王鐵生，武 珂，王志瑾，劉 輝

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，在城區(qū)地表綠化不斷改善的同時(shí)，地下空間不斷被開(kāi)發(fā)，這種地表淺層綠化對(duì)應(yīng)地下空間不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象，造成實(shí)際硬化面積不斷增大［1］。實(shí)時(shí)獲取城市硬化面積對(duì)城市規(guī)劃很有必要。地下工程較為隱蔽，對(duì)遙感應(yīng)用于實(shí)際地面硬化率的精度估算有較大影響，實(shí)地踏勘可提高地面硬化率估算精度［2］。

目前城市化造成地下水位下降，引起一系列環(huán)境問(wèn)題，特別是地面硬化率過(guò)大切斷了大氣降水對(duì)地下水的垂直補(bǔ)給。大多數(shù)城市規(guī)劃者強(qiáng)調(diào)提高地表綠化率應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)影響，但這并不能從根本上解決問(wèn)題。筆者提出偽綠化面積的概念，并在小范圍區(qū)域?qū)Φ叵滤a(bǔ)給量損失進(jìn)行了評(píng)估。偽綠化面積是指一部分地表硬化面積上覆蓋有薄層土壤，再在上面種植植被進(jìn)行綠化，這部分面積留存的降水大部分蒸發(fā)、少量下滲經(jīng)市政管網(wǎng)排走。規(guī)劃部門(mén)將偽綠化面積歸于城市綠化面積，而實(shí)際上這部分面積應(yīng)屬于地表硬化面積，減少真正的地表硬化面積才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵［3-5］。本文首次提出基于偽綠化面積的遙感宏觀監(jiān)控地表硬化面積方法，將隱藏在地下硬化而地上綠化的偽綠化面積提取出來(lái)進(jìn)行估算，使其更接近地面真實(shí)硬化率，從而利用遙感技術(shù)對(duì)地面硬化率及其對(duì)地下水補(bǔ)給影響提供更加實(shí)用和精確的計(jì)算分析方法。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市金水區(qū)處在華北沉降帶開(kāi)封坳陷區(qū)西南邊緣、黃河沖積扇形平原南翼的頂端，面積242.1 km2。全區(qū)多年平均降水量568.6 mm，平均水面蒸發(fā)量為860 mm，水資源總量為31 330萬(wàn)m3，人均水量450.7 m3，年平均利用黃河水2 523萬(wàn)m3。近10 a來(lái)，隨著金水區(qū)的城市化發(fā)展，出現(xiàn)了大量的房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，地面硬化率提高而綠化率降低，對(duì)地下水循環(huán)特別是垂向補(bǔ)給阻斷影響加大［6-9］。在城市地面硬化率提高的同時(shí)，一定程度上切斷了大氣降水垂直補(bǔ)給通道，造成城市地下水漏斗現(xiàn)象加?。?0-14］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的遙感數(shù)據(jù)是同一時(shí)相下2018年8月Landsat7 TM與WorldView-2全色衛(wèi)星影像。TM多波段影像具有較為豐富的光譜信息，但空間分辨率低（為30 m）；WorldView-2單波段全色圖像信息少，但分辨率高（為0.5 m）。研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)源自《2018年河南省水資源公報(bào)》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒2018》等文獻(xiàn)。

2 偽綠化研究方法及面積獲取

2.1 研究方法

根據(jù)研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，將降水補(bǔ)給地下水的理論值與實(shí)際值之差作為因變量、地面硬化面積變化量作為自變量，建立線性關(guān)系模型并采用最小二乘法求解。查閱文獻(xiàn)獲取研究區(qū)平均地表徑流系數(shù)和年平均降水量，普查資料表明研究區(qū)內(nèi)不存在大規(guī)模持續(xù)性開(kāi)采地下水行為，地下水年允許開(kāi)采量13 876萬(wàn)m3，全年黃河側(cè)滲補(bǔ)給量700萬(wàn)m3。排除人為及河流對(duì)地下水生態(tài)自我修復(fù)的影響，反演地面?zhèn)尉G化面積對(duì)局部降水補(bǔ)給地下水的影響，具體流程如圖1所示。反演偽綠化面積A計(jì)算公式為

其中:

式中:QI為研究區(qū)理論降水補(bǔ)給地下水量，m3；QT為研究區(qū)實(shí)際降水補(bǔ)給地下水量，m3；β為降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，取0.76；G為多年平均降水量，取0.568 6 m；F為補(bǔ)給區(qū)面積，m2。

2.2 偽綠化面積獲取

2.2.1 特征集選取

建筑指數(shù)IB I是基于土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SVAI、歸一化建筑指數(shù)NDBI以及改進(jìn)歸一化水體指數(shù)MND-WI［6］這3個(gè)波段專(zhuān)題指數(shù)計(jì)算得到的。3個(gè)波段專(zhuān)題指數(shù)計(jì)算公式分別為

圖1 研究方法流程

式中:MIR、NIR、red、green分別為中紅外波段、近紅外波段、紅光波段和綠光波段像素的亮度值；a為0～1之間的土壤調(diào)節(jié)因子。

IBI計(jì)算公式為

把TM影像4、3、2波段合成彩色圖像以便于識(shí)別地物，完成圖像尺寸調(diào)整后與WorldView-2全色波段影像融合成0.5 m高分辨率影像產(chǎn)品，從圖像中裁剪出感興趣的區(qū)域，然后依據(jù)各波段組合特性提取7個(gè)重要特征指標(biāo):植被指數(shù)（NDVI）、水體指數(shù)（NDWI）、建筑指數(shù)（IBI）、生態(tài)指數(shù)（RSEI）、葉面積指數(shù)（LAI）、地表溫度（LST）、地表反照率（RNI）。

2.2.2 支持向量機(jī)（SVM）分類(lèi)器

支持向量機(jī)（SVM）分類(lèi)器是一種線性分類(lèi)器，要求分類(lèi)選擇的對(duì)象是線性可分的。但本研究分類(lèi)樣本為非線性可分的，所以要引入核函數(shù)將低維空間的非線性可分?jǐn)?shù)據(jù)變成高維空間線性可分?jǐn)?shù)據(jù)，從而劃分出分類(lèi)超平面。根據(jù)訓(xùn)練樣本少和高維非線性的分類(lèi)問(wèn)題，選擇高斯核函數(shù)公式:

式中:x1、x2為兩種類(lèi)別樣本；σ2為高斯正態(tài)分布參數(shù)方差，本研究取0.57。

可根據(jù)實(shí)際需要靈活選取參數(shù)σ，甚至還可將原始維度空間映射到無(wú)窮維度空間。若σ取值很大，會(huì)導(dǎo)致高次特征參數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重衰減快；若σ取值很小，會(huì)將任意的數(shù)據(jù)映射成為線性可分，容易造成過(guò)擬合現(xiàn)象。選取建筑用地（非滲水）、耕地、林地、草地、水體、裸地6大類(lèi)訓(xùn)練區(qū)樣本，將程序中分離性參數(shù)閾值設(shè)置為1.9，獲取的訓(xùn)練樣本用于執(zhí)行SVM監(jiān)督分類(lèi)。分類(lèi)結(jié)果得出建筑用地分類(lèi)精度為97.06%，總體kappa系數(shù)為0.968。分類(lèi)后有效提取地面硬化面積進(jìn)行地面硬化率估算，分類(lèi)結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)SVM分類(lèi)結(jié)果

2.2.3 反演偽綠化面積

在只考慮地表硬化的情況下，將統(tǒng)計(jì)建筑用地像元或者地表硬化面積轉(zhuǎn)換為矢量格式后計(jì)算不透水面積。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，提取的不透水面積占整個(gè)研究區(qū)面積的38.3%，由研究區(qū)面積242.1 km2，可得硬化面積為92.7 km2、可補(bǔ)給入滲面積為149.4 km2。理論降水補(bǔ)給地下水量約為430萬(wàn)m3，由年鑒資料查得實(shí)際降水補(bǔ)給地下水量約為220萬(wàn)m3，代入式（1）可得隱藏硬化面積為48.42 km2，約占研究區(qū)總面積的20%，這部分面積包括防滲河道、極淺層地表綠化、城市地下空間配套基建等，統(tǒng)稱(chēng)為偽綠化面積，其減少的降水垂直補(bǔ)給地下水量（即損失量）約為210萬(wàn)m3。

3 結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證遙感技術(shù)手段獲取研究區(qū)偽綠化率的準(zhǔn)確性及其對(duì)大氣降水入滲的影響，選擇3個(gè)典型新建社區(qū)，通過(guò)實(shí)地踏勘與收集已有年鑒資料進(jìn)行對(duì)比分析。踏勘所得主要指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

建設(shè)前地表徑流量W的計(jì)算公式為

式中:α為徑流系數(shù)，本文取0.17。

表1 踏勘所得主要指標(biāo)數(shù)據(jù)

建設(shè)后地表徑流量W的計(jì)算公式為

式中:α1為綠化區(qū)徑流系數(shù)，本文取0.17；α2為硬化區(qū)徑流系數(shù)，本文取0.86；F1為有效綠化面積（去除偽綠化面積）；F2為硬化面積（計(jì)入偽綠化面積）。

各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由表1和表2可知，社區(qū)綠化率為33.8%～35.5%，地表硬化率為50.9%～54.7%，經(jīng)測(cè)算綠化面積與地表硬化面積重疊的面積占建設(shè)用地的18.2%～21.2%，實(shí)地測(cè)量的偽綠化率與本文利用遙感技術(shù)手段獲取的宏觀偽綠化率20%相符，也就是隱藏面積中的18.2%～21.2%的降水量不能補(bǔ)給地下水，只能作為土壤水或者多余雨水徑流被排泄，只有10%～15%的綠化面積接收降水入滲補(bǔ)給地下水。建設(shè)前與建設(shè)后相比，地表徑流增長(zhǎng)量約為建設(shè)前的1.9倍，年平均降水補(bǔ)給地下水損失量占建設(shè)前補(bǔ)給量的85.3%～87.1%。本研究區(qū)反演提取的不透水面積占比約38.3%，偽綠化面積占比約20%，即實(shí)際地面硬化率約58.3%，與實(shí)際踏勘情況相符。

4 結(jié) 論

（1）用遙感手段監(jiān)測(cè)城市地面硬化率是一種較為方便實(shí)用的宏觀手段，在城市化進(jìn)程中能快速有效地觀測(cè)出地面硬化面積，可為城市規(guī)劃者提供實(shí)時(shí)信息。

（2）利用反演算法得出研究區(qū)不透水面積占比約38.3%，偽綠化面積占比約20%，即實(shí)際地面硬化率約58.3%，偽綠化面積對(duì)降水補(bǔ)給地下水損失量為210萬(wàn)m3。

（3）實(shí)地踏勘可對(duì)遙感技術(shù)得出的地表硬化率進(jìn)行有效補(bǔ)充。