基于遥感的郑州市不透水面的提取分析

赵暖 何贞铭

摘要：以河南省郑州市为研究区，采用归一化差值不透水面指数法，分析1900年、2000年、2015年三个不同阶段郑州市不透水面的分布情况及影响因素。结论表明：城市不透水面与植被覆盖呈负相关性，城市不透水面面积在郑州市西北和东南两个方向扩张较快，市中心区域的不透水面扩张速度远快于周围离市中心的区县。

关键词：NDISI;不透水面;郑州市;提取指数

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）25-0181-03

Abstract： Taking Zhengzhou City， Henan Province as the research area， the normalized difference impervious surface index method was used to analyze the distribution and influencing factors of the impervious surface of Zhengzhou in three different stages in 1900， 2000， and 2015. The conclusion shows that there is a negative correlation between the urban impervious surface and the vegetation coverage. The urban impervious surface area is expanding rapidly in the northwest and southeast of Zhengzhou City. The impervious surface in the downtown area expands much faster than the surrounding area away from the city center. Districts and counties.

Key words： NDISI; impervious surface; Zhengzhou city; extraction index

目前，由于中國城镇化进程发展迅速，城镇范围逐步向周围村庄扩张，导致城镇周边村落中的农田、植被等可透水面向工业用地和建筑教育用地等不透水面转换。不透水面覆盖率的增高会引发城市热岛效应，自然降水不会被不透水面汲取保存，会引发洪涝灾害及干旱，使人类的生态系统遭到破坏。随着城市快速发展，郑州市不透水面分布发生快速的变化，通过传统的资料统计分析和人工监测手段已不能迅速获取不透水面的实时数据。国内专家学者对不透水面提取方法及变化趋势进行了深入研究。陈德超[1]通过结合水文数据，归类土地使用类型，提取了不透水面。陈爽等[2]使用IKONOS高分遥感图像，对南京市5个典型功能区不透水率进行研究，分析出不透水率较高和较低的地区。周存林和徐涵秋[3]利用获取排列靠前的三个最小噪音分量，变换后的分量以及线性光谱混合模型，测算得出的终端地类分量是模拟高反射率、低反射率、植被及土地4个不同的城镇土地覆盖类型。此次实验主要采用归一化差值不透水面指数法（NDISI），分析不同时期的郑州市不透水面的变化趋势及影响因素，不透水面和城市植被覆盖指数的相关性，为郑州市城市发展建设方向提供一定的依据。

1资料与方法

利用郑州市1990、2000、2015年Landsat卫星影像以及经过地理校准的1：80万河南省郑州市矢量行政图，借助ArcGIS、ENVI，Fragstats4.2等相关工具软件，采用归一化差值不透水面指数法（NDISI）对郑州市不透水面提取进行研究。

郑州市范围内有部分水域分布，为了排除低反射率水域对低反射率不透水面的提取干扰，在不透水面提取过程中需要对水体进行剔除，因此对水体的掩膜选用改进型归一化水体指数（MNDWI），计算公式如下：

式中，Green和MIR分别为绿色波段和中红外波段。MNDWI的取值应在-1到1之间，值越大研究区域为水体的概率越高。

基于徐涵秋教授[4]提出的归一化不透水面指数（NDISI），提取郑州市不透水面信息，能够较好地处理不透水面信息与水体、沙土、阴影等混淆的问题[5]，计算公式如下：

式中，NDISI为归一化的差值不透水面指数，其数值范围应在1与-1之间。NIR为近红外波段、MIR为中红外、TIR为热红外波段。这个新组合的NDISI指数具有归一化指数特征，有利于不透水面的快速提取。

2结果分析

2.1趋势分析

根据上述公式，利用ENVI软件中的波段运算工具提取NDISI图像（图1-图3）。对比不同时期郑州市的不透水面分布图，可以得到郑州市城市化扩张的重心。1990年至2015年郑州市不透水面向西北和东南两个方向的扩张速度比较快。1990年至2000年新增的不透水面斑块多是在原有的不透水面的基础上向外蔓延式扩张并且有部分相连接。2000年至2015年不透水面破碎化的趋势明显增加，斑块的自然连通性也在逐渐降低。

2.2影响因素分析

通过分析郑州市各区县不同时期的不透水面，可知不透水面扩张所包含的影响因素。1990至2000年郑州市各区县的不透水面扩张都较为缓慢，2000年至2015年郑州各区县的不透水面扩张较为迅速。郑州市2000年至2015年的不透水面扩张的速度远比1990年至2000年的不透水面扩张的速度迅速，造成这一现象的主要因素是郑州市2000至2015年的经济发展速度较快，从而导致植被、农田等可透水面转换为建筑用地、道路用地等不透水面。通过分析2000年和2015年郑州市不透水面的分布可知，这十五年间由于巩义市、新密市、登封市、管城回族等地区占地面积较大，导致相应的不透水面扩展面积较大。