基于哨兵二號影像的哈爾濱市主城區城市精細地物提取及分析

李夢圓，張韻晗

（1.哈爾濱師范大學 地理科學學院，哈爾濱 150000；2.哈爾濱市第九中學校，哈爾濱 150040）

廣義的不透水面（Impervious Surface Area,ISA）是指天然或人為源，不能通過水體滲入到土壤中，進而對水循環產生影響的任何物質[1-3]。目前所研究的人工不透水面多指城市中以水泥、瀝青等為原材料的停車場、道路及房屋等滲透率較小的表面。隨著中國城市化的快速發展，越來越多的天然土地被改造成由混凝土、瀝青等材料構成的不透水地表，其實質也是人口、經濟、技術和服務在空間上的聚集，以及生產生活方式的轉變，這對城市的可持續發展產生了一定的影響。因此，不透水面作為城市化的重要指標之一，越來越受到重視[4-5]。

在當前的研究中，運用各種指數對城市不透水面整體進行提取分析的實例較為普遍，如孟艷秋[6]提出歸一化差值不透水面指數法（NDISI），對徐州市不透水面時空演變規律進行了分析；徐瑞等[7]采用一種基于哨兵二號（Sentinel-2）數據的不透水面識別方法（ISIM-S2），證明了ISIM-S2能更好地分離不透水面與裸土，降低云、水等對不透水面的影響。但只將不透水面劃分為1類或2類地物進行研究，無法有效提高城市土地精細分類精度和準確度，不能在微觀上反映出城市建成區發展過程中的細微變化[8-10]。在此背景下，通過精細分類量化單個城市區域內不透水面類型，反映城市建成區的細微變化，對城市經濟發展具有重要現實意義[7]。

本研究選擇Sentinel-2影像為數據源，對哈爾濱市主城區精細不透水面情況進行分析，以期為城市管理者及相關政策制定者提供數據支持。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區

哈爾濱市地處黑龍江省南部，經緯度范圍分別為125°42′-130°10′E，44°04′-46°40′N，哈爾濱市是黑龍江省的經濟、政治、文化中心和交通樞紐，全市共轄9個市轄區，由于非主城區不透水面占比較少。因此，本研究選取其中6個主城區作為研究區，包括南崗區、松北區、香坊區、道里區、道外區和平房區。研究區概況如圖1所示。

圖1 研究區概況

1.2 數據源

本研究影像數據選擇2020年7月哈爾濱市6個主城區的Sentinel 2A數據，空間分辨率為10 m×10 m，數據來自歐空局哥白尼數據中心（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）。研究區2020年行政區劃底圖數據從國家基礎地理信息中心獲取。

2 研究方法

2.1 樣本選取

根據哈爾濱市6個主城區野外調查情況，將哈爾濱市主城區土地利用類型分為不透水面、裸地、水體、植被。其中，不透水面細分為金屬、藍鋼、水泥、瀝青、陰影5類[10]，如圖2所示。在Sentinel-2影像上選擇每個像素(1像素10 m×10 m)作為訓練樣本，利用XGBoost分類器對不透水面進行精細分類。

圖2 不透水面精細地物分類地物類別

2.2 精度驗證

通過將每個實際像素的所屬類別與分類結果圖像中相應像素對應的所屬類別進行比較，計算混淆矩陣。結合Google Earth在2020年7月的歷史高分辨率圖像，在分類結果影像上選擇每個像素(1像素10m×10m)的對象類作為驗證樣本，進行總體精度、Kappa系數的計算。

2.3 基于人口數據對研究區GDP數據的空間化

人口數據可以反映城市經濟活動的空間分布，本文利用人口密度數據作為GDP空間分布密度信息，將哈爾濱市6個主城區GDP空間布展到柵格單元上。公式如下

式中：GDPij為柵格單元GDP值；GDP為所在區GDP；POPij為柵格單元對應的人口數；POP為所在區人口總數，該人口總數為所有柵格單元人口數求和得到。

3 結果與分析

精細不透水面總體分類精度為89.32%，Kappa系數為0.88，結果表明XGBoost分類器能夠較好地從Sentinel-2影像中提取出精細不透水面。6個主城區整體分類結果如圖3所示，不透水面精細分類結果如圖4所示。

圖3 2020年哈爾濱市6個主城區整體分類結果

圖4 2020年哈爾濱市6個主城區不透水面精細分類結果

根據圖4—9所示的分類結果可以看出，對于瀝青的分布，主要集中于城市中心的各主要交通干道，其中南崗區的東北部分布最為集中。對于水泥的分布，主要集中于香坊區西部、平房區北部及道里區東北部。從道里區的水泥分布可以看出，西南方向哈爾濱太平國際機場的位置、道外區南部的老式建成區及松北區北部的村鎮區域也有水泥分布。對于藍鋼的分布，主要集中于平房區西部、香坊區南部的工業區，以及松北區東南部的部分城中村區域。對于其他金屬的分布，多集中于松北區南部的工業區和一些建筑企業周圍，平房區、香坊區及道里區的部分工廠區域也含括了一定的金屬，另外南崗區的金屬分布較少，多集中于大型體育場館等附近。

圖5 2020年哈爾濱市6個主城區水泥情況分布

圖6 2020年哈爾濱市6個主城區藍鋼情況分布

圖7 2020年哈爾濱市6個主城區金屬情況分布

由圖10可知，平房區藍鋼占比最多，該區自2005年開始辟建了平房工業園區，是6個主城區中第二產業所占比重最大的行政區，工業占比大、廠房多，因此該區藍鋼、金屬所占比重均較大[11]。道里區和南崗區瀝青、水泥均占比相對較多，2個區第三產業所占地區生產總值的比重均較大。道里區是哈爾濱的政治、經濟、文化和旅游中心，景區、居民區等建設離不開水泥材料的施用[12-13]。同時道里區也是哈爾濱的重要交通樞紐，內有哈爾濱太平國際機場、機場高速路和老機場路等，因此瀝青占比也較多。南崗區所屬的高校、娛樂消費場所多。同時2018年起，該區注重城區建設，實施碎修碎補城區破損道路，打造順暢道路交通環境；實施破舊樓體維修工程，消除安全隱患，并美化社區環境，因此南崗區瀝青、水泥占比相對較多[9]。

圖8 2020年哈爾濱市6個主城區瀝青情況分布

圖9 2020年哈爾濱市6個主城區陰影情況分布

圖10 2020年哈爾濱市6個主城區各類不透水面占比

4 結論

本研究選擇哈爾濱市6個主城區為研究范圍，以Sentinel-2影像為數據源，利用XGBoost分類器對哈爾濱市6個主城區城市精細不透水面信息進行提取。分類總體精度為89.32%，Kappa系數為0.88。結果表明，南崗區瀝青占比最多，占65%，藍鋼占比最少，占3%；道外區、平房區水泥占比最多，占25%；平房區藍鋼、金屬均占比最多，分別占12%、15%。結合分類結果進行具體分析可以看出，不同類型的不透水面可以為城市管理提供不同方面的支持[14-15]。研究藍鋼及其他金屬類別的結果有益于為哈爾濱市各工業區分布及城市經濟研究提供一定的數據支持；瀝青一類的分布集中在城市道路，可以為城市道路規劃及道路建成面積等提供數據支持；其他不透水面可為哈爾濱市居民區空間分布相關研究提供參考數據。

在中國快速發展城鎮化的背景下，通過精細分類量化單個城市區域內地物覆蓋具體類型具有重大研究意義，包括材料的詳細組成，如瀝青道路、有色金屬和亮暗屋頂等。同時根據材料使用周期及老化速率，對其分布進行研究，對城市人群生產和生活、城市的整體面貌和形象維護、城市規劃、災害應急管理和城中村改造更具有重要的現實意義[1,13]。下一步將結合時間序列數據研究精細不透水面變化趨勢，從城市精細土地覆被豐度、建筑交通密度、社會經濟及人口多層面分析城市熱環境的空間異質性，所得結果將更有助于分析城市建成區內部的發展細化動態。