基于landsat遥感数据杭州不透水地面提取和分析 (1)

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浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：；呙年走、签字日期：如B年6月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解堂鎏太堂有权保留并向国家有关部门或桃构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎婆太堂二生蜃可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：物卑土，签字日期：加侈年5月'日导师签名：晌≮I签字魄加务6月f乡日 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析致谢论文完成刚好是春末夏初这个温暖宜人充满希望的季节，三年时光如白驹过隙，一切恍若眨眼之间，但它肯定是最难忘的一段时光。论文完成之际，我谨向所有关心我的老师同学父母表示最真心的感谢。王老师三年来给予了我莫大的帮助和鼓励。在平时生活学习中，王老师总会给予关心和鼓励，在面对各种选择和困境时，会给予最中实的建议。在学术研究方面，王老师至始至终严格要求，并给予悉心指导，使我在学术研究领域不断进步和提高。毕业论文从选题到完成，每一步都离不开王老师的指导和帮助，每次遇到瓶颈和困惑时，王老师都会耐心指导，为论文提供了可行的思路和方法。三年来的相处，耳濡目染，王老师的治学态度和精神给我受用一生的精神财富，在此对王老师致以最高的敬意，感谢王老师三年来的无私帮助和指导。感谢规划系的杨建军老师、华晨老师、王纪武老师、戴企成老师在三年中给予的指导和帮助。论文写作期间，得到了许多老师同学的关心和帮助，尤其感谢环资学院的沈掌泉老师、Amir师兄、潘艺、郑辛煜、杭师院的宋瑜老师、胡谭高老师、窦文洁。特别感谢同门陶伟，师妹师弟朱霞、李铣、朱婷媛，为论文提供了许多宝贵的意见和建议。感谢三年来宿友王方中、曾志远、谭真、赵新元同学对我生活上的包容和照顾，感谢同窗好友鲁志华、焦海峰、周玲，三年来的鼓励和帮助，祝你们学业有成，希望友谊天长地久。最后感谢我的父母姐姐在三年来给予我无私的爱，为我所有的选择加油鼓励，在每次惶惶不安、困惑无奈的时候给我最大的安慰和支持，你们永远是我最强大的精神后盾!三年来感谢母校给予我这段难忘的求学生涯，在今后的岁月里我会怀念这里的每一段时光、每一个人，谢谢你们在我的青春留下暖暖的气息，在这里向你们表示最真诚的感谢和祝福。杨华杰2013年5月于紫金港 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析摘要中国快速的城镇化推动城市扩展，导致城市土地利用和土地覆盖的巨大变化，带来一系列的环境问题，研究城市发展与环境间的相互作用机制具有重要意义。城市不透水地面比率是城市化的一个重要指标，通过分析城市不透水地面的分布与变化，从而揭示城市发展及其环境变化。遥感和地理信息系统技术的结合为城市研究提供了更加科学有效的方法。本文应用遥感、地理信息系统技术和定量分析相结合的方法研究杭州城市不透水地面的时空变化特征，采用植被一不透水地面一土壤(vegetation—impervious—surface—soil，V—I—s)模型和线性光谱混合分析(1inearspectl-a1mixtureanalysiS，LSMA)研究杭州市的城市不透水地面变化。采用的数据包括数字化的杭州行政界线数据、杭州的社会经济数据、2000年、2005年和2010年的LandsatTM遥感影像数据。首先，本文阐述了基于遥感影像的土地利用土地覆盖信息提取的背景和重要性，介绍了土地利用土地覆盖、线性光谱混合模型和植被一不透水地面一土壤模型的概念和发展，以及目前的相关研究，总结遥感和地理信息系统技术在城市研究中的应用现状。本文用遥感技术来提取多时相的杭州城市不透水地面的信息。先对遥感数据进行大气校正和几何校正等预处理。选择四个端元，采用线性光谱混合分析方法提取杭州市的不透水地面信息，并进行精读检验，分析期间不透水地面变化的空间特征。以市辖区为分析单位，分析杭州不透水地面在过去10年间的变化，分析杭州不透水地面的时空变化，揭示其变化的驱动力机制，并用定量方法分析杭州不透水地面的时空特征。采用不透水地面年均扩展比率衡量不透水地面的扩张速率，通过比较不同时期变化的强弱和快慢，揭示不透水地面的时空变化特征。采用泰尔指数比较分析不透水地面在城市不同区位的变化。最后，采用多元逐步回93分析研究不透水地面变化与杭州经济社会要素之间相互影响机制。同时从自然因素、文化因素、政府调控出发定性分析其对不透水地面的作用。本文运用遥感、地理信息系统技术和定量分析相结合的方法研究了杭州不透水地面和社会经济发展问的相互作用机制。研究成果能准确客观地分析杭州不透水地面在过去10年间的变化特征，为杭州未来的城市发展和建设提供科学的理论依据，为未来城市发展的优化提供建议。关键诃：不透水地面定量遥感地理信息系统统计分析Il 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析AbstractRapidurbanizationisthemainforceofurbandevelopmentandhascauseddramaticlanduseandlandcover(LULC)changeandledtovariousenvironmentalissuesinChina．Itisquiteimportanttoanalyzetheinterferencebetweenurbandevelopmentanditsenvironmentalissues．Impervioussurfaceisakeyindicatorofurbanization，anditisfeasibletoanalyzeurbanenvironmentchangebyestimatingthedistributionofurbanimpervioussurface．TheintegrationofRSandGISprovidesaneffectivetooltodourbanstudies．ThisStudyusedanintegratedapproachofRemoteSensing(RS)，GeographicInformationSystem(GIS)andquantitativeanalysistoanalyzethespatialandtemporalcharacteristicsofurbanimpervioussurfaceinHangzhou．Basedonpreviousacademician’Sstudies，thisstudyusedeffectivemethodstoextractinformationofimpervioussurfaceandexaminesitsrelationshipwithurbandevelopment．Inthisstudy,thevegetation—impervioussurface-soil(V-I—S)modelandlinearspectralmixtureanalysis(LSMA)wereemployedtoextracttheinformationofimpervioussurfaceinHangzhou．Thedatausedinthisstudyincludedigitaldataofdistrictadministrativeboundaries，socioeconomicdataofHangzhou，multi-temporalLandsatEMimagesof2000，2005，and2010．Firstly,thepaperillustratedthebackgroundandsignificanceofextractinginformationofLCLUbasedonremotesensingimages，introducedthebasicconceptofLULC，LSMAandV-I—S，concludedthestatusquoandprogressofapplicationofremotesensinginurbanstudiesandillustratedtypicalspectralfeaturesofurbansurface．Themultipletemporalremotesensingimagesdatawerepreprocessed，includingatmosphericcorrectionandgeometriccorrection．ThisstudyusedRStechniquestocollectmultispectralandmulti-temporaldataofimpervioussurfaceinHangzhouandturnedthemintoinformationofimpervioussurface．Fourendmemberswereselected．Linearspectralmixtureanalysiswasconductedtoextracttheinformationofimpervioussurface．TheaccuracyfortheclassificationwasverifiedbyfieldcheckingorcomparingwithexistingLULCmapsthathavebeenfieldchecked．1lI 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析GIStechniquesaimstocalculatedareaofimpervioussurfaceineachpartofHangzhouindifferentyearsbyArcGISandanalyzethechangesofimpervioussurface．Basedonthechangeofimpervioussurface．Then，quantitativemethodswereusedtoanalyzethespatial—temporalcharacteristicsofurbangrowth．Firstly,useincreasedratioofimpervioussurfacetoillustratetheincreaseofimpervioussurface．Besides，thisstudyadoptedTheil’SentropyindextomeasurethedifferenceofurbangrowthindifferentpartsofHangzhou．Finally,multiplelinearregressionanalysisareappliedtoanalyzethechangesofimpervioussurface．ThisstudyalsoconductedqualitativeanalysisontheeffectsofpoliticalinstitutiononthechangesofimpervioussurfaceofHangzhoubasedontheinformationanddataaboutspatialplanningprojects，policiesoflanduse，marketandinternationalpoliticaleconomyofHangzhou．ThisstudyexaminedthechangeofimpervioussurfaceinHangzhouanditsrelationshipwithsocioeconomicfactorsbyemployinganintegratedapproachofRS,GISandquantitativemethods．TheresultofthisstudyisusefultoaccuratelyandobjectivelyevaluatethechangesofimpervioussurfaceinHangzhou，SOitwillprovidescientifictheoriesandmethodsofhowtooptimizefuturedevelopmentandofferfeasiblescientificbasistheurbanplanning．Keywords：ImperviousSurface；RemoteSensing；GeographicInformationSystem；QuantitativeAnalysisIV 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析日次致谢⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I摘j要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IIABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．III第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。11．1研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2研究现状与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．1城市土地利用和土地覆盖研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．2城市不透水地面研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．3．1研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51．3．2研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51．4研究内容和研究框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6第二章研究方法和研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．1研究的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．2研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．2．1定量遥感技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82．2．2GIS空间分析技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2．3定量化的数学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3数据获取与介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．4研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10第三章城市不透水地面估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．123．1数据预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯133．1．1几何精纠正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯133．1．2大气校正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183．1．3图像裁剪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．2不透水地面估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析3．2．1水体掩膜⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243．2．2端元的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273．2．3不透水地面盖度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．2．4精度评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39第四章不透水地面空间变化和分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．414．1不透水地面的空间分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．1．1各个市辖区内不透水地面分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414．1．2不透水地面比率的区域差异分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．1．3典型区域的不透水地面变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯454．1．4扩张过程与模式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯494．2不透水地面变化的驱动力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．504．2．1自然因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯504．2．2社会经济因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯524．2．3文化因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯544．2．4政府调控⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯585．1研究的主要结论和认识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯585．2主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯605．3研究不足和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61参考文献：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析第一章绪论1．1研究背景城市化是农业人口和土地向非农业的城市转化的现象及过程，城市化过程中农业用地人为转化为非农业用地，从与自然环境接近的地表形态转变为人工环境为主的地表形裂11。改革开放以来，随着中国经济和科技的快速发展，人口不断向城市集聚，出现了大量的都市区和巨型城市，预计到2020年，我国城市化水平将达到50％左右，沿海各省城市化水平可达60％E21。根据城市化发展的S型曲线原理，中国的城市化率还将以较快的速度提高。大规模的土地开发利用还将持续，大城市规模不断扩大，小城市的数量快速增加，形成大量的不透水地面。不透水地面定义为一切能阻止水渗透到地表以下的物质，主要为路面和屋顶，还包括停车场、人行道、庭院、压实的土壤等具有不透水性的地表面【”。因此不透水地面是准确地表征城市化过程：一方面不透水地面具有综合性，它是人类社会经济活动的综合体现；另一方面，不透水地面具有可测量性，能定量化其动态变化。同时不透水地面是城市环境变化的的一个重要指标：不透水地面的增加，减少了雨水对地下水的补充，加快了地表径流的速度，减少了地表蒸腾以及加剧城市热岛，从而损害城市环境质量，降低人们在城市中的生活质量。了解城市化进程中城市不透水地面的变化对于更好地解决环境问题，了解城市发展过程具有重要意义，不仅能理清过去城市发展的过失，还能为未来的城市发展提供科学的建议。以不透水地面为代表的城市地表处于动态变化之中，传统的研究方法往往采用现场观测的方法，不可能全面、同步反映城市地表变化，限制了城市地表研究的发展。遥感技术在获取地表信息方面的具有无可比拟的优越性，丰富的光谱信息能准确反映地表生物物理特征变化，而且能同时获取大范围地区的地表变化情况，这为研究城市地表变化提供了科学准确的研究方法。随着城市地表生物物理特征研究的深入，GIS和RS在城市地表研究中越来越广泛深入。城市作为一个自然．环境．社会复合系统，由于人类在系统中的支配作用，不仅仅要从自然生态环境的角度进行分析，还要从经济、社会、文化等多角度进行分析。而且为了更好地理解和揭示城市地表的变化过程和相互作用，需要精确地量化城市地表空问分布和及其时空变化。而利用GIS技术收集、分析和显示不同来源数据，利用多时相的遥感图像能正确提取城市不透水地面信息，GIS和RS的结合为从多角 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析度精确化揭示城市地表特征变化提供强有力的工具。不透水地面是城市发展形成的一个重要表现，以往的研究基本是单纯将其作为一个人工因素，从环境科学的角度进行研究，研究人员往往专注于地理和环境研究领域，忽略了不透水地面在城市发展中的社会经济属性。同时，不透水地面一旦形成，很难加以整改，以往研究注重对不透水地面的发展过程进行检测，对不透水地面的形成机制的研究较少。城市规划是人类为了在城市的发展中维持公共生活的空间秩序而做的未来空间安排的意志，是在人居环境层面上的、以城市层次为主导工作对象的空间规划【l】。本文希望在不透水地面形成的源头城市规划层面，从土地利用和城市功能出发对不透水地面的形成进行分析，减少不透水地面对城市发展及其环境的负面影响。1．2研究现状与不足1．2．1城市土地利用和土地覆盖研究二战以后全世界进入社会经济快速发展期，城市快速扩张，人口膨胀，环境恶化，人与自然的矛盾被进一步激化，人类开始从更广阔的视角考虑城市环境问题。1986年国际科学联盟建立“国际地圈与生物圈计划”(InternationalGeosphere．BiosphereProgram，IGBP)，侧重研究地圈和生物圈的相互作用；国际社会科学联盟组织于1990年发起“全球环境变化人文计划”(InternationalHumanDimensionsProgrammeonGlobalEnvironmentalChange，IHDP)，开展人类活动和自然环境的多尺度深入研究，这两大研究项目都将“土地利用／土地覆被变化”(LandUseandLandCoverChange，LUCC)列为核心研究项目，并共同制定了《土地利用／土地覆被变化科学研究计划》，提出了三个研究重点：土地科用的变化、土地覆被的变化和建立区域和全球尺度的模型。通过全世界范围内的各个领域的科学家的共同努力来更好的理解这一系列的土地利用和土地覆被变化，借此分析揭示城市用地变化的内外驱动机制，比较不同城市的扩展特征。土地利用是指人类为经济和社会的目的，通过各种使用活动对土地长期或周期性的经营f41。土地利用涉及土地的生物物理特征和人类利用土地的目的，例如农田、居住区和工业区等。土地利用变化机制的研究，侧重从社会经济的角度分析土地使用和管理的变化。土地覆被是指地表的生物物理状态，包括林地、水域 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析和建设用地等。土地覆被变化的机制研究在了解土地覆被变化的空间机制的基础上，分析其与自然与社会经济驱动因子的相互关系。顾朝林分析北京市土地利用／覆盖变化及其机制，认为土地变化形式主要以卫星城建设、工厂郊迁、郊区大型商城建设、郊外别墅区等为主，土地覆盖变化的主要形式有内城更新与改造、商贸街的重建和粗放型用地向集约型用地的转变[5】。土地利用注重土地的社会属性，而土地覆被侧重土地的自然属性。土地利用变化影响土地覆被，土地覆被变化影响自然环境变化。图1．1城市土地利用和土地覆被和人类活动的关系两者的相互关系极其复杂：往往一块相同土地覆被的土地上承载了好几种土地利用方式，而一块同种利用方式的土地上有好几种土地覆被类型。而且同一块土地的覆被类型和利用目的，会随着季节的变化而不同。土地利用和土地覆被表现复杂，其变化与人类活动和自然变化密切相关，研究人员通过理论与方法的重新组合，从城市扩展过程、模式和机制等方面开展研究。李晓文等采用多时段TM遥感影像资料，运用缓冲区分析法对上海市区及其周边主要城镇用地扩展的时空特征进行了分析和比较【6】。史培军等用遥感影像测量深圳土地利用，然后求得土地利用的变化的转移矩阵，分析了深圳15年来土地利用变化的空间过程【_71。程连生从城市边缘区的角度分析了北京城市边缘带轨迹的扩展历史和延伸方向，并在此基础上总结出北京城市边缘扩展的地形、环境、卫星城和交通干线等4个导向18]。张建春等利用土地详查、土地现状和土地规划数据，分析了马鞍山市土地利用类型的及其土地变化的驱动因子【91。王介勇以遥感影像为基本数据源，运用GIS空间分析方法，研究了三亚市土地利用／覆被变化及其驱动机制，认为三亚市外部环境诱导和内部矛盾相互作用，旅游休闲用 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析地成片开发模式导致了建设用地的突变式增长和分散布局，农业结构的快速调整导致了园地由沿海平原台地向北部丘陵山区快速扩张，分析城市扩展的内外部因素，从而揭示城市土地利用变化的驱动机制【101。现有研究，一方面在充分挖掘遥感影像生物物理属性信息，提取城市土地利用空间演变的细节信息研究不足，数据中还有许多生物物理信息可以挖掘，需要进一步强调城市生态系统中的人与自然的相互关系。应深入研究城市土地变化及其生态学过程的相互作用机制，为降低人类活动对环境影响及城市的可持续发展提供科学建议。另一方面，当前的扩展驱动力研究宏观的、定性的研究多，而多尺度的、微观的、定量的研究少，难以满足充分揭示土地利用变化与自然和社会因素间的复杂关系的要求。1．2．2城市不透水地面研究为了解决城市生态环境研究中城市社会经济发展和其生态学过程脱节的问题，Ridd从复杂的城市构成中提出了植被．不透水地面一土壤(Vegetable—ImperviousSurface—Soil，V-I．S)模型【¨】，这个模型剔除了容易分辨的水体信息，用植被、不透水地面和土壤的线性组合来模拟城市土地利用和土地覆被。根据不透水地面的定义，其兼具了土地利用和土地覆被的双重属性，能同时表征地表变化的社会过程及其生态学过程。而且能够将V-I．s模型和城市人口密度、生活质量和城市扩展等多因子联系起来，使人们能够更加清晰地理解城市生态环境的自然特性和人文社会属性，为城市生态研究提供了一个新视角。Ridd提出该思想时，V．I．s模型还处在理论水平，继Ridd之后许多学者进行深入研究，开始逐渐进入实际应用。Ji和Jensen开O用亚像元分析和分层分类法对不透水地面进行估计【12】。Phinn采用混合像元光谱分析方法估计不透水地面分布[13】。wu和Murry的采用线性光谱混合模型进行研究，发现不透水地面几乎与高反照率分量和低反照率分量呈线性关联，受植被和土壤分量影响较少，认为不透水地面可以通过对高反照率分量和低反照率分量进行求和来获得【H】。Yuan等用不透水地面提取了明尼苏达地区的不透水地面比率【15】。杨凯文利用Landsat影像，采用附有限制条件的线性光谱混合分解、植被覆被度与不透水地面负相关模型、监督分类三种方法对南京城区的不透水地面分布进行空间分析，并通过评估这三种方法提取的不透水地面的精度和不透水地面的提取过程，表明了线性光谱混合分4 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析解方法较优【16】。卢超和吴炳方等利用TM影像，采用附有限制条件的线性光谱混合模型，通过高反照率、低反照率、植被及土壤4类光谱端元的线性组合表征城市土地覆被类型，综合剔除噪声影响后的高、低反照率分量，估算北京城区不透水表面分布【17】。夏俊士利用线性光谱混合模型，通过混合像元分解在亚像元尺度上提取两个时相徐州市中心城区的不透水层比例，利用两个时相高光谱遥感影像提取的不透水层信息进行分析【18】。城市地表是由道路、广场、绿地、建筑、水体和土壤等组成的复杂综合体，具有唯一的生物物理属性，并且和周围的生态环境成为形成人工与自然结合的空间环境，而且城市地表组成复杂，均质性差，生物物理属性多样导致光谱特性及其复杂，造成遥感影像中不透水地面信息的复杂性，使V-I．s模型模拟城市地表的精确性不高，理论研究和实际应用存在一定的差距，限制了V-I．s模型在城市生态环境研究中的应用，因此城市不透水地面在提取方法上还有待进一步研究。1．3研究目的和意义1．3．1研究目的根据研究背景和研究进展回顾，总体实现目标如下：(1)以不透水地面为研究对象，从多空间尺度出发，梳理杭州市区城市扩展及其生态学过程。(2)定性与定量分析结合，揭示城市扩展与各驱动因素间的动态关系。(3)通过揭示杭州10年间不透水地面表征的空间扩展与社会、自然因素间的互动机制，结合杭州市总体规划，为未来城市规划、建设提供建议和参考。1．3．2研究意义不透水地面定义为一切能阻止水渗透到地表以下的物质，特别是金属、水泥混凝土和玻璃等不透水材料具有显著的生态效应，可以用来表征城市发展中的生态环境变化，定量地获取城市不透水地面的动态信息对于城市生态环境研究具有重要意义。通过提取不透水地面，从社会经济发展和生态学过程相结合的角度来分析评价规划方案的实施情况，避免了过去单独从单方面分析规划方案实施，体现城市规划经济发展和环境保护并重的原则。在当前城市空间扩展和驱动机制研究的基础上，对典型地区收集多时段数据 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析信息，从不同空间尺度、不同学科角度对城市扩展变化和驱动因子进行深入研究。通过建立完整的理论研究体系，采用综合的研究方法，定量化分析城市空间扩展及其驱动机制，揭示城市发展与城市生态环境的相互作用，拓展城市生态环境研究的理论和方法，评价城市发展中的得失，从多角度为城市规划和建设提供意见和建议，改善城市发展，优化城市布局，从而减少人类活动对城市生态环境的负面影响，为城市与区域的可持续发展提供理论支持。1．4研究内容和研究框架本文首先阐述了本研究的研究背景，从土地利用和土地覆被以及城市不透水地面研究出发，总结了研究现状与不足；其次阐述了本研究的理论基础和研究方法，从理论和方法相结合的角度建立本研究的内容和框架；再次，在遥感图像预处理的基础上，提取杭州市的城市不透水地面信息，并进行精读检验；最后，用定性评价和定量评价相结合的方法对杭州城市不透水地面的扩展和变化进行分析，揭示杭州不透水地面变化的内外部驱动机耕，从而丰富土地利用和土地覆被变化的研究方法和思路。第一章绪论，从城市化进程、城市环境和不透水地面研究三方面介绍了不透水地面研究的背景；再从土地利用和土地覆被研究的进展以及当前的城市不透水地面研究出发，阐述了城市生态环境研究领域的现状和不足；提出本文的研究目的和意义。第二章研究方法和研究区概况，理论和方法部分详细介绍了本研究的理论基础和所采用的研究方法，并介绍了研究区域的基本情况，构建研究框架。第三章不透水地面估算分为数据预处理和不透水地面估算两部分，预处理能更准确得进行不透水地面信息提取，最后进行精读检验。第四章不透水地面空间变化和分析，结合城市规划数据信息，用定量和定性相结合的方法分析城市不透水地面变化，揭示城市不透水地面变化的内外部驱动机制。第五章结论与展望，回顾本研究的过程，分析研究结果，为进一步研究提供思路。研究框架图下图所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析一j定量化数学模型^七$nJⅢX十1*m——。一—————————————。募k壳匿蟹广o；_0呐广]L{—磊夏赢磊i}科}一_『一ji：焉磊≠～。‘-：不透水地面提取卜一不透水地面盖度计算。——’——一l斥蒹l，，iij五{广I叠塑⋯⋯j卜塑堑亘巫{’一⋯一⋯|一～。定性分析【。—————————。————————一J—i研究结果与结论一研究不足与展望7一㈠㈠㈡一㈠■一结论与展望一 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析第二章研究方法和研究区概况2．1研究的理论基础遥感数据包含了城市地表丰富的生物物理信息，为定量评价城市地表复杂结构、组成成分和变化过程提供了可靠的信息源。但城市化过程是动态不连续的，城市化的不同阶段、不同区位，城市地表光谱特性各异。城市化初期，城市生态环境接近自然状态，以土壤和植被为主，有少量的建设用地；随着城市化发展，人工环境的比例上升，而自然环境比例相应减少，建设用地比例增加。不同的城市因其自然地理条件差异和人为形成的建成环境的不同，其生物物理系统和人文系统存在巨大差异，导致城市反射光谱信息差异。因此，需要建立统一的标准化的评价系统来衡量城市生态环境状况，从而比较城市不同区位不同时间的生态环境差异。基于上述思想，Ridd提出了植被．不透水地面．土壤模型来表达城市地表的系统组成。他认为，除了城市水体以外，能够只用这三种土地覆被类型的线性组合来表示所有的土地覆被状况；而且V-I—S模型能从社会与自然环境两个层面来分析城市发展及其生态学过程，还能扩展到城市扩展、人口密度估算和生活质量评价等城市问题研究。V-I—s模型开创了遥感技术在城市生态环境研究中的新领域，为定量获取城市地表的标准化的定量参数提供了新的视角，这些参数是衡量城市发展和城市生态环境的重要指标。V-I．s模型的思想基于城市地表光谱特性，为将遥感技术引入城市生态环境研究提供了理论基础。2．2研究方法2．2．1定量遥感技术遥感技术由于在获取地表信息方面的优越性，已经成为研究城市生态环境重要的数据来源。Landsat卫星的TM／ETM+影像能满足城市土地利用／覆被、城市不透水地面等信息提取的要求。结合高空问分辨率的航空影像，能准确获得城市生态环境信息。本文用多时相的Landsat卫星的TM数据，结合高分辨率的航空影像，综合各种定量遥感方法对杭州市不透水地提取分析进行系统研究。Ridd提出的V-I．s模型为利用遥感图像获取城市生态环境要素提供了新的研 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析究思路：采用定量遥感图像技术，获取亚像元级的土地覆被组分，通过多时相的遥感影像，结合城市自然与社会两个方面的数据，对城市发展及其生态学过程进行系统研究。2．2．2GIS空间分析技术空间分析技术是基于地理对象空间分布的数据分析技术，能对空间数据进行提取和挖掘：能够有效地获取和科学地组织描述空间数据，实现事物本身在数据系统中的再现；理解空间数据代表的空间过程，认识事物的客观规律；在认识客观规律的基础上，对事物的未来发展进行科学预测。空间分析技术随着研究的深入和技术的进步，其应用的深度和广度不断扩展，不仅包括基本的图的分析，还包括专业化的空间模拟分析。空间分析技术使地理信息系统(GIS)区别于一般的信息系统，G1S技术为多源的海量时空数据的处理、存取、管理、建模和模拟提供了新手段。特别是基于栅格数据的GIS技术在城市生态环境研究中具有重要作用：栅格GIS与遥感影像存储信息的方式一致，能很好地表达城市扩展及其生态学过程；由于量纲一致能易于多变量、多尺度和多时相的空间分析。本文在运用遥感影像进行城市用地信息提取与城市扩展比较研究的基础上采用GIS技术对城市覆被变化及其生态学过程，从多空间尺度进行系统深入的研究。2．2．3定量化的数学模型分析城市是一个复杂的自然与人工相结合的复合生态系统，城市扩展是自然环境与人类社会经济活动相互作用的产物。因此，城市扩展及其生态学过程的驱动力研究一直是个难点。本文采用多元逐步回归分析的方法定量化分析各个影响因素对城市扩展及其生态学过程的作用。回归分析在各个学科领域都得到了广泛的应用。它能够挖掘大规模原始数据背后的重要信息，把握数据集的主要特征，得到变量间相关关系的数学表达式，利用概率统计知识对此关系进行分析，以判别其有效性，还可以利用关系式，由一个或多个变量值去预测和控制另一个因变量的取值，从而知道这种预测和控制达到的程度，并进行因素分析。本文通过多元回归方程找出的城市扩展和其影响因素之间的相关关系及其相关系数来建立它们之间的回93方程，并进行检验。9 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析2．3数据获取与介绍本文所采用的数据为多时相杭州市的LandsatTM卫星遥感数据、杭州市区级行政界线空间数据。遥感影像的成像时间分别为2000年，2005年和2010年。所用的遥感数据来源于美国地址调查局(UnitedStatesGeologicalSurvey，简称USGS)网站：http：／／www．usgs．gov。USGS是美国内政部所属的科学研究机构。负责对自然灾害、地质、矿产资源、地理与环境、野生动植物信息等方面的科学研究、监测、收集、分析；对自然资源进行全国范围的长期监测和评估，为决策部门和公众提供广泛、高质量、及时的科学信息。USGS网站提供了丰富的Landsat系列卫星的遥感影像，为遥感研究提供丰富的科学数据。LandsatTM数据包括7个波段，分别为蓝色波段、绿色波段、红波段、近红外波段、短波红外波段、热红外波段和短波外波段，其中热红外波段包含的信息对本研究的用处有限，本文采用TM数据的第卜5波段和第7波段。2．4研究区概况杭州位于中国东南沿海北部，坐标为东经118。217—120。307，北纬29。117—30。337，杭州地处长江三角洲南沿和钱塘江流域，地形复杂多样。杭州市西部属浙西丘陵区，主干山脉有天目山等。东部属浙北平原，地势低平，河网密布。具有典型的“江南水乡”特征。杭州有着江、河、湖、山交融的自然环境。全市丘陵山地占总面积的65．6％，平原占26．4％，江、河、湖、水库占8％，京杭大运河和钱塘江穿城而过。杭州西部、中部和南部属浙西中低山丘陵，东北部属淅北平原，江河纵横，湖泊密布。50年代以后，杭州的区域范围经历了不断变化。先是将原有的八区改名为上城区、中城区、下城区、江干区、西湖区、艮山区、拱墅区、笕桥区；其后，艮山区并入下城区，笕桥区并入半山区，中城区大部分并入上城区，小部分并入下城区；1990年初，半山区又与拱墅区合并，成立新的拱墅区；1996年12月12日，杭卅市新设立滨江区。属县则有萧山、桐庐、余杭、临安、建德、富阳、淳安七个县(市)，2001年3月12日，杭州市政府正式宣布，经国务院和浙江省人民政府批准，撤消萧山市和余杭市，同时设立萧山区和余杭区，与杭州市原6个区一起构成一个新杭州，调整后的杭州新市区由原来的6个区增加到8个区。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析杭州市总面积16596平方公里，其中市辖区3068平方千米。改革开放以来，杭州作为浙江省的政治、经济、文化中心经济和社会发展的各个领域取得了巨大进步。本研究重点研究杭州市的不透水地面变化，分析城市发展及其生态学过程变化，研究区域主要关注杭州市区，同时考虑城市扩展，尤其是城乡结合部的不透水地面变化。遥感图像研究区域如下图所示，但具体问题研究以杭州市行政边界为分析界线，即下图中的白线内的区域。图2．1研究区域 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析第三章城市不透水地面估算杭州是长三角都市区重要的大城市和国际性的旅游城市，同时是浙江省的政治、经济和文化中心。受益于长三角良好经济发展条件和浙江地方民营经济的蓬勃发展，杭州经济社会快速发展，城市建设日新月异。提取和分析杭州城市不透水地面，能为杭州未来的规划建设提供科学的建议。本文采用线性光谱混合模型提取不透水面指数主要经过最小噪声变换(MinimumNoiseFraction，MNF)、纯净像元指数(PixelPurityIndex，PPI)、端元提取和线性光谱模型分解以及精度验证等步骤，流程如下图所示：否图3．1线性光谱分解主要技术流程图 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析3．1数据预处理图像预处理是遥感图像处理中非常重要的环节，准确的预处理工作能提高后续信息提取的准确性，本文的影像预处理主要包括几何校正、大气校正和图像裁剪三步。3．1．1几何精纠正遥感图像的几何校正分为几何粗校正和几何精：几何粗校正用于消除遥感图像的系统性的几何变形，系统性的几何变形来源于遥感图像的传感器，这类误差有规律可循，具有可预测性，卫星地面接收站通过传感器模型来校正；几何精校。正用于消除图像的非系统性几何变形，非系统性几何变形来源于传感器的高度、姿势等不稳定因素或者成像时的空气折射等其他不可控制性因素。从USGS上下载的图像已经经过几何粗校正，本文对所用图像进行几何精校正，即利用地面控制点和几何校正数学模型来校正非系统性因素产生的误差。ENVI针对不同的数据源和辅助数据提供了4中几何校正方法：利用卫星自带地理定位文件的几何校正、imagetoimage几何校正、imagetomap几何校正和imagetoimage自动图像配准。本文采用imagetoimage几何校正，如下图所示：图3．2图像几何校正即以一幅已经经过几何校正的栅格文件作为基准图，通过从两幅图像上选择同名点(或者控制点)来配准另外一幅栅格文件，使相同地物出现在校正后图像的相 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析同位置。本文采用的基准图是经过几何校正的04年的LandsatTM杭州市遥感图像，对2000年、2005年和2010年的遥感图像进行几何精校正。(1)几何校正计算模型ENVI提供了了三种几何校正计算模块：仿射变换(RST)、多项式模型(Polynomial)和局部三角网(Triangulation)。其中多项式模型在遥感图像校正过程中应用较多，结果较准确，本文选用二次多项式对几何校正进行计算。其误差计算公式为RMSE。，。，=√(xL-x)2+(y’一少)2(3．1)式中，X’、y’是多项式模型计算得到X、Y的校正值，x、Y为控制点的X、Y值。(2)控制点的选择最少控制点数和选择的多项式的次方数相关，最小控制点数计算公式为JV：!璺±!!尘±垄(3．2)2式中n为多项式的次数。为了提高校正精读，控制点选择要求均匀分布，要避开水面、图像边界等易变化区域，而选择固定易识别的点作为控制点，尤其是前几个点的选择对几何校正的精确程度具有重要影响。在选择了三个控制点以后，ENVI提供了控制点预测功能，点击predict按钮ENVI会自动对控制点进行预测，结合目视解译对所预测的点进行微调。如图所示：酗震飘震撼燃缀黧震勰麟蕊凰圜翳慰鬟㈧毯翁l薹i潮l糊。File0ptiO]FLSHelp嚣氡seX2891．25令。Y：2051．75毒、蟊e∥ee鎏譬并蚶pX3022。50：Y227750令AaaP0intN1姗berofSelectedPoints：3lPrediet|Sh。wList|MSErr∥0．000000|DeleteLastP。intl图3．3地面控制点对话框当选择了五个控制点之后，ENVI会显示目前的控制点的误差情况，如下图所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析图3．4地面控制点对话框中的RMS显示如图所示RMS为0．481857，即误差在0．481857个像元，几何校正需将RMS控制在1．0以下，即一个像元以内。再用AutomaticallyGenerateTiePoints功能自动产生控制点，选择Band5作为基准波段，如下图所示：由于图像较大，控制点数图3．5Tie选择参数对话框选择100个，其他默认不变。再对所有的控制点按照Error进行排序，逐个对控制点进行修改，如果控制点位于图像边界，或者难以分辨的区标重新定域，可以删除；对于能够辨认的控制点，在两个Zoom窗口中将十字光位到正确的位置，再点击Update进行微调。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析BaseXBas*Tfar'pxWarpY?rtdictX?reclictTY．rrorXErrorT雕露13+04+IT940046266T219233487800219196314876t8‘l一0．3669一l5159l5597●2叶∞200421500l∞7684485761369037144略179：l35560．415Tl4179046+638s．∞48550067896649827467894衢“984135[一016991398TI4090钓+269125205lT53022．5022丌5030213硒122TT85呱一11“9035∞llgT5●i+4049．T53Ss0．2S4420．50374125q4194惦：3T∞63∞一1．∞48—0．61931．I∞3鬟翌+挖4T335490．672∞9．005T293326∞．12疆5T2858b'．；一08714—074431．1460托t61607004842002010．3350956T2010．619：509673160．瑚3i．06101．0998炳+6413∞29566T67∞．6T3瞒33876751l‘308465TC08414—06T3010T了5岱4-弱55∞9070059556T10乳005954∞俄10孔6l簧一0∞0l061铀1叭16图3．6控制点列表如上图所示，剩下的控制点的RMS都较小，所有的48个控制点的PMS为0．?35940，如下图所示，达到几何校正的要求，将几何变形控制在一个像元以内。O．一～File0ptiortsHelp图3．7控制点调整后的控制点对话框所有控制点分布在整幅图像分布均匀如下图所示：●’—’o。。。。。。’2一⋯⋯一‘—’9’’一Q图3．8控制点分布 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提邛t--S分析(3)校正参数输出结果由于基准图像和校正图像的传感器类型一致，选择WarpFile命令，选择校正图像，再设置校正参数：选择多项式Polynomial模型，多项式次方数选择2次，重采样Resampling方式选双线性内插法Bilingual，这种方法能很大程度上保留原有图像的几何结构，背景值Background设为0。如下图所示：图3．9输出参数设置(4)检验校正结果在两个窗口中分别打开基准图像和校正后的图像，用地理链接命令(GeographicLink)进行关联，打开十字光标进行查看。如下图所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析曼翌篓!受垫墅!兰善主型釜!!!FileO憎1样h■●¨ToolsIi■_、身～i棼篙强熏两丽舅翳矗团b图3．10几何校正结果验证3．1．2大气校正大气散射和吸收在遥感图像的成像过程中会减弱辐射能，影响遥感信息的提取。本文需要通过多时相的杭州市区遥感图像提取城市不透水地面变化，虽然根据前人研究‘19】，采用影像端元进行混合像元分解时不需要进行大气校正，但为了消除不同时相遥感图像间的差异，对三景影像都进行大气校正。(1)辐射定标辐射定标是将传感器记录的电压或者数字量化值(DN)转化为绝对辐射亮度值(辐射率)的过程。使用定标系数，将DN值转化为辐射亮度值，计算公式为，L，=DN×gain+bias(3．3)^一式中L、为测量的光谱辐亮度，DN为记录的电信号数值，gain为传感器的增益，bias为偏置。定标系数可以由头文件中得到，TM5的定标系数如下表3．1所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析表3．1偏置和增益取值(2)辐射校正假设地球表面是朗伯面反射且天空辐照度各向同性[201，影像的表观行星率计算公式为：p=面兀两xLa焉xd丽2(3．4)p=——lj．qI。ES己刀V，×cos(9)、’式中P为行星反射率，d为日地距离参数，ESUN为太阳光辐射量，0为太阳天顶角，0=90。一太阳高度角。隧糍麓豢懑然黧鬃黧缫翻LLudzatSatelliteStnsorLn如“57H‘D色t&AcquisitionMonth：September”DatsAcquizitianD秽：17：D“§kcquizitlonYe{a"：20000SunE1ev载l01％(de￡)：5249Calibratl。nType0Radlnce◆：}：et-iectanceEditCs．hbratioltP#㈣“ersOutputRezultto{j：·Filz0Uemory融删咖州m⋯叵圈口co掣一；D．、沦交、不透水地面一丈论文、数据、u5119∞92008；冈网lcm融II图3．II辐射校正窗口 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析辐射定标和辐射校正都可以在ENVI的preprocessing下的calibrationutilities命令下同时进行，如图3．11所示。ENVI能自动读取遥感图像的信息，包括传感器类型、成像时间和太阳高度角，定标类型选择Radiance(辐射亮度值)，并根据这些信息按照式3．3和3．2计算图像的行星反照率。(3)Flaash校正大气校正的目的是为了消除大气等因素对地物反射的影响，从而获取真实的地物反射率。大气校正的精确性对于后续的影像分析和应用具有重要影响。从USGS上下载得到的TM影像，提供准确的校正辅助信息。本研究需要多时相的的影像进行比较分析不透水地面的变化，需要进行大气校正【211。由于基于统计的方法的大气校正大多建立在某种特定或理想的条件下，而且还需要实时的测量数据，实用性不足。而基于辐射传输模型的大气校正综合考虑了大气散射、大气吸收和反射等过程，达到的校正精度能满足遥感信息提取分析的需要。目前应用较广的辐射传输模型有5s、6S、FLAASH和ATREM等。FLAASH模型基于MODTRAN4+辐射传输模型，MODTRAN4+模型由SpectralScience和美国空军实验室共同研发，是目前精度高、预算速度快且方便易用的一种校正方法。ENVI软件集成了FLAASH大气校正模块，运用ENVI中的FLAASH模块能有效获取地物真实反射率，消除影像的噪声信息【221。在辐射校正的基础上，进行Flaash大气校正，需要先将BSQ格式的行星反射率文件转化为BIL或者BIP文件：瞄鹨愚巍黧蕊澍爨磊’‘勰蛹蕊鬣蕊烈懑晒图㈣泌溯InputInterleave：BSQOutputInterleave"(≥BIL≤：jBIPc洲ertInPI涨?N。刿EnterOutputFilen锄e|Ch。。selD：＼论文＼不透水地面一丈论文＼数据、^LTS190392《OKilOuel,1ejIcanc姒|图3．12数据转换 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析转换好数据格式以后运行ENVI的FLAASH模块，如下图所示：懿黝磊黧麓赫赫臻珏蕊’。。”。蕊蘑配溺默飘露黧醐黧霜盈§§g；黧㈣*㈣㈣㈣熬濯鳃懋。。。。。。溺测磊蕊|It@utR“i∞ceImtg*lD：、论文、不透求地面‘丈论文、数据、u511∞鞫∞∞281l西。0-小师弟、大气投芷、Ehqju豺|hizh“hnoqtp¨风flt“一ceF-lt|D．、穗文、=}：述水地萄一丈沱文、熬据、Hsij辩∞∞∞2si嚣了∞争一黼第坟气技芷、d鼍qjJl{。zhtn}outp仉Dirtctoryforn“翱}iltsD。、黯·∥确F11e：、ITT、IBnI娶：8。、l岫、h如、孙otn∞ef。rn姒sH，llt：Scen·cent”Loc，ti。n旺亘二：!：i豳Seas“：冲-旺三亘圣j：ji豳ni曲‘。“。⋯k30一．2959003，sensor小。州。钿，誉i霉一：j撼：鬟：瓣霹；罂：。|‰tt。97S7003e⋯挑⋯m⋯j100篆T。im8曼蒜默豁’№以sm∞篓。竺、一AtmogphtricSodellld—L|tit神·smⅢ。ktrosolM。adRm一-+／纂剧蛔。1M。，d蕊一d菇《ow^ttr￡。lumn豫ultl以l盯l·00拿I￡i￡ja1y]s曲{】nr6m)3500；ApplyllCar,eel11MtlpjIlI雠dttspeclrd￡eHia黔II．IA扣勰ceds“ttn筘|liji_]f—ii五i_l图3．13FLAASH大气校正模型参数设置在对话框的上部分设置文件的输入输出信息，中部设置遥感图像的中心经纬度、传感器类型、传感器飞行高度、影像区域平均海拔、影像像素大小、成像日期和成像时间，大部分信息可以从影像的头文件中获取。在图3．12的左下角需要选择FLAASH校正的大气模型，根据季节一维度信息选择大气模型，如下表所示：表3．2基于季节／纬度选择MODTRAN大气模型 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析ENVI总共提供了六种大气模型：亚极地冬季(Sub．ArcticWinter)、中纬度冬季(Mid—LatitudeWinter)、美国标准大气模型(U．S．Standard)、亚极地夏季热带(Sub．ArcticSummer)、中纬度夏季(Mid．LatitudeSummer)、热带(Tropical)。在图3．13的右下角选择选择气溶胶模型。ENVI软件提供了无气溶胶(NoAeros01)、乡村(Rural)、城市(Urban)、海面(Maritime)和对流层(Tropospheric)五种气溶胶模型，根据遥感影像情况，选择乡村的气溶胶模型。根据影像获取时间的天气状况，设置能见度为35千米。选择气溶胶反演方法。在FLAASH大气校正对话框中打开多光谱参数设置，如下图所示：醚黼菇麓黟鼎糕懋骚懿瀚蛹溺骚擞瓣黼脯一msw*n*黼㈥mea一*。。。。。。黼黼髓麟懑鼹辫瀚飘翮㈤i}selectch"melDefinitionzby()File(多6VI宵sterEetri电vdKauf热或tl-T鱼hr亡^电rOzol敦圣trl电v{_1kzzignBef姒ltVduesBaz,．doARetrievdConditi。n：lDefaultz+>lKTUpperCh㈣elTMCda精Meta岱ana7)：LT511903920tXt281BJC00一MT(2220∞VXTLowerCh∞．r,elTUCzlcT镕Meta疆u-d1)LT511903920130261BJU00_MT，(。．4850)Vm“immlipperChaymelRet'lect日mce0．10：RetqectⅫLceRati0250CirruzCharm‘．1娜tiond)Undefined”Filtel"FunctiohFileD：＼DrogramFiles、ITT＼IDL、IDL80、products、envl48＼filtfune、tmzliIAdextofirstb弧a8誊一l几订匦l固I图3．14多光谱参数设置对话框在多光谱设置(MultispectralSettings)中设置气溶胶反演的上行通道、下行通道和反射率比等参数。FLAASH大气校正需要经过获取大气参数、获取反射率数据和消除纠正过程中的存留的噪声三步，完成影像的大气校正，FLAASH会将大气校正得到的反射率结果乘以10000变成16bit整型。校正后影像中植被的光谱曲线对比如下图所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析图3．15大气校正前后植被光谱曲线对比图左为大气校正前的光谱曲线，图右为大气校正后的光谱曲线。发现图右的光谱曲线更加接近真实植被波谱。3．1．3图像裁剪本研究所采用的遥感图像是三景轨道号为Pathll9，Row39的遥感图像，为了全面分析杭州市的不透水地面变化情况，截取大于杭州市行政界线范围作为分析区域，图像的左上角坐标为北纬30040’46．34”，东经119。33’50．33”，左下角坐标为北纬29。45’44．64”，东经120047’48．26”。但本研究具体问题的研究需要以杭州市行政界线为界，对图像进行不规则裁剪，用杭州市行政界线矢量图，对遥感图像进行裁剪，裁剪结果如下图所示：图3．16图像裁剪结果 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析3．2不透水地面估算Landsat卫星的TM影像的空间分辨率为30m，虽然光谱分辨率较高，但空间分辨率较低，在城市内部，很少有像元是单一的土地覆被，往往由好几种地表覆被组成，像元的光谱特征都是好几种地表类型的综合反映。因此，混合像元给土地覆被提取带来了巨大挑战。Wu和Murry提出了光谱混合分析，认为混合像元的光谱信息可以分为几种光谱端元(Endmember)组合，端元是指混合像元中纯净地物，通过求解混合像元中每种土地覆被类型的比率，实现像元可分。这种方法大幅提高了遥感图像的空间分辨率，进一步挖掘了遥感图像的信息。混合像元分解将混合像元的光谱分解为多种地物光谱的组合，根据混合像元光谱的复杂性，分为线性光谱混合分解和非线性光谱混合分解。由于城市地表光谱特性及其复杂，非线性光谱混合分析法很难精确模拟城市地表光谱。因此，线性光谱分解广泛应用于遥感图像的地表生物物理属性的提取，并且精读较高。线性光谱混合分析法认为混合像元内，不同地物的光谱不发生相互影响，像元的光谱值等于单个地物类型光谱和其所占百分比乘积的总和。因为线性混合光谱分析法的理论科学，物理意义清晰，所以用于混合像元分解效果比较理想。国内外已有广泛深入的研究，其中带约束的线性最小二乘法结合基于最小噪声分离和像元纯度指数的端元提取的研究方法效果较好，本文以此为主要研究手段。3．2．1水体掩膜因为水体表现为低反照度地物，在进行不透水地面盖度计算之前必须消除水体的影响【231，对图像进行水体掩膜。掩膜是由0和1组成的一个二进制图像，掩膜之后的图像，1值区域被处理，被屏蔽的0值区域被剔除出计算范囝。(1)水体的遥感信息模型水体的反射率在整个波段范围内都很小，所以水体在传感器大部分波长范围内的的入射光总体上反射率较弱，并且随着波长的增加而减弱。可见光(480—580nm)范围内，水体的反射率约为5％；在580nm处则只有2％．3％；当波长大于?40nm，理想的水体几乎能吸收所有的入射能量(太阳光)124]。清澈的水体对蓝紫光有一些反射，其余波段大部分被吸收；在近红外和中红外波段(740-2500nm)范围，具有强吸收特点，清澈的水体在这一范围内几乎无反射。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭,Jtl不透水地面提取与分析所以可以利用这类波长范围来快速提取水体信息。但是实际水体，尤其是城市水体会含有各种杂质。如水中的悬浮颗粒大于太阳光谱波长会产生米氏散射，使水体在各个波段的反射率都有所提高；水面的油污形成的油膜常在紫外波段反射率较高；水面波浪起伏和镜面反射都会影响水体的反射波谱；水中的浮游生物因含有叶绿素，所以在红外波段有较高反射率【251。本研究区范围内水体较多，尤其是钱塘江内泥沙较多，为了更加准确快速提取本研究中水体信息，需要构建适合于提取杭州的水体信息的水体指数。(2)水体指数构建利用遥感图像提取水体信息，分为多波段法和单波段法。单波段法利用水体和其他地物(植被和干土壤)在近红外波段的吸收差异，通过近红外波段设置阀值来获取水体信息。但这种方法适用于理想状态下的水体提取，实际应用效果不佳。多波段法利用水体在多波段问的综合差异来提取水体信息，分为谱间分析法和比值法。谱间分析法基于水体和其他地物的波谱曲线特征及其相互之间的变化规律，利用逻辑判别提取水体信息[261，这种方法的不足之处在于过程复杂。而比值法利用不同地物在不同波段中的波谱特点，通过比值预算获取水体信息。Mefeeters创建的归一化水体指数(NormalizedDifferenceWaterIndex，NDWI)就是基于波段的比值来提取水体信息，其公式如下：NDWI=(Green—NIR)／(Green+NIR)(3．5)式中Green代表像元在绿光波段的反射率，NIR代表像元在近红外波段的反射率，在TM影响中分别为第2、4波段。由于水体在在可见光和中红外波段的反射逐渐降低，在近红外和中红外波长范围内几乎无反射，因此NDWI有效地突出了水体的信息。但是由于杭州城市水体中泥沙和污染物等非水体信息，NDWI无法有效区分这些非水体信息，很难满足城市水体信息提取的要求。为了解决这一矛盾，徐涵秋通过分析建筑物和水体在第4、5波段中的反射变化，认为采用中红外代替NDWI中的近红外波段能进一步增强水体与建筑的反差，有效降低二者的混淆，减少了背景噪声，更有利于城市水体信息的提取，提出了修正后的归一化植被指数(ModifiedNormalizedDifferenceWaterIndex，MNDWI)[271，其数学表达式如下：MNDWI=(Green—MIR)／(Green+MIR)(3．6)2S 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析式中，MIR为中红外波段，即TM影像中的第5波段。(3)基于MNDWI的水体掩膜对分析图像计算MNDWI，图像中的水体部分的反射率都大于零，在图像中显示为白色高亮，而非水体部分的地物的反射率都小于零，在图像中显示为黑色较暗，如图3．15所示：图3．17图像的MNDWl分布图通过目视解译发现，MNDWI计算能有效地提取杭州市的水体信息，因而在MNDWI计算的基础上采用密度分割，将MNDWI>0提取为水体。用波段预算，得到基于WNDWI的掩膜图像，波段预算式为：B1LE0(3．7)式中B1为参与计算的波段，即新得到的MNDWI，LE是逻辑运算符，代表小于或等于零，式3．6即将MNDWI中小于等于0的部分提取，而将大于0的部分即水体去除，从而生成水体掩膜文件。再运用该掩膜文件对研究区影像进行水体掩膜，得到不包含水体信息的遥感影像，掩膜结果如图3．16所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析图3．18研究区的水体掩膜图如上图所示，水体掩膜效果较好，能满足研究中剔除水体的要求。图中的水体都呈现黑色，反射率值都变成0，不参与影像后续的处理和预算，有效的减少了运算量，将水体信息快速剔除。由于WNDWI包含更丰富波段信息，能探测到水体的细微变化，所以基于WDNWI指数的水体掩膜能快速、准确、简便区分水体与其他背景地物，E匕NDWI更加精确地提取城市范围内的水体信息。而且MNDWI是采用归一化的比值预算，消除了地形差异的影像。同时比基于目视解译的监督分类来提取水体信息，减少了大量的工作量。水体掩膜处理的遥感影像消除了水体对低反照度地物的影响，提高了城市不透水地面提取的准确性。3．2．2端元的选择根据端元选择的途径，端元分为参考端元和图像端元，参考端元是指根据野外波谱测量或从已有的地物波谱信息库中选择的端元；图像端元是指从待分类图像上选择，并不断修改、调整，最终确定的端元，并认为所有的像元都是影像端元的线性组合。参考端元的波谱来自波谱库，因此利用参考端元进行混合像元分解，理论上精确程度较高，但是由于影像成像时受传感器和大气等不确定因素影 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析响，地物的光谱曲线与野外测量的和地物波谱库中的地物波谱曲线存在不可控制性差异，即使经过一系列预处理也很难与波谱库中的地物波谱曲线完全吻合。而从影像中获取的端元与影像数据具有相同的度量尺度；同时由于缺少适用于特定区域的成熟的波谱库，以及野外测量往往需要大量的人力物力，因此从影像本身获取端元成为研究中获取端元的主要手段。由于城市地表的地物组成十分复杂，而且城市大气对遥感影像较大，研究证明从影像上直接提取影像端元，混合像元分解的效果更好【281。因此，本文所使用端元都从影像上直接提取。3．2．2．1最小噪声分离(MinimumNoiseFraction，MNF)由于遥感图像光谱问的相关性，以及噪声的出现降低了遥感图像的信息量[291，需要一种有效的分析方法，降低光谱间的相关性，同时分离遥感数据中的噪声。MNF变换采用叠置的主成分变换，能有效地对多光谱和高光谱数据进行降维，比主成分分析更好地降低数据维度、隔离信息噪声、减少波段问的相关性，减少后续的计算量【301，该变换法将图像质量尺度最大化，图像质量尺度厢信噪比来衡量。(1)MNF变换的原理最小噪声分离(MinimumNoiseFraction，MNF)分析方法，最早由美国科学家Boardman和Kruse于1994年提出，作为一种线性的图位空间变换方法。其数学表达式为【31】：Zi(x)，i=1，⋯，n(3．8)式中，P代表参与MNF变换影像的维数，即波段数；Zi(x)代表第i个波段影像空间。MNF变换中假设：Z(x)=S(x)+N(x)(3．9)式中S(x)和N(x)分别代表z(x)中不相关的信号和噪声成分；ZT(X)={Zi(x)，⋯，Zn(x))。因此协方差表示为：Cov{Z(x))=∑=ZS+YN(3．10)式中∑N和∑s代表S(x)和N(x)的协方差矩阵。在此基础上定义噪声分量为：Var{Ni(x))／Var{Zi(x)}(3．11)MNF变换就是基于上述方法和原理进行变换，变换结果按照噪声分量大小排序，组分编号越后面，信息量越少，噪声越多。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析(2)MNF变换的过程MNF变换本质上是含有两次叠置的主成分分离，但与主成分变化不同的是MNF变换能依据信号和噪声的比率排列成分，将噪声和有效的信息分离。第一次变换基于噪声协方差矩阵的估计，调整和分离数据中的噪声，变换后的噪声数据波段间不相关，称为噪声白化(NoiseWhitening)；第二次变换对噪声白化数据进行标准主成分变换，为了方便后续的波谱处理，通过分析最终特征值和相关图像确定数据的内在维度。图3．15表示了ENVI中MNF变换的过程和方法，噪声来源三分方面：影像数据中获取的当前模糊影像(DarkCurrent)、影像数据中计算出的噪声统计(ImageStatistics)和先前变换中累积的统计误差(ExtistingStatistics)。图3．19ENVI中MNF处理的过程(3)主成分变换结果MNF变换能够将多波段图像的主要信息集中在前面几个组分中，分离数据中的噪声，将影像超过80％的信息集中到前三个主成分中，降低波段间的相互影响，分离不必要的数据噪声，减少后续处理的计算量。如图3．16所示，MNF变换的前三个波段集中了遥感影像82．55％的信息，前三个主成分可以用来代表数据的基本维度。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析措j；澄Eigenv袅1毽鬯l22．8lS8210．03i637．8S8S44．0660S2．821861．7170PerceAt46，27蔼6螽。8l蔼82．SS篱9囝．80键96．S2篱100。00篱R,㈣berofOutput赫搿嚣黼ds6图3．20MNF变换结果对话框MNF变换后的特征值代表了各成分的重要性，MNF变换用特征值将成分进行主次划分，次要成分的特征值比主要成分的特征值明显要小，随着MNF成分编号的增加，各成分的特征值不断减小，如下图所示：．．MNF．File：qu]zecaij[an。．．‘：。20丁1I．‘1。‘{7。．7：。。j。f。‘．．．．‘勺．．．三’．．．c．‘．∞当【}o≥一j．．◆。伍一一5·．．．■玉氘，矗．N蒜b钆，一．一?图3．21各个MNF变换成分对应的特征值因此根据已有研究，可以用特征值较高的成分有效表达影像信息【321。对2000年9月17号的TM遥感影像(不包含第6波段)进行MNF变换，MNF变换结果如图3．19所示，图中从左到右从上到下分别为MNF变换第一至第六组分图：30 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析鬟图3．22MNF变换后的主成分图对MNF变换后的6个成分图目视分析发现，前三个MNF变化主成分的图像质量较好，空间纹理清晰，而随着主成分次序的提高图像越来越模糊，后3个主成分空间纹理模糊，说明含有大量噪声。因此，选取前三个主成分进入后续像元纯净指数(PixelPurityIndex，PPI)的计算，经过MNF变换的特征影像提取端元，能有效提高端元选择的质量，从而提高像元分解的效果。3．2．2．2像元纯净指数(PixelPurityIndex，PPI)计算纯净像元指数是一种在多光谱和高光谱影像中寻找最纯净像元的方法。像元 淅江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析纯度指数是表示高纯度像元的指标，计算图像像元纯度指数可以在遥感图像中找到最“纯”的像元。(1)PPI的原理PPI计算原理是把每个像元作为一个n维的向量，所有像元组成一个向量空间v。在这个向量空间里，必然存在一组全部位于边界位置的向量组成的基￡l，￡2，⋯，￡n，可以用这些基的线性组合来表示所有的空间向量。这些处在边界位置的向量在投影到随机产生的单位向量上时，出现在随机单位向量边缘的概率最大，这个概率以纯度指数来表示。从混合像元分解的角度来说，这些波谱最纯净的像元与混合的端元相对应，而被这些边界像元包围的其他像元，则可以由这些纯净像元的线性组合来对像元进行分解。(2)PPI的计算过程PPI计算通过迭代将N维的的散点图映射为一个随机单位向量来计算，具体计算过程的表达式为：Ddp=∑删]．嘲(3．⋯i-l式中X表示像元的空间向量，i表示第i个像元，V表示空间向量，设定一个计数器NPPI，赋值为0，当dp大于等于阀值M时，计数器NPPI加1。ENVI总结了PPI的处理过程，如下图所示： 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析PixelPurityIndex(PPI)图3．23ENVI中像元纯j争指数(PPI)的处理过程结果PPI计算生成像元纯j争指数图像的DN值为像元被标记为纯j争像元的次数。(3)PPI计算结果选择MNF变换的结果作为输入文件，设置参数如下图所示：鼯蝌嘲黼州蜥蛾黼黼黼黼黼蜥幽般嘏麟黼鞴酶麟蝴瞄幽鞋蜮巅醚城黜越黼蝌∞#嘲—蚺越—’紫=1圈隧溺醚聪弱圈嚣懑匮圈蒸霾豳斛j箨wnber。fIterati。n：10000ThrexhoidF：ct。r250XResi2eFactor10000YReslzeFa：tc，rl0000OutputRes’aitto0File<+tl|emoryEn恼OutputFilenme|!!!!!!i矗、论文、不透水地面一大论文、数据、LT51190392囤厅司厍回陬目l图3．24PixelPurityParameters对话框33 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析迭代次数设置(NumberofIterations)表示数据被映射到随机向量的次数，迭代次数越多，ENVI能更好地发现纯净像元，但同时所需要的时间也更多，经过多次试验，本研究中每景影像的PPI计算迭代次数都设为10000能满足要求端元提取的要求。阀值系数(ThresholdFactor)是以数据位数为单位输入一个阀值，阀值应该是噪声等级的2．3倍【331。对于TM数据，它的噪声通常小于1DN，因此本研究中的阀值设为2．5。计算结果PPI曲线如下图所示：图3．25PPI曲线图图中的横坐标表示迭代次数，纵坐标表示像元数，从图中可以发现当迭代次数超过6000以后像元的增加速度开始减慢，迭代次数达到8000以后像元数趋于稳定，达到3800000个左右，说明上述迭代次数和阀值的设定能满足研究的需要。图3．26PPI指数分布图 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析PPI运算结果是一个单波段图像文件，像元的DN值即像元的PPI指数，数值越大表示像元越纯净，从图3．26发现，大部分的纯净像元位于林地和水体区域，而在农用地较少较少，尤其在建成区域内，几乎没有纯净像元存在．3．2．2．3基于PPI的端元提取端元的选择决定混合像元分解结果的精度。端元的数量和分解模型的拟合度需要一个平衡：端元过多会造成分解模型对端元选择过于敏感；端元太少，对模型的适宜度不足，不能充分解释光谱变化。根据以往的研究成果，对于城市不透水地面提取分析，选择3．4个端元较为理想，即选择高反照度端元、低反照度端元、植被和土壤四个端元来进行混合像元分解【34】。高反照度端元包括玻璃、亮金属、新建的水泥混凝土和浅色装饰材料等；低反照度地物主要包括老式建筑的屋顶材料、沥青和河流水面等；植被端元包括草地、林地、城市绿地和农作物等；土壤端元主要是裸土。基于这四类端元的混合像元分解适用研究区内以建设用地为主，水体和植被较少的情况。本文中的研究区内包含大量的林地、农田和水体，所以基于高反照度、低反照度、植被和水体四种端元的线性光谱混合像元分解不适用于杭州的不透水地面提取。根据Amir对慈溪的研究，由于各个地区大气、自然环境、人文环境的差异，适用于特定地区的端元选择不适用与另一地区，端元的选择应该应该以适用于研究区情况而定【351。以2000年的遥感图像所示：图3．27研究区 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析根据研究区情况，研究区内的林地植被和农作物植被的区别较大，选择了不透水地面、林地植被、农作物植被和土壤作为端元进行混合像元分解。不透水地面包括道路、屋顶和广场等，林地植被即研究区内的丘陵植被，农作物植被主要包括萧山和江干的大量农田上的农作物，土壤主要是没有农作物的农田。为了提高端元质量，用感兴趣工具将PPI大于6的像元提取出来生成感兴趣区，然后将MNF前三个主成分的影像、原始影像和Google的高分辨率图像相关联，反复比较选出端元。3．2．3不透水地面盖度计算在精确选择端元的基础上，采用线性光谱混合模型对混合像元进行分解。3．2．3．1线性光谱混合模型的原理对于Landsat卫星的TM影像，采用上述的四个端元采用线性光谱混合模型进行混合像元分解，线性光谱模型表达式为：式中Xb是遥感影像的第b个波段的反射率，b为波段数，b=l，⋯，6；k为端元组分数，k=t，⋯，4；Sk是一个混合像元中第k个端元占的比率，akb是混合像元中第k个端元在第b个波段的反射率，eb是第b个波段的残差。模型的精确性可通过均方根来表示：RMs=(3．14)RMS越小，模型的总体误差越小，模拟精度越高。根据遥感影像反射率数据及上文得到的四个端元在各个波段上的反射率，通过有约束的最小二乘法求解线性光谱混合模型。siall+$2a12+$3a13+s4a14=Xlsla21+$2a22+$3a23+s4a24=x2slaM+s2a32+$3a33+s4a34=x3sia41--[-$2a42+s3a43+s4a44=x4sla51+$2a52+s3a53+s4a54=x5sla61+$2a62+$3a63+s4a642x636，)36e+胁以女S"∑心=％ 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析式中：Xb某一特定混合像元在波段上的反射率，b表示波段数；akb表示第k个端元在地b个波段上的反射率；Sk表示该端元所占的在混合像元中所占的比率。同时Sk需要满足以下条件：∑六=1(0≤五≤1)(3．15)k=l这个约束条件保证了每种光谱端元在混合像元中所占的比率在0和1之间，同时所有像元所占比率之和等于1，能有效防止出现某种端元的比率大于100％或者小于0这种与实际不符合的情况。3．2．3．2不透水地面丰度计算根据TM影像反射率数据及上文中各个端元在6个波段上的反射率，采用最小二乘法求解带约束的线性光谱混合模型，得到四个端元的空间丰度图。同时用MNDWI指数得到的水体掩膜文件对影像进行掩膜。从2000年到2010年的不透水地面的变化如下所示：图3．282000年不透水地面丰度图 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析图3．292005年不透水地面丰度图图3．302010年杭州不透水地面丰度图38 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析从图中发现，2000年杭州市的不透水地面丰度高值区集中在以商业区和居住区为主的上城区、下城区，不透水地面比率超过50％；从2000年至2005年，杭州不透水地面增加集中在老城区周围，以拱墅区、下城区和江干区增加最多；2005年至2010年，由于高教园区和开发区的建设，杭州市不透水地面在西湖区、滨江区和萧山区迅速增加，至2010年不透水地面比率超过50％的分区达到4个：上城区、下城区、拱墅区和江干区。杭州市不透水地面比率如下表所示：表3．2杭州市不透水地面比率统计区域2000年(％)2005年(％)2010年(％)3．2．4精度评价分解过程的误差ENVI以均方根分布图的形式体现。以2000年的线性光谱分解均方根图为例，如下图所示：图3．31线性光谱分解的RMS空间分布图根据线性光谱模型的求解过程，从图像处理到混合像元分解过程中各个步骤 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析都会产生一系列误差，从而影响混合像元分解的精度。像元越纯净误差越小，像元的组分越复杂，误差越大。尤其是当像元中存在没有发现的地物时，选择的端元无法通过线性组合来表示这类地物，误差较大。对于线性分解模型的误差，根据均方根的定义，当均方根越小，说明模型计算的准确性越高，上图中灰度值较高的区域均方根值较大，总体的灰度值较小，说明线性光谱混合分解模型的分解结果较好。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析第四章不透水地面空间变化和分布分析4．1不透水地面的空间分布分析城市不透水地面是城市生态系统的重要组成部分，是反映城市生态环境的一个重要指标，并能同时表征城市发展。计算结果发现杭州市区行政界限内的不透水地面比率从2000年9．39％增加到2005年的16．17％，到2010年不透水地面比率达到26．05％。说明杭州市的不透水地面比率总体不断上升，但不透水地面在不同空间区位变化特征不同，本节重点从不同空间区位分析杭州市不透水地面的变化。4．1．1各个市辖区内不透水地面分布城市不透水地面的变化在不同时期、不同区位有不同的空间特征。本文以年均扩展比率来表示不透水地面在不同区域上的的变化程度，揭示杭州市不透水地面变化空间分异特征。年均扩展比率计算方法如下：0：鱼生1(4．1)13式中，0为城市年均扩展比率，入。+i和入i分别代表n+i和第i年不透水地面比率，i是以年为单位的时间。杭州市各市辖区的不透水地面比率和扩展强度如下表所示：表4．1杭州市各市辖区平均不透水地面比率及扩展强度不透水地面比率(％)扩张强度(％)市辖区面积(km2)2000年2005年2010年2000．20052005．2010 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析如上表所示，位于杭州市中心的拱墅区、下城区和上城区建筑密集，不透水地面比率都比较高，但变化特征有所不同。上城区2000年的不透水地面比率达到65．04％，区内适于建设的土地已经基本完成建设，只剩下少量农田未被开发，但是行政界线内有山体和水体分布，从2000年至2010年不透水地面比率只上升了3．1％，在各个市辖区内的增加比率最小。下城区内除了运河和其它水体以外，无不适于建设的土地，2000年的不透水地面比率只有55．65％，不透水地面高值区集中在武林广场一带，随着浙江省最大立交桥石桥立交桥的投入使用，上城区的北部地区建设速度加快，到2010年上城区的平均不透水地面比率达到78．48％，在所有市辖区中的不透水比率最高。拱墅区东北部有山体分布，2000年的不透水地面比率达到26．15％，但随着康桥镇和三墩镇的发展建设，城市用地在这些区域迅速扩展，同时瓜山立交桥的建设，带动了周边的商业发展和房地产建设，到2010年不透水地面的比率达到71．32％，是所有市辖区中不透水地面比率增加最多的区。江干区、滨江区和西湖区2000年的不透水地面比率分别为20．58％，13．10％和13．17％。江干区行政界线内山体分布少，但区内包含了较多的水体。随着杭州市东扩的规划战略，位于江干区东面的杭州经济技术开发区以工业、教育和居住并行，推动了江干区的城市扩展，开发区内的下沙高教园区建成规模达10．91km2，共有15所大专院校，在校大学生和教职工将近20万了，快速地实现了江干区在远离城市建成区的跨区发展，到2010年江干区的不透水地面比率达到53．76％。而位于北面的丁桥地区是杭州的大型居住区，随着杭燃市中心房价的大幅上升，越来越多的人选择在丁桥落户，同时杭州市政府开发的经济适用房在此建设，丁桥成为一个居住人口达20万人的大型现代化居住区。居住区和经济开发区的建设推动江干区的发展建设，到2010江干区的平均不透水地面比率达到53．76％。滨江区位于钱塘江南岸，由于跨江发展的条件不成熟，滨江区是杭州6个原有的老城区中不透水地面比率最低的市辖区，只有13．10％。滨江高新区内企业的入驻和高教园区内省市属高校的迁入，高新区作为钱塘江两岸共同发展的战略要地，推动了滨江区的发展。同时复兴大桥和时代大道的通车，进一步提高了滨江区的交通可达性。到2010年滨江区的不透水地面比率达到41．7％。西湖区位于杭jI抖的西部，是杭州最重要的旅游地所在，包括西湖风景区和大量山 淅江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析体，由于旅游发展的需要以及杭州市“西优”的规划战略，西湖区从2000年到2010年不透水地面比率变化幅度较小，从13．17％增加到34．43％。西湖区不透水地面的增加主要来自于杭州城西居住区的建设和浙江大学、浙江工业大学和中国美术学院新校区的建设。同时杭州绕城公路南枢纽的建设完成和梅灵隧道的建设提高了西湖区南面的交通便捷性，推动了该地区的发展和建设。萧山区和余杭区于2001年并入杭州市区，行政区划的调整加强了两个市辖区和市区的联系，推动了两地的发展和建设。萧山区南部分布有大量山体，2000年以前由于受到跨江发展的局限，位于钱塘江南岸的萧山区的不透水地面比率较小，只有6．84％，不透水地面比率高值区集中在原萧山市中心区域。萧山区是浙江省的交通枢纽，杭州南站、萧山机场、杭甬高速和杭金衢高速的节点都在萧山区境内。同时萧山区的经济发展水平较高，撤市设区前的经济水平位于全国县级市前列。根据杭州市总体规划，杭州六大组团中的临浦、瓜沥和义蓬三个组团全部位于萧山区境内：义蓬组团是城市东部大型综合性工业发展基地，瓜沥组团是城市东南部以临港工业、轻纺工业、服装加工为主的综合性工业区和区域性物流中心；临浦组团是城市南部未来高新技术产业发展的主要基地，这些以产业和居住相互带动，形成功能齐全的小城镇。萧山区的不透水地面到2010年达到24．53％。余杭区位于杭州市北部，区内西北部和西南部分布有大量山体，余杭区2000年时的不透水地面比率达5．66％，不透水地面的高值区集中在余杭区中心区域。根据杭州市总体规划，杭州市的一个副中心和三个组团位于余杭区境内。临平副中心由临平城区、运河镇等组成，是以城市现代加工制造业为主的综合性工业城。作为杭州市的东大门，临平城随着物流业、工业及其配套设施的建设，在2000年至2010年期间在原余杭区的基础上迅速发展。但为了贯彻总体规划中“北调”的战略，分布在余杭区内的塘栖、良渚和余杭三大组团主要作为杭州市休闲旅游、文化保护和生态农业等所在地，因此政府在这些地区合理控制人口和建设用地规模，至2010年余杭区的不透水地面仍然只有14．8％，远远低于其他市辖区的不透水地面平均比率。根据上述分析发现，杭州市的不透水地面的高值区集中在现市中心区域，同时正往钱塘江南岸的滨江和萧山两个区快速扩张，而城市总体规划布局对杭州市不透水地面扩展变化具有决定性的影响。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析4．1．2不透水地面比率的区域差异分析不同时期，不透水地面比率在城市不同的空间范围内的变化速率和趋势各有不同，定量化描述城市不透水地面比率的交化强度和趋势，对于不透水地面的研究具有重要意义。本文以杭州市各市辖区作为基本分析单元，以简化的泰尔指数作为衡量不透水地面变化空间差异的定量指数【361，泰尔指数越大说明各市辖区之间不透水地面变化的空间差异越大，计算公式如下：ⅣE(y)=∑Y，log(1／y，)(4．2)，一l式中N表示市辖区的数量，Yi表示第i个市辖区不透水地面增加的面积占全杭州市8个市辖区不透水地面增加的总面积的比率，不透水地面的面积由不透水地面比率乘以相应的市辖区的行政面积得到，同时满足所有的Yi相加等于1：ⅣZy，=lYf20，i=1，⋯，N(4．3)本文分2000年至2005年、2005年至2010年两个时段来计算杭州市不透水地面变化的空间差异，如下表所示：表4．2杭州市各市辖区不透水地面变化的泰尔指数2000．20052005．2010市辖区面积(km2)增加面积(km2)泰尔指数增加面积(km2)泰尔指数从上表看出，2000年至2005年和2005年至2010年这两个时间段内的不透水地面变化的泰尔指数相差不大，都比较大，说明8个市辖区之间的变化差异比较明 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析显，但与2000年至2005年这一时期相比，2005年至2010年这一时期的泰尔指数有所减小，说明杭州市不透水地面在各个区域间的变化差异减小。4．1．3典型区域的不透水地面变化上文从杭州市区、市辖区的空间尺度对杭州市不透水地面进行分析，为了揭示杭州市不同空间区位不透水地面的典型变化，本文选取了西溪湿地片区、下沙片区、西湖区南部片区和钱塘江南岸片区这四个典型地区进行分析。1、下沙片区下沙片区是杭州跨区域式扩展的典型区域，下沙片区是杭州市重要的副中心，位于杭州市江干区东部，由下沙、九堡、乔司组成。片区北部为教育科研区，南部、西部为工业区，中部及东部临江地区为居住生活区，是以杭州经济技术开发区和下沙高教园区为骨干的新城。根据杭州市的产业政策，由于杭州的市区用地调整而外迁的单位和企业以及新的高新技术企业大部分在此入驻。2000年省政府决定成立下沙高教园区，目前园区内共有14所高校，约20万师生。2000年至2010年期间其变化过程如图4．1所示：2000年下沙片区的不透水地面比率较小，只有14．53％，不透水地面的分布较分散，农用地分布较多；2005年，下沙片区的不透水地面达到27．83％，增加部分主要在高教园区内，不透水地面的增加主要来自高校的入驻；2005年至2010年期间下沙片区的不透水地面比率增加速度较快，2010年下沙片区的不透水地面比率已高达42．9％，期间不透水地面的增加主要来自开发区内企业的入驻和居住楼盘的开发。2011年杭州经济技术开发区实现地区生产总值358亿元，推动了开发区的进一步开发和建设。对比杭州市的下沙片区的控规图和2010年下沙片区不透水地面的丰度图，发现规划中的教育科研用地、工业用地、公共设施和居住用地上的建设已基本完成，甚至部分发展备用地上不透水地面的比率也已经较高，只有沿江边的部分居住用地还未开发。45 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析2000年下沙片区不透水地面图2005年下沙片区不透水地面图2010年下沙片区不透水地面图下沙片区控规图图4．1杭州市下沙片区不透水地面变化及控规图2、西溪湿地片区西溪湿地位于杭州城西，为罕见的城中次生湿地，誉为杭州之肾，其对杭州的城市小气侯和地表径流具有重要的调节作用。本文截取了西溪湿地周边区域，从不透水地面变化的视角对西溪湿地的变化进行分析。从2000年的不透水地面丰度图中发现，当时西溪湿地北面的文二西路还未修通，不透水地面主要分布在西溪湿地的东面和南面，而西溪湿地的北面和西面都是农田。从2000年至2005年，不透水地面在西溪湿地北面的文一西路和文二西路之间从东向西逐步蔓延，期间西溪湿地西南方向的闲林地区的不透水地面增加迅速。到2010年西溪湿地已基本被不透水地面包围，湿地保护区范围外的湿地基本被不透水地面取代。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析2000年西溪湿地片区不透水地面图2005年西溪湿地片区不透水地面图2010年西溪湿地片区不透水地面图西溪湿地片区控规图图4．2杭州市西溪湿地片区不透水地面变化及控规图3、西湖区南部片区西湖区南部转塘周边地区，由于西湖风景区和钱塘江的阻隔，与市区和滨江区都联系较少，在2000年以前该地区的不透水地面比率很低，以农田为主。但从2000年至2010年，随着该地区的交通条件的改善，城市建设速度加快，不透水地面相应增加，该地区是交通带动城市扩展的典型地区。梅灵隧道的通车改善了转塘地区与西湖风景区、灵隐寺景区的联系，提高了之江旅游度假区旅游资源的交通可达性，带动了转塘地区旅游资源的开发。杭州绕城高速的通车，对转塘地区的交通条件的改善作用最大：绕城高速的南枢纽设置在该地区，使该区南与杭州市区、西与富阳、东与萧山的联系更加紧密，交通条件的改善推动了转塘地47 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析区楼盘开发、工商业发展，推动该地区的城市扩展，提高了不透水地面的比率。2000年西湖区南部片区不透水地面图2010年西湖区南部片区不透水地面图西湖区南部片区控规图图4．3杭州市西湖区南部片区不透水地面变化及控规图4、钱塘江南岸片区钱塘江的南岸片区包括了滨江区的大部分地区和萧山区的沿钱塘江地区，该区是杭州2005年以后不透水地面增加最快的地区，同时是杭州市跨江沿江发展的重要地区。钱塘江南岸片区是杭州市总体规划江南城副中心所在，江南城由滨江区、萧山城区和江南临江地区组成，是以高科技工业园区为骨干的现代化科技城和城市远景商务中心。钱塘江南岸片区的不透水地面扩展受多种因素驱动：交通条件的改善、开发区建设、杭州市“跨江沿江”的发展战略。2000年钱塘江南岸片区的不透水地面率较低只有7．86％，不透水地面比率的高值区主要集中在原萧山市中心和滨江区中心位置。2000年至2005年不透水地面的增加集中在萧山城区附近及滨江高新区和萧山经济技术开发区。2005年至2010年，不透水地面在滨江高新区和萧山经济技术开发区继续增加，两个开发区和两个区(萧山、滨江)的区中心构成钱塘江南岸不透水地面的主体部分。但期间不透水地面在钱48 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析塘江沿岸和钱塘江南岸片区的北部，不透水地面的增加也比较明显，说明钱塘江沿岸住宅和商业随着城市跨江发展战略的实施有序发展，区域内的绕城高速枢纽带动了周围物流和相关服务业的发展。2000年钱塘江南岸片区不透水地面图2005年钱塘江南岸片区不透水地面图2010年钱塘江南岸片区不透水地面图钱塘江南岸控规图图4．4杭州市钱塘江南岸片区不透水地面变化及控规图4．1．4扩张过程与模式研究分析不同时期的不透水地面扩展变化与过程，发现杭州市的城市扩展并不是由内而外摊大饼式的发展，而是根据城市职能合理分散的要求，依据杭州市总体规划协调发展，可以概括为城市蔓延式的城市扩展、跨区发展的城市扩展和交通设施推动的城市扩展三种类型，反映杭州城市发展从西湖时代转向钱江时代，实现了“跨江沿江”的发展战略。城市蔓延式的城市扩展集中在杭州不透水地面比率最高的上城区、下城区、49 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析拱墅区和江干区的西部，这些地区的城市用地紧张，城市扩展主要表现为沿周边蔓延式的扩展，贯彻“控制、疏散、重构”方针，保证城市中心功能的发挥：控制规模，疏解工业和居住用地，降低老城区人口密度；调整用地结构，增加综合服务类用地和就业岗位，重点发展第三产业和高技术产业、新型都市工业。具体表现为市中心的更新改造、近郊区的密集建设以及城中村改造建设。跨区发展指以开发区、高教园区和科技工业园区的组团式发展，园区接受来自市中心外迁和新入驻的企业和高校，同时在园区周围配套居住生活设施，不仅辅助市中心用地调整，同时带动了园区周边的发展，如萧山经济技术开发区、杭州经济开发区的建设分别带动了萧山区和江干区的远郊区的开发建设。杭州绕城高速南枢纽的建成带动了转塘地区的发展；瓜山和石桥立交桥的建设通车带动了江干区和拱墅区的发展；复兴大桥、江东大桥、袁浦大桥和下沙大桥等大桥的建设加强了钱塘江两岸的联系，带动了工业产业的跨江发展，实现了城市中心的向东转移；而杭宁、沪杭、杭徽和杭金衢等高速公路的建设完善了杭州市的公路交通网络，同时加强了杭州与周边省市的联系，构建了便捷的交通条件。交通基础设施为城市土地开发提供了基础条件，带动了交通道路周边的发展。以市中心的城市蔓延、跨区发展和交通设施推动为特征的城市扩展，按照杭州市总体规划布局实现“南拓、北调、东扩、西优”的城市发展战略，推动城市功能的疏解和跨江沿江发展。4．2不透水地面变化的驱动力分析杭州作为浙江省的政治经济文化中心，同时是长三角都市区重要的副中心城市，在2l世纪的前十年中城市扩展迅速。本文采用定性分析和定量分析结合的方法对城市扩展的的驱动力进行综合分析，从自然因素、社会经济因素、文化因素和政府调控四个角度出发揭示各种驱动因素的作用及其相互关系。4．2．1自然因素自然地理条件是城市发展的基础条件，在一定程度上决定城市扩展的速度和方向，从而决定了城市发展的宏观格局。影响城市发展的自然因素可以概括为自然地理区位条件、自然环境状况、自然资源丰度、人居环境状况4个方面f371。城市的自然区位条件影响城市的辐射范围，从而决定城市的优势产业及其空 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析间分布。杭州作为浙江省的省会，经济文化中心，同时是长三角都市区三个副省级城市中GDP最高的城市，也是长三角地区最重要的副中心城市。随着上海国际金融中心地位的日益凸显和浙江全省经济稳步提高，杭州市总体规划(2001．2020)将杭州定位为浙江省省会和经济、文化、科教中心，长江三角洲中心城市之一，国家历史文化名城和重要的风景旅游城市，并进一步发挥杭州在以上海为龙头的长?2--角洲地区重要中心城市的辐射带动作用和在全省的政治、经济、文化、科教中心作用，强化科技创新和中心城市的综合服务功能，良好的邻近发展环境带动了杭州快速发展。城市自然环境即生态环境主要包括气候、地质、地貌、水文和土壤等几方面，自然环境是人类活动和发展的基础【381。优越的自然环境有利于促进城市发展，提高城市的发展水平：自然条件状况决定城市发展的承载力，改善城市自然环境条件能增强城市的发展能力；而城市发展必须建立在城市自然环境的承载能力范围内，超过自然承载力的发展会导致自然环境恶化，从而影响城市的继续发展。杭州有着江、河、湖、山交融的自然环境。全年平均气温17．s℃，平均相对湿度70．3％，年降水量1454毫米，年日照时数1765小时，属亚热带季风性气候，雨量充沛。良好的气候条件提供了适宜人类生活的生活环境，吸引了全国各地的人来杭州定居生活，推动杭州的发展。全市丘陵山地占总面积的65．6％，平原占26．4％，江、河i湖、水库占8％，西湖风景区位于城市中心的西南方向，京杭大运河和钱塘江穿城而过。杭州西部、中部和南部属浙西中低山丘陵，阻碍了城市在这些方向上的城市扩展。因此2000年前杭州发展主要集中在钱塘江的北岸，并往东北方向发展。2000年以后，随着钱江新城的建设和投入使用，以及萧山、余杭两地的行政区划调整，杭州在“城市东扩，旅游西进，沿江开发，跨江发展”的思路下，实施“南拓、北调、东扩、西优”的城市发展战略，城市在钱塘江南岸和城东快速扩展。自然资源分为农业资源、工业资源和旅游资源等，所有的自然资源是城市发展的根本支撑，作为社会经济发展的物质基础，自然资源是城市发展的必要条件，影响着区域的产业结构。杭州的农业和工业资源相对比较缺乏，但杭州的旅游资源丰富，以“上有天堂，下雨苏杭”I茸-Jg，是中国的最佳旅游城市。以2010年为蚀，杭州旅游总收入达到910．9亿元，旅游总人数达到6581万人，是杭州市 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析总人口689．12万人的将近十倍【391。巨大的旅游收入为城市发展提供发展资金，庞大的游客数量促进了杭州服务产业的发展，尤其是宋城、龙井等旅游项目，这些旅游项目发展初期往往在离建成区有一定的距离，这些项目带动了项目周边的发展，进一步推动了城市扩展。城市人居环境是指人类在一定的地理系统背景下，进行着居住、工作、文化、教育、卫生、娱乐等活动，从而在城市立体式推进的过程中创造的环境‘401。因此人居环境是一个自然、人文和空间的综合概念。杭州在人居环境建设上一直领先全国，杭州市政府于2001年获得联合国人居环境奖，是中国第一个获得该荣誉的市政府。同时是中国第一批获得中国人居环境奖的5个城市之一。良好的人居环境成为吸引各地的人口、企业来杭的重要因素，进一步推动城市的发展。随着生产力的进步和经济发展，自然条件对城市的约束变小，但良好的城市自然因素对杭州与其它城市的比较优势具有重要影响，并从各个方面推动着城市的平稳快速发展。4．2．2社会经济因素社会经济发展是城市扩展的主要驱动力，城市扩展是社会经济发展在空间物质层面的具体表现。2000年至2010年，杭州市区的国内生产总值从2000年的1043．4596亿元上升到2005年的2349．5459亿元，再上升到2010年的4740．7788亿元，10年间翻了两番。社会经济发展与城市扩展之间存在互动性，一方面社会经济的快速平稳发展提高了对城市土地需求，同时经济发展为城市建设提供资金和物质保证。通过分析各个社会经济发展指标与城市空问扩展的关系，揭示杭州市空间扩展的驱动机制。但各个经济因素间关系复杂，因此本文在SPSS中采用多元线性逐步回归的方法分析杭州市不透水地面面积与各个社会经济因素的联系，从而揭示杭州市城市扩展的机制。本文选取的因变量是杭州市每年的不透水地面面积，由于只有不连续3年的不透水地面面积的数据，本文通过等增量法内插得到每年度的不透水地面面积数据，得到2000年至2010年11年的杭州市不透水地面面积数据。选取了市区全社会固定资产投资总额(X1)、城镇居民家庭平均每人全年生活费支出(X2)、固定资产投资房屋建筑施工面积(X3)、固定资产投资房屋建筑竣工面积(x4)、房地产开发投资(X5)、国内生产总值(X6)、第一产业 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析国内生产总值(X7)、第二产业国内生产总值(X8)、第三产业国内生产总值(X9)、总人口数(XJo)和非农业人口数(XiI)这l1个社会经济指标作为自变量，进行多元线性逐步回归分析。表4．32000年．2005年杭州市各个社会经济指标X1(万元)1116915513150724156344041817240321827468X2(元)14471．7414895．7516719．1018594．7520218．98X3(万平方米)5898．156496．017812．718558．1710738．49Ⅺ(万平方米)1327．37·1355．431537．691398．491983．33X5(万元)36533934298687526994762615628486495X6(万元)27483l2132738842381398344069868747407788X7(万元)755663773208830741874987941591X8(万元)1325477315546960179260481812092121452228X9(万元)13472684】6418675193830452170277825013969Xlo(万人)414．18419．50424．30429．44434．82Xll(万人)256．42269．30285．11297．83307．52为了提高回归模型的可靠性，自变量进入模型标准为P值小于等于0．05，剔除出模型的标准为P值大于等于0．1，最终得到不透水地面面积变化与各个驱动因子之间的多元线性回归方程为：Y=0．997+0．549X1+0．452x2(R2=O．997，通过5％的显著性检验)式中Y表示不透水地面的面积，xI表示国内生产总值，x2表示非农业人口数，53 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析说明非农业人口增长和经济发展是城市扩展的主要驱动力。4．2．3文化因素城市文化是市民在长期的生活过程中共同创造的，具有城市特点的文化模式，是城市生活环境、生活方式和生活习俗等的总和【411。城市文化对城市发展的影响主要包括具有地方特色的社会意识、思维方式和风俗行为习惯，任何城市的发展都受城市文化的影响，尤其在市场经济环境下，开放竞争意识、企业精神和人的素质等文化因素越来越成为城市发展重要推动力。城市文化决定了城市经济发展方向和质量，从而推动城市发展。从全省宏观背景出发，以勤奋务实的创业精神、勇于开拓的开放精神、敢于自我纠正曲包容精神、捕捉市场优势的思变精神和恪守承诺的诚信精神为内涵的浙商精神推动了浙江民营企业的快速发展[421。杭州作为浙江省的经济中心，在浙商文化推动下的浙江经济发展惠及了杭州市的城市发展。杭州有着江、河、湖、山交融的自然环境，构成了城市别具一格的空间形态，自古就有“鱼米之乡”、“丝绸之府”、“人间天堂”之美誉，秀丽的湖光山色，与悠久的历史文化、丰富的文物古迹构成了杭州历史文化名城的最大特点，体现了了杭州“精致和谐、大气开放”的新时代人文精神。良好的生活环境以及南宋故都的世俗文化，赋予了杭州城市文化中的平民性和草根性，使杭州市民图安逸，喜休闲的生活态度。独特的城市文化一方面使杭州多次获得“中国最佳旅游城市”、“休闲之都”等荣誉，另一方面对具有中国特色城市化进程中的城市外来人口具有不可低估文化吸引力。由于户籍制度的限制，都市的新移民和外来人口往往都经历一个漫长艰辛的适应过程，努力在城市中寻找生存和发展空间，并尽快融入本地社会的生活。而杭州文化的世俗性使杭州市民更愿意关注身边小事、关注周围人的生活与情感，使得杭州人具有不排外，愿意接纳外地人等性格特点。同时世俗化的生活态度使杭州市的民生信息特别发达，如((1818黄金眼》、《小强热线》、《老娘舅》和《阿六头说新闻》等关注民生的电视节目在杭州拥有极高的收视率，而这些节目将大量的篇幅来关注新杭州人在杭州的生活和发展，同时保障他们的权益，在信息高度发达的时代，从大环境构建了外来杭州人在杭州的社会和文化保护体系。独特的城市文化从两方面推动杭州市的城市发展，一方面开拓进取的浙商文 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析化构建了杭州城市发展经济基础，增添了城市活力，另一方面世俗化的市民文化接纳和吸引了大量的外来人口在杭州市定居发展。4．2．4政府调控城市发展政策在宏观上影响城市的发展，对城市的扩展起到至关重要的作用，是一系列协调城市与外部环境，促进内部发展的运行机制的总和，概括为政策调控和规划布局两方面。4．2．4．1政策调控影响杭州城市发展的政策调控主要包括行政区划调整、房地产封度改革和基于产业政策的产业空间优化调整。90年代后期，杭州市调整钱塘江两岸地带的乡镇、街道，促进了钱塘江北岸城镇地区的发展。1996年杭州将余杭的下沙、九堡、三墩三镇和萧山的西兴、长河和浦沿三镇并入主城区。2001年，国务院批准杭州市的行政区划调整，将余杭、萧山并入市区，杭州市区的行政辖区面积从683km2扩至3068km2。行政区划的调整为城市扩展提供了更大的发展空问，促进了杭州的城市扩展。·‘1988年4月12日召开的七届人大一次会议上《中华人民共和国宪法修正草案》把禁止出租土地的“出租”二字删掉，规定“土地的使用权可以依照法律的规定转让”，成为中国住房市场改革的开端。随着房地产制度改革的深入，杭州房地产市场逐渐成熟并成为支柱产业。发达的房地产市场一方面加快了旧城改造和更新，提高了旧城的容积率，使其成为具有更高土地附加值的商业金融办公用地；同时带动居住郊区化发展，这为土地利用方式改变创造了必要条件，推动城市快速扩张。杭州的居住郊区化主要包括郊区住宅开发，农居点城市化改造和外来人口向农居点集中，三者共同作用使城市用地在近郊区蔓延扩展。根据2000年的杭州规划，新增的居住区，如半山奶牛场地区、松合地区、杭州经济技术开发区东北部地区、东南沿江地区、笕桥地区、中沙及下沙地区、三墩北地区、杭州高新技术开发区(滨江)西兴北地区、钱江新城内四堡、七堡等地区都主要位于杭州的近郊区。杭州市于1998年就开展撤村建居试点改革并积极探索城中村改造试点工作，妥善解决了城中村问题。目前，杭州主城区的286个行政村中已有205个村列入撤村建居改革试点。205个撤村建居村中，有10个村已全面完成整 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析体改造，另有45个村列入整治提升计划，剩余150个村结合大项目实施、拆迁安置房建设全面启动“城中村”改造。截止2009年6月，拆迁安置房项目已累计开工2358万平方米，竣工1365万平方米，交付使用1050万平方米。郊区房地产开发以及城市农居点建设推动杭州房地产建设，从而推动城市在郊区的扩展蔓延。从90年代后期开始，为了配合杭州市的的产业引导政策，杭州进行相应的产业空间调整：城市中心土地逐步完成向郊区置换，工业企业不断迂往市郊的开发区，新增和迁入的企业直接进驻工业园区。企业和高校的集聚推动了远郊区的建设。同时浙江大学、中国美术学院、浙江工业大学的新校区建设，带动了所在地区发展。随着萧山经济技术开发区和余杭经济技术开发区建立，两个园区依托原有的产业、和配套设施，带动郊区工业化的发展。高教园区和开发区的是杭州城市用地扩展最直接的方式，大力推动杭州的城市扩展。4．2．4．2规划布局根据2000年至2020年的杭州市城市总体规划，杭州市的城市发展方向为“城市东扩，旅游西进，沿江开发，跨江发展”，实施“南拓、北调、东扩、西优”的城市发展战略。“城市东扩”主要是下沙城和临平城的建设：下沙城由下沙、九堡、乔司组成，是以杭州经济技术开发区和高教园区为骨干的综合性新城。北部为教育科研区，南部、西部为工业区，中部及东部临江地区为居住生活区；江南城由滨江区、萧山城区和江南临江地区组成，是以高科技工业园区为骨干，产、学、研协调发展的现代化科技城和城市远景商务中心。沿江地区为居住生活区、公建区和远景城市商务中心，南部为商贸、居住生活区，东、西部为工业区和文教科研区。“旅游西进”带动了西溪湿地的发展和建设，同时进一步提升了城西的居住功能，从而形成了西湖区的生活文教区，同时带动了余杭区的发展，城西。原有的非建设用地转换为城镇区，形成大量的不透水地面。“沿江开发，跨江发展”带动了钱塘江两岸的发展，集中在下沙城和江南城的建设。在“南拓、北调、东扩、西优”发展战略下，形成从以旧城为核心的团块状布局，转变为以钱塘江为轴线的跨江、沿江，网络化组团式布局。采用点轴结合的拓展方式，组团之间保留必要的绿色生态开敞空间，形成“一主三副、双心双 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析轴、六大组团、六条生态带”开放式空间结构。城市总体规划为城市提供长远的发展框架，使城市开发发展更加有序，同时带动了城市的扩展，提高了城市的不透水地面比率。 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析第五章结论与展望随着科技进步，传统的自然条件对人类改造自然的限制越来越小，科技的进步和人口的增加推动了一场前所未有的城市化浪潮。通过遥感技术准确获取不透水地面信息，运用定量化的数学模型和GIS技术，揭示城市化过程中的不透水地面的变化特征和驱动机制，为城市的土地利用和可持续发展提供科学建议，从而最大限度的减少人类活动对生态环境的负面影响，具有重要意义。本文选取杭州作为分析案例，通过多时相的遥感影像分析杭州市不透水地面变化的过程，从而丰富当前土地利用／覆盖变化的综合研究。5．1研究的主要结论和认识本文在详细论述不透水地面研究背景的基础上，通过对国内外相关研究的综述分析，建立杭州市的不透水地面演变的研究框架。通过LandsatTM遥感图像提取杭州市三个时期的不透水地面信息，结合行政界线空问数据和相应的社会经济数据，对2000年以来的杭州市不透水地面变化进行系统分析，从而揭示其变化过程和驱动机制。本研究取得的主要结论有：(1)10年间杭州市的不透水地面比率总体不断上升，杭州市区行政界限内的不透水地面比率从2000年9．39％增加到2005年的16．17％，到2010年不透水地面比率达到26．05％。但不透水地面在不同空间区位变化特征不同。不透水地面比率最高的是拱墅区、下城区和上城区这三个老城区，10年间上城区的不透水地面比率变化不大，下城区和拱墅区受益于杭州市中心商业和居住用地需求提高，不透水地面比率升高幅度较大。江干区受益于城市东扩的发展战略，不透水地面比率从2000年20．58％上升到2010年的53．76％；滨江区由于在这10年间交通条件的改善和杭州市跨江沿江发展的需要，不透水地面比率在2005年至20t0年期间年均增加年均增加3．45％，速度居8个市辖区首位。西湖区境内分布大量山体和水体，以及杭州市发展旅游业的限制，不透水地面比率较低，不透水地面主要分布在北面，但随着西湖区南面交通条件的改善，西湖区南面的不透水地面增加速度较快。余杭区和萧山区随着行政区划的调整，以及杭州跨江发展和用地调整，不透水地面面积增加较多，但不透水地面比率依然不高。(2)分析2000年至2010年以来不透水地面表征的杭州市城市扩展过程，发现 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析杭州市的城市扩展表现为三种模式：市中心周围的城市蔓延式扩展、跨区发展的扩展和交通设施推动的城市扩展，空间上表现为杭州城市发展从西湖时代转向钱江时代，实现了总体规划中“跨江沿江”的发展战略。城市蔓延式的城市扩展集中在上城区、下城区、拱墅区和江干区的西部，由于杭州市社会经济发展的快速发展提高了对市中心商业居住用地需求，而这些地区可开发的建设用地较少，因此在用地结构调整的同时城市用地逐步向周边蔓延。跨区发展式的城市扩展为了满足杭州市用地调整，杭州市的工业区、高教园区分布在杭州市的远郊区：萧山经济技术开发区、杭州经济技术开发区的建设带动了萧山区和江干区远郊区的开发建设。交通带动的城市扩展主要指'-3地交通条件的改善，带动了当地的发展。典型区域是西湖区的南部地区和萧山区钱塘江沿岸的北部地区。‘(3)杭州市的自然条件对杭州市的城市发展既有限制作用，也有推动作用，但从2000年至2010年自然条件对杭州市的限制作用逐渐减小而推动作用越来越明显。杭州周边中低山-丘陵为杭州提供了天然的生态屏障，但也限制了杭州市的城市发展；钱塘江限制了杭州市在钱塘江南岸的发展，杭州市2000年以前的建成区主要集中在钱塘江北岸和西湖周边。但2000年以后随着交通条件的改善以及杭州市“东扩、跨江沿江”的发展战略，杭州市在钱塘江南岸和城市东部快速扩展。杭州市适宜的自然环境条件提供了良好的生活环境，吸引外地人来杭州定居。杭州丰富的旅游资源推动了杭州市第三产业的发展，推动着城市的扩展。(4)本文选取了11个与城市发展密切相关的社会经济指标：市区全社会固定资产投资总额、城镇居民家庭平均每人全年生活费支出、固定资产投资房屋建筑施工面积、固定资产投资房屋建筑竣工面积、房地产开发投资、国内生产总值、第一产业国内生产总值、第二产业国内生产总值、第三产业国内生产总值、总人口数和非农业人口数。通过多元逐步回归分析显示，国内生产总值和非农业人口与城市不透水地面的增加关系最密切。说明经济发展、非农业人口增长对杭州市的城市扩展起到主要推动作用。(5)杭州的城市文化对城市发展的影响体现在两方面：一方面是以浙商精神为代表的进取精神，推动了经济发展；另一方面，杭州城市文化中的平民性和草根性，接纳和吸引大量外地人在杭州定居生活。以浙商文化为内涵的城市文化推动了浙江省的经济发展，而作为浙江省的经济中心，受益于浙江省经济的高速发展，59 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析杭州市的整体经济也迅速发展，推动着城市的发展。受南宋故都世俗文化的影响，杭州的地域文化对外来人口并不排斥，而且杭州市民更愿意关注身边小事，关注周围人生活和情感的性格特点，构建了能吸引外地人来杭州的工作生活的生活氛围。(6)政府调控对城市扩展的影响分为政策调控和规划布局两方面。影响杭州城市发展的政策调控主要包括行政区划调整、房地产制度改革和基于产业政策的产业空问优化调整。行政区划的调整为杭州的城市发展提供了更大发展空问，促进了城市扩展。萧山区和余杭区划入杭州市区以后，两个区的不透水地面比率增加速度加快。发达的房地产市场一方面加快了旧城改造和更新，提高了旧城的容积率，使其成为具有更高土地附加值的商业金融办公用地；同时带动居住郊区化发展，表现为郊区住宅开发，农居点城市化改造和外来人口向农居点集中。基于杭州的产业调整政策，城市中心土地逐步完成向郊区置换，工业企业和高等教育不断入驻市郊的开发区和大学园区，企业和高校的集聚推动了推动了科教园区和开发区等的投资和建设。5．2主要创新点本文的创新点如下：(1)从不透水地面的角度分析城市规划的得失不透水地面能同时表征城市发展的社会和生态过程，从城市的社会经济发展和生态学过程相结合的角度来分析评价规划方案的实施情况，避免了过去单独从单方面分析规划方案实施，体现城市规划经济发展和环境保护并重的原则。同时使不透水地面得到源头控制和系统解决，体现城市规划经济发展和环境保护并重的原则。(2)多维度的的系统分析方法从不同空间尺度、不同学科角度对城市扩展变化和驱动因子进行深入研究，通过完整的理论研究体系，定量和定性分析相结合揭示城市空间扩展及其驱动机制，拓展城市生态环境研究的理论和方法，从而减少人类活动对城市生态环境的负面影响，为城市与区域的可持续发展提供理论支持。(3)拓展了城市生态研究 浙江大学硕士学位论文基于Landsat遥感数据的杭州不透水地面提取与分析从霍华德的“田园城市”、沙里宁的“有机疏散”到赖特的“广亩城市”，传统的城市生态研究主要集中城市生活与外部自然的关系，而没有从整个生态系统和城市发展内部的角度来考虑城市生态问题。从不透水地面出发分析城市发展，既关注城市发展内部生态环境的变化及影响，也关注城市发展与外部自然环境之间的相互影响。5．3研究不足和展望本研究是对杭州市2000年至2010年不透水地面信息进行提取，并分析其变化过程，同时从多角度出发揭示其驱动机制，但还有许多需要进一步深入研究分析的问题。1、时间跨度本文只选取了2000年至2010年作为研究时段，城市不透水地面变化是一个长期的过程，并且每个时段的变化特征各异，受各种因素影响也有所不同。如果能从更长久的时间维度来分析杭州市不透水地面的变化，能够更加系统的揭示杭州市不透水地面的变化及其驱动力机制。2、尺度问题遥感影像能从大范围的角度分析城市不透水地面的变化，本文从杭州市域和市辖区、典型区域三个个空间尺度对城市不透水地面进行分析研究。但更多尺度的研究能够更加细致准确地分析不透水地面的变化，揭示其变化机制。3、不透水地面的变化预测城市不透水地面变化反映了城市人地关系，是人地相互作用的结果。建立城市土地利用演变的预测模型，考虑各个社会经济因素对土地利用变化的影响，准确的模拟和预测土地利用变化能有助于城市未来的发展规划，为降低人类活动对生态环境的影响提供科学的建议。 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