基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數的方法探索
——以嘉興海綿城市示范區為例

張建英，付 帥，艾 波

(1. 嘉興市測繪與地理信息局，浙江 嘉興 314050； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

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基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數的方法探索
——以嘉興海綿城市示范區為例

張建英1，付 帥1，艾 波2

(1. 嘉興市測繪與地理信息局，浙江 嘉興 314050； 2. 山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

依據綜合雨量徑流系數計算公式，提出了一種基于高分影像光譜特征的綜合雨量徑流系數快速估算方法。結合面向對象的影像分割分類技術及陰影區再分類方法，獲取了試驗區覆被分類信息，從而達到了快速估算綜合雨量徑流系數的目的，并以嘉興海綿城市示范區為例，對比嘉興市地理國情普查成果，驗證本文方法的可行性。

綜合雨量徑流系數；光譜特征；快速估算；海綿城市；嘉興市地理國情普查

中央城鎮化工作會議提出“要建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”，并頒布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》[1](以下簡稱《指南》)。作為典型的江南水鄉城市，嘉興被列入首批海綿城市建設試點。根據《指南》介紹，綜合雨量徑流系數，通過各地塊雨量徑流系數加權(城市覆被類型所占比例)計算獲得，是計算入滲控制指標、確定年徑流總量控制率、制定低影響開發規模(LID)方案[2-3]及雨洪綜合優化管理決策的前提和依據[1,4]。因此，快速估算城市綜合雨量徑流系數對海綿城市建設具有重要意義[5]。

由于城市覆被類型所占比例決定綜合雨量徑流系數的計算結果，因此利用遙感影像數據精確、快速地提取各地表材質類型成為研究的關鍵。目前，影像分類的研究方法主要概括為3種類型[6]：①基于像素的直接分類法。Wu借助QuickBird數據，采用光譜混合分析的方法提取不透水層[7]；肖錦成等選取ETM+遙感數據中4個波段，構建了基于BP神經網絡的濱海濕地覆被分類模型，并將其應用于鹽城自然海濕覆被分類[8]；劉大偉等基于深度信念網絡(DBN)模型對Resurs DK1高分辨率遙感影像進行了基于光譜-紋理特征的分類[9]。②面向對象的分類方法。佃袁勇等采用Mean-Shift分割算法對影像進行多尺度分割,構建了不同尺度上的地理對象，保持了地物對象的完整性和地物細節信息，從而實現了地物的變化檢測[10]；劉純等在多尺度分割的基礎上，融合光譜特征、像元形狀指數PSI、初始尺度和最優尺度區域特征，有效減少了基于像素的高分辨率遙感影像分類算法的“胡椒鹽”現象，提高了易混淆類別的分類精度[11]。③多源數據協同的分類方法。蘇偉等利用激光掃描LiDAR數據有無回波值提取水體，利用生成的數字表面模型DSM提取建筑物，利用QuickBird數據提取植被、道路等，有效地提高了城市覆被分類精度[12]。此外，城市范圍高分辨率遙感影像覆被分類需考慮陰影區域對分類結果的影響。段光耀等提出了一種特征分量構建與面向對象結合的陰影提取方法，有效地提取了陰影區域[13]，由于光譜信息缺失，陰影區域分類還需要進一步研究[6,14]。

本文提出一種基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數的方法，以嘉興海綿城市示范區為例，采用面向對象的分割分類方法，提取城市覆被信息，同時考慮高分辨率影像中陰影區域對影像分類的影響，計算得到綜合雨量徑流系數；并與嘉興市地理國情普查成果數據對比，試驗結果表明本文提出方法具有有效性和可行性。

1 研究區域與試驗數據

嘉興海綿城市建設示范區范圍北至環城河，南至槜李路，西至長水塘、西板橋港，東至菜花涇、紡工路、富潤路，總用地面積為18.44 km2，其中包含舊城改造示范區域3.89 km2、南湖重點保護示范區域5.58 km2、已建新城改造示范區域6.02 km2及未建新城改造示范區域295 km2。如圖1所示，虛線范圍內為嘉興海綿城市示范區。

圖1 嘉興海綿城市示范區

試驗數據包括：①WorldView-3高分辨率衛星影像數據，包含空間分辨率為2 m的多光譜波段及0.5 m的全色波段，數據現勢性為2015年8月2日，經輻射校正、數據融合等數據處理工作后，得到0.5 m空間分辨的DN值數據；②空間分辨率為0.2 m的數碼航空影像數據，數據采集時間為2013年11月—12月；③嘉興市地理國情普查成果數據，其中市情普查涵蓋了海綿城市示范區地表材質與透水性質。

2 研究方法

2.1 綜合雨量徑流系數計算方法及技術路線

隨著對降雨、入滲及地表徑流之間特征關系認識的深入，已經明確了多種地表匯水面種類的降雨徑流系數[4-5]，根據《指南》中“通過加權計算得到各地塊的綜合雨量徑流系數”的方法，總結綜合雨量徑流系數φ的計算公式為

式中，φi為第i種匯水面的雨量徑流系數；Ii為第i種匯水面的面積占比率。表1中列出了幾種匯水面的雨量徑流系數[1,15]。

表1 徑流系數

由綜合雨量徑流系數φ的計算公式可知，城市覆被類型提取的準確度是關鍵。本文技術流程為(如圖2所示)：①采用過度分割的方式將影像數據分割為對象，再通過神經網絡方法實現面向對象的分類，得到初級分類結果；②構建3種針對陰影的特征分量，并結合航空影像選取樣本，完成再分類；③統計分類面積，計算綜合雨量徑流系數。

圖2 估算綜合雨量徑流系數技術路線

2.2 面向對象的分割分類方法

與面向像元的分割方法相比，面向對象的多尺度分割方法有效地提高了影像解譯精度和效率。本文借助eCognition軟件實現嘉興海綿城市示范區的分割：①為示范區WorldView-3數據紅綠藍及紅外4個波段賦予相同的權重；②經過多次試驗，選定適宜的分割尺度參數，保證影像的過度分割，避免尺度過大引起的分割錯誤；③執行多尺度分割，獲得影像對象層level1；④經過多次試驗，選定適宜的最大光譜差異參數，執行光譜差異分割，合并光譜相似區，破碎光譜差異大的區域，得到影像對象層level2；⑤分區統計影像對象層level2中每個對象包含像元的均值，分別賦予對象相應的紅、綠、藍及紅外屬性字段，最后輸出level2，得到面向對象的分割結果。

圖3 3層感知器神經網絡結構

2.3 陰影區再分類

圖4 初級分類結果

圖5 原始影像

圖6 3種特征分量圖

圖7 數碼航空影像

圖8 再分類結果

3 試驗與分析

經過多次試驗，選定分割尺度參數為20，多尺度分割得到影像對象層level1(如圖9所示)，共715 423個要素；選定最大光譜差異參數為5，光譜差異分割得到影像對象層level2(如圖10所示)，共691 746個要素。對比對象層level1與level2，可見光譜差異較小的水體類合并效果明顯。在影像對象層level2中選取750個樣本對象(瀝青混凝土類304個、橡膠類53個、裸土類144個、植被類173個及水體類76個)，基于多層感知器神經網絡(MLP)模型得到分類結果(如圖4所示)。由于陰影區域光反射率低，影像中的光譜特征更接近水體類，因此初級分類結果中陰影區域被劃分為水體類。構建3種特征分量，得到再分類結果(如圖11所示)，修正錯誤的陰影區域共計0.55 km2。

圖9 度尺度分割

圖10 光譜差異分割

根據分類結果，統計得到各類型匯水面的面積及占示范區的比例(見表2)，結合表1幾種匯水面的雨量徑流系數，利用綜合雨量徑流系數公式計算得到嘉興海綿城市示范區綜合雨量徑流系數為0.44。為了驗證試驗結果的準確性，本文查閱嘉興地理國情普查成果中海綿城市示范區地表材質與透水性質的資料，得到表3，平均綜合徑流系數為0.49。

圖11 再分類結果

透水性匯水面面積/km2比例/(%)不透水層瀝青混凝土6．9737．8橡膠塑膠0．050．3透水層裸土1．819．8植被7．8442．5水面水面1．779．6

表3 嘉興市第一次地理國情普查成果公報中海綿城市示范區地表材質與透水性質

透水性匯水面面積/km2比例/(%)不透水層屋面2．3812．9混凝土0．965．2瀝青2．4813．5橡膠塑膠0．060．3塊石鋪砌1．347．3其他不透水層0．020．1弱透水層碎石0．30 1．6 地下空間上綠化0．040．2屋頂綠化0．030．2其他弱透水層0．764．1透水層植被7．30 39．6 裸土和土路面0．191．0

對比試驗結果可知，本文估算結果接近地理國情普查數據，可作為海綿城市綜合雨量徑流系數的參考，從而證明了該方法的可行性。同時試驗估算的綜合雨量徑流系數偏低，分析原因主要有以下兩點：①影像采集時間為植被茂盛的8月，且地下空間上綠化、屋頂綠化等被分類為植被，導致試驗獲取的植被面積要大于普查數據；②部分碎石、塊石鋪砌分類為裸土，連同植被間隙的裸土統計在內，導致試驗獲取的裸土面積要大于普查數據。

4 結 語

依據綜合雨量徑流系數計算公式，本文提出了一種基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數的方法，結合面向對象的影像分割分類技術及陰影區再分類方法，獲取試驗區覆被分類信息，從而達到了快速估算綜合雨量徑流系數的目的；并以嘉興海綿城市示范區為例，對比嘉興市地理國情普查成果，驗證了本文方法的可行性。

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A Method for Rapid Estimation of Runoff Coefficient Based on Spectral Features of High Resolution Image——A Case Study in Sponge City Demonstration Area,JiaXing

ZHANG Jianying1，FU Shuai1，AI Bo2

(1. Jiaxing Administration of Surveying Mapping and Geoinformation, Jiaxing 314050, China； 2. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

According to the formula of runoff coefficient of integrated rainfall,a rapid estimation method of runoff coefficient of integrated rainfall is proposed based on spectral features of high resolution image. With object oriented segmentation and classification technology and shadow classification method, classification information of demonstration area is obtained, so as to achieve the purpose of estimating the ratio.Taking Jiaxing sponge city demonstration area as an example, this paper compares the results of the national geographical census in Jiaxing to verify the feasibility of the method.

runoff coefficient of integrated rainfall; spectral features; rapid estimation; sponge city; the national geographical census of Jiaxing

張建英，付帥，艾波.基于高分影像光譜特征快速估算綜合雨量徑流系數的方法探索——以嘉興海綿城市示范區為例[J].測繪通報，2017(6)：82-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0195.

2017-03-20

國家自然科學基金(41401529)

張建英(1967—)，女，高級工程師，主要研究方向為地理國情普查成果應用。E-mail:zzzren@163.com

付 帥。E-mail: geofushuai@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)06-0082-05