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多尺度不透水面信息遙感提取模型與方法 版權(quán)信息
- ISBN：9787030673220
- 條形碼：9787030673220 ; 978-7-03-067322-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
多尺度不透水面信息遙感提取模型與方法 內(nèi)容簡介
本書系統(tǒng)分析了多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題，提出了多個不透水面信息遙感提取的新模型和新方法，并重點剖析了優(yōu)選和區(qū)域尺度不透水面信息提取模型和方法、流域尺度不透水面信息提取模型和方法、城市尺度不透水面信息提取模型和方法、景觀尺度不透水面提取模型和方法。作者結(jié)合優(yōu)選城市化發(fā)展趨勢和城市可持續(xù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，針對海綿城市建設(shè)需求，實踐了多尺度不透水面信息的應(yīng)用，很后展望了多尺度不透水面信息遙感提取模型和方法的發(fā)展趨勢。
多尺度不透水面信息遙感提取模型與方法 目錄
目錄
第1章 多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題和挑戰(zhàn) 1
1.1 多尺度不透水面信息的科學(xué)價值 1
1.2 不透水面信息遙感提取技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展歷程 6
1.2.1 基于譜特征的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 7
1.2.2 基于圖特征的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 8
1.2.3 基于圖譜特征相結(jié)合的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 9
1.3 多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題 10
1.3.1 不透水面“地物-材質(zhì)”信息表達模型 10
1.3.2 基于遙感技術(shù)提取不透水面信息的尺度效應(yīng)問題 11
1.4 多尺度不透水面信息遙感提取的技術(shù)難題 12
1.4.1 多傳感器或多航帶影像色調(diào)不一致問題 12
1.4.2 遙感影像云遮擋問題 14
1.4.3 高分辨率遙感影像中高層建筑物的陰影遮擋問題 14
1.4.4 城市植被遮擋問題 15
1.4.5 同物異譜和異物同譜問題 15
1.4.6 城市復(fù)雜場景多尺度不透水面信息自動提取難題 17
1.5 本書內(nèi)容組織 17
本章參考文獻 18
第2章 不透水面信息遙感提取模型 21
2.1 V-I-S模型 21
2.2 基于混合光譜分解的不透水面信息遙感提取模型 22
2.3 不透水面信息遙感提取指數(shù)模型 26
2.4 基于傳統(tǒng)影像分類的不透水面信息遙感提取模型 29
2.4.1 像元尺度不透水面信息遙感分類模型 29
2.4.2 亞像元尺度不透水面信息遙感分類模型 30
2.4.3 對象尺度不透水面信息遙感分類模型 30
2.5 光學(xué)遙感影像圖譜融合的不透水面遙感提取模型 32
2.6 基于隨機森林的不透水面信息遙感提取模型 33
2.6.1 特征值計算 33
2.6.2 隨機森林模型 34
2.6.3 精度評價及統(tǒng)計分析 43
2.7 基于深度學(xué)習(xí)的不透水面信息遙感提取模型 47
2.7.1 面向高分影像不透水面信息遙感提取的深度學(xué)習(xí)模型 47
2.7.2 概率圖學(xué)習(xí)模型 49
2.7.3 基于高分辨率衛(wèi)星影像的不透水面信息樣本庫構(gòu)建 50
2.7.4 基于深度學(xué)習(xí)模型的不透水面信息提取方法實現(xiàn) 50
本章參考文獻 55
第3章 全球和區(qū)域尺度不透水面信息遙感提取方法 61
3.1 全球和區(qū)域尺度不透水面信息遙感提取需求 61
3.2 全球尺度不透水面信息遙感提取方法和產(chǎn)品介紹 62
3.3 美國全國30m分辨率不透水面信息遙感提取 63
3.4 中國內(nèi)地2m分辨率不透水面信息遙感提取 64
3.5 本章小結(jié) 64
本章參考文獻 64
第4章 流域尺度不透水面信息遙感提取方法 66
4.1 流域尺度不透水面信息遙感提取需求 67
4.2 流域不透水面信息遙感提取方法 68
4.3 子流域特征和子流域不透水面信息遙感提取 71
4.4 珠江三角洲流域不透水面信息遙感提取實踐 72
本章參考文獻 77
第5章 城市尺度不透水面信息遙感提取方法 78
5.1 全球城市化進程導(dǎo)致城市不透水面的擴張 78
5.2 城市可持續(xù)發(fā)展的透水性體檢需求 81
5.3 基于遙感影像提取城市尺度不透水面信息的技術(shù)難題 85
5.3.1 基于人工設(shè)計特征的不透水面信息遙感提取分類器的局限性 86
5.3.2 同物異譜和異物同譜具體問題 86
5.3.3 城市地物多尺度差異問題 88
5.4 城市不透水面信息遙感提取所需的影像預(yù)處理 90
5.4.1 城市影像顏色恒常性增強 90
5.4.2 基于高斯尺度空間的城市影像融合 93
5.4.3 城市高分辨率遙感影像云檢測 101
5.4.4 城市高分辨率遙感影像陰影檢測和提取 107
5.5 城市尺度的不透水面信息遙感提取方法 109
5.5.1 基于中分辨率遙感影像的城市不透水面總體估算方法 109
5.5.2 全色高分辨率遙感影像面向?qū)ο蠓诸惖牟煌杆嫘畔⑻崛》椒?112
5.5.3 全色遙感影像和多光譜遙感影像融合的不透水面信息提取方法 113
5.5.4 基于光譜匹配分類的高光譜遙感影像不透水面信息提取方法 115
5.5.5 基于視頻遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的城市不透水面信息提取方法 118
5.5.6 高分辨率遙感影像和LiDAR融合的不透水面信息提取方法 121
5.5.7 光學(xué)和SAR圖像融合的城市不透水面信息遙感提取方法 129
5.6 城市不透水面信息遙感提取實踐 131
5.6.1 中國特大城市不透水面信息遙感提取實踐 132
5.6.2 國際城市不透水面信息遙感提取實踐 132
5.6.3 梧州市不透水面信息遙感提取實踐 135
5.6.4 中國小城鎮(zhèn)不透水面信息遙感提取實踐 138
本章參考文獻 140
第6章 景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 141
6.1 城市景觀尺度與景觀指數(shù) 143
6.1.1 area-edge景觀指數(shù) 143
6.1.2 shape景觀指數(shù) 145
6.1.3 aggregation景觀指數(shù) 146
6.1.4 diversity景觀指數(shù) 149
6.2 城市景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 150
6.2.1 城市典型景觀特點及不透水面信息遙感提取需求 150
6.2.2 多尺度多特征融合的景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 152
6.2.3 基于深度學(xué)習(xí)模型的高分辨率遙感影像不透水面信息遙感提取方法 154
6.3 基于車載和地面影像的城市景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 154
6.3.1 基于景觀尺度場景分析的高分辨率遙感影像不透水面信息提取 155
6.3.2 基于街景影像的景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果檢查 158
6.3.3 景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果的實地驗證 159
6.3.4 景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果與地理國情普查數(shù)據(jù)的對比 160
6.4 城市景觀尺度透水鋪裝信息的遙感提取 161
第7章 多尺度不透水面信息應(yīng)用 165
7.1 全球尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 165
7.2 中國內(nèi)地米級不透水面信息應(yīng)用 166
7.3 區(qū)域尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 168
7.3.1 區(qū)域不透水面豐度空間格局分析 168
7.3.2 區(qū)域不透水面時空變化分析 169
7.4 流域尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 172
7.4.1 秦淮河流域不透水面信息應(yīng)用 172
7.4.2 流域不透水面信息在長江經(jīng)濟帶規(guī)劃中的應(yīng)用 173
7.5 城市尺度米級不透水面信息在海綿城市規(guī)劃和建設(shè)中的應(yīng)用 175
7.5.1 海綿城市規(guī)劃對高精度不透水面信息的需求 176
7.5.2 武漢市米級不透水面信息應(yīng)用實踐 176
7.5.3 雄安新區(qū)米級不透水面信息應(yīng)用實踐 179
7.6 景觀尺度米級和分米級不透水面信息應(yīng)用 181
7.6.1 景觀尺度不透水面信息在舊城改造中的應(yīng)用 181
7.6.2 景觀尺度不透水面信息在新區(qū)規(guī)劃中的應(yīng)用 184
本章參考文獻 187
第8章 多尺度不透水面信息提取模型和方法及應(yīng)用展望 188
8.1 當(dāng)前不透水面信息遙感提取面臨的挑戰(zhàn) 188
8.2 不透水面信息提取模型展望 189
8.3 不透水面信息提取方法展望 190
8.4 從不透水面信息的提取到不透水層信息的提取 190
8.5 多尺度不透水面信息應(yīng)用展望 191
本章參考文獻 195
第1章 多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題和挑戰(zhàn) 1
1.1 多尺度不透水面信息的科學(xué)價值 1
1.2 不透水面信息遙感提取技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展歷程 6
1.2.1 基于譜特征的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 7
1.2.2 基于圖特征的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 8
1.2.3 基于圖譜特征相結(jié)合的不透水面信息遙感提取現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 9
1.3 多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題 10
1.3.1 不透水面“地物-材質(zhì)”信息表達模型 10
1.3.2 基于遙感技術(shù)提取不透水面信息的尺度效應(yīng)問題 11
1.4 多尺度不透水面信息遙感提取的技術(shù)難題 12
1.4.1 多傳感器或多航帶影像色調(diào)不一致問題 12
1.4.2 遙感影像云遮擋問題 14
1.4.3 高分辨率遙感影像中高層建筑物的陰影遮擋問題 14
1.4.4 城市植被遮擋問題 15
1.4.5 同物異譜和異物同譜問題 15
1.4.6 城市復(fù)雜場景多尺度不透水面信息自動提取難題 17
1.5 本書內(nèi)容組織 17
本章參考文獻 18
第2章 不透水面信息遙感提取模型 21
2.1 V-I-S模型 21
2.2 基于混合光譜分解的不透水面信息遙感提取模型 22
2.3 不透水面信息遙感提取指數(shù)模型 26
2.4 基于傳統(tǒng)影像分類的不透水面信息遙感提取模型 29
2.4.1 像元尺度不透水面信息遙感分類模型 29
2.4.2 亞像元尺度不透水面信息遙感分類模型 30
2.4.3 對象尺度不透水面信息遙感分類模型 30
2.5 光學(xué)遙感影像圖譜融合的不透水面遙感提取模型 32
2.6 基于隨機森林的不透水面信息遙感提取模型 33
2.6.1 特征值計算 33
2.6.2 隨機森林模型 34
2.6.3 精度評價及統(tǒng)計分析 43
2.7 基于深度學(xué)習(xí)的不透水面信息遙感提取模型 47
2.7.1 面向高分影像不透水面信息遙感提取的深度學(xué)習(xí)模型 47
2.7.2 概率圖學(xué)習(xí)模型 49
2.7.3 基于高分辨率衛(wèi)星影像的不透水面信息樣本庫構(gòu)建 50
2.7.4 基于深度學(xué)習(xí)模型的不透水面信息提取方法實現(xiàn) 50
本章參考文獻 55
第3章 全球和區(qū)域尺度不透水面信息遙感提取方法 61
3.1 全球和區(qū)域尺度不透水面信息遙感提取需求 61
3.2 全球尺度不透水面信息遙感提取方法和產(chǎn)品介紹 62
3.3 美國全國30m分辨率不透水面信息遙感提取 63
3.4 中國內(nèi)地2m分辨率不透水面信息遙感提取 64
3.5 本章小結(jié) 64
本章參考文獻 64
第4章 流域尺度不透水面信息遙感提取方法 66
4.1 流域尺度不透水面信息遙感提取需求 67
4.2 流域不透水面信息遙感提取方法 68
4.3 子流域特征和子流域不透水面信息遙感提取 71
4.4 珠江三角洲流域不透水面信息遙感提取實踐 72
本章參考文獻 77
第5章 城市尺度不透水面信息遙感提取方法 78
5.1 全球城市化進程導(dǎo)致城市不透水面的擴張 78
5.2 城市可持續(xù)發(fā)展的透水性體檢需求 81
5.3 基于遙感影像提取城市尺度不透水面信息的技術(shù)難題 85
5.3.1 基于人工設(shè)計特征的不透水面信息遙感提取分類器的局限性 86
5.3.2 同物異譜和異物同譜具體問題 86
5.3.3 城市地物多尺度差異問題 88
5.4 城市不透水面信息遙感提取所需的影像預(yù)處理 90
5.4.1 城市影像顏色恒常性增強 90
5.4.2 基于高斯尺度空間的城市影像融合 93
5.4.3 城市高分辨率遙感影像云檢測 101
5.4.4 城市高分辨率遙感影像陰影檢測和提取 107
5.5 城市尺度的不透水面信息遙感提取方法 109
5.5.1 基于中分辨率遙感影像的城市不透水面總體估算方法 109
5.5.2 全色高分辨率遙感影像面向?qū)ο蠓诸惖牟煌杆嫘畔⑻崛》椒?112
5.5.3 全色遙感影像和多光譜遙感影像融合的不透水面信息提取方法 113
5.5.4 基于光譜匹配分類的高光譜遙感影像不透水面信息提取方法 115
5.5.5 基于視頻遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的城市不透水面信息提取方法 118
5.5.6 高分辨率遙感影像和LiDAR融合的不透水面信息提取方法 121
5.5.7 光學(xué)和SAR圖像融合的城市不透水面信息遙感提取方法 129
5.6 城市不透水面信息遙感提取實踐 131
5.6.1 中國特大城市不透水面信息遙感提取實踐 132
5.6.2 國際城市不透水面信息遙感提取實踐 132
5.6.3 梧州市不透水面信息遙感提取實踐 135
5.6.4 中國小城鎮(zhèn)不透水面信息遙感提取實踐 138
本章參考文獻 140
第6章 景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 141
6.1 城市景觀尺度與景觀指數(shù) 143
6.1.1 area-edge景觀指數(shù) 143
6.1.2 shape景觀指數(shù) 145
6.1.3 aggregation景觀指數(shù) 146
6.1.4 diversity景觀指數(shù) 149
6.2 城市景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 150
6.2.1 城市典型景觀特點及不透水面信息遙感提取需求 150
6.2.2 多尺度多特征融合的景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 152
6.2.3 基于深度學(xué)習(xí)模型的高分辨率遙感影像不透水面信息遙感提取方法 154
6.3 基于車載和地面影像的城市景觀尺度不透水面信息遙感提取方法 154
6.3.1 基于景觀尺度場景分析的高分辨率遙感影像不透水面信息提取 155
6.3.2 基于街景影像的景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果檢查 158
6.3.3 景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果的實地驗證 159
6.3.4 景觀尺度不透水面信息遙感提取結(jié)果與地理國情普查數(shù)據(jù)的對比 160
6.4 城市景觀尺度透水鋪裝信息的遙感提取 161
第7章 多尺度不透水面信息應(yīng)用 165
7.1 全球尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 165
7.2 中國內(nèi)地米級不透水面信息應(yīng)用 166
7.3 區(qū)域尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 168
7.3.1 區(qū)域不透水面豐度空間格局分析 168
7.3.2 區(qū)域不透水面時空變化分析 169
7.4 流域尺度十米級不透水面信息應(yīng)用 172
7.4.1 秦淮河流域不透水面信息應(yīng)用 172
7.4.2 流域不透水面信息在長江經(jīng)濟帶規(guī)劃中的應(yīng)用 173
7.5 城市尺度米級不透水面信息在海綿城市規(guī)劃和建設(shè)中的應(yīng)用 175
7.5.1 海綿城市規(guī)劃對高精度不透水面信息的需求 176
7.5.2 武漢市米級不透水面信息應(yīng)用實踐 176
7.5.3 雄安新區(qū)米級不透水面信息應(yīng)用實踐 179
7.6 景觀尺度米級和分米級不透水面信息應(yīng)用 181
7.6.1 景觀尺度不透水面信息在舊城改造中的應(yīng)用 181
7.6.2 景觀尺度不透水面信息在新區(qū)規(guī)劃中的應(yīng)用 184
本章參考文獻 187
第8章 多尺度不透水面信息提取模型和方法及應(yīng)用展望 188
8.1 當(dāng)前不透水面信息遙感提取面臨的挑戰(zhàn) 188
8.2 不透水面信息提取模型展望 189
8.3 不透水面信息提取方法展望 190
8.4 從不透水面信息的提取到不透水層信息的提取 190
8.5 多尺度不透水面信息應(yīng)用展望 191
本章參考文獻 195
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多尺度不透水面信息遙感提取模型與方法 節(jié)選
第1章 多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題和挑戰(zhàn) 不透水面(impervious surface area，ISA)通常是指地表水不能直接滲透的自然或人工表面，如果考慮不透水材質(zhì)的厚度，也可稱其為不透水層。自然不透水面主要指不透水巖石，不透水巖石組成的巖層稱為隔水層。人工不透水面很多，主要由水泥、瀝青、金屬、玻璃等不透水材質(zhì)構(gòu)成，用于建設(shè)房屋、道路、停車場和廣場等人工目標(biāo)。 不透水面主要分布在城市。當(dāng)前，全球仍處于進一步城市化的進程中，可以預(yù)見的趨勢是城市不透水面的總量還會繼續(xù)增加。不透水面的增多對城市環(huán)境有著多種直接或間接的影響，如增加地表徑流、增大市政排水和城市防洪壓力、增強城市熱島效應(yīng)等，間接加劇水質(zhì)惡化；不透水面的變化也直接反映城市的發(fā)展和擴張，不透水面的時空分布模式是城市設(shè)計和規(guī)劃部門所需要的重要信息，透水率、不透水率是海綿城市規(guī)劃的控制性指標(biāo)。因此，準(zhǔn)確掌握不透水面的時空分布格局和演變規(guī)律有助于城市土地的科學(xué)規(guī)劃和利用、城市群的協(xié)調(diào)發(fā)展和流域生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)研究，可為未來城市和區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。 本章介紹多尺度不透水面信息的科學(xué)價值，總結(jié)城市不透水面信息遙感提取技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展歷程，探討多尺度不透水面信息遙感提取的科學(xué)問題，分析不透水面信息高精度遙感提取所面臨的技術(shù)難題。 1.1 多尺度不透水面信息的科學(xué)價值 不透水面信息不僅反映了城市化導(dǎo)致的土地利用和土地覆蓋變化(land-use and land-cover change，LUCC)，也影響著由城市LUCC所引起的城市生態(tài)環(huán)境的變化。 如圖1-1所示，道路、建筑物屋頂和停車場是人工不透水面的三類主要來源。不透水面作為一種典型的地表覆蓋，不僅物理意義明確，而且不透水率可以有效地描述地表的空間漸變特征，同一土地利用類型所對應(yīng)的不透水面覆蓋度一般在某個連續(xù)的范圍內(nèi)取值，而不同土地利用類型所對應(yīng)的不透水面覆蓋度的取值范圍一般不同(高志宏 等，2010)，因此城市多尺度不透水面信息主要具有三方面的科學(xué)價值。 1. 城市不透水率是城市化的指示指標(biāo)之一 一方面，可以通過對城市不透水面的監(jiān)測來了解城市地表覆蓋的變化過程，另一方面，可通過不透水面的大小初步了解城市生態(tài)環(huán)境的變化趨勢。城市不透水面具有蓄熱能力強、蓄水能力差以及阻礙氣流傳輸?shù)忍攸c，影響了城市的地表水文循環(huán)、能量分布和生物多樣性，還會帶來非點源污染，城市不透水面的不合理增加是城市生態(tài)環(huán)境變化的重要原因。 圖1-1 人工不透水面的來源 天然的地表猶如一個海綿體，透水性很好。隨著城市化進程的加快，不透水面逐漸增多，主要表現(xiàn)為不透水面范圍的擴大和不透水率的增大。圖1-2為自然地表、鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)和大都市的不透水面分布變化對地表產(chǎn)流再分配的影響。從圖1-2可以看出，不透水面占比不但是城市化的顯著特征，也是城市生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展?fàn)顩r的重要衡量指標(biāo)，不透水面的變化從根本上改變了地表產(chǎn)流的再分配。 圖1-2 不透水面分布變化對地表產(chǎn)流再分配的影響 作為城市化的顯著特征之一，不透水面被定義為地表水不能滲透的硬質(zhì)表面(Slonecker et al.， 2001)。不透水面是城市的基質(zhì)景觀，并主導(dǎo)著城市的景觀格局與發(fā)展過程(劉珍環(huán) 等，2010)。降水在不透水面覆蓋地區(qū)難以通過樹木冠層截留蒸發(fā)重新返回大氣或以入滲方式進入土壤，導(dǎo)致通過地表匯流進入河湖網(wǎng)絡(luò)的水量占比增加(圖1-2)。與此同時，區(qū)域不透水面變化會影響病原體等非點源污染物的擴散，對城市居民的健康構(gòu)成潛在威脅。與植被等自然下墊面相比，不透水面具有較強的太陽輻射吸收能力，同時所吸收能量的一部分又會以長波的形式向外輻射，顯著改變城市內(nèi)部的熱環(huán)境(王浩 等，2013)，進而引發(fā)或加劇熱島效應(yīng)(Li et al.，2011)。由于不透水面對城市環(huán)境具有一系列重要影響，同時其所涵蓋的典型地物如建筑、道路、停車場等都是人類對于自然土地覆蓋類型的改造結(jié)果，因而不透水面被認為是衡量城市化水平和環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)(匡文慧 等，2011)。 城市是人類生產(chǎn)和生活的主要場所，也是人類對生態(tài)環(huán)境影響*為劇烈的區(qū)域(Seto et al.， 2012)。城市化(urbanization)這一概念*早在19世紀(jì)由西班牙工程師塞達(Serda)在其著作《城市化基本理論》中提出，用于描述從鄉(xiāng)村到城市的基本演化過程。作為一種全球性現(xiàn)象，城市化發(fā)軔于工業(yè)革命時期并隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展逐漸為人們所熟知。由于所涉及的相關(guān)學(xué)科較多和城市化過程本身的復(fù)雜性，迄今為止科學(xué)界對城市化仍未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定義解釋(韓貴鋒，2007；蘇世亮，2013)。黃金川和方創(chuàng)琳(2003)將城市化簡要概括為經(jīng)濟發(fā)展、人口增長、城市擴張和生活水平提高四個方面。Kromroy等(2007)則選擇了不透水面面積、建成區(qū)面積以及人口數(shù)量三個要素對美國明尼蘇達雙城地區(qū)城市化進行定量評估。盡管不同研究對城市化的描述存在差異，但城市化進程與生態(tài)環(huán)境之間存在著聯(lián)系且相互影響的觀點已被普遍接受(劉耀彬 等，2005)。 Seto等(2012)的研究表明，若維持目前的發(fā)展態(tài)勢，至2030年，全球新增城市面積將達到120萬km2，其中幾乎一半的貢獻來自亞洲，尤其是中國和印度等發(fā)展中國家。中國是全球*大的發(fā)展中國家，同時也是受城市化影響*為顯著的國家之一。據(jù)中國國家遙感中心《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測2013年度報告》，截至2010年，我國的城鎮(zhèn)總面積為16.1萬km2，僅次于美國，位居全球第二位。2000～2010年我國城鎮(zhèn)面積的增長率達到了11.17%，在全球所有國家中排名首位。我國的一些區(qū)域如長江三角洲、珠江三角洲、京津冀城市群等已成為全球城市化熱點地區(qū)。快速的城市擴張所帶來的直接結(jié)果是土地利用/土地覆蓋類型改變，突出表現(xiàn)為農(nóng)地、林地、自然水域面積的萎縮(淡永利 等，2014)和不透水面的持續(xù)增加(匡文慧 等，2013；Liu et al.，2013)。 2. 不透水面的占比及其空間分布是城市生態(tài)環(huán)境的指示指標(biāo)之一 全球地理變化是來自各種類型和各種尺度的地理單元生態(tài)系統(tǒng)變化的累計效應(yīng)和交互作用效應(yīng)的總體反應(yīng)。自工業(yè)革命以來，全球地理變化正在以前所未有的態(tài)勢影響著地球各圈層的物質(zhì)能量交換，進而有可能從根本上改變?nèi)蛱妓h(huán)在長期自然演化中所形成的動態(tài)平衡狀態(tài) (Xie et al.，2015)。不透水面的占比及其空間分布影響著城市的水文效應(yīng)和微氣候的變化，可用于城市水文和微氣候建模分析。因此，多尺度不透水面同土壤飽和度一樣，可作為徑流系數(shù)、基流模擬的重要參數(shù)，也是城市暴雨徑流模型中的關(guān)鍵因子。當(dāng)前的海綿城市規(guī)劃中，已使用米級和分米級分辨率的不透水面成果來精確計算水文模型中的具體參數(shù)，實現(xiàn)對地表徑流和管網(wǎng)流量的合理控制與規(guī)劃。不透水面以其特有的物理特性影響著城市的溫度、蒸散發(fā)和土壤含水量，在城市的微氣候中扮演著重要角色，通過不透水面變化監(jiān)測分析可對城市的微氣候進行預(yù)測。 不透水面擴張作為由人類活動主導(dǎo)的全球土地覆蓋變化的重要表現(xiàn)形式，其時空變化趨勢和對陸地碳水通量的影響機制是目前全球環(huán)境變化研究的熱點內(nèi)容(Seto et al.， 2012)。在流域和區(qū)域尺度上，不透水面擴張帶來的直接結(jié)果是土地覆蓋類型的改變，進而導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)功能退化。對于碳通量，綠色植物的減少直接影響生態(tài)群落光合作用產(chǎn)能，生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收功能會受到干擾甚至被逆轉(zhuǎn)，從碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚。對于水通量，植被的減少使本應(yīng)被冠層截留的水分以降水的形式落到地表，與難以下滲的地表徑流一起匯入河湖網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致區(qū)域蒸散量下降，生態(tài)系統(tǒng)的水分涵養(yǎng)能力被削弱。因此，深入了解不透水面擴張對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的影響，對有關(guān)各方制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和應(yīng)對全球性變化都具有重要科學(xué)意義。 在區(qū)域尺度上，不透水面擴張對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的影響涉及復(fù)雜的陸表物質(zhì)能量交互過程與植物生理機制。在城市尺度上，不透水面擴張會影響城市地表產(chǎn)流的再分配，也會影響地表匯流峰值的到達時間。 圖1-3為武漢市1998年內(nèi)澇場景，近年來武漢市每年都會發(fā)生不同程度的內(nèi)澇，全國出現(xiàn)內(nèi)澇的城市也越來越多。圖1-4為武漢市漢口2015年7月23日降雨漬水分布圖，可以看出，漬水點較多。 目前，越來越多的城市發(fā)生內(nèi)澇，內(nèi)澇的次數(shù)和頻率都很高。主要原因就是城市每天都在發(fā)生變化，這種變化主要是透水面轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆。圖1-5為武漢市1987～2020年的長時間序列不透水面信息遙感提取圖，從該圖可以看出，隨著城市的發(fā)展，紅色代表的不透水面面積整體呈現(xiàn)增大趨勢，而綠色代表的透水面面積有所減小。 圖1-3 武漢市1998年內(nèi)澇場景 圖1-4 武漢市漢口2015年7月23日降雨漬水分布圖 圖1-5 武漢市長時間序列不透水面信息遙感提取圖 3. 時間序列不透水面監(jiān)測是對城市可持續(xù)發(fā)展的定期體檢 不透水面作為城市化水平的標(biāo)志，與城市社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境有密切的聯(lián)系；谶b感的不透水面信息提取精確結(jié)果，結(jié)合與城市發(fā)展相關(guān)的社會經(jīng)濟要素和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，可以分析城市化的空間格局分布，進行相關(guān)性分析和發(fā)展?fàn)顩r評價。 多尺度不透水面是衡量城市生態(tài)環(huán)境狀況的一個重要指標(biāo)，它可以用來檢測城市中生態(tài)環(huán)境的變化以及人與自然的和諧狀況，如城市土地利用分類、居住人口評估、城市利用規(guī)劃和城市環(huán)境評估、地表徑流和熱島效應(yīng)等；為海綿城市規(guī)劃和監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，區(qū)域面積、幾何及空間分布、透水面和不透水面的比例等指標(biāo)在城市化進程及環(huán)境質(zhì)量評估中具有重要的應(yīng)用價值。因此，研究基于高分辨率遙感影像的城市不透水面信息提取和變化檢測具有十分重要的理論和應(yīng)用價值，可為城市發(fā)展?fàn)顩r分析提供一種有效的監(jiān)測手段。 1.2 不透水面信息遙感提取技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展歷程 20世紀(jì)50年代，不透水面的概念首先被城市規(guī)劃者提出。20世紀(jì)60～70年代，不透水面在水文領(lǐng)域開始被研究。1998年，馬里蘭大學(xué)利用NOAA-NVHRR開發(fā)完成全球1km分辨率的土地覆蓋數(shù)據(jù)庫。高分辨率IKONOS影像在城市不透水面提取中得到廣泛運用(Cablk and Minor，2003；Wu and Murray，2003；Lu and Weng，2009；Mohapatra and Wu，2010)。2016年9月，陳軍研究團隊針對聯(lián)合國《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》《氣候變化框架公約》和“一帶一路”建設(shè)等重點需要，設(shè)計研制2015版GlobelLand30數(shù)據(jù)，類型進一步細化，并逐步實現(xiàn)動態(tài)更新。2017年，邵振峰研究團隊提出了圖譜信息融合的不透水面提取模型，實現(xiàn)了基于深度學(xué)習(xí)的不透水面提取新方法，研制了不透水面遙感全流程提取和監(jiān)測軟件，基于多源高分辨率遙感影像首次完成了中國31個省(自治區(qū)、直轄市)的2m分辨率不透水面專題信息提取，形成全國不透水面一張圖(邵振峰 等，2018) (圖1-6)。Gong等(2020)完成了全球高空間分辨率(30m)人造不透水面逐年動態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(annual maps of global artificial impervious area，GAIA)(1985～2018年)，并揭示了全球主
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