基于高分影像光谱特征快速估算综合雨量径流系数的方法探索——以嘉兴海绵城市示范区为例

张建英，付 帅，艾 波

(1. 嘉兴市测绘与地理信息局，浙江 嘉兴 314050； 2. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590)



基于高分影像光谱特征快速估算综合雨量径流系数的方法探索
——以嘉兴海绵城市示范区为例

张建英1，付 帅1，艾 波2

(1. 嘉兴市测绘与地理信息局，浙江 嘉兴 314050； 2. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590)

依据综合雨量径流系数计算公式，提出了一种基于高分影像光谱特征的综合雨量径流系数快速估算方法。结合面向对象的影像分割分类技术及阴影区再分类方法，获取了试验区覆被分类信息，从而达到了快速估算综合雨量径流系数的目的，并以嘉兴海绵城市示范区为例，对比嘉兴市地理国情普查成果，验证本文方法的可行性。

综合雨量径流系数；光谱特征；快速估算；海绵城市；嘉兴市地理国情普查

中央城镇化工作会议提出“要建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”，并颁布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[1](以下简称《指南》)。作为典型的江南水乡城市，嘉兴被列入首批海绵城市建设试点。根据《指南》介绍，综合雨量径流系数，通过各地块雨量径流系数加权(城市覆被类型所占比例)计算获得，是计算入渗控制指标、确定年径流总量控制率、制定低影响开发规模(LID)方案[2-3]及雨洪综合优化管理决策的前提和依据[1,4]。因此，快速估算城市综合雨量径流系数对海绵城市建设具有重要意义[5]。

由于城市覆被类型所占比例决定综合雨量径流系数的计算结果，因此利用遥感影像数据精确、快速地提取各地表材质类型成为研究的关键。目前，影像分类的研究方法主要概括为3种类型[6]：①基于像素的直接分类法。Wu借助QuickBird数据，采用光谱混合分析的方法提取不透水层[7]；肖锦成等选取ETM+遥感数据中4个波段，构建了基于BP神经网络的滨海湿地覆被分类模型，并将其应用于盐城自然海湿覆被分类[8]；刘大伟等基于深度信念网络(DBN)模型对Resurs DK1高分辨率遥感影像进行了基于光谱-纹理特征的分类[9]。②面向对象的分类方法。佃袁勇等采用Mean-Shift分割算法对影像进行多尺度分割,构建了不同尺度上的地理对象，保持了地物对象的完整性和地物细节信息，从而实现了地物的变化检测[10]；刘纯等在多尺度分割的基础上，融合光谱特征、像元形状指数PSI、初始尺度和最优尺度区域特征，有效减少了基于像素的高分辨率遥感影像分类算法的“胡椒盐”现象，提高了易混淆类别的分类精度[11]。③多源数据协同的分类方法。苏伟等利用激光扫描LiDAR数据有无回波值提取水体，利用生成的数字表面模型DSM提取建筑物，利用QuickBird数据提取植被、道路等，有效地提高了城市覆被分类精度[12]。此外，城市范围高分辨率遥感影像覆被分类需考虑阴影区域对分类结果的影响。段光耀等提出了一种特征分量构建与面向对象结合的阴影提取方法，有效地提取了阴影区域[13]，由于光谱信息缺失，阴影区域分类还需要进一步研究[6,14]。

本文提出一种基于高分影像光谱特征快速估算综合雨量径流系数的方法，以嘉兴海绵城市示范区为例，采用面向对象的分割分类方法，提取城市覆被信息，同时考虑高分辨率影像中阴影区域对影像分类的影响，计算得到综合雨量径流系数；并与嘉兴市地理国情普查成果数据对比，试验结果表明本文提出方法具有有效性和可行性。

1 研究区域与试验数据

嘉兴海绵城市建设示范区范围北至环城河，南至槜李路，西至长水塘、西板桥港，东至菜花泾、纺工路、富润路，总用地面积为18.44 km2，其中包含旧城改造示范区域3.89 km2、南湖重点保护示范区域5.58 km2、已建新城改造示范区域6.02 km2及未建新城改造示范区域295 km2。如图1所示，虚线范围内为嘉兴海绵城市示范区。

图1 嘉兴海绵城市示范区

试验数据包括：①WorldView-3高分辨率卫星影像数据，包含空间分辨率为2 m的多光谱波段及0.5 m的全色波段，数据现势性为2015年8月2日，经辐射校正、数据融合等数据处理工作后，得到0.5 m空间分辨的DN值数据；②空间分辨率为0.2 m的数码航空影像数据，数据采集时间为2013年11月—12月；③嘉兴市地理国情普查成果数据，其中市情普查涵盖了海绵城市示范区地表材质与透水性质。

2 研究方法

2.1 综合雨量径流系数计算方法及技术路线

随着对降雨、入渗及地表径流之间特征关系认识的深入，已经明确了多种地表汇水面种类的降雨径流系数[4-5]，根据《指南》中“通过加权计算得到各地块的综合雨量径流系数”的方法，总结综合雨量径流系数φ的计算公式为

式中，φi为第i种汇水面的雨量径流系数；Ii为第i种汇水面的面积占比率。表1中列出了几种汇水面的雨量径流系数[1,15]。

表1 径流系数

由综合雨量径流系数φ的计算公式可知，城市覆被类型提取的准确度是关键。本文技术流程为(如图2所示)：①采用过度分割的方式将影像数据分割为对象，再通过神经网络方法实现面向对象的分类，得到初级分类结果；②构建3种针对阴影的特征分量，并结合航空影像选取样本，完成再分类；③统计分类面积，计算综合雨量径流系数。

图2 估算综合雨量径流系数技术路线

2.2 面向对象的分割分类方法

与面向像元的分割方法相比，面向对象的多尺度分割方法有效地提高了影像解译精度和效率。本文借助eCognition软件实现嘉兴海绵城市示范区的分割：①为示范区WorldView-3数据红绿蓝及红外4个波段赋予相同的权重；②经过多次试验，选定适宜的分割尺度参数，保证影像的过度分割，避免尺度过大引起的分割错误；③执行多尺度分割，获得影像对象层level1；④经过多次试验，选定适宜的最大光谱差异参数，执行光谱差异分割，合并光谱相似区，破碎光谱差异大的区域，得到影像对象层level2；⑤分区统计影像对象层level2中每个对象包含像元的均值，分别赋予对象相应的红、绿、蓝及红外属性字段，最后输出level2，得到面向对象的分割结果。

图3 3层感知器神经网络结构

2.3 阴影区再分类

图4 初级分类结果

图5 原始影像

图6 3种特征分量图

图7 数码航空影像

图8 再分类结果

3 试验与分析

经过多次试验，选定分割尺度参数为20，多尺度分割得到影像对象层level1(如图9所示)，共715 423个要素；选定最大光谱差异参数为5，光谱差异分割得到影像对象层level2(如图10所示)，共691 746个要素。对比对象层level1与level2，可见光谱差异较小的水体类合并效果明显。在影像对象层level2中选取750个样本对象(沥青混凝土类304个、橡胶类53个、裸土类144个、植被类173个及水体类76个)，基于多层感知器神经网络(MLP)模型得到分类结果(如图4所示)。由于阴影区域光反射率低，影像中的光谱特征更接近水体类，因此初级分类结果中阴影区域被划分为水体类。构建3种特征分量，得到再分类结果(如图11所示)，修正错误的阴影区域共计0.55 km2。

图9 度尺度分割

图10 光谱差异分割

根据分类结果，统计得到各类型汇水面的面积及占示范区的比例(见表2)，结合表1几种汇水面的雨量径流系数，利用综合雨量径流系数公式计算得到嘉兴海绵城市示范区综合雨量径流系数为0.44。为了验证试验结果的准确性，本文查阅嘉兴地理国情普查成果中海绵城市示范区地表材质与透水性质的资料，得到表3，平均综合径流系数为0.49。

图11 再分类结果

透水性汇水面面积/km2比例/(%)不透水层沥青混凝土6．9737．8橡胶塑胶0．050．3透水层裸土1．819．8植被7．8442．5水面水面1．779．6

表3 嘉兴市第一次地理国情普查成果公报中海绵城市示范区地表材质与透水性质

透水性汇水面面积/km2比例/(%)不透水层屋面2．3812．9混凝土0．965．2沥青2．4813．5橡胶塑胶0．060．3块石铺砌1．347．3其他不透水层0．020．1弱透水层碎石0．30 1．6 地下空间上绿化0．040．2屋顶绿化0．030．2其他弱透水层0．764．1透水层植被7．30 39．6 裸土和土路面0．191．0

对比试验结果可知，本文估算结果接近地理国情普查数据，可作为海绵城市综合雨量径流系数的参考，从而证明了该方法的可行性。同时试验估算的综合雨量径流系数偏低，分析原因主要有以下两点：①影像采集时间为植被茂盛的8月，且地下空间上绿化、屋顶绿化等被分类为植被，导致试验获取的植被面积要大于普查数据；②部分碎石、块石铺砌分类为裸土，连同植被间隙的裸土统计在内，导致试验获取的裸土面积要大于普查数据。

4 结 语

依据综合雨量径流系数计算公式，本文提出了一种基于高分影像光谱特征快速估算综合雨量径流系数的方法，结合面向对象的影像分割分类技术及阴影区再分类方法，获取试验区覆被分类信息，从而达到了快速估算综合雨量径流系数的目的；并以嘉兴海绵城市示范区为例，对比嘉兴市地理国情普查成果，验证了本文方法的可行性。

[1] 住房与城乡建设部.海绵城市建设指南(建城函〔2014〕275号)[Z].2014.

[2] United States Environmental Protection Agency. Urban Runoff: Low Impact Development[EB/OL].2016-10-25. https:∥www.epa.gov/nps/urban-runoff-low-impact-development, 2012.

[3] DIETZ M E. Low Impact Development Practices: A Review of Current Research and Recommendations for Future Directions[J]. Water, Air, & Soil Pollution, 2007, 186(1):351-363.

[4] 王虹, 李昌志, 程晓陶. 流域城市化进程中雨洪综合管理量化关系分析[J]. 水利学报, 2015, 46(3):271-279.

[5] 王虹, 丁留谦, 程晓陶,等. 美国城市雨洪管理水文控制指标体系及其借鉴意义[J]. 水利学报, 2015, 46(11):1261-1271.

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A Method for Rapid Estimation of Runoff Coefficient Based on Spectral Features of High Resolution Image——A Case Study in Sponge City Demonstration Area,JiaXing

ZHANG Jianying1，FU Shuai1，AI Bo2

(1. Jiaxing Administration of Surveying Mapping and Geoinformation, Jiaxing 314050, China； 2. Geomatics College, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

According to the formula of runoff coefficient of integrated rainfall,a rapid estimation method of runoff coefficient of integrated rainfall is proposed based on spectral features of high resolution image. With object oriented segmentation and classification technology and shadow classification method, classification information of demonstration area is obtained, so as to achieve the purpose of estimating the ratio.Taking Jiaxing sponge city demonstration area as an example, this paper compares the results of the national geographical census in Jiaxing to verify the feasibility of the method.

runoff coefficient of integrated rainfall; spectral features; rapid estimation; sponge city; the national geographical census of Jiaxing

张建英，付帅，艾波.基于高分影像光谱特征快速估算综合雨量径流系数的方法探索——以嘉兴海绵城市示范区为例[J].测绘通报，2017(6)：82-86.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0195.

2017-03-20

国家自然科学基金(41401529)

张建英(1967—)，女，高级工程师，主要研究方向为地理国情普查成果应用。E-mail:zzzren@163.com

付 帅。E-mail: geofushuai@foxmail.com

P237

A

0494-0911(2017)06-0082-05