基于多源遥感影像时空融合的快速城市化地区长时序不透水面信息提取研究

Impervious surface, recognized as the iconic landscape reflecting anthropogenic forces in the process of remaking nature, has remarkable impacts on the regional ecosystem functions through its spatial and temporal patterns. Due to the inhomogeneity of urban environment, multi-source remote sensing data have been widely used for the impervious surface extraction. Nevertheless, traditional multi-source remote sensing based approaches lack spatiotemporal continuity, resulting in the difficulty of acquiring long term impervious surface information in rapidly urbanizing regions. To overcome this problem, this project is aimed at improving the methodology of impervious surface extraction based on the spatial-temporal fusion technology. The main research contents of this project include: 1) design a rapid urbanization specific spatial-temporal fusion approach for breaking the bottleneck of data spatiotemporal incontinuity; 2) explicit the relationships between features and impervious surfaces for the optimal feature set determination; 3) propose a new method that is capable of extracting long term impervious surface information based on inherent principles of impervious surface growth. This project is not only expected to narrow the gap between the practical application needs and available remote sensing data sources, but provide underpinnings for better understanding urbanization and its environmental effects.

不透水面是人类改造自然的标志性景观，其空间格局和时空变化对区域生态系统功能具有重要影响。由于城市地表环境的复杂性，常常需要借助多源遥感数据来实现不透水面提取。但传统基于多源遥感的提取方式缺乏时空上的连续性，导致对快速城市化地区难以获取到准确的长时序动态变化信息。为此，本项目旨在探索利用多源遥感影像时空融合以改善快速城市化地区长时序不透水面信息提取的原理、机制和方法。研究内容包括：1)设计面向快速城市化地区的时空融合模型，突破多源遥感影像数据缺乏时空连续性的瓶颈；2)联合样本信息，明确融合影像序列中各种特征与不透水面之间的作用关系并加以优化利用；3)基于不透水面在时间尺度上的变化规律，建立多层次的信息提取模式，提高快速城市化条件下长时序不透水面信息提取的准确性和针对性。本项目有望从深层次缩小遥感数据与不透水面信息提取需求之间的“科学鸿沟”，为评估城市化及其环境影响提供科学依据。

不透水面是人类改造自然的标志性景观，其空间格局和时空变化对区域生态系统功能具有重要影响。由于城市地表环境的复杂性，常常需要借助多源遥感数据来实现不透水面提取。但传统基于多源遥感的提取方式缺乏时空上的连续性，导致对快速城市化地区难以获取到准确的长时序动态变化信息。本项目通过开展基于时空融合的不透水面变化信息提取研究，建立了一套从特征优化选择到时间序列重建再到不透水面扩张时空变化信息提取的新方法理论体系。（1）研究了不同类型影像特征对不透水面信息提取的精度影响，提出基于地表环境的特征优化组合技术方案；（2）分析了土地覆盖变化对时间序列模型构建的影响机制，并以此为基础对不透水面变化检测流程进行全面优化；（3）以典型多云多雨地区为研究区域，以目前已有不透水面时空分布产品为参照对象，对新的技术方法体系进行了全面对比分析，证实了新提出方法理论体系的可靠性。本研究成果显著提高了现有方法的时间和空间精度，为快速城市化地区不透水面扩张监测及其生态环境效应分析提供了直接技术支撑。