基于哨兵二号影像的哈尔滨市主城区城市精细地物提取及分析

李梦圆，张韵晗

（1.哈尔滨师范大学 地理科学学院，哈尔滨 150000；2.哈尔滨市第九中学校，哈尔滨 150040）

广义的不透水面（Impervious Surface Area,ISA）是指天然或人为源，不能通过水体渗入到土壤中，进而对水循环产生影响的任何物质[1-3]。目前所研究的人工不透水面多指城市中以水泥、沥青等为原材料的停车场、道路及房屋等渗透率较小的表面。随着中国城市化的快速发展，越来越多的天然土地被改造成由混凝土、沥青等材料构成的不透水地表，其实质也是人口、经济、技术和服务在空间上的聚集，以及生产生活方式的转变，这对城市的可持续发展产生了一定的影响。因此，不透水面作为城市化的重要指标之一，越来越受到重视[4-5]。

在当前的研究中，运用各种指数对城市不透水面整体进行提取分析的实例较为普遍，如孟艳秋[6]提出归一化差值不透水面指数法（NDISI），对徐州市不透水面时空演变规律进行了分析；徐瑞等[7]采用一种基于哨兵二号（Sentinel-2）数据的不透水面识别方法（ISIM-S2），证明了ISIM-S2能更好地分离不透水面与裸土，降低云、水等对不透水面的影响。但只将不透水面划分为1类或2类地物进行研究，无法有效提高城市土地精细分类精度和准确度，不能在微观上反映出城市建成区发展过程中的细微变化[8-10]。在此背景下，通过精细分类量化单个城市区域内不透水面类型，反映城市建成区的细微变化，对城市经济发展具有重要现实意义[7]。

本研究选择Sentinel-2影像为数据源，对哈尔滨市主城区精细不透水面情况进行分析，以期为城市管理者及相关政策制定者提供数据支持。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区

哈尔滨市地处黑龙江省南部，经纬度范围分别为125°42′-130°10′E，44°04′-46°40′N，哈尔滨市是黑龙江省的经济、政治、文化中心和交通枢纽，全市共辖9个市辖区，由于非主城区不透水面占比较少。因此，本研究选取其中6个主城区作为研究区，包括南岗区、松北区、香坊区、道里区、道外区和平房区。研究区概况如图1所示。

图1 研究区概况

1.2 数据源

本研究影像数据选择2020年7月哈尔滨市6个主城区的Sentinel 2A数据，空间分辨率为10 m×10 m，数据来自欧空局哥白尼数据中心（https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home）。研究区2020年行政区划底图数据从国家基础地理信息中心获取。

2 研究方法

2.1 样本选取

根据哈尔滨市6个主城区野外调查情况，将哈尔滨市主城区土地利用类型分为不透水面、裸地、水体、植被。其中，不透水面细分为金属、蓝钢、水泥、沥青、阴影5类[10]，如图2所示。在Sentinel-2影像上选择每个像素(1像素10 m×10 m)作为训练样本，利用XGBoost分类器对不透水面进行精细分类。

图2 不透水面精细地物分类地物类别

2.2 精度验证

通过将每个实际像素的所属类别与分类结果图像中相应像素对应的所属类别进行比较，计算混淆矩阵。结合Google Earth在2020年7月的历史高分辨率图像，在分类结果影像上选择每个像素(1像素10m×10m)的对象类作为验证样本，进行总体精度、Kappa系数的计算。

2.3 基于人口数据对研究区GDP数据的空间化

人口数据可以反映城市经济活动的空间分布，本文利用人口密度数据作为GDP空间分布密度信息，将哈尔滨市6个主城区GDP空间布展到栅格单元上。公式如下

式中：GDPij为栅格单元GDP值；GDP为所在区GDP；POPij为栅格单元对应的人口数；POP为所在区人口总数，该人口总数为所有栅格单元人口数求和得到。

3 结果与分析

精细不透水面总体分类精度为89.32%，Kappa系数为0.88，结果表明XGBoost分类器能够较好地从Sentinel-2影像中提取出精细不透水面。6个主城区整体分类结果如图3所示，不透水面精细分类结果如图4所示。

图3 2020年哈尔滨市6个主城区整体分类结果

图4 2020年哈尔滨市6个主城区不透水面精细分类结果

根据图4—9所示的分类结果可以看出，对于沥青的分布，主要集中于城市中心的各主要交通干道，其中南岗区的东北部分布最为集中。对于水泥的分布，主要集中于香坊区西部、平房区北部及道里区东北部。从道里区的水泥分布可以看出，西南方向哈尔滨太平国际机场的位置、道外区南部的老式建成区及松北区北部的村镇区域也有水泥分布。对于蓝钢的分布，主要集中于平房区西部、香坊区南部的工业区，以及松北区东南部的部分城中村区域。对于其他金属的分布，多集中于松北区南部的工业区和一些建筑企业周围，平房区、香坊区及道里区的部分工厂区域也含括了一定的金属，另外南岗区的金属分布较少，多集中于大型体育场馆等附近。

图5 2020年哈尔滨市6个主城区水泥情况分布

图6 2020年哈尔滨市6个主城区蓝钢情况分布

图7 2020年哈尔滨市6个主城区金属情况分布

由图10可知，平房区蓝钢占比最多，该区自2005年开始辟建了平房工业园区，是6个主城区中第二产业所占比重最大的行政区，工业占比大、厂房多，因此该区蓝钢、金属所占比重均较大[11]。道里区和南岗区沥青、水泥均占比相对较多，2个区第三产业所占地区生产总值的比重均较大。道里区是哈尔滨的政治、经济、文化和旅游中心，景区、居民区等建设离不开水泥材料的施用[12-13]。同时道里区也是哈尔滨的重要交通枢纽，内有哈尔滨太平国际机场、机场高速路和老机场路等，因此沥青占比也较多。南岗区所属的高校、娱乐消费场所多。同时2018年起，该区注重城区建设，实施碎修碎补城区破损道路，打造顺畅道路交通环境；实施破旧楼体维修工程，消除安全隐患，并美化社区环境，因此南岗区沥青、水泥占比相对较多[9]。

图8 2020年哈尔滨市6个主城区沥青情况分布

图9 2020年哈尔滨市6个主城区阴影情况分布

图10 2020年哈尔滨市6个主城区各类不透水面占比

4 结论

本研究选择哈尔滨市6个主城区为研究范围，以Sentinel-2影像为数据源，利用XGBoost分类器对哈尔滨市6个主城区城市精细不透水面信息进行提取。分类总体精度为89.32%，Kappa系数为0.88。结果表明，南岗区沥青占比最多，占65%，蓝钢占比最少，占3%；道外区、平房区水泥占比最多，占25%；平房区蓝钢、金属均占比最多，分别占12%、15%。结合分类结果进行具体分析可以看出，不同类型的不透水面可以为城市管理提供不同方面的支持[14-15]。研究蓝钢及其他金属类别的结果有益于为哈尔滨市各工业区分布及城市经济研究提供一定的数据支持；沥青一类的分布集中在城市道路，可以为城市道路规划及道路建成面积等提供数据支持；其他不透水面可为哈尔滨市居民区空间分布相关研究提供参考数据。

在中国快速发展城镇化的背景下，通过精细分类量化单个城市区域内地物覆盖具体类型具有重大研究意义，包括材料的详细组成，如沥青道路、有色金属和亮暗屋顶等。同时根据材料使用周期及老化速率，对其分布进行研究，对城市人群生产和生活、城市的整体面貌和形象维护、城市规划、灾害应急管理和城中村改造更具有重要的现实意义[1,13]。下一步将结合时间序列数据研究精细不透水面变化趋势，从城市精细土地覆被丰度、建筑交通密度、社会经济及人口多层面分析城市热环境的空间异质性，所得结果将更有助于分析城市建成区内部的发展细化动态。