罗马尼亚克鲁吉-纳波卡市不透水面的时空分析外文翻译资料

 2022-12-22 05:12

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罗马尼亚克鲁吉-纳波卡市不透水面的时空分析

Kinga IVAN

摘要：不透水面积的显著增加与城市土地覆被的扩大和人口的增长有关。在本研究中，我打算回顾28年(1986-2014年)的城市土地覆被增长，特别是不透水面的程度。利用LANDSAT卫星图像和最大似然监督分类方法对基准期的不透水面进行了分析。结果显示，不透水面从1986年的33%扩大到2014年的40%，人口增长率从1986年的3%增至2014年的3%。在研究期间，不透水面在城市的南部和东部显著蔓延，在北部则较温和。

关键词：不透水面；陆地卫星；人口；时空分析；克鲁吉-纳波卡市。

1 简介

城市地区(公园、游憩用地、花园)的透水表面与不透水表面(建筑物、街道、停车场)交替。近几年来，由于人口增长和城市土地覆被的扩大，不透水面已经有了很大的扩展。这种不渗透表面积的增加主要是由于城市化进程造成的。根据国家统计研究所(NIS，2015)的数据，1970年后罗马尼亚的城市化趋势明显，当时农村人口有所减少，而城市人口则呈现增长趋势，从1930年的21%增加到2014年的56%。城市人口增长是一种全球现象，根据世界卫生组织(世卫组织，2015年)的数据，2014年城市人口占全球总人口的54%，高于1960年的34%，而且还在继续增长。城市化和工业化进程导致了多年来土地覆盖和土地利用的变化。为了探测城市地区的土地覆盖变化，我求助于遥感。遥感使我们能够迅速获得关于城市结构和范围以及多年来发生的变化的信息。研究表明，遥感数据对于估计不渗透城市表面的数量是有用的。在许多广泛使用的不透水表面提取方法中，本文采用最大似然分类器。该方法为Hodgson(2003年)，Pareceamp;Campbell(2013)，徐(2007)，翁(2001)等人用于在城市地区提取不透水表面。在本研究中，我们采用该方法检测1986年至2014年土地覆发生的变化。为此，选定了克鲁吉-纳波卡市，这是一个位于东南欧、罗马尼亚西北部(北纬46°46lsquo;和东经23°36rsquo;)的城市，位于特兰西瓦尼亚市中心。平均海拔360米(图1)。它是罗马尼亚重要的经济中心，特兰西瓦尼亚最重要的城市中心，也是克鲁吉郡的所在地。

克鲁吉-纳波卡市在过去20年中经历了重大的经济和社会发展，成为罗马尼亚最重要的城市之一。自然，经济发展伴随着交通网络的不断改善，现有的5420个路段(尼克和海都，2014年)经常经过修复和防水处理。在1986~2014年间，我们使用了遥感卫星数据和最大似然的监督分类方法来评估集群-纳波卡地区不透水面的时空演变。

图1研究区的位置

2 数据源

利用遥感技术对克鲁吉-纳波卡市区土地覆被变化进行了研究。有几个遥感数据源可用于提取不透水表面，包括一组低分辨率、中等分辨率或高分辨率的数据。中空间分辨率图像由陆地卫星提供。较高的空间分辨率卫星图像可以提供更准确的结果，尽管这些必须购买。因此，为了进行这项研究，我们依靠陆地卫星图像，因为该方案拥有丰富的数据档案，可以免费访问。研究中使用的四个不同年份的卫星图像是从免费的USGS数据库(USGS，2014年)获取的，目的是检测随着时间的推移发生的土地覆盖变化。

因此，为了监测1986-2014年期间所研究的城市面积扩展的变化，从春夏季节选取了四个大地卫星云雾无雾(表1)场景。这组图像是从陆地卫星5号、陆地卫星7号和陆地卫星8号图像中选出的。(185号路径/第27行)

表 1 卫星数据信息

Date of image capture

Types of sensor

08 august 1986

TM

21 april1993

TM

28 august 2002

ETM

14 march 2014

OLI_TIRS

在估计和监测1986-2014年期间土地覆盖变化时，每个参考年份获取的Landsat图像至关重要。采集的所有图像均通过一系列预处理操作（1级数据集）进行几何校正、辐射定标和大气校正。在本研究中，我们使用了6个光谱带，带1-5和7用于Landsat5和Landsat7图像，带2-7用于Landsat8图像，所有均具有30m的空间分辨率。该场景比我们感兴趣的区域大，因此在我们的研究中，我们只研究其面积里的251km2区域，相当于CLUJ-PONCA市（图1、2)并验证我们在2002年和2014年期间从GoogleEarth的存档中使用的图像。

图 1 Landsat ETM(2002年)卫星图像

3 原理方法

对于从遥感数据中提取不透水表面，可以使用几种分类方法：监督分类、无监督分类或逻辑分类。使用其中之一的方法是为了取得接近实际的结果，准确的分类是必须确保精确的变化检测结果的整个城市表面。在本研究中，为了我们采用了受监督分类方法的不可渗透的表面。

在监督分类的背景下，必须了解土地覆盖类型，以便对其进行分类。研究区域的土地覆盖类型的识别是基于高分辨率卫星图像、航拍照片和个人经验。在确定土地覆盖类型之后，下一步是选择用于提取主题信息的目标土地覆盖类别(代表性样本)。选择了4个土地覆盖类别：森林、草本植被、土壤和不可渗透的表面。在分类过程中，对水体进行掩蔽，并不包括在样本类别中，因为它们的光谱特征与黑暗和有阴影的不透水表面（邓，风机）的光谱特征相似。

本文选择了4个样地覆盖等级，以获得较高的精度，在两个样本类别，防渗和透水表面得到的结果。通过为最具代表性的森林、草本植被、土壤和不透水面所覆盖的区域创建多边形，非常仔细地选择了目标土地覆盖类别。在不透水表面上，创建的多边形对应于道路网络、建筑物和居民区。

在选择了最具代表性的土地覆盖类别样本后，下一步是选择最合适的分类方法，以便最准确地提取不透水城市表面。在本研究中，我们使用最大似然分类方法提取了四个参考年的克鲁吉-纳波卡市的不透水表面。

分类算法已应用于多年来城市地区不透水面的提取研究中。这一简单的方法是以先前选定的土地覆盖等级样本为基础的，其使用为所有四个参考年提供了可靠和准确的结果。利用ENVI 5.1软件实现了图像的分类。在运行分类算法后，生成了一个与选定的土地覆被类别相对应的专题地图。然后将森林、草本植被和土壤的土地覆盖等级划分为透水面类，形成了一幅仅由透水面和不透水面两类组成的专题图。

根据所获得的专题地图，确定了该市不透水面的百分比差异如下(Ahn，2007年；Ray，Ducklesamp;Pijanowski，2010年)：

(1)

式（1）中：I1表示从下一年开始的不透水表面,I0表示前一年的不透水表面。

4 结果和讨论

对克鲁吉-纳波卡市城市的土地覆盖变化进行4个参考年的时空分析。结果表明，经过多年的不透水面，覆盖区的覆盖率有所增长。

可以在图3中看出，不透水表面在城市的南部和东部有显著的扩展，在城市的北部也有较适度的扩展。不透水面面积从1986年的33%扩大到2014年的40%。城市流域不透水面的增加直接影响着水面上水流的体积和速度。植被缺乏和径流快，通过入渗和蒸散减少了水分损失，导致水质退化。

图3 1986-2014年期间克鲁吉-纳波卡市增加的不透水表面

在计算克鲁吉-纳波卡市不透水面的百分比时，结果表明，1986-1993年间增加了6%，1993-2002年增加了5%，2002-2014年增加了8%，1986至2014年间整个研究期间增加了21%。城市内不透水面的时空增加主要是由于人口的多变性所致。克拉伊-纳波卡不透水表面的扩张与这一时期的人口增长特征有关。

图4 1985-2014年期间克鲁吉-纳波卡市人口变化情况(数据来源：NIS，2015年)

根据国家统计局提供的统计数据(国家统计局，2015年)，集群-国家适应行动方案人口在1986-2000年期间增长率为3%，2005年至2014年期间增长率为2%，2000-2005年期间下降了约-2%(图4)。这一下降是由于负出生率和向其他国家大规模移徙造成的。

图5 1930年至2014年期间克鲁吉州人口变化情况(数据来源：NIS，2015年)

克鲁吉-纳波卡的人口增长导致了城市的扩张，也导致了建筑表面的扩展。在克鲁吉县，1970年以后城市化趋势明显，农村人口从1970年的340，554人下降到2014年的239，250人，而根据国家统计局的数据，城市人口呈现增长趋势，从1930年的147986人增加到2014年的479383人(图5)。人口增长导致了建筑表面积的扩大，这也意味着不透水面的扩大、水质退化、径流水量的增加和城市洪水风险的增加。

5 结果验证

在本研究中，只对两类目标土地覆盖进行了验证：透水面(通过将土壤、植被和森林的类别组合而来)和不透水面，这是监督分类方法的结果。与这两个类别相对应的实地数据是利用谷歌地球档案中的图像确定的(Google Earth，2014年)。在验证过程中，我们使用了ArcGIS软件和MicrosoftExcel。在ArcGIS中创建随机点，总共290个点，每个点从GoogleEarth图像中提取相应的现场数据。验证过程包括比较专题地图为每个点提供的信息与相应的实地数据之间的关系。因此，2014年和2002年分别使用谷歌地球图像对专题地图上的实地数据及其对应点进行了验证。

图62002年和2014年该市南部防渗区的增加情况

验证结果表明，分类准确率高，分类图像与现场实际相符，2014年总体准确率为90.34%，2002年为93.22%。为了全面了解研究结果和实地的实际情况，我们根据四个参考年获得的专题地图，在目前的城市边界内建立了一个覆盖层。第一层对应于2014年，在地图上以蓝色突出显示，第二层对应于2002年，并在地图上以橙色突出显示。图6突出说明了城市南部不透水表面的扩张与谷歌地球档案馆卫星图像所证明的扩张相对应。

6 结论

遥感最大似然分类方法使我们能够获得1986、1993、2002和2014年研究区土地覆被类型的信息。这些信息构成了我们分析克鲁吉-纳波卡地表类型的时空演变的基础。研究结果显示，研究区域的不透水面覆盖率从1986年的33%增加到2014年的40%。克拉伊-纳波卡地区的不渗透地表覆盖率记录为6%(1986-1993年)、5%(1993-2002年)和8%(2002-2014年)，从1986年至2014年总体增长了21%。在城市的南部和东部，不透水表面的蔓延更为明显，而北部地区则不那么明显。这种不透水表面的扩张主要是由于城市人口的增长。1986至2000年期间，克鲁吉-纳波卡的人口增长率为3%，2000至2005年间下降了约-2%，2005-2014年期间的增长率为2%。1970年以后，克鲁吉县城市化趋势更加明显，农村人口呈下降趋势，城市人口呈持续增长趋势。为了减少不透水面积的范围，地方当局必须执行持久的解决办法，例如扩大道路和人行道附近的游憩用地、公园和绿地。

致谢

本论文是由欧洲社会基金共同资助的“2007-2013年人力资源开发部门业务方案”的一项博士研究成果，该项目由POSDRU/159/1.5/S/132400项目“年轻成功的研究人员-在国际和跨学科环境中的专业发展”共同资助。

参考文献

Ahn, G. (2007) The effect of urbanization on the hydrologic regime of the big Darby Creek Watershed, Ohio. PhD Thesis, The Ohio State University, Columbus.

Deng, Y., Fan, F. amp; Chen, R. (2012) Extraction and Analysis of Impervious Surfaces Based on a Spectral Un-M

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