基于遥感数据的城市不透水层信息提取与分析研究进展

1 前言

随着城市的不断发展，我国的城市化水平逐渐提高，城市的范围不断扩大，越来越多的人口迁移到城市并且生活在城市中。在城市化的过程中，除人口结构的转变外，最重要的就是土地利用／覆被变化，尤其是耕地的不断减少及不透水层的迅速扩张^[1]。不透水层指的是阻止水渗入土壤的土地覆盖表面，主要包括道路、停车场、人行道、屋顶和城市地物中其他不具有渗透性的表面。从城市水文学的角度来讲，不断增加的不透水层覆盖率会提高城市径流的速度和体积，从而给市政排水和防洪带来了很大的压力^[2]。作为一种典型的地表覆盖成分，不透水层成为衡量城市化水平的标准之一，同时也可以作为城市生态环境的指标。已有的研究结果表明，不透水面的增加，会提高城市内涝和城市连片区域下沉风险，对水质量、小区域气候、生存环境都会产生负面影响^[3]。遥感技术的特性对于提取不透水层具有一定的优势，因此对研究城市的不透水层提取非常有意义。本文将对研究不透水面的遥感技术与方法进行总结。

2 不透水层和与地表温度（城市热岛）的关系

当前，不透水面信息已在城市化监测、人口估计、水环境监测、土地的利用变化、热岛效应分析、水文气候建模分析等诸多领域得到了广泛应用。而本研究将从地表温度的角度出发，对于城市不透水层进行研究，对城市热环境以及城市的热岛效应和地表不透水层的之间的相关性进行分析。

热岛效应是城市化区域的人为影响和自然气象共同作用形成，其研究对环境保护和规划、能源利用、居民保健等方面具有重要的意义^[2]。不透水层比自然地物更易保存和聚集大量的热量，并且热量通过径流量转移至终端水流^[4]，因此，城市热岛效应研究是城市不透水层应用的重要方向之一^[5]。因为不透水面具有较强的太阳辐射吸收能力，吸收的辐射又逐渐以长波辐射的形式发射出去，加热城市冠层和边界层，改变其显热和潜热通量，从而改变城市地区的水热循环过程，影响城市气候^[6]。不透水面盖度与地表温度有着强烈的正相关，不透水面增多会增加城市热岛效应^[7]。不透水面面积、盖度和空间格局不仅代表着城镇化的程度，也对流域的水热循环和水环境有着重要的影响，因此，准确提取不透水面十分重要^[8]。Roy等^[9]研究表明Twin城夏季极端高温的多年变化剧烈区与不透水面增加最多的区域一致。Imhoff等^[10]利用NLCD 2001中的不透水面数据和MODIS 2003—2005年平均地表温度分析美国38个城市热岛效应与城市发展强度、大小和生态环境之间的关系，结果显示城市热岛效应受不透水面盖度、城市大小和所处的生态环境等多个因素影响。

在现有的不透水面信息应用中，不透水面被视为一种固有物理特性的土地覆盖类型，影响了其水热循环模拟能力^[4]。所以从不透水层和热岛效应之间的关系入手，是一个很好的研究切入点。

3 基于遥感数据技术提取不透水层的方法

随着遥感技术的提高和发展，近年来提出了许多关于遥感不透水层的研究方法，其中比较常用的是指数方法。指数方法是根据不同地物的光谱特征，提出可以真实反映该地物的特征以及明显区分于其他地物的指数，使用该指数来进行该类地物的提取研究。崔秋洋等^[11]应用最新发射的Landsat8卫星影像中陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)中波段，通过归一化差值不透水面指数(NDISI)估算北京市平原区不透水面盖度。归一化差值不透水面指数(NDISI)^[12]可以用于大区域范围内快速、自动地提取不透水面信息，其计算原理是在多光谱波段内分别找出对不透水面辐射最强的波段和辐射最弱的波段。然后将辐射弱者作为分母，强者作为分母求得的。归一化差值方法是通过增大强、弱二者辐射的差距来使得不透水表面信息得到显著增强。