基于用户兴趣点数据与Landsat遥感影像的城市热场空间格局研究

地图用户兴趣点(POI)数据能够反映微观尺度上城市系统中的人类活动。利用2015年夏季Landsat 8遥感影像提取了南京市地表温度和主要土地覆盖类型,利用空间与非空间多元回归模型在2、5、10 km 3个尺度上研究了地表温度与同期POI密度及植被和水体盖度的相关性,并利用方差分解技术定量区分人类活动因子(POI密度)及生态基础设施(植被和水体盖度)对城市热场的相对重要性。结果表明,在3个观测尺度上,POI密度与地表温度均存在极显著的正相关(P0.001),且相关性随观测尺度的增大而升高。植被和水体均具有显著的降温效应,水体盖度与地表温度的相关性仅在2 km尺度上显著,在5 km和10km尺度上其降温效应不再显著。方差分解结果表明,人类活动因子和生态基础设施对地表温度的独立解释率为1.6%—15%,而二者共同解释率达到了40%—70%。研究表明POI作为城市功能节点可以综合反映城市中人类活动的热源强度,在城市热场空间格局研究中是一种可与遥感数据互补的有用数据源。     

基于多源数据的福州市中心城区人居环境质量评价

城市内部居住环境的客观性评价有助于发现城市发展中暴露出的问题,有针对性地进行调整进而改善城市环境。以福州市中心城区为研究区,居住区为研究单元,利用气象监测数据、遥感影像数据、地图兴趣点数据、国土规划数据等多源数据,从环境健康舒适性、交通便捷性、城市安全性和生活方便性4方面构建城市人居环境监测体系,并使用优劣解距离法进行人居环境质量综合评价。结果表明: 福州市中心城区人居环境水平差异性较大,整体上呈现出中心区域高、边缘地区低的特点。城区中部人居环境指数较高,东部和南部区域较低,西部和北部区域人居环境高值与低值混杂分布。各指标层中,交通便捷性和生活方便性的高-高集聚以及低-低集聚特征与人居环境高低值聚类分布较为一致,便捷的交通以及完备的服务设施对人居环境评价的影响较大;环境健康舒适性呈现城市内部低、边缘高的特点,而城市安全性呈现内部高、边缘低的特点。     

基于Barista软件的高分辨率遥感影像中建筑物3D信息的提取

城市建筑物空间信息的获取对城市规划、环境保护等社会各行业越来越重要,高分辨率商业卫星的出现为提取建筑物3D信息提供了可能性.本文基于Barista软件,利用QuickBird数据提取了建筑物的3D信息并进行了精度验证.结果表明：基于Barista软件从高分辨率卫星影像中提取建筑物3D信息,具有专业水平要求低、普适性强、操作简单、精度高等优点;当数字高程模型（DEM）和传感器定位模型精度较高、影像偏天底角较理想时,3D信息提取的水平定位精度和高度测量精度可达到1个像素水平.     

真光层深度的遥感反演及其在富营养化评价中的应用

真光层深度直接影响水体中浮游植物的分布和初级生产力以及水体生态环境,是水生态研究的一个重要参数.利用2006年10月24日～11月2日太湖水下实测光谱数据和光合有效辐射(PAR)数据,通过数据的处理和分析,尝试建立真光层深度与水面以下遥感反射率的关系模型,并利用真光层深度与透明度的关系,建立水体富营养化真光层深度评价模型.研究结果表明:真光层深度与归一化遥感反射率具有很好的相关性;选用特定波段的归一化反射率作为变量,建立两者的关系模型能较好的反演真光层深度,所建立的模型算法中,指数模型拟合方程的综合效果好于其他模型,波段比值算法反演精度要好于单波段算法;利用利用真光层深度进行富营养化评价具有一定的应用价值,利用该模型对太湖水体进行富营养化评价,得出太湖西部湖区大部分已富营养化,东部湖区处于中营养化和轻度富营养化状态.     

基于QUEST决策树兼容多源数据的淡水沼泽湿地信息提取

以三江平原东北部为例,探讨了中国典型淡水沼泽湿地信息的提取方法.利用TM卫星影像数据,基于半方差分析和z检验方法对比研究区典型地物不同尺度的各种纹理特征,从而遴选最优的窗口大小、纹理特征及其派生波段以提高地物之间的可分性.采用快速、无偏、高效统计树(quick,unbiased,and efficient statistical tree,QUEST)算法集成遥感影像的光谱特征、多尺度纹理特征和地学辅助数据建立研究区湿地信息提取的决策树模型.基于实测的GPS样本点采用混淆矩阵的方法对分类结果进行精度验证,并与传统的最大似然监督分类方法(maximum likelihood classification,MLC)进行对比.结果表明,基于QUEST的决策树分类结果的总精度和Kappa系数分别为84.58%和0.816,分类精度较MLC监督分类方法有明显提高,是内陆淡水沼泽湿地信息提取的有效手段.     

不同利用状况下草原遥感估产模型

在内蒙古自治区的温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠和温性荒漠5种具有代表性的草地类型区地面观测数据的基础上,考虑草地的利用状况信息,分类建立了产草量与4种植被指数(由MODIS数据计算得到)的回归估产模型,将利用状况这一定性变量作为虚拟变量与遥感估算模型相结合,找出了3种利用状况下的鲜草产量最优混合估算模型和估算指数。结果表明:(1)EVI是反映产草量变化的最好指标,分类构建的模型平均测产精度达到了80%;(2)将利用状况作为虚拟变量考虑之后建立的混合测算模型精度达到了79%,明显高于利用状况未知时构建的混合模型的精度,比分类建模应用更简洁方便。     

基于多源遥感数据的生态保护修复项目区监测方法评述

回顾了山水林田湖草生态保护修复项目的实施背景,针对生态保护修复项目监测监管范围广、技术难等问题,强调了基于多源遥感数据开展项目遥感监测的重要性与必要性。从监测指标拟定、遥感地物信息提取、多源遥感数据融合、动态变化检测等方面评述了基于多源遥感数据的生态保护修复项目区监测方法,包括基于中高空间分辨率遥感数据的地物信息提取、融合机器学习的非线性混合像元分析、基于混合像元分析的时空融合等。在总结技术和工作推进方面的优势、局限基础上,提出要结合实际工作,持续优化国土空间生态保护修复监测指标;充分挖掘遥感数据解析的相关算法潜力,提升地物信息提取和混合像元分析的精度;加强时空融合算法与变化检测方法的研究探索,加强相关方法的实践应用;以“山水林田湖草生态保护修复工程试点”项目为平台,建立稳定的国土空间生态保护修复遥感监测运行机制,加强科技创新,形成技术标准,指导工作开展。     

基于湿地植物光谱的水体总氮估测

利用再生水补充城市湿地是目前湿地恢复与重建的主要方向,然而再水中高浓度的氮、磷含量极易导致水体富营养化。遥感技术已成为富营养化监测的重要手段,但对于植被覆盖水域的富营养化直接探测存在一定的局限性。以北京市典型再生水补水湿地奥林匹克公园南园湿地为研究区,利用湿地植物光谱进行水体富营养化主控因子总氮的遥感探测。测定芦苇(Phragmites australis)和香蒲(Typha angustifolia)的叶片光谱及水体总氮含量,在对数据进行预处理的基础上建立二者的关系模型,包括单变量模型(比值光谱指数(SR)模型和归一化差值光谱指数(ND)模型),与多变量模型(逐步多元线性回归(SMLR)模型和偏最小二乘回归(PLSR)模型),并利用交叉验证决定系数(R2cv)和均方根误差(RMSEcv)进行模型精度检验。结果表明,不同回归模型相比,多变量回归模型精度较高;多变量回归模型中,PLSR模型精度较高,R2cv可达0.72,RMSEcv仅为0.24,是建立湿地植物光谱与水体总氮含量关系的最优模型。不同湿地植物类型相比,利用芦苇反射光谱建立的各种预测模型的精度都高于香蒲。其他环境因子(总磷)也是影响TN含量与湿地植物反射光谱关系的重要因素。研究成果可以弥补现有水体富营养化遥感探测的不足,并为再生水利用的城市湿地水质监测与管理提供有力的科学依据。     

自然植被物候遥感提取精度评估

利用遥感开展植被物候的研究涉及到物候提取方法这一基本问题,但当前不同方法的优劣尚无定论,亟待开展不同方法的综合评价。本研究利用2009年的叶面积指数数据,基于18种植被物候遥感提取组合,联立23个地面站点的物候观测数据,利用偏差等5个定量指标综合评价不同遥感提取组合对植被生长季开始时期(SOS)、结束时期(EOS)和长度(LOS)的提取精度。结果表明:基于SG-Sa 0.1(SG滤波法+阈值为0.1的季节性振幅法)组合能够较好地提取地面23个站点的总体植被物候;针对单个物候期,SOS、EOS和LOS的最优方法分别为SG-Sa 0.1、SG-Sa 0.3和DL-Sa 0.1,但提取结果与地面观测物候日期的最小偏差均超过5 d,显示了利用时间分辨率为8 d的遥感数据提取植被物候可以达到的精度水平; SOS、EOS和LOS各自最优与对应的最差方法提取的物候期差值分别可达到-51.55、19.06和86.33 d,说明选取适宜遥感提取方法的重要性。此外,遥感提取物候和地面观测物候不能完全匹配,采用多重评价方法,特别是偏差一致性方法可以有效选取出最优的遥感提取组合。     

基于遥感的建筑物高度快速提取研究综述

近年来我国城市化进程不断推进,不仅体现在城市面积上的增长,也体现在建筑物高度的增长。高度增长一方面能尽量克服城市土地资源匮乏的瓶颈,另一方面为优化城市结构及城市功能做出贡献。在城市遥感研究领域,对于城市建筑物高度的提取也成为研究的重点。城市建筑物高度的估计与测量,已成为城市规划和扩张、城市灾害风险预警与评估的重要参数,同时也为数字城市三维模型的建立提供了基础测绘资料。分别基于光学遥感影像、高分辨率SAR(Synthetic Aperture Radar)影像以及光学遥感影像与高分辨率SAR影像的融合三方面,全面阐述城市建筑物高度的提取方法,并比较两类影像在提取建筑物高度的优劣势,通过回顾早年研究方法,逐步引入近年来新的发展趋势。     

基于LSMM和改进的FCM提取城市植被覆盖度——以北京市海淀区为例

植被是城市生态系统的重要组成部分,及时获取植被覆盖信息对城市生态环境监测具有重要意义。利用中分辨率Landsat TM遥感数据,采用线性光谱分解模型(LSMM)开展城市植被覆盖度提取;同时,通过改进训练样本选择方式,在最小噪声变换(MNF)、像元纯净指数分析(PPI)、N维可视化分析基础上得到端元样本,再运用模糊C-均值(FCM)获取植被覆盖度;最后以高分辨率SPOT5遥感数据对两种方式的提取结果进行精度检验。结果显示,基于LSMM和改进的FCM提取的城市植被覆盖度与检验数据相关系数分别为0.8252和0.9381,后者可以较好地处理其他要素的非线性影响,因而具有较高精度。     

Does size really matter? Species–area relationships in human settlements

Aim To describe species–area relationships in human settlements and compare them with those from a non‐urban habitat. Location West‐central Mexico. Methods We surveyed breeding birds in 13 human settlements and five shrubland patches. We estimated bird species richness using an abundance‐based coverage estimator with equal sample sizes to eliminate biases related to sampling effort differences. To assess species–area relationships, we performed log–log linear regressions between the size of the studied patches and their estimated bird richness. We also used a logarithmic approach to determine how the species–area relationship asymptoted and made use of the Michaelis–Menten model to identify the size at which the studied patches reached their maximum species richness. We also investigated (1) possible relationships among the estimated bird richness and other variables known to affect urban‐dwelling birds (built cover, plant species richness, tree cover or human population density) and (2) changes in bird community composition related to the size of the studied human settlements. Results Species–area relationships exhibited different patterns among the studied habitats. The log–log regression slope was steeper in human settlements, while the intercept was higher in shrublands. The maximum number of species was more than twofold higher in shrublands. Human settlement patch size was the only variable significantly related to bird richness. Our community composition results show that two main bird groups are related to human settlement size, and that as the size of human settlements increases, bird community similarity in relation to the largest city increases. Main conclusions Human settlements act as ecological islands, with pronounced species–area relationships. Our results suggest that an important threshold for bird species richness and community composition is reached in human settlements > 10.2 km². This threshold is unlikely to be generalizable among bio‐regions, and thus should be quantified and considered when studying, managing and/or planning urban systems.     

基于景观生态学的城市人居环境代谢研究范式与研究框架建构

人居环境建设已经成为中国城市发展和当代生态学研究的新兴命题,基于物质代谢研究成果,系统剖析城市人居环境问题,提升城市化过程的生态文明水准成为推动新型城市化发展的重要路径选择。通过对人居环境视角和社会代谢视角的城市研究进行简要回顾,认为两种视角的有机整合可以弥补各自的理论和方法论缺陷,进而凝练出新的城市生态学研究思路。利用景观生态学理论和概念体系,建构了多层次、多维度的城市人居环境代谢研究范式和基本研究框架。这一范式可以从多尺度和多维度反映城市人居环境代谢的过程特征,厘清城市人为活动和各种资源环境问题的关联关系,整合多学科的知识和技术手段,解析城市人居环境的时空动态演化过程及其驱动机制,为城市人居环境研究学科的发展创造有利条件。通过建构基于景观生态学的城市人居环境物质能量代谢研究框架,还可以有效推进城市人居环境物质能量代谢中的格局-过程-尺度耦合问题,数据采集、储存与分析问题和效应调控与过程管理问题的研究,对于完善城市代谢研究方法,促进城市人居环境建设具有重要的参考和借鉴意义。     

基于GIS的秦岭山区聚落用地适宜性评价

利用自然地理、生态和社会经济方面共14个因子构建秦岭山区聚落建设用地适宜性评价指标体系,采用AHP法确定各评价因子的权重,在地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术支持下,利用适宜性评价模型定量评价聚落建设用地适宜性,将聚落建设用地适宜性分为五个等级,并结合已建设区进行空缺分析。结果表明:(1)秦岭山区最适宜聚落用地面积为3378.1 km2,占研究区总面积的5.87%,说明秦岭山区适宜聚落开发的土地相对较少。(2)最适宜聚落用地集中在秦岭北、南坡山麓和东部的山间河谷地带,山地型特征明显。(3)有9.15%已建成区分布在限制建设区内,存在生态安全风险。(4)可用适宜聚落建设用地为3192.27 km2,空间分布不平衡。研究结果可为该区域城镇体系布局与用地规模的核算提供科学依据。     

海岛型城市人居环境质量评价——基于厦门市和平潭综合实验区的对比

21世纪是海洋世纪,海岛地位日益凸显,人居环境是海岛型城市发展质量的重要表征,然而目前学术界针对海岛城市人居环境质量评价的成果还较为鲜见。基于人居环境理论,构建了海岛型城市人居环境质量评价体系,选取厦门市和平潭综合实验区两个处于不同发展阶段的典型海岛型城市作为研究对象,综合评价了两个城市人居环境质量及动态变化。结果显示:(1)厦门和平潭人居环境质量均处于稳定提升状态,厦门人居环境宜居度更高,二者差距呈增大趋势;(2)城市人居环境系统与城市经济子系统二者存在相互协调、制衡的关系,不同发展阶段的协调度呈现一定的差异;(3)海岛城市人居环境质量受到自然、人类、社会、居住和支撑系统等5个子系统的综合影响,且各个子系统在不同发展阶段对人居环境的贡献率有所不同,发展初期的平潭人居环境自然子系统呈负向发展,人类子系统变化不大,社会、居住和支撑子系统得分贡献有所增加;而发展相对成熟的厦门人居环境自然子系统稳定性高,人类子系统虽呈上升趋势但变化幅度较小,社会子系统、居住子系统以及支撑子系统总体状况较好。研究可为厦门市和平潭综合实验区及国内同类海岛城市人居环境优化调控提供借鉴,同时丰富人居环境评估的实证案例与相关理论。     

豫东平原聚落景观格局变化

中国的快速城镇化必然导致聚落景观格局的变化,但目前相关研究对平原地区关注相对较少。文中选取豫东平原地区的开封、商丘、周口市,运用GIS空间分析方法和ENVI遥感影像处理技术,对该地区1972、2015年市域中观尺度上的聚落规模、聚落景观空间变化特征进行分析。结果显示:(1)在聚落发展过程中,1972—2015年聚落斑块数量有所减少,聚落规模逐渐扩张,市域内最大聚落斑块扩张相对更为明显;对聚落斑块扩张强度的分析发现,城市市辖区及周边乡镇聚落扩张强度相对较高。(2)地区内聚落斑块空间分布表现出聚集分布特征,但该时期聚集程度有所减弱;两个年份聚落核密度分布格局大致相似,局部地区存在多核扩散现象,市域尺度上的核密度分布存在地区差异。(3)对斑块形状指数的分析发现,研究区狭长或曲折聚落斑块在空间上分散布局,整体上区域内聚落形状趋于规则。(4)随着距河流、道路距离的增加,聚落斑块总面积和数量有所减少,且道路对聚落分布仅在一定范围内存在较大影响,距中心城市0—6km范围内聚落受中心城区发展辐射影响较大。本文的分析可为平原地区聚落景观的优化布局和聚落用地的集约化发展提供一定的参考。     

近20年城市遥感研究现状及其发展趋势

随着城市化进程的不断加速,城市遥感研究已成为地理学、生态学、城市规划学等学科领域主要发展方向之一。城市化使人口与经济增长的同时,也使得城市原有的生态环境状况发生改变,从而引起了一系列城市生态环境问题。城市遥感是一门多学科交叉研究领域,近年来已经取得了一系列显著的研究成果。对近年来城市遥感研究涉及的城市地表温度、边界扩张、不透水表面、景观格局以及生态安全5个方面的理论、研究方法、应用动态以及发展方向进行了较为详细的总结与探讨。主要得出如下结论：（1）数据源从单个遥感数据研究走向多源遥感数据融合发展,多源遥感数据尤其是结合高分辨率数据越来越多的被应用到城市研究的各个领域中;（2）城市遥感的研究目标不断扩展、深化和聚焦;（3）城市遥感研究已开始从二维空间向三维空间拓展;（4）城市遥感涉及的研究对象之间相互作用,相互影响在深入解读城市遥感研究理论意义和潜在挑战的基础上,结合最新研究对本文所涉及的主题进行了补充和完善,为城市典型生态环境问题的解决提供新的思路;今后应按照城市形态与构成、城市关键要素、生态环境响应、生态环境评价以及城市扩展与环境预测的体系结构进行综合分析。     

景观生态学原理在城市土地利用分类中的应用

根据城市相同土地利用类型具有相似景观格局特征的原理,探讨了融合景观格局特征指数和遥感技术的城市土地利用信息提取的新方法。以北京市五环内建城区为例,研究表明,在斑块类型水平和景观水平上,居住用地和非居住用地内景观斑块的大小、形状、边缘特征、空间连接度、核心区面积特征、多样性、均匀性等特征都有极显著的差异。进一步融合TM遥感影像和这些景观格局特征指数,提取了居民用地和非居民用地类型,总分类精度是79.7%,Kappa系数达到59.8%。研究揭示,景观生态学原理的引入,为传统的遥感技术应用提供了新的思路,在格局复杂的城市土地利用信息提取中有很大的应用发展潜力。     

Automated GIS-based derivation of urban ecological indicators using hyperspectral remote sensing and height information

Urban ecological indicators allow the objective and quantitative characterisation of ecological conditions in a spatially continuous way by evaluating the influence of urban surface types with respect to ecological functions and ecosystem services. Although the concept had already been developed in the 1980s, the variety of existing indicators had not been widely applied yet in urban planning practice, because of the high manual mapping effort that is required for spatially differentiated urban surface mapping. This paper presents a new automated remote sensing and GIS-based system for the flexible and user-defined derivation of urban ecological indicators. The system is based on automated surface material mapping using airborne hyperspectral image data and height information. Because the material classes obtained from remote sensing analysis differ in part from the surface types needed for the calculation of urban ecological indicators, they have been transformed into so-called linking categories representing the basis for the automated GIS-based derivation of urban ecological indicators. For this purpose, a computer-based system for flexible indicator derivation has been developed, allowing the user-defined integration of indicators based on the variable determination of mapping units, linking categories and respective weighting factors. Based on a comprehensive review of existing ecological indicators, 14 indicators have been selected and implemented in the system. To demonstrate the potential of the new system, a variety of indicators has been derived for two test sites situated in the German cities of Dresden and Potsdam, using city blocks defined by the municipal authorities as spatial mapping units. The initial mapping of surface materials was automatically performed on the basis of airborne hyperspectral image data acquired by the HyMAP system. The results of subsequent GIS-based indicator calculation were validated using results from field-based reference mapping that had been carried out for selected city blocks situated in both cities. An accuracy assessment for these reference city blocks has revealed mean errors of approximately 4%, confirming the suitability of the developed automated GIS-based system for flexible and efficient indicator calculation.