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国土资源遥感  2020, Vol. 32 Issue (3): 165-172    DOI: 10.6046/gtzyyg.2020.03.22
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基于多源遥感数据的城市环境宜居性研究——以北京市为例
董家集1(), 任华忠1,2(), 郑逸童1, 聂婧1, 孟晋杰1, 秦其明1,2
1.北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所,北京 100871
2.空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室(北京大学),北京 100871
A study of the livability of urban environment based on multi-source remote sensing data: A case study of Beijing City
DONG Jiaji1(), REN Huazhong1,2(), ZHENG Yitong1, NIE Jing1, MENG Jinjie1, QIN Qiming1,2
1. Institute of Remote Sensing and Geographic Information System, School of Earth and Space Sciences,Peking University, Beijing 100871, China
2. Beijing Key Laboratory of Spatial Information Integration and Its Application, Peking University, Beijing 100871, China
全文: PDF(5275 KB)   HTML  
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摘要 

为评价城市环境的宜居性,依托遥感数据构建了基于遥感因子的城市环境宜居性评价体系。以北京市为研究区,首先基于2013年和2014年高分一号(GF-1)卫星的光学数据,采用面向对象分类方法,将城市生态用地分为水体、植被区、道路、建筑用地以及裸土5大类并进行提取,同时计算植被区的植被指数; 其次,基于同时段Landsat8卫星热红外数据反演城市地表温度并提取城市热环境; 最后,在构建城市生态用地和城市热环境各因子评分标准的基础上,利用权值法计算城市的生态环境质量指数(ecological quality index, EQI),以此建立城市环境宜居性的整体评价体系,并对北京市环境的宜居性进行评价。研究结果表明,北京市地区城市热岛效应不明显,且绝大部分区域适宜于或者基本适宜于人类居住。

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董家集
任华忠
郑逸童
聂婧
孟晋杰
秦其明
关键词 多源遥感城市生态用地城市热环境宜居性评价    
Abstract

Based on the remote sensing data, this paper aims to construct an urban environment livability evaluation system on the basis of remote sensing factors and further evaluate the livability of the urban environment. An object-oriented classification method was used to classify urban ecological land into five categories from GF-1 satellite data: water body, vegetation area, road, building land, and bare soil. In addition, the urban surface temperature was retrieved from Landsat8 thermal infrared data and then, the urban thermal environment was calculated. Finally, on the basis of constructing the urban ecological land and urban thermal environment factors, a weight method was used to calculate the ecological quality index (EQI) of the city in order to establish an overall evaluation system of urban environmental livability. Applications in Beijing City showed that, from 2013 to 2014, the urban heat island effect in Beijing was not obvious, and most areas were suitable or basically suitable for human habitation.

Key wordsmulti-source remote sening    urban ecological land    urban thermal environment    livability evaluation
收稿日期: 2019-11-25      出版日期: 2020-10-09
:  TP79  
基金资助:国家重点研发项目“城乡生态资源高分遥感与地面协同监测信息服务应用示范”(2017YFB0503905-05);国家自然科学基金项目“高空间分辨率城市地表温度遥感反演方法研究”(41771369);高分辨率对地观测重大专项航空观测系统项目(30-H30C01-9004-19/21)
通讯作者: 任华忠
作者简介: 董家集(1988-),男,硕士研究生,主要研究方向为热红外遥感研究与应用。Email: dongjiaji@pku.edu.cn
引用本文:   
董家集, 任华忠, 郑逸童, 聂婧, 孟晋杰, 秦其明. 基于多源遥感数据的城市环境宜居性研究——以北京市为例[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(3): 165-172.
DONG Jiaji, REN Huazhong, ZHENG Yitong, NIE Jing, MENG Jinjie, QIN Qiming. A study of the livability of urban environment based on multi-source remote sensing data: A case study of Beijing City. Remote Sensing for Land & Resources, 2020, 32(3): 165-172.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2020.03.22      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2020/V32/I3/165
Fig.1  城市环境宜居性评价研究技术路线
地类 指数 公式 说明
水体 归一化差值水体指数(normalized difference water index, NDWI) NDWI=ρgreen-ρNIRρgreen+ρNIR 式中ρgreenρNIR分别为绿光和近红外波段的反射率。当NDWI0.12时,为水体[28]
植被 归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI) NDVI=ρNIR-ρredρNIR+ρred 式中ρred为红光波段的反射率。当NDVI>0.12时,为植被[29]
道路 长宽比指数(R) R=LW 式中: L为图斑对象长度; W为图斑对象宽度。设置阈值R≥3,L≥170像元为道路[30]
建筑用地 灰度最大差值与亮度的比值(Diffmax); 形状指数(K); 灰度共生矩阵熵(Ent) Diffmax=i,jKB|ci(v)-cj(v)|c(v)
K=AP
Ent=i=1nj=1np(i,j)×ln[p(i,j)]
式中: ci(v)为对象vi层的平均亮度值; cj(v)为对象vj层的平均值; KB为所有的对象; c(v)为所有层对象v的平均值[31]; AP分别为影像对象的面积和周长; p(i,j)为像元值ij出现的概率[32]
裸土 紧凑度(C) C=n×mb 式中: C为紧凑度; n为影像对象的宽; m为对象的长度; b为对象内的像素数[31]
Tab.1  各地物类型对应的分类规则集
地类 单因子
评分
说明
植被区 100 植被区作为理论上的最佳居住区
建筑用地 90 已经作为居住区,默认为较适合于居住或办公
裸土 80 裸土种类较多,在城市的裸土可能是潜在的建筑用地和绿地
水体 不直接参与评分,水源作为其他像元生态环境的参考
道路 不直接参与评分,道路作为其他像元交通通达性的参考
Tab.2  城市生态用地类型对城市环境宜居性的单因子评分
NDVI 单因子评分 说明
[0.5,1] 100 浓密植被
[0.4,0.5) 90 较浓密植被
[0.3,0.4) 80 部分植被覆盖
[0.15,0.3) 70 稀疏植被
[-0.2,0.15) 60 裸土,但不包括水体
Tab.3  城市NDVI对城市人居适宜性单因子评分
与水体的距离/m 单因子
评分
说明
<200 100 在水体(例如公园、湿地等)周围
[200,500) 90 直接受水体环境影响大
[500,1 000) 80 水体辐射范围可能受其他建筑的影响
[1 000,1 500) 70 水体辐射范围受其他建筑的影响,常常需要乘坐交通工具才能到达
≥1 500 60 距离水体较远,需要乘坐交通工具才能达到
Tab.4  城市水体辐射距离对城市环境适宜性的单因子评分
与主干道
的距离/m
单因子
评分
说明
<20 100 方便自驾或乘公交
[20,50) 90 比较方便自驾或乘公交
[50,200) 80 要绕过1~2栋建筑物才能到主干道
[200,500) 70 需要步行才能到主干道
≥500 60 比较偏离主干道
Tab.5  城市道路辐射距离对城市人居适宜性单因子评分
热岛效应强度累
积直方图比例
单因子
评分
说明
[95%,100%] 60 高温,酷热,必须借助降温设施
[80%,95%) 70 温度较高,需要借助降温设施
[60%,80%) 80 温度高,但不影响正常生活
[40%,60%) 90 温度合适
[0,40%) 100 温度低,夏季凉爽
Tab.6  夏季城市热环境对城市人居适宜性单因子评分
热岛效应强度累
积直方图比例
单因子
评分
说明
[95%,100%] 60 工业高温区,影响正常生活
[85%,95%) 70 温度较高
[75%,85%) 80 温度高
[60%,75%) 90 温度一般
[45%,60%) 100 温度适中
[35%,45%) 90 温度低
[25%,35%) 80 温度较低,需要保暖措施
[15%,25%) 70 温度低,必须要保暖措施
[0,15%) 60 温度非常低,冰雪覆盖等,需要加强防寒保暖等措施
Tab.7  冬季城市热环境对城市人居适宜性单因子评分
累积直方图比例 权重 说明
Iland_cover 0.4 具有决定性作用
Iwater_dist 0.1 一般影响
Iroad_dist 0.1 一般影响
INDVI 0.2 重要影响
IUHI 0.2 重要影响
Tab.8  城市环境宜居性各个单因子权重
EQI 等级 说明
[90,100] 宜居 居住环境很好
[80,90) 较宜居 居住环境好
[70,80) 一般宜居 居住环境一般
[60,70) 较不宜居 居住环境差
[0,60) 不宜居 居住环境很差
Tab.9  EQI划分区间与城市环境宜居性等级
Fig.2  北京市3个日期的高分影像城市生态用地分布
Fig.3  北京市3个日期各种城市生态用地统计
Fig.4  北京市3个日期地表温度与城市热岛强度分布及其直方图
Fig.5  北京市3个时相城市人居适宜性评价结果
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