基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測量方法

葉 進

（福州潮洋工程試驗檢測有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

工業化加快了社會城鎮發展速度，導致城市土地的透水性越來越差，為了使土地使用穩定，故設定固定的時間點，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，根據城鄉建設用地真實數據，構建空間分析模型，通過提取不同時間段內的不透水面特征數據，探究城市格局所處的發展階段[1]。文獻[2]結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，該技術是獲取環境數據、實時監控環境變化的重要手段之一，能夠拓寬數據觀測視野、擴大數據識別面積，根據多尺度遙感技術的瞬態成像功能，快速獲取存在動態變化的城市區域，獲得不透水面的動態變化進程。此次研究結合多尺度遙感技術，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手段，為城市化管理工作提供更為先進的管理技術。

1.基于多尺度遙感的不透水面覆蓋率測量方法

1.1 多尺度遙感技術提取光譜指數

多尺度遙感技術提取有四項影響不透水面特性的光譜指數。根據文獻[3]的研究內容可知：可以利用遙感指數法擴充光譜波段，調查區域的土地分割類型，增強各個子區域的影像顯示[3]。為此，首先提取歸一化差值植被指數，該指數是遙感技術中最常用的光譜指數，利用該指數獲得有關地表植被的光譜信息，同時增強此類數據的光譜特征，描述區域內植物的生長狀態以及覆蓋度。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，對應參數值的反射率。

其次提取測試所需的增強型植被指數，用X2表示，該指數是對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分別為不同參數的干擾修正系數；P3為技術應用下藍光波段在不斷變化過程中，對各個節點數據的反射率；λ為城市土壤被利用后，需要選擇的調節系數，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，用X3來表示，當X1指數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據變化程度的反射率。該指數將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，從而實現對不透水面信息的抑制。

最后提取生物物理成分指數，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]。

結合上述四項光譜指數，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律

結合光譜指數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律。不透水面作為分析城市覆蓋情況的重要參數，可用來描述城市化進程，所以結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展規律，確定擴張強度指數和速度指數[5]。設置兩個指數分別為u和v，利用式（5）計算：

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

式（6）中，m為對象個數；φij為空間權重；ai、aj分別為兩個不同的測量區域；a-為平均值。而局部自相關指數可通過Ic來表示如式（7）所示：

式（7）中，c為局部區域面積；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果的重要參數，所以在獲得上述數據后，計算測算區域地表的能量通量。到達地面的能量通過不同參數的影響，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是地表物質開始轉換的動力參數，計算該值時需要通過下列方程組獲取相關參數如式（9）所示:

式（9）中，ε為大氣透過率；h為測量地區的海拔高度；l為日地距離因子；R2為太陽總輻射量；H為太陽常數；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。根據上述方程組，獲得地表凈輻射通量的取值。參數K可根據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聯性，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律的熱交換方式，所以可利用蒸散發模型的一般計算方法，獲得上述參數中的B值，如式（11）所示：

式（11）中，F為蒸散發參數，該參數的取值可通過式（12）獲得：

式（12）中，r為蒸散發模型的約束參數、rmax為標準值；Q為飽和水氣壓曲線斜率；β為限定控制系數；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，根據式（8）計算顯熱通量A，實現對地表能量通量的獲取。

1.4 構建不透水面覆蓋率測算模型

結合獲得的不透水面時空演變規律和地表能量通量，構建不透水面覆蓋率測算模型。將時空演變規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，由于使用的技術為多尺度遙感技術，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、物理成分指數以及裸土指數。測算模型設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

設置測算模型的決策流程后，根據多尺度遙感技術的光譜特征原理，構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，根據不透水面時空演變規律獲得；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之內時，可以認可式（13）計算結果的準確性。該殘差的驗證方程如式（14）所示：

式（14）中，N為波段總數；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據，至此實現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，獲取該區域的不透水面變化情況。

已知該區域在1997年～2005年時，城市現代化進程較為緩慢，城市中的主要干道較少，建筑總數量也未超過同期其他同類型城市的建筑總數量。自2006年上半年開始，M城市加快了城市化發展進程，越來越多的主干道、支路，各個建筑、廠房開始出現，到了2012年，B區域中超過50%的空間都被不透水面覆蓋。可見M城市中的B區域發展總共可以分為3個階段。搭建仿真環境，利用仿真軟件模擬自1995年至2012年的B城市M區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域的不透水面覆蓋率變化情況。為了保證實驗測試結果，引入兩種常規的測量方法，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果與B區域實際變化情況之間的差異。實驗開始前測試實驗設備與搭建的仿真環境，檢查設備網絡狀態是否穩定，仿真環境是否具備動態變化能力。硬件與軟件環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果（如圖3所示）：

圖3 第一階段測試結果

根據圖3顯示的第一階段測試結果可知，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區域的不透水面變化情況，結果（如圖4所示）：

圖4 第二階段測試結果

根據圖4顯示的測試結果可知：當B區域的不透水面迅速擴張時，實驗組能夠獲得一致的測量結果，而兩組常規方法的覆蓋率測算結果，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區域的不透水面變化情況，測試結果（如圖5所示）：

圖5 第三階段測試結果

結合第三階段測試結果可知：隨著城市化進程不斷加快，不透水面的覆蓋率大幅度增加，此時兩組常規方法受各自圖像處理技術的影響，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果。

2.3 不透水面覆蓋率測量精度評價

為了進一步區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果精確程度，得到的各項數據（如表1所示）：

表1 不透水面覆蓋率測量精度評價結果

為了方便比較，計算三個階段的不透水面覆蓋率測量結果平均值，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果。

3.結束語

此次研究結合常規測量方法的一般步驟，融合多尺度遙感技術，通過更加詳細的數據分析與處理，得到更為精準的不透水面覆蓋率測試結果。但綜合全文的研究內容來看，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進一步優化，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支持。