基于Landsat的粤港澳大湾区水面率演变分析

姜欣彤，廖小龙，全栩剑，薛 娇，钟逸轩，于百顺

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

关键字：水面率；演变分析；Landsat；粤港澳大湾区

水面通常指由河流(江、河、渠等)，湖泊(天然或人工湖泊)，水库，湿地(天然或人工湿地)等形成的水体表面[1]，水面率是指承载水域功能的区域面积占区域总面积的比率。适宜的城市水面率对改善城市地区生态质量和提高城市生活空间质量具有至关重要的作用[2]。浙江省、江苏省、上海浦东新区、广州市等地均通过河道调查及全国水利普查结果开展过本区域水面率的相关研究[3]，随着3S技术的迅速发展，RS与GIS相结合的方法，逐渐应用在水体信息监测中[4]。利用遥感数据进行水体信息提取的数据源主要包含雷达遥感数据、光学遥感数据以及两者结合数据[5]。其中，基于雷达遥感SAR数据作为数据源的应用范围主要为洪涝监测[6-7]、城市水体和开放水体研究[8-9]、河流及海岸带形态变化监测[10]、各种提取算法研究[11]等；基于光学遥感数据的研究中，应用最多的是免费开放的Landsat数据，主要集中在大区域尺度的研究以及对较大河流、湖泊等水体的提取和分析上[12-13]。MODIS、AVHRR和CBERS等中、低分辨率卫星影像主要应用在海洋、大型河流和湖泊等水体的识别和信息提取方面[14-15]。

粤港澳大湾区是继纽约湾区、旧金山湾区、东京湾区之后的世界第四大湾区，包括9市和港澳2个特别行政区，随着“9+2”粤港澳城市群互联互通格局的构建，迅速的城市化发展也为粤港澳大湾区的生态环境建设和维护提出了更高的要求[16-17]，但粤港澳大湾区位于珠江三角洲，该地区河网密布交错，径流潮流相互作用，水沙变化频繁，既存在洪(潮)涝灾害频发的老问题，又在经济社会发展过程中暴露出水资源供需矛盾、水生态损害、水环境污染等新问题，因此基于遥感影像对近20年来粤港澳大湾区城市群水面率进行演变分析，为粤港澳大湾区城市群水资源合理利用和水生态建设工作提供理论和方法支持，同时对推进粤港澳大湾区生态文明建设和加强环境保护具有重要的参考意义。城市水体提取受到高层建筑导致的阴影影响，相比山区、丘陵地区等区域的水体提取较为困难，因此，选取空间分辨率为30 m、免费开放的Landsat作为数据源。

1 研究区域概况

粤港澳大湾区位于广东省(21°25′～24°30′N，111°12′～115°35′E)，其城市群由广州、深圳、珠海、佛山、东莞、中山、惠州、江门、肇庆9个地级市和香港、澳门2个特别行政区组成，地处珠江下游，区域面积55 080 km2。区域气候属于南亚热带的海洋性季风气候，年均温22℃左右，夏季多雨且台风频繁，冬季冷暖变化无常。2017年末常住人口约6 956.93万人，地区生产总值为10.18万亿元，折合美元1.6万亿元，位列四大湾区第二位，仅次于东京湾区。以粤港澳大湾区九市二区为研究范围，由于澳门面积甚小，所以将澳门与珠海市做合并分析，研究区域概况见图1。

2 数据资料与技术路线

2.1 数据来源

从美国地质调查局(https://earthexplorer.usgs.gov/)下载Landsat 7、Landsat 8系列卫星的相应图像。2013年发射的Landsat 8是一种新型的Landsat卫星。该卫星携带2个传感器，分别称为操作陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)。Landsat 8数据具有16位辐射计分辨率，每幅图像覆盖距离地面185 km×185 km。Landsat 7于1999年4月15日由德尔塔11导弹发射，其内置了ETM+传感器。覆盖粤港澳大湾区核心城市群的影像轨道号为[122，44]、[121，45]、[122，45]，共三景。筛选云量覆盖低于20%的影像，选取2000、2005、2010、2015、2018年共5年数据，各年份数据具体日期见表1。城市群行政边界采用2015年国家地市行政边界，数据来源于中科院地理科学与资源研究所(http://www.resdc.cn/Default.aspx)。

表1 各年份数据源具体日期

2.2 技术路线

水体提取技术路线见图2。

图2 水体边界提取技术路线

2.3 数据预处理

2003年以后的Landsat 7影像由于传感器发生故障造成部分条带受损，故首先在ENVI中对Landsat 7进行条带修复。LandsatL1T数据文件已经经过了带DEM的地形校正，坐标精度基本能满足中小比例尺的要求，但还未做辐射定标，大气校正是多光谱遥感数据进行地表参数定量分析的前提，能够消除或减少大气分子和气溶胶的散射和吸收对地物反射率的影响，故要在ENVI5.3中对Landsat 8和修复好的Landsat 7数据完成辐射定标和大气校正数据预处理工作。

3 研究方法

3.1 水体提取方法

目前，国内外学者基于Landsat遥感影像的水体光谱曲线特征提出了多种水体信息自动识别的遥感模型，主要可归纳为单波段阈值法、多波段法和水体指数法3种方法[18]。单波段阈值法主要利用水体在近红外/中红外波段强烈吸收的原理来识别水体信息，难以忽视阴影造成的影响，会遗漏部分水体信息，存在一定局限性。多波段法主要是综合利用遥感影像特征波段的光谱特征来识别水体信息，其中，谱间关系法通过分析地物在遥感影像原始波段及图像转换获取的特征波段的光谱特征曲线来获取识别水体信息的光谱信息，并利用逻辑判断规则提取水体信息。水体指数法则基于谱间特征关系，通过特征波段间的比值运算，增强水体与其他地物之间的反差度来识别水体信息。最常见的为基于绿光/近红外波段构成的归一化水体指数NDWI(Normalized Difference Water Index)[19]，该指标可以突出影像中的水体信息，并能最大程度抑制植被信息，水体具有正值，而植被和土壤为0或负值，计算公式为:

(1)

式中 Green——绿光波段；NIR——近红外波段。

然而NDWI指数忽略了土壤/建筑物因素的干扰，土壤/建筑物在绿光和近红外波段的波谱特征与水体几乎一致。因此考虑引入另一指标作为水体判别条件：归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)[20]。NDVI是植被监测中最重要的指标之一，可以通过该指标区分植被、土壤和水体等不同覆盖物，大于0.2表示植被，小于0表示水体，其计算公式为：

(2)

式中 Red——红光波段；NIR——近红外波段。

采用决策树模型作为自动水体判别模型，以此对图像进行分类，按照该规则分类的值被分类到一个分支中，其他值被分类到另一个类别中。该方法可以较好地提取复杂背景中的水体信息，有效地区分水体与山体阴影，提取结果比单阈值法精度要高[21]。在城市水体提取中，NDWI指标难以区分高楼建筑物，因此给NDWI设定一个阈值，以作为判别建筑物和水体的基准，经反复多次试验(0，0.1，0.2，0.3)后，选定NDWI的阈值为0.2，故使用图3所示判别规则进行水体提取。

图3 水体提取判别法则

使用NDWI和NDVI作为判别指标进行水体提取后，图像中存在许多噪点，故采用众数滤波方式对图像进行平滑处理，将处理后的图像转化为二值图，即除水体外的像元设置为空值。在Google Earth中使用目视解译法对提取后的水体进行校验，对误提的阴影、草地等部分进行删除，以修正水体提取结果。最后将提取结果转化为矢量图，以统计水体面积。

3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能反映在研究时段内初期和末期各地类相互转化的动态过程，包括各地类相互转化的面积及转化方向[22]。其数学表达式为:

(3)

式中A——面积；n——土地利用类型数；i、j——研究初期和末期的土地利用类型；A12——研究初期至末期第1种土地类型转为第2种土地类型的面积；Ann——研究初期至末期某种土地类型转化为自身的面积。

4 分析与讨论

4.1 水域面积变化

按照上述方法，计算分析得到各基准年粤港澳大湾区水域空间分布(图4)，水域总面积变化(图5)，大湾区城市群水面率变化(图6)，2000、2018年粤港澳大湾区城市群水域面积对比(表2)。根据计算结果分析，可得出以下结论。

a)粤港澳大湾区近20年水域面积总体呈先减少后增加的趋势，水域总面积从2000年2 841.94 km2下降到2015年2 629.83 km2，水面率由5.17%减少到4.79%。随后水域面积略有增加趋势，到2018年，水域总面积为2 664.89 km2，水面率为4.85%。

b)对比2000、2018年粤港澳大湾区城市群水域面积，发现总体上来说，各城市近20年来均呈减少趋势，其中江门市水域面积减少最多，减少了44.20 km2，其次是佛山市，水域面积减少32.34 km2，珠海、东莞、深圳、中山、广州水域面积依次减少了27.21、19.57、16.84、13.57、12.07 km2，其余城市水域面积减少不超过10 km2。

c)从2000—2018年各城市水面率变化分析来看，珠海(含澳门)、佛山两市的水面率持续减少，珠海市水面率减少最为严重，从2000年19.02%减少至2018年17.11%，减少率为-0.11%/a。佛山市水面率从2000年13.17%减少至2018年12.32%，减少率为-0.05%/a。其余各城市水面率均在2015年后略有上涨。

a)2000年

b)2005年

图5 粤港澳大湾区水体面积和水面率变化趋势

图6 粤港澳大湾区城市群水体面积变化趋势

表2 2000、2018年粤港澳大湾区城市群水域面积对比 单位：km2

4.2 土地利用转移变化

选用300 m精度的土地利用(LUCC)遥感监测数据，时间选取2000、2005、2010、2015、2018年共5期，数据来源于欧洲航天局(European Space Agency)。土地利用转移分析结果见表3。粤港澳大湾区各市对应水域转移方向分析结果见表4。根据计算成果分析，得出以下几点结论。

a)粤港澳大湾区土地利用主要类型分为耕地、林地、草地、灌木、湿地、水域、建筑地和裸地，其中占比最高的类型为耕地，占总土地面积的42%，其次是林地，占总土地面积的36%。

b)近20年来耕地与草地面积均有大幅度减少，减少面积占国土总面积比例分别为6.35%、1.30%；建筑地面积大幅度增加，增加面积占国土总面积比例7.91%。

c)不同土地利用类型内部之间有相互转化。各类型用地主要的转换方向均为建筑用地。耕地和草地转向建筑用地面积分别为3 472、721 km2，湿地、水域向建筑用地转化面积分别为39、88 km2。

d)2000年来粤港澳大湾区各市水域面积减少主要原因是由于城市扩张，建筑用地侵占了水域范围，导致城市水面率下降。江门市水域面积减少主要是转移为湿地，而珠海市水域面积减少原因主要是转移为耕地和湿地，建筑用地侵占面积较小。

表3 粤港澳大湾区2000—2018年土地利用转移矩阵 单位：km2

表4 粤港澳大湾区各市水域转移方向 单位：km2

5 结论与展望

在考虑到数据源可免费获取，且精度相对较高的条件下，选择Landsat7和8作为水面提取分析的数据源。考虑到城市水体提取中存在高层建筑、植被土壤等较多影响因素，同时选取水体指数和植被指数阈值作为地物分类基准，对粤港澳大湾区城市群主要河流、湖泊和较大型水库进行了有效识别，得到主要结论如下：①粤港澳大湾区近20年水域面积总体呈先减少后增加的趋势，水面率由2000年4.48%减少至2015年的4.15%，2018年增加至4.22%;②粤港澳大湾区各城市水域面积近20年来均有不同程度的减少趋势，江门和佛山市水域面积减少最多，依次减少了44.20、32.34 km2，东莞、深圳、广州水域面积减少不超过20 km2，其余城市水域面积减少不超过10 km2；③近20年来澳门、佛山两市的水面率持续减少，澳门市水面率减少最为严重，减少率为-0.24%/a，佛山市减少率为-0.04%/a，其余各城市水面率均呈现先减后增的趋势，在2015年后有所上涨；④造成粤港澳大湾区水域面积减少的主要原因是由于城市扩张，建筑用地侵占了水域范围，导致城市水面率下降，江门水域面积减少是由于水域转移为湿地，珠海水域面积减少则是由于水转移为耕地和湿地。

值得注意的是，由遥感影像提取得到的水域面积数据，与土地利用数据中的水域面积数据有所偏差，这可能是由于图像精度、云体、建筑覆盖等不确定性因素。为得到更为清晰的水域边界，可进一步考虑更为精细化尺度的遥感数据源对细小尺度的水体进行提取，将多源遥感数据提取结果进行融合，以计算更为精确的水面率。