葉 進

（福州潮洋工程試驗檢測有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

工業(yè)化加快了社會城鎮(zhèn)發(fā)展速度，導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)定固定的時間點，來測量城市的不透水面覆蓋程度。為此文獻[1]以北方某一城市為例，根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)用地真實數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間分析模型，通過提取不同時間段內(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[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，以此實現(xiàn)對不透水面覆蓋率的測量[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)、實時監(jiān)控環(huán)境變化的重要手段之一，能夠拓寬數(shù)據(jù)觀測視野、擴大數(shù)據(jù)識別面積，根據(jù)多尺度遙感技術(shù)的瞬態(tài)成像功能，快速獲取存在動態(tài)變化的城市區(qū)域，獲得不透水面的動態(tài)變化進程。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的管理技術(shù)。

1.基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測量方法

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)提取有四項影響不透水面特性的光譜指數(shù)。根據(jù)文獻[3]的研究內(nèi)容可知：可以利用遙感指數(shù)法擴充光譜波段，調(diào)查區(qū)域的土地分割類型，增強各個子區(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，同時增強此類數(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。在增強光譜特征過程中，通過組合計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、紅光波段兩組測試方法，對應參數(shù)值的反射率。

其次提取測試所需的增強型植被指數(shù)，用X2表示，該指數(shù)是對X1的改進，因為當裸地噪聲較大時，X1存在識別缺陷，此時引入藍光波段強化信號，降低土壤和氣溶膠散射給多尺度遙感技術(shù)帶來的干擾，該指標的計算公式如式（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)應用下藍光波段在不斷變化過程中，對各個節(jié)點數(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。

之后需要獲取改進的歸一化差值水體指數(shù)，用X3來表示，當X1指數(shù)無法獲得不透水面的準確范圍時，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p1對建筑物和水系有較強反射效果時，p5會增強建筑物的反射率，從而實現(xiàn)對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)合上述四項光譜指數(shù)，獲取不透水面的空間分布特點。

1.2 基于像元尺度獲取不透水面時空演變規(guī)律

結(jié)合光譜指數(shù)下的不透水面空間分布特點，從像元尺度的角度進行分析，獲取不透水面時空演變規(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，以二值化的方法進行反復對比，得到不透水面擴張的時序發(fā)展規(guī)律，確定擴張強度指數(shù)和速度指數(shù)[5]。設(shè)置兩個指數(shù)分別為u和v，利用式（5）計算：

式（5）中，Δμij為從i階段到j(luò)階段的測量區(qū)域面積；μi為i階段的不透水面面積占比；C為測量區(qū)域的土地總面積；Δt為時間跨度。結(jié)合上述兩組指標，結(jié)合像元尺度獲取不透水面在擴張過程中的空間分異規(guī)律。其中對于空間自相關(guān)指標來說，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I值的取值為0時，表示某一區(qū)域地理現(xiàn)象為隨機分布狀態(tài)；當I值的取值接近1時，說明現(xiàn)象呈正相關(guān)；當I值的取值接近-1時，說明現(xiàn)象呈負相關(guān)。該值的計算公式如式（6）所示：

式（6）中，m為對象個數(shù)；φij為空間權(quán)重；ai、aj分別為兩個不同的測量區(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。通過上述計算公式分析不透水面時空演變規(guī)律，將其作為測量不透水面覆蓋率的基本約束條件。

1.3 計算地表能量通量

地表能量通量是影響不透水面覆蓋率測算結(jié)果的重要參數(shù)，所以在獲得上述數(shù)據(jù)后，計算測算區(qū)域地表的能量通量。到達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)換的動力參數(shù)，計算該值時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)深層土壤被傳導的能量而獲得，該值與凈輻射通量之間存在關(guān)聯(lián)性，當植被覆蓋程度較大時，該值約為R1的50%；當植被覆蓋程度較小時，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為標準值；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）計算顯熱通量A，實現(xiàn)對地表能量通量的獲取。

1.4 構(gòu)建不透水面覆蓋率測算模型

結(jié)合獲得的不透水面時空演變規(guī)律和地表能量通量，構(gòu)建不透水面覆蓋率測算模型。將時空演變規(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)。測算模型設(shè)置的不透水面決策流程（如圖1所示）：

圖1 測算模型決策流程

設(shè)置測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算要求的一般計算模型，計算公式如式（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，兩個不同反照率的反射率，根據(jù)不透水面時空演變規(guī)律獲得；bθ為模型的殘差。在測算模型求解過程中，存在的殘差bθ可能影響實際測算結(jié)果，所以利用下列公式計算模型中的殘差bθ，當該值被控制在0.02之內(nèi)時，可以認可式（13）計算結(jié)果的準確性。該殘差的驗證方程如式（14）所示：

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

2.實驗研究

2.1 實驗準備

選擇M城市中的B區(qū)域作為實驗測試對象（如圖2所示），利用此次提出的不透水面覆蓋率測量方法，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，城市現(xiàn)代化進程較為緩慢，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)展進程，越來越多的主干道、支路，各個建筑、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，利用此次研究的測量方法測量該區(qū)域的不透水面覆蓋率變化情況。為了保證實驗測試結(jié)果，引入兩種常規(guī)的測量方法，分別記為對照A組和對照B組，比較三組方法得到的測量結(jié)果與B區(qū)域?qū)嶋H變化情況之間的差異。實驗開始前測試實驗設(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)境是否具備動態(tài)變化能力。硬件與軟件環(huán)境無問題后開始測試（如圖2所示）：

圖2 實驗測試對象

2.2 不透水面變化情況

實驗設(shè)置3個對應的測試階段，分別是1999年、2008年以及2014年。測試條件為1999年的不透水面變化情況測試結(jié)果（如圖3所示）：

圖3 第一階段測試結(jié)果

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

圖4 第二階段測試結(jié)果

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

圖5 第三階段測試結(jié)果

結(jié)合第三階段測試結(jié)果可知：隨著城市化進程不斷加快，不透水面的覆蓋率大幅度增加，此時兩組常規(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量結(jié)果。

2.3 不透水面覆蓋率測量精度評價

為了進一步區(qū)分三組方法的不透水面覆蓋率測量精度，分別計算三組方法的測量結(jié)果精確程度，得到的各項數(shù)據(jù)（如表1所示）：

表1 不透水面覆蓋率測量精度評價結(jié)果

為了方便比較，計算三個階段的不透水面覆蓋率測量結(jié)果平均值，分別為93.22%、85.55%以及85.95%。可見此次提出的不透水面覆蓋率測量方法能夠得到更加精準的測量結(jié)果。

3.結(jié)束語

此次研究結(jié)合常規(guī)測量方法的一般步驟，融合多尺度遙感技術(shù)，通過更加詳細的數(shù)據(jù)分析與處理，得到更為精準的不透水面覆蓋率測試結(jié)果。但綜合全文的研究內(nèi)容來看，該方法存在兩方面問題：（1）涉及的指標極多，因此計算工作體量較大；（2）在問題一的基礎(chǔ)上，提出的測量方法工作效率相對偏低。今后可將多尺度遙感技術(shù)進一步優(yōu)化，簡化部分計算步驟，提高測量方法的整體工作效率，為城市化進程研究工作提供更加可靠的技術(shù)支持。