔除;利用地理國情數(shù)據(jù)中水域范圍作為區(qū)域背景值,將該范圍內(nèi)像元剔除。采用1～12月亮度平均值作為2015年NPP/VIIRS成果。為便于城市建成區(qū)提取,本文通過對數(shù)變換,將NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進行拉伸處理[12-14]。

全市夜間燈光亮度呈現(xiàn)西高東低特征,中心城區(qū)為高亮度分布區(qū),表明該區(qū)域為城市人類活動的主要集中區(qū)域;中心城區(qū)周邊夜間燈光亮度次之,表明在中心城區(qū)城市發(fā)展帶動下,周邊區(qū)縣也有較多人類活動建設特征;渝東北和渝東南地區(qū)夜間燈光亮度值較小,高值區(qū)位于各區(qū)縣城市區(qū)域(圖4)。

圖4 NPP/VIIRS空間分布圖

3 不透水面產(chǎn)品驗證分析

3.1 地理國情數(shù)據(jù)驗證

研究對全市范圍內(nèi)不透水面產(chǎn)品和地理國情不透水面數(shù)據(jù)進行空間疊加分析。全市地理國情不透水面范圍內(nèi)有不透水面產(chǎn)品面積(重疊面積)為1 059.69 km2,占不透水面產(chǎn)品總面積的71.61%,表明不透水面產(chǎn)品與地理國情不透水面耦合性較高,產(chǎn)品能夠較為準確地反映城市建設狀況，如圖5所示,圖2～5審圖號均為渝北S(2020)071號。

圖5 不透水面產(chǎn)品與地理國情數(shù)據(jù)對比圖

從各區(qū)縣對比來看,重疊面積占比集中在70%～75%,有23個區(qū)縣,數(shù)量占比為60.53%;有6個區(qū)縣重疊面積占比超過75%(北碚區(qū)、黔江區(qū)、銅梁區(qū)、巫溪縣、酉陽縣、云陽縣),9個區(qū)縣占比小于70%;重疊度最低為城口縣,僅57.03%,可能由于城口縣位于大巴山區(qū)范圍,地形高差較大,城市建設面積較小且分布于沿河流狹長地帶,導致不透水面產(chǎn)品提取受到一定影響(表1)。

表1 各區(qū)縣不透水面產(chǎn)品和地理國情不透水面重疊面積占不透水面產(chǎn)品總面積比例情況表

不透水面產(chǎn)品范圍內(nèi)地理國情不透水面未覆蓋區(qū)域面積為420.13 km2,主要有以下幾個方面原因:(1)不透水面產(chǎn)品數(shù)據(jù)分辨率為30 m,地理國情數(shù)據(jù)主要采用優(yōu)于1 m的高分辨率遙感影像采集,分辨率差異導致不透水面產(chǎn)品與地理國情數(shù)據(jù)在內(nèi)部和邊緣區(qū)域存在較多差異;(2)地理國情數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性為2015年6月,不透水面產(chǎn)品數(shù)據(jù)截止2015年底,兩者現(xiàn)勢性差異導致部分已經(jīng)建設區(qū)域在地理國情數(shù)據(jù)中未采集,空間上主要集中于城市新擴展建設區(qū)域;(3)由于云覆蓋、光譜特征混淆或者使用模型等因素,不透水面產(chǎn)品內(nèi)存在一些實際非不透水面的錯誤區(qū)域,地理國情沒有進行采集,導致兩者不重疊，如圖6～8所示。

圖6 不透水面產(chǎn)品與地理國情由于分辨率差異引起的內(nèi)部和邊緣不重疊示例

圖7 不透水面產(chǎn)品范圍內(nèi)已實施建設但地理國情未采集示例

圖8 不透水面產(chǎn)品中錯誤提取范圍示例

3.2 與POI數(shù)據(jù)相關性

為分析不透水面產(chǎn)品與POI核密度相關性,研究以不透水面產(chǎn)品為基礎,構建1 km×1 km正方形網(wǎng)格,統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)不透水面數(shù)值和POI核密度值,得到不透水面與POI核密度關系圖。結果表明: POI核密度均值與不透水面面積具有正相關關系,即POI核密度隨不透水面面積的增加具有逐漸增大的趨勢,由于不透水面主要反映城市人工建設狀態(tài),POI核密度能夠反映城市人為活動狀態(tài),兩者具有一定相關性,但兩者相關性并不明顯,相關系數(shù)為0.48(圖9)。

圖9 不透水面與POI核密度相關性

由于不透水面能夠反映城市建設特征,因此，將不透水面產(chǎn)品與POI核密度提取的城市建成區(qū)進行空間疊加分析。結果顯示,全市不透水面產(chǎn)品與POI提取城市建成區(qū)空間重疊區(qū)域面積為718.76 km2,占不透水面產(chǎn)品總面積的48.57%,兩者在空間上重疊度不高,主要原因為部分城市新建設區(qū)域,由于各類配套基礎設施和公共服務設施還未開始大規(guī)模建設,使得該范圍內(nèi)POI數(shù)據(jù)較少,因此，城市建成區(qū)范圍較小,大部分區(qū)域未覆蓋(圖10)。

圖10 城市建設新區(qū)不透水面與POI數(shù)據(jù)對比

3.3 與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)相關性

以不透水面產(chǎn)品范圍內(nèi)1 km×1 km正方形網(wǎng)格,統(tǒng)計每個不透水面數(shù)值和NPP/VIIRS對數(shù)均值,分析兩者相關性。結果表明:不透水面面積與NPP/VIIRS對數(shù)均值呈正相關性,夜間燈光亮度隨不透水面面積增加不斷增加,兩者相關系數(shù)為0.60(圖11)。但兩者也存在一定差異,主要是由于不透水面數(shù)據(jù)分辨率較高(30 m),分布也較為離散,NPP/VIIRS數(shù)據(jù)分辨率較低(500 m),且城市內(nèi)部夜間燈光亮度具有溢出現(xiàn)象,因此，部分不透水面面積較低網(wǎng)格可能存在夜間燈光亮度高值。此外,還存在部分不透水面產(chǎn)品覆蓋區(qū)域為裸露巖石地表等非人類活動范圍,NPP/VIIRS數(shù)據(jù)夜間燈光亮度值較低的情況。

圖11 不透水面與NPP/VIIRS相關性

以不透水面面積數(shù)據(jù)為參考,采用閾值法假定一個初始亮度值,以0.01為間隔進行離散分級,不斷增加亮度值,得到與不透水面面積最接近的閾值作為標準,提取建城市成區(qū)邊界。研究發(fā)現(xiàn)閾值為2.93與不透水面面積數(shù)據(jù)最接近,城市建成區(qū)面積為1 479.11 km2,與不透水面產(chǎn)品數(shù)據(jù)相對誤差0.05%。

將NPP/VIIRS提取的城市建成區(qū)與不透水面進行空間疊加,兩者重疊面積為689.21 km2,占不透水面總面積的46.57%,表明不透水面與夜間燈光數(shù)據(jù)空間上具有一定重疊度,但重疊比例不高,高重疊度區(qū)域主要位于中心城區(qū)范圍以及各區(qū)縣政府駐地周邊區(qū)域,主要由于夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)范圍在空間上集聚性較高,主要為人類活動集中建設區(qū)域?？臻g上非重疊區(qū)域零散分布于城市集中建設區(qū)外圍,主要由于夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率較低,對于面積較小的人類活動建設區(qū)域未進行提取,如圖12所示。審圖號為渝北S(2020)071號。

圖12 不透水面產(chǎn)品與NPP/VIIRS提取城市建成區(qū)空間分布對比圖

4 結束語

本文以重慶市為研究區(qū)域,利用地理國情不透水面數(shù)據(jù)對國家共享的不透水面產(chǎn)品成果精度進行驗證。利用POI數(shù)據(jù)和NPP/VIIRS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)分別與不透水面產(chǎn)品進行相關性和空間分布差異對比分析,得到如下結論:

(1)不透水面產(chǎn)品在重慶地區(qū)精度驗證情況較好,與地理國情不透水面耦合性較高,能夠較為準確地反映城市建設狀況,全市不透水面產(chǎn)品有71.61%以上位于地理國情不透水面范圍內(nèi),但兩者空間分布上有一定差異,主要由兩者分辨率差異導致。此外,還存在少量不透水面產(chǎn)品空間上錯判情況。

(2)不透水面產(chǎn)品面積與POI核密度具有一定正相關性,但相關系數(shù)不高,為0.48。兩者空間存在一定差異,主要原因為部分城市新建設區(qū)域,由于各類配套基礎設施和公共服務設施還未開始大規(guī)模建設,使得該范圍內(nèi)POI數(shù)據(jù)較少。

(3)不透水面產(chǎn)品與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)相關性較與POI數(shù)據(jù)更高,相關系數(shù)為0.60,空間分布差異主要為不透水面產(chǎn)品分辨率較高,對于部分零散分布的不透水面進行提取,而夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率較低,對于面積較小的人類活動建設區(qū)域未進行提取。

本文研究也存在一些不足,首先對于不透水面產(chǎn)品與POI核密度、NPP/VIIRS數(shù)據(jù)相關性分析簡單采用1 km×1 km正方形網(wǎng)格統(tǒng)計均值的方式,沒有分析不同網(wǎng)格大小對于相關性研究影響。此外,對于城市建成區(qū)采用閾值法提取,提取方法上應使用多種方法對比效果,有利于為未來城市建成區(qū)邊界優(yōu)化提供參考。