遥感城市变化：碧空慧眼里的处处风景
来源： 中科院之声
如果说山川河港是大自然的鬼斧神工，那么一座座城市就是人类历史中的不朽奇观。虽然城市地表只占地球的3%，但却是世界上55%人口的家园。中国的城市人口在2025年预计达到9亿，修缮道路、建设住宅、搬迁工厂等人类活动在高强度地改变着城市土地，并造成了热岛效应、城市内涝、空气污染等各种“城市病”。联合国可持续发展的目标是：建设包容、安全、可持续城市和社区，这急需摸清城市土地的“家底”，科学度量城市景观演变，从而科学地支撑城市土地资源合理开发利用，为城市居民和社会经济活动提供优质便捷的城市环境。
遥感卫星是环绕着地球的“慧眼”，其从太空传回的遥感影像就像是地球的自拍照，显示了城市土地景观覆盖/利用的现状（图1）。通常用于观测城市的遥感数据包括Landsat影像、Sentinel影像、Gaofen影像、WorldView影像等。其中，Landsat系列卫星在轨时间最久，是观测长时间陆地变化的最佳选择。
图1 Google Earth影像中的城市
与普通的自拍照不同，Landsat影像具有丰富的光谱信息。遥感专家能通过分析光谱特征、设置分类规则、构建分类器的顺序将遥感影像数字化，获得30米分辨率的土地覆被/利用地图。科学家通过这些地图发现，近几十年来中国经历着快速的城市化过程，且在各地区呈现不同的扩张形态，但往往侵占了耕地、森林、湿地等。这些发现为政府制定城市化政策和策略、引领城市可持续发展提供了重要的科学信息。
尽管如此，现在的30米土地覆被/利用地图已经不能满足高精度的城市土地变化观测，一些小面积的土地变化往往被忽略了。此外，以往的土地覆被/利用地图的制图方法耗时久，不利于及时地获取城市景观信息。针对这些问题，中国科学院东北地理与农业生态研究所的科研人员基于GEE云计算，提出了Landsat图像锐化算法和MDR分类体系，成功探明了长春市2000至2019年长时间序列-逐年的15米分辨率城市景观演变（图2），精度可达92%以上，为科学量化城市景观变化、突变点及其生态影响提供了重要的数据支撑。
图2 图像锐化算法和逐年长春市土地覆被/利用地图
研究表明：2000年至2019年，长春市景观动态以建成区增加（34.0×103ha至47.5×103ha）、耕地减少（22.0×103ha至5.7×103ha）为主，城市绿地面积持续增加。2009年是土地动态的转折点。2009年之后，建成区增速由每年2.24%减至每年1.30%、耕地流失的速度由每年9.19%减至每年5.29%、绿地增速由每年2.66%减至每年0.43%。20年来，尽管建成区不断增加，但城市绿地占建成区的比例维持在4%左右。GDP增长、人口流动、工业发展是长春市景观变化的主要驱动因素。建成区比例增长、绿地比例增长与市区风速减缓显著相关，导致了市区细颗粒物的增长。
经实验，在MDR分类体系和锐化算法的支持下，研究人员能在短时间内以超过0.85±0.01的准确度绘制世界上主要大城市的土地覆被/利用（图3）。这一结果表明，本研究的Landsat锐化算法和MDR分类器具有较强的可用性，是城市景观研究的新契机。遥感科学、城市科学、生态和环境科学等领域的科研人员都能够通过本研究方法以高时空分辨率观测城市“风景”。这项工作的研究结果肯定了新世纪以来长春市在花园城市建设中的努力，但提醒规划工作人员应注意灰绿景观的合理配置，以改善城市环境。
图3 本研究方法绘制的主要城市土地被/利用地图
该研究由任志彬副研究员、博士生董禹麟、博士生付尧等主要完成，何兴元研究员为通讯作者，相关成果发表在Remote Sensing。该研究由中国科学院青年促进会会员项目（2020237）、国家自然科学基金项目（41701210）、吉林省科技发展项目（20190303067SF）等共同资助。
