Scientia Geographica Sinica  2015 , 35 (11): 1444-1451

Orginal Article

1995年以来中国中部城市不透水面增长变化监测及其增长模式研究——以南昌市为例

李志12, 魏宗强3, 刘雅静1, 陈昭1

1. 江西师范大学城市建设学院, 江西 南昌 330022
2. 江西师范大学管理决策评价研究中心, 江西 南昌 330022
3. 江西农业大学国土资源与环境学院, 江西 南昌 330045

Reach on Chinese Central City Impervious Surface Area Growth Pattern in Recent 20 Years: Take Nanchang as a Case

LI Zhi12, WEI ZONG-qiang3, LIU Ya-jing1, CHEN Zhao1

1. Jiangxi Normal University City Construction College, Nanchang, Jiangxi 330022, China
2. Management Decision Evaluation Reserch center of Jiangxi Normal University, Nanchang, Jiangxi 330022, China
3. School of Environmental and Land Resource Management, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, Jiangxi 330045, China

中图分类号:  K903

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2015)11-1444-08

收稿日期: 2015-03-22

修回日期:  2015-06-10

网络出版日期:  2015-11-20

版权声明:  2015 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金(41501167)、江西省社科青年项目(14YJ40)、江西师范大学博士启动基金(2013CJ4920)项目资助

作者简介:

作者简介:李 志(1985-),男,江西九江人,博士,讲师,研究方向为城市地理与资源环境规划。E-mail:gmorning1985@jxnu.edu.cn,gmorning1985@163.com

展开

摘要

以典型样地基准化法结合约束性线性光谱分解法对南昌市主城区1995年以来不透水面增长格局演变及其模式进行研究。结果表明: 研究区不透水面格局呈“较散-集中-扩散”发展的总体规律,主导模式从“以轴线延伸式”向“以卫星填充式、零星飞地式增长”进行转变; 格局变化与经济社会发展阶段演变、便捷技术及材料的广泛使用,地区土地政策、城市规划、城建投资等因素有关; 制定理性的城市规划、重点关注郊区用地过快增长、推广使用绿色透水建材、透水的施工技术等可减缓研究区过快增长的不透水率。

关键词: 不透水面 ; 格局变化 ; 增长模式

Abstract

Impervious surface Area (ISA) is an artificial surface as the specific components, mainly by the hard road, parking lot, a square and a roof and other buildings composition in the city. Because isolation of surface water infiltration into the soil, impervious surface can cut the urban surface and subsurface hydrological connection. It is regarded as important elements on process of urban hydrological cycle, thermal cycling, local climate and biodiversity changes, has become an important indicator of urbanization healthy and quality of the city growth. So it increasingly becomes a hot research issues in geography, ecology, urban planning, environmental science and remote sensing information in recent years in China. But the long-term monitoring and longitudinal comparison of impervious surface is a challenging work. Based on the exited correlation between typical samples’ impervious rate, an innovation research method that we called it Reference model of Typical Samples (RTM) was constructed and used to do comparison of impervious surface in historical yearin this article. Besides, the paper examines the impervious surface area growth pattern in recent 20 years in Nanchang main urban areawas applying of Constraint Linear Spectral Unmixing Method(CLSUM). This study shows that the overall development shows the impervious surface area percentage (ISP) increases obviously in Nanchang main urban area in recent 20 years with the percentage of annual increase on 0.09% and the area of annual increase on 32 hatches. The growth pattern shows “decentralized-concentration-diffusion” expanding mode in study area, with the transition of impervious surface high-growth area from urban centers to urban fringe district. The preexisting dominant “road extending” developing mode is gradually transformed into “Satellite filling” mode and “Sporadic enclave” mode, with its contribution of ISP from 23% in 1995 to 11% in 2014 and at the same time Satellite &Sporadic enclavemode contribution to study area ISP from 63% to 71%. From the macro view, the impervious surface pattern evolution was affected by the development of social economy and the spreading of convenient engineering technology and materials. On the micro level, this kind of surface changing is also impacted by land policy, urban planning and the investment of urban construction, et al. The present study found that the excessive growth of impervious surface can be effectively reduced by: 1) Rationally planning city expansion; 2) Paying more attention to the excessive growth of construction land in suburban areas; 3) Promoting the use of green permeable building materials; 4) Developing the new construction technology used for improving permeability. The before-and-after comparison of the impervious surface pattern can be unified into a bench mark by joint applying of RTM and CLSUM, with elimination of certain errors. So the reference model of typical samples lays an analyzing foundation for the long-term monitoring and comparing of urban impervious surface changing.

Keywords: impervious surface ; pattern evolution ; growth pattern

0

PDF (2245KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

李志, 魏宗强, 刘雅静, 陈昭. 1995年以来中国中部城市不透水面增长变化监测及其增长模式研究——以南昌市为例[J]. , 2015, 35(11): 1444-1451 https://doi.org/

LI Zhi, WEI ZONG-qiang, LIU Ya-jing, CHEN Zhao. Reach on Chinese Central City Impervious Surface Area Growth Pattern in Recent 20 Years: Take Nanchang as a Case[J]. Scientia Geographica Sinica, 2015, 35(11): 1444-1451 https://doi.org/

不透水面(impervious surface areas,ISA)是城市中一种以人工地表为主要特征的特定组份,主要由城市中硬质道路、停车场、广场及屋顶等建筑物组成。由于不透水面能隔离地表水下渗到土壤,割断城市地表与地下水文联系,它被视为城市水文循环、热循环、局部气候及生物多样性变化等过程中的重要要素,已成为衡量城市化健康进程及质量的重要指标。21世纪以来,不透水面变化与城市环境受到世界学者的广泛关注,其研究主要集中于历史年份城市不透水面增长格局与特征、不透水面与城市交互的生态环境效应、不透水面增长的关键驱动因素和机制、不透水面增长模拟和预警预报等[1~10]

中国近些年快速城市化带来的许多生态环境问题正受到公众、管理者及科学家的关注。因为不透水面的重要作用,其日益成为地理学、生态学、城市规划学、环境科学及遥感信息等学科研究的热点问题。从国内来看,近期对城市不透水面的研究进展可以总结为3个方面:一是跟踪介绍国外不透水面研究最新技术、模型和相关参数等方面研究,特别是介绍不透水面遥感优化模型技术,如多光谱数据不透水面成分的分类回归树CART法[11~13], V-I-S模型线性光谱混合模型法(LSMA)及引进的支持向量机SVM分析技术等[14~18];二是以不透水面为切入点探讨本土城市生态环境过程机理方面的研究[19~28];三是推进不同层次地域、尺度和精度的不透水面监测及应用等方面的研究[19, 29~33]

从现有成果来看,一是中国不透水面遥感测度的技术还有待发展,还有很多如多尺度数据融合、不透水面格局连续测度等技术问题有待解决;二是国内研究的视域也有待扩展,现有成果基本集中于对中国沿海发达的重要城市,而对中、西部等重大特大城市的研究几乎为零,不利于对不透水面影响国内城市生态环境的全面认识。鉴于此,本文以南昌市主城区为例,采用Landsat数据,通过采用典型样地基准化法对多年不透水面格局演变及其增长模式进行分析,旨在为改进多年份不透水面测度方法提供一种参考,同时为国内学者关注中国中部城市不透水面的研究提供“抛砖引玉”之用。

1 研究区概况及研究思路

南昌市地处江西省中部偏北,赣江、抚河下游,濒临鄱阳湖南岸,是江西省省会。近年来南昌市经济社会发展迅速,经济增长位列中部省份城市之首。伴随着经济社会的加速发展,南昌市城市生态环境问题日益凸显,出现如冬季内湖蓝藻爆发、城市积雨内涝、城市热岛效应过高等公共事件,这些事件已引起社会各界的关注,与此具有重大影响的城市不透水面也逐渐被人们重视。由于南昌市辖区面积牵涉较广,往往一景图幅不能涵盖整个市域,同时为了便于同季同地遥感影像的比较,论文设定以南昌市核心城区为中心向外作约2 700 km2的距形区域作为此次研究特定区域。通过比较,该研究区涵盖了最新版南昌市中心城区规划中绿地生态系统所设定外围线(以下简称“绿围”)。一般的“绿围”可视为城市建成区边界以及近期建设不应突破的扩张边界,也被认为是城乡过渡的主要界线。

如引言所说,城市的不透水面遥感解译及其连续监测仍是技术上的难题。一方面由于研究跨度时间长,数据精度和尺度不一致,由此可导致数据存在不可比性问题,另一方面由于地面地物光谱在同一年份各个季节上都存在显著差异,很容易产生同物不同谱的现象,因此想要在纵向多年份上测定不透水面格局变化显得困难。为此,论文以如下思路进行解决,一是全部使用来源于美国陆地卫星30 m分辨率且采用冬季遥感影像作为基础数据以解决数据不同尺度、精度不可比问题,二是通过采用典型样地的不透水率(Impervious Surface Percentage,ISP)进行数学建模,以模型修正不同年份非样地不透水率从而可以让不透水面格局进行纵向对比(图1)。具体方法如下:以经典的V-I-S模型理论,通过混合光谱分解法将历史年份不透水面格局进行初步解译,其中论文将采用纯净像元指数(Pixel Purity Index,PPI)PPI方法提纯历史时期各组分的端元特征并确定高反照端元、低反照端元、土壤端元、植被端元的特征光谱,以约束性条件提取各个端元在每个像素单元上的含量且保证每个像素所有端元比重之和为1,以此为基础测算高、低反照端元组分之和即为不透水率。由于每一期初始不透水率的解译受本幅影像的端元光谱、成像温度、光照以及当日气候等各种因素的影响,很多未改变的图斑(取这些图斑作为典型样地)可能在不同期上的不透水率具有较大出入,这样就造成纵向格局分析的不准确性。因此,必要确定一个可以参照的标准,并以此标准来修正各期不透水面格局。该方法为,分别取研究区内尽可能多的未曾改变覆盖面貌的样区若干,样区记为典型样地 xi,监测样地2014年不透水率记为 Yi,其他2010、2003、1995年的不透水率分别为 xi2010, xi2003, xi1995,观察它们间的相关性和并利用统计规律进行建模,以模型修正2010、2003、1995年各非样地不透水率,由此得到的不透水面格局即可进行纵向比较。

2 关键技术与修正模型

2.1 线性光谱分解技术

线性光谱混合模型是将像元组分(端元)在某一波段的反射率分别以各组分所占像元面积比为权重系数的线性组合。模型拟合精度可由残差项m个波段的均方根误差RMS评价。理论上纯净地物个数及其特征光谱的确定可以通过最小噪音分离(Mininum Noise Fraction Transform,MNF)和PPI来确定,而自从Ridd提出城市覆盖植被-不透水面-土壤(Vegetable-Impervious-Soil Model,简称V-I-S 模型)模型,并将城市影像中每个像元看成这3种代表特征地物的线性组合以来,端元也可基本被认为是由植被端元-不透水端元(高反端元、低反端元)-土壤端元来表征。因此,论文即以此模型和混合线性光谱分解技术对研究区历史年份遥感影中的不透水面格局进行初步解译,其中为保证各组分端元比重之和要等于1,借鉴采用了约束性线性光谱分解技术。

图1   研究思路

Fig.1   Research Route

2.2 不透水率修正模型

理论上认为,未变化典型样地图斑的不透水率在同一季度内应该相差不大且相关性强,因此典型样地的不透水率修正模型可对其他年份的解译成果进行修正,并称此为基数修正。论文通过地物特征光谱结合目视解译法尽可能找出覆盖未变化的典型样区共计232个,同时保证了样区类型基本涵盖了研究区范围所涉及覆盖类型,样地类型分类精度kappa系数达到0.73,基本满足分类用户精度要求。值得注意的是水域及湿地图斑进行了掩模处理,它们均被视为透水率100%,因此不参与修正。典型样地选取见表1,从均值来看各样区不透水率特征基本符合常识上的判断,均方差表明典型样区覆盖类型的归并较为合理。

表1所示,1995~2014年,不少典型样地不透水率在前后年份的初始解译上存在较大差别,这无疑使得不透水面格局的纵向比较增加了难度。同时,虽然同类型样地前后不透水率差异存在,但是彼此之间存在着很强的相关性,如飞机场、广场等地面在任何年份的不透水率均为最高,2014年此类样点与2010年样点的相关性达到0.97。因此,对于这种差异可以通过建模基准化手段来进行消除。由于对每种覆盖类型进行前后年份不透水率基准化建模难度大、且样地较少,因此论文采用的是混合所有样点进行建模(图2)。如图2所示,离近期较远的1995和2003年典型样地不透水率与2014年典型样地的不透水率呈对数模式,而2010与2014年两者不透水率基数呈线性模式。究其原因可能是,一方面由于遥感影像年份越相近,纯净地物和端元选取的一致性越好,同类型地物不透水率初始解译值更接近,从而易于形成线性相关,反之则非线性关系的可能性越大;另一方面,1995、2003年遥感影像获取时间为冬季12月份,2010和2014年为1月份,月份相近使格局基数更为接近。

通过建模显示,1995、2003年初始不透水面格局整体将以对数函数进行拉伸, 2010年不透水格局整体将以线性函数进行拉伸,拉伸后格局的整体不透水率有所增加,以拉伸后的格局成果进行长时序的不透水面增长分析更具可比性意义。

表1   典型样地历史年份不透水率均值及其方差

TabLe 1   The mean and variance of impervious surface percentage on typical samples

覆盖类型样点数目
(个)
2014年2010年2003年1995年
均值均方差均值均方差均值均方差均值均方差
飞机场、城市广场、水泥路面370.920.490.870.380.750.430.690.25
沥青路面、屋顶、厂棚、停车场610.870.670.830.410.710.380.540.23
城市草坪、公园绿地、防护绿地270.630.420.550.330.490.30.390.33
城市裸露场地、工地自然场地200.380.330.410.290.390.330.330.29
旱地、自然裸土地280.270.290.380.370.220.250.220.21
水田、菜地300.240.370.260.270.210.190.180.14
自然草地、森林等290.190.210.160.30.170.20.120.17

新窗口打开

图2   典型样地不透水率1995~2014(a)、2003~2014(b)、2010~2014(c)基准化建模

Fig.2   Reference model of typical samples between different years in 1995-2014(a), 2003-2014(b), 2010-2014(c)

3 不透水面解译结果与分析

3.1 不透水面格局分布与演变

图3所示,1995年以来南昌市主城区不透水面呈现明显增加趋势,且分布上从主城区逐步向周边地区扩张。按不透水率与图斑面积乘积之和表示完全不透水面积,1995、2003、2010、2014年研究区完全不透水面积分别为54.2、56.0、59.0、68.1 km2,比重分别为17%,17.5%,18.4%和21.3%(按照与建成区面积320 km2比较)。从增长来看,2010年以来不透水面增长910 hm2,年增长量182 hm2/a,过去15 a增长480 hm2,年增长量32 hm2/a,这些表明南昌市主城区不透水面呈现快速递增的发展趋势。

图3   1995(a)、2003(b)、2010(c)、2014(d)年份研究区不透水面格局 ISP(%)

Fig.3   Distribution of impervious surface areas(ISA) in study area in 1995(a), 2003(b), 2010(c) and 2014(d)

标准差椭圆法是分析空间分布方向性特征的经典方法之一,反映的是空间要素组织的总体轮廓和主导分布方向,其中椭圆长轴半径与扁率可联合反应空间格局总体要素的集中密度,偏角反映格局的主导方向。为度量不透水面增量空间格局上的演变,以1995~2003、2003~2010和2010~2014年3个阶段上不透水面增长空间进行标准差椭圆法分析(图4)。

图4   研究区1995~2003(a)、2003~2010(b)、2010~2014(c)不透水面格局增长演变 ISP(%)

Fig.4   Growth evolution of ISA in study area in 1995-2003(a),2003-2010(b) and 2010-2014(c)

1995~2003南昌市主城区不透水面增长空间的标准差椭圆扁率为0.225,长轴半径为18 412 m,主轴正北偏东14°;2003~2010年的扁率为0.147,长轴半径为15 933 m,主轴正北偏东2°;2010~2014年扁率下降至0.096,接近于圆,长轴半径较前一阶段又有所上升,达到16 178 m,偏角已转向为正北偏西10°。结果表明南昌市不透水面先较散地沿“北偏东”展开增长,后又以“南-北偏东”沿线发展为主,到最近5 a内不透水面呈扩散发展且主轴转变为“北偏西”趋势。从城市发展史看,2003年前南昌市“对外公路-高速-城市道路”组成的城市扩张框架还处于建设之中,不透水面的增长明显的沿“路”状外延性的扩张。2003年后南昌市城市发展主要框架已经形成,不少新区建设开始以“面”状在骨架中进行填充,首批被填充的不透水面空间的主要围绕主城区周边进行,因而增长变得“集中成片”。受到城市规划、土地政策、新区开发、重心转移等多重政策影响,位于赣江北部红谷滩新区在2005年后开发开始加快,新区建设扭动了“主轴”的偏向。到2010年受南昌市新时期进一步“跨江发展”、“沿江建设”等政策的影响,赣江北部红谷滩新区、九龙湖新城等不透水面扩张显著快于南部一些新城的建设,因此进一步迫使主轴继续“偏西”转向。

3.2 不透水面增长模式分析

图形拓扑分析法中指出,若新增图斑与原有图斑不具有公共边的可认为是跳跃式增长模式,存在公共边且公共边为新增图斑周长的1/2以上的可归纳认为是延伸性增长模式,若公共边超过1/2的则可将增长图斑认为是填充式增长模式。为进一步区分增长动力来源,我们结合空间方位和图形拓扑分析法将研究区不透水面的增长模式总结为城区内涵式填充、线轴式延伸、卫星式填充、城外零星式飞地增长模式(表2)。

基于如上模式区分,对1995~2014不透水面格局进行叠加分析,得到不同阶段内各种模式的不透水面增长幅度和区域(图5)。1995年以来线轴延伸式、卫星填充式、零星飞地式是城市不透水面增长的主导型模式,前两种模式的不透水面增长贡献比占到72%,其中延伸式贡献占到45%。将1995~2003、2003~2010、2010~2014设为前期、中期、近期3个阶段,对不透水面增长过程中主导模式差异进行分析。研究区线轴延伸式城市不透水面增长模式一直是其主导类型,其过程变化为前期对不透水面贡献占比42%,中期占比54%,近期占比42%,而与之关系密切的卫星填充模式一直位于第二主导地位,其变化情况为前期占比21%,中期28%,近期29%;内涵填充式为前期23%,中期10%,近期11%;零星飞地式为前期14%,中期8%,近期18%。从3阶段来看,南昌市内道路牵引对不透水面增长的贡献仍较大,但是其主导作用显示出下降趋势,而卫星填充模式、零星飞地式的主导性呈增加趋势,内涵填充式则处于稳定在10%左右的态势,这一结果显示南昌市主城区不透水面的增长模式快要从“点+线”增长进入“面+点”状式增长,增长的重点及热点空间从“城中心区”逐步过渡到“城乡边缘”地区。

表2   4种不透水面增长模式及其定义与特征

Table 2   The definition and characteristics of four ISA growth mode

增长模式范围增长的来源基本特征
内涵填充式城区内核心区旧城内的房屋、市政等的翻新、改造等零散、不集中
线轴延伸式核心区以外区域道路工程的新建、扩建及改造沿线型伸展
卫星填充式城区核心区外,规划绿围范围以内区域除道路新建改造等以外的厂区、住区建设等集中成片
零星飞地式城区规划的绿围以外地区除道路新建改造等以外的住房、工厂建设等零散、不集中

新窗口打开

图5   研究区1995~2014时期各模式增长面积

Fig.5   The increase area of four ISA growth mode in different period during 1995-2014

3.3 不透水面格局及模式变化的原因分析

1) 快速城市建设导致了城市不透水面的加速增长。不透水面与城市建设是息息相关的,房屋建设、道路工程、固定资产投入、城市扩张等必然促进诸如防水屋顶、水泥沥青路面、停车场、广场等多种不透水面的快速增长。据统计,2014年南昌市城建区面积达到326 km2,是1995年城区面积的2.7倍,竣工房屋面积6 270万m2,是1995年的23倍,城区固定资产总投资2 403亿元,是1995年的22倍。城市快速的增长必然促进不透水面加速增长,控制过快、防止贪大的城市建设可视为是控制不透水面过速增长的重要手段。

2) 城市规划控制且引导不透水面格局的变化。城市不透水面集中区域从期初的“单中心”逐步发展为“主-副多中心”、“星座型”及“中心向外蔓延”演变与城市的发展规划存在重大关联。南昌城市不透水面增长格局演变显示其格局演变上遵循“较散-集中-扩散”的总体规律,同时不透水面主导轴向还产生了较大变化。20世纪末南昌市城市发展框架格局才“雏形具备”,因此不透水面增长必先经历先期的“道路轴线式”向外延伸扩张后才能进入“集中片状填充”及后期“零散点状飞地”的模式。也正是由于规划的引导,不透水面格局的主导方向也与城市规划的主轴向是紧密一致的。20世纪90年代以来南昌市发展经历过“南岸发展”到“跨江发展”再到“北岸优先发展”的历史,因而不透水面主轴随着如红谷滩新区、省政府行政中心、大学城等重点区域的转移而转动。可见城市规划的控制引导对不透水面格局影响是巨大的,规划好城市发展对不透水面格局的形成具有重要引导意义。

3) 城市发展阶段决定了不透水面主导模式。增长模式推进性变动与城市经济社会发展阶段具有重大关系,甚至该因素还起决定性作用。中国城市扩张遵循着“点-线(轴)-面(区域)”的发展规律,这种扩张增长规律也必然使得中国城市不透水面增长亦存在相对应的范式。对南昌市的研究来看,城市不透水面增长范式也类似于从点(内涵式)到线(线轴式),再到面(卫星式、零星式)的过程。从机理性分析来看,由于经济发展阶段、规模、经济区位等相对欠发达,南昌市城市扩张还仍处于“由线到面”的过程之中,因此不透水面的增长自然还处于由线性道路牵引式为主,相伴的卫星式、零星式为辅模式的状态。但是已有迹象表明,随着南昌市城市规划的进一步成熟、经济社会发展基础性增强,“线主面辅”的主导模式也正在悄然地改变。

4) 便捷工程技术及材料使用也是不透水面加速增长的主要动力。不透水面相对增长速度随着经济社会、城市建设的发展变得更加迅速,我们通常认为随着经济社会发展、技术的进步,各种工程建设技术及材料也必然是发展进步的,这意味着当前工程技术和材料应该使得不透水面增长速度放缓。近年来中国正在大力推进建成海绵型城市,推广绿色建筑,倡导使用透水材料,目的是扩大城市的透水率,但实际情况相反。这种矛盾与当代城市建设工程技术、城市规划控制等不无关系。对当代工程技术而言,水泥、沥青、钢板等方便施工的建筑材料能提高效率,因此可以看到当前城市各种工业区,道路、广场、新建筑大楼、住区小区地上地下空间甚至绿地花园等下垫面无不是由水泥、沥青等高度不透水材料进行铺装填充的,城市的不透水率远达不到绿色规划、海绵型城市发展的要求。因此,在城市未来发展时要注重节地同时也要注重自然空地的留白,通过强化透水工程技术的研发以及新型透水材料的推广使用来提高城市自我呼吸、净化和调节的能力。

4 结论与展望

1) 基于线性光谱分解技术和典型样地不透水率基准化方法,能够对长时期跨度的不透水面格局进行纵向对比,为监测城市不透水面格局演变、增长幅度、增长速率、增长模式提供科学分析的基础。

2) 随着经济社会、城市建设、工程技术等快速发展,南昌市主城区不透水面增长速率呈明显增加趋势。受城市扩张规律、城市规划、土地政策、新区开发、重心转移等多重因素影响,不透水面增长的重点、热点空间从主城区逐步向周边地区过渡,主导模式从“点+线”过渡到“面+点”,格局呈现“较散-集中-扩散”发展的总体规律。

3) 过快增长的不透水面不利于南昌市的健康发展,减缓不透水面过速增长可从制定理性扩张的城市发展规划、重点控制城郊地区建设用地过快增长、推广绿色透水建材的使用、研发利于透水的施工技术等多方面着手。

4) 基于混合所有典型样地的基准化模型可能存在风险,分别对各类典型样地进行基准化建摸并以此模型对历史年份不透水面格局进行拉伸将更具科学性。另外,基于南昌市一个城市的研究还不能揭示和全面性认识中国中部城市不透水面增长的基本规律,对以上不足的改进将是未来研究努力的方向。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] Davis C,Schaub T.

A transboundary study of urban sprawl in the Pacific Coast region of North America: The benefits of multiple measurement methods

[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2005,7(4):268-283.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2005.06.007      URL      [本文引用: 1]      摘要

Sprawling urban development has emerged as a primary concern of policy makers, land preservationists and both urban and rural communities in developing regions across the globe. For the first time in history, more global residents lived in urban areas than not and the trend to urbanization is in full force at the start of the 21st century. An understanding of the nature and character of urban sprawl is complicated by a failure to satisfactorily define it and by the limitations of measurement techniques designed to characterize complex landscape forms. Like other landscape patterns, the quantification of urban sprawl is highly spatially and temporally scale-dependent. This paper summarizes a recent project to measure urban sprawl in the transboundary region of the Pacific Coast of North America. The metropolitan centers of Portland, OR, Seattle, WA and Vancouver, BC, span two nations, three state/provincial governments and dozens of cities. As a region, this was a global leader in population growth in the 1990s. The study relied on three separate methods - an impervious surface metric, a neighborhood density metric and a building permit metric - for quantifying urban growth. The results provide insight on the strengths and shortcomings of different methods with respect to the challenges posed by data availability and format. Taken together they demonstrate the richer understanding that combined methods may offer in characterizing phenomena as difficult to communicate and agree upon as urban sprawl.
[2] Yuan F,Wu C,Bauer M E.

Comparison of spectral analysis techniques for impervious surface estimation using Landsat imagery

[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,2008,74(8):1045-1055.

https://doi.org/10.14358/PERS.74.8.1045      URL      摘要

Various methodologies have been used to estimate and map percent impervious surface area (%ISA) using moderate resolution remote sensing imagery. However, there is a lack of comparative analyses among these methods. This paper compares 3 major spectral analysis techniques (regression modeling, regression tree, and normalized spectral mixture analysis (NSMA)) for continuous %ISA estimation using Landsat imagery for 1986 and 2002 for the 7-county Twin Cities Metropolitan Area of Minnesota. This study showed that all 3 techniques demonstrate the capability for estimating %ISA accurately, with root mean squared errors ranging from 7.3-11% and R-squared of 0.90-0.96 for both years. Comparatively, regression modeling and regression tree methods produced similar results; however, both are highly dependent on accurate masks to differentiate urban impervious surfaces from bare soil. Within the urban mask, the regression tree-based estimates were the most accurate. In terms of time and cost, the NSMA approach is most efficient, but tends to underestimate the percent imperviousness for highly developed areas. Findings from the study provide guidance for the selection of %ISA estimation techniques using moderate resolution remote sensing data, along with information for further methodological improvements.
[3] Conway T M.

Impervious surface as an indicator of pH and specific conductance in the urbanizing coastal zone of New Jersey,USA

[J].Journal of Environmental Management,2007,85(2):308-316.

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2006.09.023      Magsci      摘要

<h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">Impervious surface is often used as an indicator of non-point source pollution in urban areas due to the strong relationship between percent impervious surface cover and water-quality impacts. In many cases, a threshold effect exists where water quality rapidly degrades above a given percent cover, but the exact threshold level appears to vary across regions. This study explores the relationship between pH, specific conductance, and percent impervious surface cover in the urbanizing coastal zone of New Jersey (USA) to determine the nature of the relationship in the region. The results of the analysis suggest the system is very sensitive to impervious surface, with a threshold potentially existing between 2.4% and 5.1% impervious surface cover. An examination of future conditions suggests that by 2020 water quality in more than 50% of the catchments in the study area will be negatively impacted by non-point source pollution associated with impervious surface.</p>
[4] Yuan F,Sawaya K E,

Loeffelholz B C et al.Land cover classification and change analysis of the Twin Cities (Minnesota) Metropolitan Area by multitemporal Landsat remote sensing

[J].Remote Sensing of Environment,2005,98(2-3):317-328.

[5] Xian G,homer C,Bunde Bet al.

Quantifying urban land cover change between 2001 and 2006 in the Gulf of Mexico region

[J].Geocarto International,2012,27(6):479-497.

https://doi.org/10.1080/10106049.2011.652675      URL      摘要

We estimated urbanization rates (2001–2006) in the Gulf of Mexico region using the National Land Cover Database (NLCD) 2001 and 2006 impervious surface products. An improved method was used to update the NLCD impervious surface product in 2006 and associated land cover transition between 2001 and 2006. Our estimation reveals that impervious surface increased 41602kmwith a growth rate of 5.8% between 2001 and 2006. Approximately 1110.102kmof non-urban lands were converted into urban land, resulting in a 3.2% increase in the region. Hay/pasture, woody wetland, and evergreen forest represented the three most common land cover classes that transitioned to urban. Among these land cover transitions, more than 50% of the urbanization occurred within 5002km of the coast. Our analysis shows that the close-to-coast land cover transition trend, especially within 1002km off the coast, potentially imposes substantial long-term impacts on regional landscape and ecological conditions.
[6] Xian G.

Satellite remotely-sensed land surface parameters and their climatic effects for three metropolitan regions

[J]. Advances in Space Research, 2008,41(11):1861-1869.

https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.11.004      URL      Magsci      摘要

By using both high-resolution orthoimagery and medium-resolution Landsat satellite imagery with other geospatial information, several land surface parameters including impervious surfaces and land surface temperatures for three geographically distinct urban areas in the United States 鈥 Seattle, Washington, Tampa Bay, Florida, and Las Vegas, Nevada, are obtained. Percent impervious surface is used to quantitatively define the spatial extent and development density of urban land use. Land surface temperatures were retrieved by using a single band algorithm that processes both thermal infrared satellite data and total atmospheric water vapor content. Land surface temperatures were analyzed for different land use and land cover categories in the three regions. The heterogeneity of urban land surface and associated spatial extents were shown to influence surface thermal conditions because of the removal of vegetative cover, the introduction of non-transpiring surfaces, and the reduction in evaporation over urban impervious surfaces. Fifty years of in situ climate data were integrated to assess regional climatic conditions. The spatial structure of surface heating influenced by landscape characteristics has a profound influence on regional climate conditions, especially through urban heat island effects.
[7] Xian G.

Analysis of impacts of urban land use and land cover on air quality in the Las Vegas region using remote sensing information and ground observations

[J].International Journal of Remote Sensing,2007,28(24):5427-5445.

https://doi.org/10.1080/01431160701227653      URL      摘要

Urban development in the Las Vegas Valley of Nevada (USA) has expanded rapidly over the past 50 years. The air quality in the valley has suffered owing to increases from anthropogenic emissions of carbon monoxide, ozone and criteria pollutants of particular matter. Air quality observations show that pollutant concentrations have apparent heterogeneous characteristics in the urban area. Quantified urban land use and land cover information derived from satellite remote sensing data indicate an apparent local influence of urban development density on air pollutant distributions. Multi-year observational data collected by a network of local air monitoring stations specify that ozone maximums develop in the May and June timeframe, whereas minimum concentrations generally occur from November to February. The fine particulate matter maximum occurs in July. Ozone concentrations are highest on the west and northwest sides of the valley. Night-time ozone reduction contributes to the heterogeneous features of the spatial distribution for average ozone levels in the Las Vegas metropolitan area. Decreased ozone levels associated with increased urban development density suggest that the highest ozone and lowest nitrogen oxides concentrations are associated with medium to low density urban development in Las Vegas.
[8] Weng Q,Lu D S.

A sub-pixel analysis of urbanization effect on land surface temperature and its interplay with impervious surface and vegetation coverage in Indianapolis, United States

[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2008,10(1):68-83.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2007.05.002      URL      Magsci      摘要

This study developed an analytical procedure based upon a spectral unmixing model for characterizing and quantifying urban landscape changes in Indianapolis, Indiana, the United States, and for examining the environmental impact of such changes on land surface temperatures (LST). Three dates of Landsat TM/ETM+ images, acquired in 1991, 1995, and 2000, respectively, were utilized to document the historical morphological changes in impervious surface and vegetation coverage and to analyze the relationship between these changes and those occurred in LST. Three fraction endmembers, i.e., impervious surface, green vegetation, and shade, were derived with an unconstrained least-squares solution. A hybrid classification procedure, which combined maximum-likelihood and decision-tree algorithms, was developed to classify the fraction images into land use and land cover classes. Correlation analyses were conducted to investigate the changing relationships of LST with impervious surface and vegetation coverage. Results indicate that multi-temporal fraction images were effective for quantifying the dynamics of urban morphology and for deriving a reliable measurement of environmental variables such as vegetation abundance and impervious surface coverage. Urbanization created an evolved inverse relationship between impervious and vegetation coverage, and brought about new LST patterns because of LST's correlations with both impervious and vegetation coverage. Further researches should be directed to refine spectral mixture modeling by stratification, and by the use of multiple endmembers and hyperspectral imagery.
[9] Zhang Y,

Odeh I O A, Hanc. Bi-temporal characterization of land surface temperature in relation to impervious surface area, NDVI and NDBI, using a sub-pixel image analysis

[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2009,11(4):256-264.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2009.03.001      Magsci      摘要

<h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">As more than 50% of the human population are situated in cities of the world, urbanization has become an important contributor to global warming due to remarkable urban heat island (UHI) effect. UHI effect has been linked to the regional climate, environment, and socio-economic development. In this study, Landsat Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) imagery, respectively acquired in 1989 and 2001, were utilized to assess urban area thermal characteristics in Fuzhou, the capital city of Fujian province in south-eastern China. As a key indicator for the assessment of urban environments, sub-pixel impervious surface area (ISA) was mapped to quantitatively determine urban land-use extents and urban surface thermal patterns. In order to accurately estimate urban surface types, high-resolution imagery was utilized to generate the proportion of impervious surface areas. Urban thermal characteristics was further analysed by investigating the relationships between the land surface temperature (LST), percent impervious surface area, and two indices, the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Normalized Difference Built-up Index (NDBI). The results show that correlations between NDVI and LST are rather weak, but there is a strong positive correlation between percent ISA, NDBI and LST. This suggests that percent ISA, combined with LST, and NDBI, can quantitatively describe the spatial distribution and temporal variation of urban thermal patterns and associated land-use/land-cover (LULC) conditions.</p>
[10] Lu D S,Li G,

Moran E et al.Spatiotemporal analysis of land-use and land-cover change in the Brazilian Amazon

[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013,34(16):5953-5978.

https://doi.org/10.1080/01431161.2013.802825      URL      PMID: 24127130      [本文引用: 1]      摘要

This paper provides a comparative analysis of land-use and land-cover (LULC) changes among three study areas with different biophysical environments in the Brazilian Amazon at multiple scales, from per-pixel, polygon, census sector, to study area. Landsat images acquired during the years of 1990/1991, 1999/2000, and 2008/2010 were used to examine LULC change trajectories with the post-classification comparison approach. A classification system composed of six classes 鈥 forest, savanna, other vegetation (secondary succession and plantations), agro-pasture, impervious surface, and water 鈥 was designed for this study. A hierarchical-based classification method was used to classify Landsat images into thematic maps. This research shows different spatiotemporal change patterns, composition, and rates among the three study areas and indicates the importance of analysing LULC change at multiple scales. The LULC change analysis over time for entire study areas provides an overall picture of change trends, but detailed change trajectories and their spatial distributions can be better examined at a per-pixel scale. The LULC change at the polygon scale provides the information of the changes in patch sizes over time, while the LULC change at census sector scale gives new insights on how human-induced activities (e.g. urban expansion, roads, and land-use history) affect LULC change patterns and rates. This research indicates the necessity to implement change detection at multiple scales for better understanding the mechanisms of LULC change patterns and rates.
[11] 高志宏,张路,李新延,.

城市土地利用变化的不透水面覆盖度检测方法

[J].遥感学报,2010,14(03):593~606.

https://doi.org/10.3724/SP.J.1011.2010.01138      URL      [本文引用: 1]      摘要

通过分析城市中不透水面数量和分布的变化与城市土地利用变化之间的对应关系, 综合中、高分辨率遥感数据各自的优势, 运用CART算法进行城市不透水面覆盖度(ISP)遥感估算, 基于ISP制图结果对城市土地利用变化进行检测。以山东省泰安市为例开展实验研究, 结果表明, 与传统的变化检测方法相比, 基于ISP的变化检测方法, 不仅能够反映土地利用类型转换的潜在信息, 而且可以灵活地量化定义和解释城市用地变化情况。这种方法为城市土地利用变化信息的提取和分析提供了一种新的思路, 可以作为现有变化检测方法的有益补充。
[12] 张路,高志宏,廖明生,.

利用多源遥感数据进行城市不透水面覆盖度估算

[J].武汉大学学报(信息科学版),2010,35(10):1212~1216.

URL      Magsci      摘要

利用深圳实验区4种不同传感器获取的遥感数据,通过CART算法进行城市ISP估算。讨论了多光谱遥感数据的不同波段在ISP估算中的重要性,比较了针对三种不同中分辨率影像建立的ISP估算模型在性能上的差异。实验结果表明,近红外波段对ISP估算结果的贡献最大,具有较高空间分辨率和成像辐射质量的遥感影像得到的估算结果精度较高,所有的估算结果均在实际ISP分布范围的两端分别存在着高估和低估的现象。
[13] 江利明,廖明生,林珲,.

利用雷达干涉数据进行城市不透水层百分比估算

[J].遥感学报,2008,12(01):176~185.

https://doi.org/10.3321/j.issn:1007-4619.2008.01.023      URL      [本文引用: 1]      摘要

人工不透水层是城市地区的重要特征.作为城市生态环境的关键指数,不透水层百分比(Impervious Surfaces Percentage, ISP)常用于城市水文过程模拟、水质面源污染及城市专题制图等研究中.本文利用ERS-1/2 重复轨道雷达干涉数据,采用分类与回归树(CART)算法探究了雷达遥感在城市ISP估算中的可行性和潜力,并与SPOT5 HRG光学遥感图像的估算结果进行了分析比较.香港九龙港岛实验区的初步研究结果表明,雷达干涉数据在城市不透水层研究中具有一定的应用潜力,特别是裸土 和稀疏植被的ISP估算结果要好于光学遥感,这主要得益于雷达干涉数据(特别是长时间相干图像)在人工建筑物和裸土或稀疏植被之间具有很强的区分能力,另 外,雷达干涉数据和光学遥感数据间的融合能够提高ISP估算精度.
[14] 潘竟虎,李宝娟.

基于空间PCA的兰州市热环境人文驱动因素分析

[J].干旱区地理,2011,34(04):662~670.

URL      [本文引用: 1]      摘要

在城市化过程中,人类社会、经济活动的加剧使城市地表热力景观呈现出高度的空间异质性。目前对城市热环境形成、演变的驱动机制、热岛效应与地表覆被变化的定量关系研究大多还是从对某些影响因子的测定入手,缺乏对区域热环境系统全面、综合的评价与分析。利用多源空间数据,以干旱区河谷型城市兰州为研究对象,在探讨热环境的空间格局基础上,运用空间主成分分析方法替代传统的多准则判断方法,分析了人类活动对城市热环境的影响特征。结果表明:兰州市人类活动对热环境的影响因子可以归纳为4种相对独立的基本要素,即景观格局、工业布局、城市建筑以及地表覆盖。影响兰州市中心城区热环境的最核心要素是景观格局,四个因子的线性模型较好地模拟了热环境的空间变化,定量揭示了兰州中心城区人类活动对热环境的影响机制。
[15] 赵锐锋,姜朋辉,陈亚宁,.

塔里木河干流区土地利用/覆被变化及其生态环境效应

[J].地理科学,2012,32(02):244~250.

URL      摘要

在GIS和遥感技术支持下,利 用1973年MSS遥感影像、1983年航空遥感土地利用图、1990年TM、2000年TM和2005年CBERS遥感影像对新疆塔里木河干流区土地利 用/覆被变化过程和生态环境效应进行了分析。结果表明,1973~2005年塔里木河干流区土地利用/覆被发生了显著变化,耕地、未利用地和城乡居民及建 设用地面积分别增加了25.72×104hm2、17.33×104hm2和0.51×104hm2,林地、草地和湿地面积分别减少了 29.10×104hm2、8.63×104hm2和5.84×104hm2。在1973~1983年、1983~1990年、1990~2000年、 2000~2005年4个时段中土地利用变化呈"显著变化—缓慢变化—显著变化—急剧变化"的过程。土地利用类型转移的主要方向是林地和草地转化为耕地、 耕地转化为城乡居民及建设用地、草地转化为未利用地。土地利用/覆被的变化引起了干流区水环境恶化、土壤质量改变、天然植被严重退化、土地荒漠化和盐渍化 加剧、湿地面积减少和生物多样性丧失等一系列生态环境问题。
[16] 徐康,吴绍华,陈东湘,.

基于水文效应的城市增长边界的确定——以镇江新民洲为例

[J].地理科学,2013,33(08):979~985.

URL      摘要

城市增长边界(UGB)是城市 增长管理、控制城市无序蔓延的重要工具,但如何科学定量划定城市增长边界一直是一个技术难题。针对目前城市增长边界定量划定研究的不足,提出一种基于城市 水文效应,适用于城市内涝易发区的城市增长边界划定方法。该方法整合了元胞自动机(CA)模型与区域水文模型(SCS),通过CA模型预测城市不透水面积 的扩张范围与形态,并以此作为城市水文模型的参数,评估城市淹水面积的比例及风险,最后根据风险水平确定城市增长边界。以镇江新民洲为例,实证研究了该地 区的城市增长边界的合理划定,研究发现该区域城市扩张规模控制500 hm2之内,城市在最大降雨条件下城市积水面积的风险水平能有效降低。研究结果可为新民洲的水文风险控制及城市规划提供依据,同时可为其他城市增长边界划 定提供方法参考。
[17] 李彩丽,都金康,左天惠.

基于高分辨率遥感影像的不透水面信息提取方法研究

[J].遥感信息,2009,2009,24(05):36~40.

URL      摘要

不透水地面是城市地区的特征,它与总用地的比值—不透水率作为一个重要的 城市生态指数常出现于城市水文、城市水质面源污染以及城市植被制图等研究中。利用高分辨率遥感影像提取不透水面不仅可获得较高精度的不透水面积信息,而且 可为中低分辨率遥感影像的提取提供样本训练区及检验其不透水面信息的提取精度。本文利用南京IKONOS影像,采用面向对象的分类方法进行不透水面信息的 提取,较好的解决了阴影归类和遮盖不透水面的植物剔除等难点问题,比较精确的提取了不透水面信息。
[18] 孙志英,赵彦锋,李桂林,.

无锡市近20年来城镇扩张动态及其驱动机制

[J].城市环境与城市生态,2007,20(04):13~16.

URL      [本文引用: 1]      摘要

基于多时段的TM遥感影像资料,利用GIS空间分析技术和社会经济统计数据,对无锡市1984-2003年间城镇动态扩张和驱动机制进行分析。结果表明,城镇扩张速率逐期增加,面积逐渐扩大;市区和县城以及乡镇空间扩张表现不同,不规则扩张、外延式、单一方向大规模扩张及线性扩张是城镇扩张不同时期表现出的形式;经济发展、固定资产投资、人口增长、地形地貌和交通条件以及国家政策和城镇规划对城镇扩张起着推动和约束作用,不同时期扩张是在这几种或其中几个因素共同作用的产物。
[19] 王天星,陈松林,阎广建.

地表参数反演及城市热岛时空演变分析

[J].地理科学,2009,29(05):697~702.

URL      [本文引用: 2]      摘要

采用TES算法实现了 ASTER地表温度的反演,在对发射率估算方法改进基础上,利用单窗算法反演1989年TM地表温度。结合C地形校正,利用线性光谱模型提取植被覆盖度与 城市不透水面密度,利用反射率提取NDVI。从多方面对城市热岛时空演变进行综合研究,研究表明,与等间距法相比,均值-标准差法可以较合理地刻画地表热 场的分布,一定程度上可以避开不同时相的差异。最后时空对比及空间统计学分析显示,1989~2004年间福州市城市热岛面积、热岛强度都有所增加,城市 热岛总体趋势为西北-东南走向,并逐渐向北-南方向偏移,而且城市热岛重心向东南方向偏移。
[20] 刘珍环,王仰麟,彭建,.

基于不透水表面指数的城市地表覆被格局特征——以深圳市为例

[J].地理学报,2011,66(07):961~971.

https://doi.org/10.11821/xb201107009      URL      摘要

以遥感数据进行土地利用/覆被分类为基础,利用景观格局指数研究快速城市化地区地表覆被格局变化时,面临两大难题,即①混合像元影响分类的精度存在不确定性,直接影响格局分析结论的可靠性;②景观格局指数,难以有效分析城市内部局部地区景观格局演变过程的变化特征。针对上述关键问题,本文以不透水表面组分表征城市的主体景观,运用地统计学及剖面线方法分析深圳市地表覆被格局的空间分异及其演变特征。结果表明:①1990-2005年,深圳地表覆被空间格局经历了分散—单中心聚集—多中心分散—多中心聚集的演变过程,在经历了东西—西北东南—东北西南—南北方向的发展过程后,景观整体的自相关程度高,空间梯度差异小。1990年的不透水表面组分比2005年低20%~40%,并且早期局地变化波动较大,后期变化波动明显减小。在局地空间演变上,老城区变化小,新城区及工业区变化大,城市不透水表面的局地空间差异性显著缩小。②城市不透水表面具有显著的梯度特征,在空间上主要呈现连续渐变的特点,因而在格局分析方法上,地统计学与剖面线方法可以同时从整体和局地两个层次对空间格局演变进行有效刻画。
[21] 李立青,吕书丛,朱仁肖,.

北京市新建城区不透水地表径流N、P输出形态特征研究

[J].环境科学,2012,33(11):3760~3767.

URL      摘要

2010年通过对北京市新建城区典型不透水地表径流水样的采集与 分析,研究新建城区地表径流水质特征及其N、P输出形态组成,以期为城市地表径流污染的源区控制提供科学依据.结果表明,北京市新建区典型不透水地表屋面 和道路地表径流污染初期冲刷效应显著,屋面径流污染负荷的输出主要集中在初期10 mm径流,而道路径流污染负荷的输出主要集中在初期15 mm径流.屋面地表径流TSS、COD、TN、NH4^+-N、NO3^--N和TP事件浓度均值分别为50.2、81.7、6.07、2.94、 1.05和0.11 mg·L^-1;道路地表径流TSS、COD、TN、NH4^+-N、NO3^--N和TP事件浓度均值分别为539.0、276.4、7.00、 1.71、1.51和0.61 mg·L^-1.屋面径流颗粒态COD、TN和TP分别占20.8%、12.3%和49.7%,道路径流颗粒态COD、TN和TP分别占68.6%、 20.0%和73.6%.屋面径流溶解性氮素占总氮87.7%,其中NH4^+-N和NO3^--N分别占57.6%和22.5%,道路径流溶解性氮素占 总氮的80.0%,其中NH4^+-N和NO3^--N分别占42.1%和35.0%.城市地表径流污染控制应加强NH4^+-N和NO3^--N的去 除.
[22] 匡文慧,刘纪远,张增祥,.

21世纪初中国人工建设不透水地表遥感监测与时空分析

[J].科学通报,2013,58(5~6):465~478.

URL      摘要

进入21世纪中国快速的城市化、工业化受到世界瞩目.基于国家资源环境遥感时空信息平台动态更新的中国土地利用/覆盖变化(LUCC)数据集以及人工建设不透水地表(ISA)空间数据集,在国家尺度监测21世纪初(2000~2008年)人工建设用地与不透水地表的增长.结果表明,我国21世纪初8年间受新一轮国土开发战略、社会经济高速增长等因素的影响,全国人工建设用地与不透水地表面积分别以3468.30,2212.24km2/a的速度高速增长,到2008年不透水地表面积占国土总面积的0.86%.2000~2008年城市用地扩张速度是20世纪90年代的2.18倍,以1788.22km2/a的平均速度扩张了2000年面积的43.46%,其中城市不透水地表面积以1348.85km2/a的速度增长了2000年面积的53.30%.总体上,8年间中国城市不透水地表面积呈现高速增长的态势,京津冀、珠三角与长三角三大城市群以及西部地区属于快速增长的区域.8年间,我国七大流域地表水环境均不同程度地受到不透水地表增长的潜在影响,而且不透水地表面积比例大于10%的子流域面积显著增加,集中分布在海河、长江、珠江三大流域.到2008年我国国土流域面积的14.42%不同程度地受到不透水地表分布的影响.
[23] 徐涵秋.

基于城市地表参数变化的城市热岛效应分析

[J].生态学报,2011,31(14):3890~3901.

URL      Magsci      摘要

以不透水面、植被、水体为代表 的地表参数的变化决定了城市的热环境质量。针对福州从一个非"火炉"城市一跃成为中国新三大"火炉"之首,对福州市1976—2006年间的地表参数变化 及其对城市热环境的影响进行研究。通过Landsat卫星影像反演了福州市1976、1986、1996、2006年的不透水面、植被、水体、地面温度等 主要地表参数,并对其进行空间叠加分析和相关关系的定量分析。研究发现:不透水面对地面温度的影响可接近或超过植被和水体之和,查明了福州城市主要地表参 数在这30 a里发生的变化及其对城市热环境的影响。总的看来,城市地表不透水面斑块的增加和集聚、植被和水体面积的减少和破碎,以及通风不畅,是造成福州成为"火 炉"城市的主要因素。
[24] 魏锦宏,谭春阳,王勇山.

中心城区不透水表面与城市热岛效应关系研究

[J].测绘与空间地理信息,2014,(04):69~72.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-5867.2014.04.018      URL      摘要

不透水地表作为城市土地覆盖类 型的重要组分,其分布格局与密度大小对城市生态系统服务功能会产生相反且决定性的作用,其中对地表的增温效应是城市热岛问题关注的核心内容。本研究通过线 性光谱混合分解模型提取城市不透水地表,基于Landsat TM6热红外波段数据的单窗算法反演地表温度,并进行两者的关系研究。结果表明:城市不透水地表与地温空间分布格局呈现高度相似性,其数值都随距城市中心 距离增加而逐渐减小,定量分析表明两者具有明显的指数相关关系。
[25] 王静,苏根成,匡文慧,.

特大城市不透水地表时空格局分析——以北京市为例

[J].测绘通报,2014,(04):90~94

https://doi.org/10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0133      URL      摘要

以北京市为研究区,利用 Landsat MSS影像和Landsat TM影像,运用线性光谱混合分解模型提取4期北京地区的不透水地表信息,并结合北京城市用地扩张,分析二者的时空格局。结果表明,近30年来,北京城市用 地和不透水地表快速扩张,扩张面积和速度逐年增加,到2010年不透水地表占城市用地面积的64.06%;东城区和西城区在1992年后不透水地表增长幅 度较小,丰台区、海淀区、朝阳区和石景山区一直保持快速增长的状态。到2010年,西城区不透水地表占城市用地比例最高,达到高度人工化;在3个扩张阶段 中,城市用地扩张中的不透水地表面积所占比例逐年降低,绿地面积所占比例逐年增加,尤其是2000—2010年绿地面积剧烈增加,达到了城市用地扩张面积 的27.19%。
[26] Kuang W H.

Evaluating impervious surface growth and its impacts on water environment in Beijing-Tianjin-Tangshan Metroplitan Area

[J]. Journal of Geographical Sciences,2012,22(03):535-547.

[27] 岳文泽,徐建华,徐丽华.

基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究——以城市热环境和植被指数为例

[J].生态学报,2006,26(05):1450~1460.

https://doi.org/10.3321/j.issn:1000-0933.2006.05.021      URL      摘要

城市化过程中,农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减 少,取而代之的是由沥青、水泥以及金属等组成的不透水表面,这个过程导致地表水分蒸腾减少、径流加速、显热的存储和传输增加以及水质降低等一系列生态环境 效应,其中最明显的两个特征就是土地覆被的植被减少、城市热岛的出现.而城市土地利用类型及其空间结构的生态环境效应同时又是城市生态学中的关键问题,其 研究对优化城市功能分区和城市规划管理以及城市可持续发展等都具有重要意义.以上海市为例,采用Landsat7的ETM+为基本数据源,首先定量反演了 每个像元内的陆地表面温度(LST)和植被指数(NDVI),然后利用GIS中的空间分析功能,将由于城市土地覆被所形成的生态环境效应综合到土地利用的 图斑中来,按照这个思路对城市土地利用的生态环境效应进行研究.分析LST、NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系,并引入多样性 指数(SHDI),讨论了不同土地利用的空间组合下,LST和NDVI的空间差异及相互关系.研究结果显示:LST和NDVI具有明显的相关性,LST大 的区域对应NDVI一般都较小,反之亦然;中心城市LST表现出热岛效应,而NDVI则为低谷效应.通过Tamhance T2 post-hoc多重比较发现,LST以及NDVI在两两土地利用类型之间的差异不同.从土地利用斑块和类型两种尺度水平上建立了LST和NDVI的定量 关系,二者具有明显负相关的线性关系,但在不同土地利用类型上二者关系并不同.其中工业仓储、交通用地与公园绿地、农业用地差异最为显著.它们和SHDI 之间的关系揭示,LST与土地利用多样性具有正相关关系,而NDVI则与SHDI呈负相关关系,SHDI越大的地区,LST越大,而NDVI越小.由此, 可以将LST、NDVI和SHDI作为三个基本指标,来定量评价城市土地利用类型、结构对生态环境的影响,以此作为城市功能分区中生态环境影响评价的参 考.也为高性价比的中等分辨率遥感数据与GIS空间分析方法结合在城市规划中的应用提供了一种新的思路.
[28] 肖捷颖,张倩,王燕,.

基于地表能量平衡的城市热环境遥感研究——以石家庄市为例

[J].地理科学,2014,34(03):338~343.

URL      [本文引用: 1]      摘要

对石家庄市LandsatTM 数据进行土地覆被分类,计算各土地覆被类型的能量平衡分量。找出感热、潜热、储热通量在下垫面的分配差异并分析下垫面面积比例与感热/净辐射的关系。发现 密集不透水面感热单位面积能量达314.1 W/m2,49.9%的净辐射转换为感热。城市植被、水体净辐射的61.2%,65.9%变成潜热;感热/净辐射与城市植被和水体面积比例负相关,面积比 例小于30%,感热/净辐射随之减少而快速增长;大于30%则随之增加缓慢降低。感热/净辐射与不透水面面积比显著正相关,可见,城市近地层温度升高主要 由不透水面产生的感热交换引起。
[29] 唐菲,徐涵秋.

旧城改造与城市热岛效应关系的遥感研究——以福州市苍霞片区为例

[J].地理科学,2011,31(10):1228~1234.

URL      Magsci      [本文引用: 1]      摘要

随着城市建设的快速发展,老城区改造已成为城市发展的重点工程之一。福州市近十几年来对原有旧城区中的棚屋区进行了大规模的改造,改善原有的居住条件。利用遥感技术重点研究和评价了福州市苍霞片区棚屋区改造前后的热环境变化,利用系列LandsatTM影像反演了该区1986年、1996年和2006年的地表温度、不透水面和植被等信息,计算了城市热岛比例指数(URI),并对该区改造前后热岛效应的时空变化进行了全面分析,探讨了其产生的主要原因。研究表明,不透水面与地表温度呈指数相关关系,高不透水面比例地区温度上升比低不透水面比例地区更快。总的看来,福州市苍霞片区通过棚屋区改造,热岛效应有了明显的缓解,在这20a间,城市热岛比例指数从0.648下降到0.245。福州市苍霞棚屋区的重新规划和改造对缓解该片区的城市热岛效应起到了积极的作用。
[30] 匡文慧,刘纪远,陆灯盛.

京津唐城市群不透水地表增长格局以及水环境效应

[J].地理学报,2011,66(11):1486~1496.

https://doi.org/10.11821/xb201111005      URL      Magsci      摘要

不透水地表(Impervious Surface Area,ISA)时空格局是城市化与全球环境变化交互影响下的土地利用/覆盖变化—生态系统过程—区域气候变化相互作用机理以及导致的环境效应研究的重要内容。如何快速准确地实现区域尺度不透水地表遥感信息的获取是上述研究面临的重要瓶颈问题。本研究嵌入中国LUCC信息改进了基于MODISNDVI与夜间灯光指数(DMSP-OLS)提取不透水地表信息的方法,反演了2000年与2008年京津唐城市群2期250m不透水地表信息,进而分析其变化的时空格局,结合子流域单元与河流污染物监测数据评价其对海河流域地表水环境的影响。结论表明:受环渤海经济区,天津滨海新区开发等政策的影响,京津唐城市群在21世纪初8年不透水地表沿着城—乡梯度带、城市交通廊道及海岸带高速增长。城乡建设用地不透水地表增长呈现显著的时空差异特征,由于北京市受人口-资源-环境的压力,产业发展不断向周边地区转移,天津与河北唐山、廊坊、秦皇岛三市具有更快的不透水地表增长速度。京津唐城市群城市高密度的不透水地表分布对于海河流域地表水环境产生严重影响,不透水地表的增长加剧了流域河流水质的污染程度。同时也发现,子流域不透水地表面积比例与COD、NH3-N浓度均值呈现显著的线性关系。
[31] 陈爽,张秀英,彭立华.

基于高分辨卫星影像的城市用地不透水率分析

[J].资源科学,2006,28(02):41~46.

https://doi.org/10.3321/j.issn:1007-7588.2006.02.007      URL      摘要

不透水地面是城市地区的特征,它与总用地的比值~不透水率作为一个重要的城市生态指数常出现于城市水文、城市水质面源污染以及城市植被制图等研究中。本文借助高分辨率卫星影像首次在我国城市中心城区尺度上探索土地利用的不透水性。基于对南京5个典型城市功能区中555个有效用地斑块样本的不透水率数据的分析表明,不同土地利用类型的不透水率在统计上存在显著性差异,建设用地中绿地的不透水率最低(0%~30%),市政设施用地的不透水率最高(80%~100%),居住与道路广场用地的不透水率接近,而工业用地的不透水率相对较低(40%~75%),平均城市建设用地不透水率约69%。该结果填补我国城市用地不透水率研究的空白,为城市水文模拟研究提供下垫面参数,并可望用于城市土地利用的生态规划。
[32] 谭春阳,匡文慧,徐天蜀,.

近20年上海市不透水地表时空格局分析

[J].测绘地理信息,2014,39(03):71~74.

URL      摘要

选取上海市近20年时间3期Landsat TM遥感影像,运用线性光谱混合模型和距离谱空间分析方法,提取城市不透水地表信息,分析其时空变化情况。研究结果表明,上海市近20年城市不透水地表迅 速增长;不透水地表的平均密度从市中心到郊区随距离增加而梯度递减;不透水地表面积与密度水平存在分区差异。
[33] Li G,Lu D S,

Moran E et al. Mapping impervious surface area in the Brazilian Amazon using Landsat Imagery

[J]. GIScience& Remote Sensing,2013,50(2):172-183.

https://doi.org/10.1080/15481603.2013.780452      URL      PMID: 24151451      [本文引用: 1]      摘要

Impervious surface area () is an important parameter related to environmental change and socioeconomic conditions, and has been given increasing attention in the past two decades. However, mapping using remote sensing data is still a challenge due to the variety and complexity of materials comprising and the limitations of remote sensing data spectral and spatial resolution. This paper examines mapping with Landsat Thematic Mapper (TM) images in urban and urban-rural landscapes in the Brazilian Amazon. A fractional-based method and a per-pixel based method were used to map distribution, and their results were evaluated with QuickBird images based on the 2010 Brazilian census at the sector scale of analysis for examining the mapping performance. This research showed that the fraction-based method improved the estimation, especially in urban-rural frontiers and in a landscape with a small urban extent. Large errors were mainly located at the sites having proportions of 0.2-0.4 in a census sector. Calibration with high spatial resolution data is valuable for improving Landsat-based estimates.

/