不透水面產品在重慶地區的驗證

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展狀態,衡量城市發展的健康狀況[1-2]。近年來,許多國內外研究學者對不透水面提取的數據源和方法進行了研究,包括光學遙感影像提取方法(指數法、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據提取等[3-8]。2020年7月,中國科學院空天信息創新研究院劉良云研究員團隊利用美國陸地衛星計劃(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據(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)、數字高程模型數據(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品,并對數據進行了開放共享,該產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動態監測具有重要意義[9]。

本文以國家地球系統科學數據中心發布的全球不透水面數據產品為基礎,利用地理國情數據中地表覆蓋分類提取的不透水面成果對重慶地區進行驗證,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，與不透水面產品進行空間差異性分析,希望能夠對未來不透水面提取、優化以及城市規劃建設提供基礎支撐。

1 研究區及數據

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

2 基本分析

2.1 不透水面產品分析

不透水面產品坐標為全球大地測量系統-1984坐標系(World Geodetic System-1984 Coordinate System,WGS-84),對該數據進行坐標轉換、范圍裁切等預處理,形成重慶市2015年不透水面產品。結果顯示,全市不透水面產品總面積1 479.82 km2,與《2016年城鄉建設統計年鑒》(實際為2015年統計數據)中城市建成區相比,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和主城都市區,其中,中心城區624.22 km2,主城都市區557.59 km2,兩者之和面積占比為79.86%。區縣層面,各區縣不透水面平均面積為38.94 km2,面積最大為渝北區(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個區縣;50～100 km2有10個區縣;10～20 km2有8個區縣,小于10 km2有6個區縣,如圖1所示。審圖號為渝北S(2020)071號。

圖1 不透水面產品分布圖

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據提取不透水面范圍,地表覆蓋類型包括房屋建筑(區)、道路、硬化地表、水工設施、交通設施、城墻、固化池、工業設施、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,與不透水面產品數據相比明顯偏大,由于地理國情數據主要采用優于1 m高分辨率影像,通過人工目視解譯形成,且城市地區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。空間上,中心城區地理國情不透水面面積為822.09 km2,主城都市區面積1 544.48 km2,兩者面積之和占比為58.46%,渝東北地區和渝東南地區面積分別為1 136.38、544.96 km2,表明城市建設主要集中于中心城區和主城都市區(圖2)。

圖2 地理國情不透水面分布圖

2.3 POI核密度分析

POI數據在城市地區具有集聚效應和規模效益特征,已廣泛應用于城市建成區提取[10-11]。本文通過對POI數據進行數據去重和坐標轉換等預處理,利用地理信息系統(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；dx為POI點與x間距離;φ為距離權重。

全市POI核密度高值區主要分布于中心城區范圍內,與不透水面產品和地理國情數據均有一定相似性,其余主要位于各區縣城市中心區域(圖3)。按照不透水面產品數值進行擬合,得到等值線為9時,POI城市建成區矢量與不透水面產品擬合度最高,采用POI核密度提取城市建成區面積為1 498.74 km2,與不透水面產品數據差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數據進行坐標轉換、數據裁切、重采樣、噪聲去除等預處理。噪聲去除包含三個方面:采用海洋區域范圍內(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;利用地理國情數據中水域范圍作為區域背景值,將該范圍內像元剔除。采用1～12月亮度平均值作為2015年NPP/VIIRS成果。為便于城市建成區提取,本文通過對數變換,將NPP/VIIRS數據進行拉伸處理[12-14]。

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

圖4 NPP/VIIRS空間分布圖

3 不透水面產品驗證分析

3.1 地理國情數據驗證

研究對全市范圍內不透水面產品和地理國情不透水面數據進行空間疊加分析。全市地理國情不透水面范圍內有不透水面產品面積(重疊面積)為1 059.69 km2,占不透水面產品總面積的71.61%,表明不透水面產品與地理國情不透水面耦合性較高,產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 不透水面產品與地理國情數據對比圖

從各區縣對比來看,重疊面積占比集中在70%～75%,有23個區縣,數量占比為60.53%;有6個區縣重疊面積占比超過75%(北碚區、黔江區、銅梁區、巫溪縣、酉陽縣、云陽縣),9個區縣占比小于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,導致不透水面產品提取受到一定影響(表1)。

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

不透水面產品范圍內地理國情不透水面未覆蓋區域面積為420.13 km2,主要有以下幾個方面原因:(1)不透水面產品數據分辨率為30 m,地理國情數據主要采用優于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品與地理國情數據在內部和邊緣區域存在較多差異;(2)地理國情數據現勢性為2015年6月,不透水面產品數據截止2015年底,兩者現勢性差異導致部分已經建設區域在地理國情數據中未采集,空間上主要集中于城市新擴展建設區域;(3)由于云覆蓋、光譜特征混淆或者使用模型等因素,不透水面產品內存在一些實際非不透水面的錯誤區域,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 不透水面產品與地理國情由于分辨率差異引起的內部和邊緣不重疊示例

圖7 不透水面產品范圍內已實施建設但地理國情未采集示例

圖8 不透水面產品中錯誤提取范圍示例

3.2 與POI數據相關性

為分析不透水面產品與POI核密度相關性,研究以不透水面產品為基礎,構建1 km×1 km正方形網格,統計每個網格內不透水面數值和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,POI核密度能夠反映城市人為活動狀態,兩者具有一定相關性,但兩者相關性并不明顯,相關系數為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，將不透水面產品與POI核密度提取的城市建成區進行空間疊加分析。結果顯示,全市不透水面產品與POI提取城市建成區空間重疊區域面積為718.76 km2,占不透水面產品總面積的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域,由于各類配套基礎設施和公共服務設施還未開始大規模建設,使得該范圍內POI數據較少,因此，城市建成區范圍較小,大部分區域未覆蓋(圖10)。

圖10 城市建設新區不透水面與POI數據對比

3.3 與NPP/VIIRS數據相關性

以不透水面產品范圍內1 km×1 km正方形網格,統計每個不透水面數值和NPP/VIIRS對數均值,分析兩者相關性。結果表明:不透水面面積與NPP/VIIRS對數均值呈正相關性,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據分辨率較高(30 m),分布也較為離散,NPP/VIIRS數據分辨率較低(500 m),且城市內部夜間燈光亮度具有溢出現象,因此，部分不透水面面積較低網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品覆蓋區域為裸露巖石地表等非人類活動范圍,NPP/VIIRS數據夜間燈光亮度值較低的情況。

圖11 不透水面與NPP/VIIRS相關性

以不透水面面積數據為參考,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,提取建城市成區邊界。研究發現閾值為2.93與不透水面面積數據最接近,城市建成區面積為1 479.11 km2,與不透水面產品數據相對誤差0.05%。

將NPP/VIIRS提取的城市建成區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據空間上具有一定重疊度,但重疊比例不高,高重疊度區域主要位于中心城區范圍以及各區縣政府駐地周邊區域,主要由于夜間燈光數據提取城市建成區范圍在空間上集聚性較高,主要為人類活動集中建設區域。空間上非重疊區域零散分布于城市集中建設區外圍,主要由于夜間燈光數據分辨率較低,對于面積較小的人類活動建設區域未進行提取,如圖12所示。審圖號為渝北S(2020)071號。

圖12 不透水面產品與NPP/VIIRS提取城市建成區空間分布對比圖

4 結束語

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

(1)不透水面產品在重慶地區精度驗證情況較好,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,全市不透水面產品有71.61%以上位于地理國情不透水面范圍內,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品空間上錯判情況。

(2)不透水面產品面積與POI核密度具有一定正相關性,但相關系數不高,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域,由于各類配套基礎設施和公共服務設施還未開始大規模建設,使得該范圍內POI數據較少。

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

本文研究也存在一些不足,首先對于不透水面產品與POI核密度、NPP/VIIRS數據相關性分析簡單采用1 km×1 km正方形網格統計均值的方式,沒有分析不同網格大小對于相關性研究影響。此外,對于城市建成區采用閾值法提取,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邊界優化提供參考。