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        高分辨率遙感影像的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

        2017-02-05 02:21:06趙允亮
        東北水利水電 2017年1期
        關(guān)鍵詞:高分辨率環(huán)境質(zhì)量植被

        趙允亮

        (遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,遼寧沈陽110006)

        高分辨率遙感影像的城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

        趙允亮

        (遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,遼寧沈陽110006)

        生態(tài)環(huán)境質(zhì)量就是指生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度,其中植被是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是自然和人文多種因素影響的結(jié)果,城市綠化水平從某種程度上反映了城市可持續(xù)發(fā)展的水平。本文結(jié)合實(shí)際情況,選擇以國內(nèi)某別墅區(qū)為研究區(qū),應(yīng)用高分辨率Quick Bird影像,利用ENVI影像處理軟件提取植被信息,采用監(jiān)督分類和決策樹方法提取影響環(huán)境質(zhì)量的各種因子,確定影響因子的可定量性,合理地賦予每種因子對環(huán)境影響的權(quán)重值,采用加權(quán)法,最終得到環(huán)境質(zhì)量的綜合評價。

        城市生態(tài)環(huán)境;高分辨率影像;環(huán)境因子;質(zhì)量評價

        1 城市生態(tài)環(huán)境含義與質(zhì)量評價方法

        城市生態(tài)環(huán)境是在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上,按照人的意志,經(jīng)過加工改造形成的適合人類生存發(fā)展的人工環(huán)境[1]。城市生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評價是城市生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域,是城市區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)管理的基礎(chǔ)[2]。在城市中,城市生態(tài)環(huán)境是經(jīng)過人類充分改造過的人工環(huán)境,是一個復(fù)雜的環(huán)境系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)可分為城市自然生態(tài)子系統(tǒng),城市經(jīng)濟(jì)生態(tài)子系統(tǒng),以及城市社會生態(tài)子系統(tǒng)。

        城市生態(tài)環(huán)境評價是依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)和方法對城市生態(tài)環(huán)境所處狀態(tài)的整體性描述[3]。目前為止,對于城市生態(tài)環(huán)境評價的方法和評價指標(biāo)體系有很多,但絕大部分都是定性的,沒有一個統(tǒng)一的指標(biāo)體系和方法。一般都是根據(jù)實(shí)際需要,結(jié)合研究區(qū)域的現(xiàn)狀,在一定的原則指導(dǎo)下進(jìn)行。利用高分辨率遙感影像評價城市環(huán)境質(zhì)量,首先應(yīng)該確定影響環(huán)境質(zhì)量的因素。衡量環(huán)境質(zhì)量的因素很多,對于城市這個特殊生態(tài)系統(tǒng)來說,不僅要考慮自然界的植被水體覆蓋度外,還要考慮到人工景觀、建筑物道路密度等因素。盡管高分辨率遙感影像包含大量的信息,但是由于缺乏完善的技巧,從影像中僅靠有用的圖像精度難以掌握很多信息。本文旨在挖掘遙感影像的可讀信息,忽略影響環(huán)境質(zhì)量的次要因素,然后試著確定各因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的權(quán)重值,在對環(huán)境質(zhì)量作一個合理的評價后,最后通過實(shí)地調(diào)查和對相關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后進(jìn)行分析驗(yàn)證。

        2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

        研究區(qū)別墅區(qū)開發(fā)已經(jīng)成熟,依附于市中心位置,植被覆蓋類型主要由人工草坪、灌木以及喬木構(gòu)成,建筑占據(jù)了小區(qū)的大部分。較其它城市地區(qū)植被覆蓋度較高。本文所用的高分辨率遙感數(shù)據(jù)為Quick Bird影像,它覆蓋研究區(qū)域。

        Quick Bird衛(wèi)星于2001年10月18日在美國范登堡空軍基地由DeltaⅡ運(yùn)載火箭發(fā)射升空,其運(yùn)行軌道高度為450 km,傾角為98°,與太陽同步,重訪周期為1~3.5 d,軌道周期為93.4 min,每軌拍攝數(shù)量約57景。主要景幅寬:星下點(diǎn)為16.5 km,可達(dá)到的地面寬度544 km(中心點(diǎn)為衛(wèi)星地面軌道,最大傾角30°),定位精度的圓誤差為23 m、線性誤差為17 m(無地面控制點(diǎn)),傳感器視角沿軌道方向和垂直軌道方向且均可調(diào)整。其數(shù)據(jù)編碼方式為11 bit/s,星上存儲器是128 Gbit/s,衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是三軸穩(wěn)、恒星跟蹤穩(wěn)定、慣性平臺、飛輪、GPS,衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命是7年。

        3 地物提取

        3.1 監(jiān)督分類

        研究區(qū)內(nèi)的Quick Bird影像,對其分別進(jìn)行地物的提取,提取的方法利用監(jiān)督分類方法進(jìn)行,即使用確認(rèn)類別的樣本像元去識別其他未知像元的過程[3]。建立統(tǒng)計(jì)識別函數(shù)為理論基礎(chǔ),依據(jù)典型樣本訓(xùn)練方法進(jìn)行分類的技術(shù)。即根據(jù)已知訓(xùn)練區(qū)提供的樣本,通過選擇特征參數(shù),求出特征參數(shù)作為決策規(guī)則,建立判別函數(shù)以對影像進(jìn)行的圖像分類,是模式識別的一種方法。要求訓(xùn)練區(qū)域具有典型性和代表性。判別準(zhǔn)則若滿足分類精度要求,則此準(zhǔn)則成立;反之,需重新建立分類的決策規(guī)則,直至滿足分類精度要求為止。常用算法有判別分析、最大似然分析、特征分析、序貫分析和圖形識別等。

        所包含的樣本在種類上要與待分區(qū)域的類別一致。訓(xùn)練樣本應(yīng)在各類目標(biāo)地物的面積較大的中心選取,這樣才具有代表性。如果采用最大似然法,分類要求各變量正態(tài)分布,因此訓(xùn)練樣本應(yīng)盡量滿足這一要求。訓(xùn)練樣本的數(shù)目應(yīng)能提供各類足夠的信息和克服各種偶然因素的影響。訓(xùn)練樣本最少要滿足能夠建立分類判別函數(shù)的要求,所需個數(shù)與所采用的分類方法、特征空間的維數(shù)、各類的大小與分布有關(guān)。

        3.2 統(tǒng)計(jì)分析

        分類結(jié)束后用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算一下圖片的可分離性精度,分離精度在1.8到2.0之間都是符合要求的。計(jì)算顯示,每一類和每一類分離精度以及最后總的分類精度達(dá)到符合研究分析要求。

        圖像統(tǒng)計(jì)是計(jì)算表征圖像像元值數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征、空間分布特征和空間結(jié)構(gòu)特征的各種參量。ENVI的統(tǒng)計(jì)可對整個圖像進(jìn)行,也可以對某個感興趣區(qū)或某一類地物分布區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果以數(shù)字報表或文件形式給出,可以看出各種地物的信息,如像素、面積等。對研究區(qū)內(nèi)的圖像進(jìn)行分類,用上面介紹的監(jiān)督分類對其進(jìn)行分類,在這里將其分為陰影、建筑、道路、樹、草地、灌木共六類。

        4 生態(tài)環(huán)境評價

        4.1 評價方法的確定

        本文采用加權(quán)評價法,即對每個評價指標(biāo)根據(jù)對環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)不同賦以大小不等的權(quán)重,加權(quán)后進(jìn)行評價。不同屬性影響對象分類的能力不同,說明屬性權(quán)重是客觀的,但需決策人通過“間接測量”來確定。研究中,根據(jù)遙感影像的可判讀信息,結(jié)合實(shí)際情況,選取的評價指標(biāo)符合以下3個特點(diǎn):1)完整性原則,能完整、正確地反映南京市環(huán)境質(zhì)量狀況,盡量避免重復(fù)、交叉和冗余;2)可量化性原則,每個評價因子能在影像上提取出來,并可計(jì)算其值;3)合理的權(quán)重值,在作評價時,結(jié)合城市的環(huán)境現(xiàn)狀,合理確定影響環(huán)境質(zhì)量的因子的權(quán)重值。根據(jù)以上原則確定環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系。

        由于遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)方法的限制,植被、建筑物等信息可以在影像上直接讀出,而污染等信息無法在影像上直接獲取。同時,該研究區(qū)域的絕大部分是建筑和綠地,所以本文的重點(diǎn)放在植被覆蓋以及建筑物密度上。

        綜上所述,提取了以下2個重要的因子作為環(huán)境評價的基本指標(biāo):

        1)植被覆蓋度。植被覆蓋率通常是指森林面積占土地總面積之比,植被作為城市生態(tài)系統(tǒng)中重要的部分,其作用十分重要,較高的植被覆蓋率,對小區(qū)的環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)化十分有利,不同的植被喬木、灌木、草地對小區(qū)的影響也不一樣。

        2)建筑物密度。指在研究區(qū)域的建筑物所占總面積的比重,建筑物密度與居民人口有直接聯(lián)系,因此可通過這個指標(biāo)推斷出人口數(shù),然而通過提取的陰影來判斷建筑物的大小從而來計(jì)算出建筑的容積率,人口過多會導(dǎo)致交通擁擠,市民出行不便,同時城市環(huán)境會遭到破壞,如噪音、空氣、污染、植被破壞等。

        4.2 分析與運(yùn)算

        結(jié)合上文所列舉常用的幾種環(huán)境質(zhì)量評價方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比,本文采用加權(quán)評價法,即對每個評價指標(biāo)根據(jù)對環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)不同賦以大小不等的權(quán)重,加權(quán)后進(jìn)行評價。

        式中:P為綜合評價后的環(huán)境質(zhì)量;Pi為選取的評價因子的指標(biāo)值;Wi為每種對應(yīng)的因子的權(quán)重值;n評價因子的數(shù)目。環(huán)境要素權(quán)重:植被覆蓋度為0.6,建筑物密度為0.4;土地覆蓋權(quán)重:樹為0.5,灌木為0.3,草地為0.2。

        統(tǒng)計(jì)計(jì)算小區(qū)內(nèi)建筑與植被等影響因子的實(shí)際面積,得出小區(qū)生態(tài)狀態(tài)指數(shù)為0.57。分析可知,小區(qū)建筑占據(jù)了大部分的面積,植被覆蓋度不是很高。所以綠化面積相對較少。

        5 結(jié) 語

        高分辨率遙感影像由于其具有較高的空間分辨率,使得在以城市為研究尺度上進(jìn)行人居環(huán)境質(zhì)量評價成為可能。本文從生態(tài)學(xué)角度,選取合適的評價因子,利用遙感手段,進(jìn)行質(zhì)量評價。在研究方法上,利用監(jiān)督分類等方法將建筑物、道路等的通過目視解譯分類,取得較好的效果,提高了影像分類精度。綜合以上結(jié)果可知,用這此類方法進(jìn)行城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價是可行的。

        [1]胡習(xí)英,屈吉鴻,郭潔.城市生態(tài)環(huán)境評價研究進(jìn)展[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2005,26(2):62—64.

        [2]萬本太,王文杰,崔書紅,等.城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法[J].生態(tài)學(xué)報,2009,29(03):1068—1073.

        [3]李海華,陳南祥.城市生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系與評價模型研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,40(03):270—273.

        [4]楊鑫.淺談遙感圖像監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類[J].四川地質(zhì)學(xué)報,2008,28(3):251—254.

        X821

        B

        2016-10-20

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