基于最小噪声分离的沙特吉赞省城市建成区信息提取

李樵民 王文龙 魏采用 侯敏 杨雪茹

摘   要：基于MNF最小噪声分离光谱增强技术以及面向对象分类技术开展了沙特吉赞省城市建成区信息提取。研究成果显示，2008、2014、2018年三年度，吉赞省城市建成区面积分别为262.34、354.43和409.17km2。2008至2014年，吉赞省新增城市建成区92.09km2，增幅35.1%，年增长面积15.34km2，面积年增长率5.85%。2014至2018年新增城市建成区面积主要集中在吉赞经济城，且新增城市建成区主要为规划开发的独立新城，原城镇居民点面积增幅较小，空间上主要分布于该省中南部平原地区。

关键词：遥感  最小噪声分离   建成区  一带一路

中图分类号：TP79                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0047-04

2013年9～10月国家主席习近平出访中亚和东南亚国家期间，先后提出共同建设“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”（简称“一带一路”）重大倡议，得到国际社会高度关注。沙特吉赞省地处红海东岸，是推进“一带一路”共建的重要地区之一。利用遥感技术开展境外“一带一路”沿线重点地区生态地质环境调查，推进遥感技术“走出去”，为“一带一路”共建提供了一项新的科技合作桥梁。吉赞省城市建成区信息是反映该地区生态地质环境的重要指标之一。城市建成区面积及分布能够很好的反映研究区经济社会发展状况的分布形势，其变化情况也是研究区经济社会发展的状况的重要指标。

1  研究区概况

吉赞省位于沙特阿拉伯西南部，与也门接壤，西临红海，位于东经42°至43.8°，北緯16.5°至17°之间，属热带沙漠气候，全年高温干燥、炎热少雨，面积约为1.2万平方公里。该省地形多样，从北到南分布有多处河谷，洪水通过这些河谷从东部山区流向西部，直达红海。全省可分为内陆、林区和平原三部分。内陆是绵延的山脉，林区有丰盛的牧草，平原地区盛产农作物。区位如图1所示。

2 数据源与研究方法

2.1  遥感数据源

选择吉赞省2008年、2014年于2018年的Landsat数据与国产GF-1数据进行城市建成区解译与分析，选用的遥感数据源如表1所示。

国产高分一号（GF-1）卫星搭载两台2m分辨率全色和8m分辨率多光谱相机（PMS），四台16m分辨率多光谱相机（WFV）。其数据时相自2013年4月26至今，对于推动我国卫星工程水平的提升、提高我国高分辨率数据自给率具有重大战略意义。其数据参数如表2、图2所示。

Landsat-8于2013年2月运行至今，目前中国科学院中国遥感卫星地面站所生产的Landsat-8数据产品一共有四个级别，分别是0级、1级、系统纠正级与精纠正级，系统级纠正产品可获取性最高。此外，通过美国地质调查局（USGS）同样可获取到相应Landsat-8卫星数据。Landsat-8卫星数据参数如表3、图3所示所示。

2.2 研究方法

基于MNF最小噪声分离光谱增强技术以及面向对象分类技术进行城市建成区范围提取。

最小噪声分离变换（Minimum Noise Fraction Rotation，MNF Rotation）通过判断图像数据内在维数（即遥感数据波段数），通过分离数据噪声达到减少随后处理中的计算需求量的目的。在真彩色影像中，受制于吉赞省热带荒漠气候条件，砂质土地与城市建成区难以区分，在USGS推荐的7/6/4波段组合中，虽然用到了短波红外波段，相较于波长较短的波段来说，城市建成区效果比较明亮，但其边界纹理仍然不够清晰。经过多次试验，最终通过最小噪声分离处理，有效的将分布在建成区范围内的噪声分离并且将有用信息保留在前三波段中。通过对处理后的波段进行重新组合，得到了基于MNF增强了的建成区范围的遥感影像。在此基础上进行面向对象的影像分类。影像增强效果如图4所示。

面向对象分类技术是指，集合临近像元为对象用来识别感兴趣的光谱要素，利用高分辨率遥感数据的空间纹理和光谱信息来分割和分类的特点，以提供高精度的分类结果。其中，比较常用的就是多尺度分割算法，该方法综合遥感图像的光谱和纹理特征，计算图像中每个波段的光谱异质性与形状异质性，并根据各个波段所占的权重计算数据所有波段加权值，当分割出的对象和形状综合加权值小于指定的阈值时进行重复迭代运算，直到所有分割对象的综合加权值大于阈值。

由于本次工作以通过最小噪声分离变换增强了城市建成区的边界纹理，为了排除“异物同谱”现象的干扰，分割方法有针对性的选择了基于灰度与纹理的分割算法。分割效果如图5所示。

3 研究成果

研究成果显示，吉赞省城市建成区面积总量不大。2008、2014、2018年三年度，吉赞省城市建成区面积分别为262.34、354.43和409.17km2。2008至2014年，吉赞省新增城市建成区92.09km2，增幅35.1%，年增长面积15.34km2，面积年增长率5.85%。城市建成区新增地区主要集中在阿布阿里什东侧的QAIMA地区、阿布阿里什南侧的ISKAN城，以及萨米泰北部地区。上述三处地区均为人工规划开发的独立新城，房屋建筑规划整齐划一，路网完整。2014至2018年，新增城市建成区54.74km2，增幅14.44%，年增长面积13.68km2，面积年增长率3.86%。城市建成区新增地区主要集中在阿布阿里什东北侧的工业城以及吉赞经济城规划区内。如图7所示。

整体看来，2008至2018年十年间，吉赞省城市建成区面积增幅较为稳定，处于年增长率5%左右。同时，近四年增速略有放缓。但是从城市建成区新增区域分布状况仍可看出，吉赞经济城开工建设后，成为了该省主要的开发集中区。如表4、图6、图7所示。

4 结语

（1）2014至2018年新增城市建成区面积主要集中在吉赞经济城。

根据吉赞经济城高精度遥感监测成果显示，2014至2018年间该区域城市建成区（道路广场用地、对外交通用地、工业用地、居住用地、公共设施用地）合计增长面积8.54km2，占全省新增面积54.74km2的15.6%。是该省城市建成区面积增长最为集中的区域。同时，根据2008与2014年两期吉赞省城市建成区调查成果图对比可见。该6年间吉赞经济城区域城市建成区面积增幅在全省范围内并不显著，其主要的开发建设集中在了2014至2018年间。

（2）新增城市建成区主要为规划开发的独立新城，原城镇居民点面积增幅较小。

根据吉赞省2008、2014以及2018年三期城市建成区调查成果叠加分析显示，吉赞省新增的城市建成区主要为统一规划开发的独立新城，原城镇居民点面积增幅较小。且2008至2014年新增城市建成區主要为以人类居住区为主的新城区，而2014至2018年主要为工业园区。

原有城镇居民点中，仅省会吉赞市南部与北部具有少许新增建成区、阿布阿里什东北部具有少许新增建成区，其余城市并没有显著的建成区扩大现象。

（3）城市建成区主要分布于中南部平原地区。

根据吉赞省2008、2014和2018年三年度城市建成区遥感调查成果显示，吉赞省城市建成区虽然呈现逐年增长的趋势，但是主要分布于中南部平原地区的这一特征始终未变。北部荒漠戈壁地区与东部山区未出现明显的城市建成区扩大、增长现象。结合高分影像判断推断，相较于北部平原地区，中南部平原区河谷分布密度明显较高，水资源是制约城市分布与扩张的重要因素。而东部山区城镇以高分散度的零星建筑聚落存在，其光谱特征难以被30m分辨率遥感数据采集，提取效果不明显。并且结合高分影像分析，该地区没有明显的城市建成区扩大现象。吉赞经济城位于中南部城市集中区的最北端，成为该省新的城市建成区面积增长极。

参考文献

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