遙感城市變化：碧空慧眼裡的處處風景

2020-09-15 中科院之聲

如果說山川河港是大自然的鬼斧神工，那麼一座座城市就是人類歷史中的不朽奇觀。雖然城市地表只佔地球的3%，但卻是世界上55%人口的家園。中國的城市人口在2025年預計達到9億，修繕道路、建設住宅、搬遷工廠等人類活動在高強度地改變著城市土地，並造成了熱島效應、城市內澇、空氣汙染等各種「城市病」。聯合國可持續發展的目標是：建設包容、安全、可持續城市和社區，這急需摸清城市土地的「家底」，科學度量城市景觀演變，從而科學地支撐城市土地資源合理開發利用，為城市居民和社會經濟活動提供優質便捷的城市環境。

遙感衛星是環繞著地球的「慧眼」，其從太空傳回的遙感影像就像是地球的自拍照，顯示了城市土地景觀覆蓋/利用的現狀（圖1）。通常用於觀測城市的遙感數據包括Landsat影像、Sentinel影像、Gaofen影像、WorldView影像等。其中，Landsat系列衛星在軌時間最久，是觀測長時間陸地變化的最佳選擇。

圖1 Google Earth影像中的城市

與普通的自拍照不同，Landsat影像具有豐富的光譜信息。遙感專家能通過分析光譜特徵、設置分類規則、構建分類器的順序將遙感影像數位化，獲得30米解析度的土地覆被/利用地圖。科學家通過這些地圖發現，近幾十年來中國經歷著快速的城市化過程，且在各地區呈現不同的擴張形態，但往往侵佔了耕地、森林、溼地等。這些發現為政府制定城市化政策和策略、引領城市可持續發展提供了重要的科學信息。

儘管如此，現在的30米土地覆被/利用地圖已經不能滿足高精度的城市土地變化觀測，一些小面積的土地變化往往被忽略了。此外，以往的土地覆被/利用地圖的製圖方法耗時久，不利於及時地獲取城市景觀信息。針對這些問題，中國科學院東北地理與農業生態研究所的科研人員基於GEE雲計算，提出了Landsat圖像銳化算法和MDR分類體系，成功探明了長春市2000至2019年長時間序列-逐年的15米解析度城市景觀演變（圖2），精度可達92%以上，為科學量化城市景觀變化、突變點及其生態影響提供了重要的數據支撐。

圖2 圖像銳化算法和逐年長春市土地覆被/利用地圖

研究表明：2000年至2019年，長春市景觀動態以建成區增加（34.0×103ha至47.5×103ha）、耕地減少（22.0×103ha至5.7×103ha）為主，城市綠地面積持續增加。2009年是土地動態的轉折點。2009年之後，建成區增速由每年2.24%減至每年1.30%、耕地流失的速度由每年9.19%減至每年5.29%、綠地增速由每年2.66%減至每年0.43%。20年來，儘管建成區不斷增加，但城市綠地佔建成區的比例維持在4%左右。GDP增長、人口流動、工業發展是長春市景觀變化的主要驅動因素。建成區比例增長、綠地比例增長與市區風速減緩顯著相關，導致了市區細顆粒物的增長。

經實驗，在MDR分類體系和銳化算法的支持下，研究人員能在短時間內以超過0.85±0.01的準確度繪製世界上主要大城市的土地覆被/利用（圖3）。這一結果表明，本研究的Landsat銳化算法和MDR分類器具有較強的可用性，是城市景觀研究的新契機。遙感科學、城市科學、生態和環境科學等領域的科研人員都能夠通過本研究方法以高時空解析度觀測城市「風景」。這項工作的研究結果肯定了新世紀以來長春市在花園城市建設中的努力，但提醒規劃工作人員應注意灰綠景觀的合理配置，以改善城市環境。

圖3 本研究方法繪製的主要城市土地被/利用地圖

該研究由任志彬副研究員、博士生董禹麟、博士生付堯等主要完成，何興元研究員為通訊作者，相關成果發表在Remote Sensing。該研究由中國科學院青年促進會會員項目（2020237）、國家自然科學基金項目（41701210）、吉林省科技發展項目（20190303067SF）等共同資助。

論文信息：Dong, Y.; Ren, Z.; Fu, Y.; Miao, Z.; Yang, R.; Sun, Y.; He, X*. Recording Urban Land Dynamic and Its Effects during 2000–2019 at 15-m Resolution by Cloud Computing with Landsat Series. Remote Sens. 2020, 12, 2451.

來源：中國科學院東北地理與農業生態研究所

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