武汉市2015年不透水面的提取及其空间自相关分析

武汉市2015年不透水面的提取及其空间自相关分析摘要：利用分类回归树（CART）从高分一号遥感影像提取武汉市2015年不透水面，总体精度为94.17%，Kappa系数为0.898 6，满足精度要求。

然后通过Moran指数I和Moran散点图对武汉市13个城区的不透水面盖度进行了空间自相关分析。

结果表明，Moran指数为0.241 2，高度显著，说明武汉市13个城区的不透水面盖度存在较强的正向空间自相关。

同时，位于武汉市中部的武昌区、青山区、江岸区、江汉区、汉阳区和?~口区都位于Moran散点图的第一象限，说明武汉市不透水面在中部地区高度集聚；其他7个城区位于第二象限，说明这7个城区的不透水面盖度较低且呈离散分布。

总体而言，武汉市2015年13个城区不透水面盖度存在较强的空间自相关，且中部高，四周低，与实际情况基本一致。

关键词：武汉市；不透水面；分类回归树；空间自相关；Moran指数；Moran散点图中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）09-1642-06DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2017.09.011Extraction of Impervious Surfaces and Their SpatialAutocorrelation Analysis of Wuhan City in 2015YUAN Xiu-liu1，2，YANG Kun2，WANG Bao-yun2（1.School of Tourism and Geographical Sciences，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；2.GIS Technology Research Center of Resource and Environment in Western China，Ministry of Education，Kunming 650500，China）Abstract：The impervious surfaces of Wuhan in 2015 were extracted from the GF1 remote sensing image by the classification and regression tree （CART）. The Overall accuracy was 94.17%，and Kappa coefficient was 0.898 6. Then spatially autocorrelation analysis of the impervious surface coverage of13 regions of Wuhan was carried out by Moran index and Moran scatter plot. The results showed that Moran index was 0.241 2，and reached highly significant，which indicated that there was a strong positive spatial autocorrelation in impervious surface coverage of 13 areas of Wuhan. Meanwhile，Wuchang district，Qingshan district，Jiangan district，Jianghan district，Qiaokou district and Hanyang district in the central of Wuhan were located in the first quadrant of Moran scatter plot，indicating the impervious surfaces of Wuhan highly concentrated in the central region；other seven regionsin the second quadrant，indicating that impervious surface coverage of these seven area were low and presented discrete distribution. Overall，the impervious surface coverage of 13 regions in Wuhan in 2015 has strong spatial autocorrelation，and the center areas were high，and around areas were low，this tendency basically was consistent with the actual situation.Key words：Wuhan city；impervious surface；the classification and regression tree；spatial autocorrelation；Moran index；Moran scatter plot不透水面指不透水的人造硬化地表，主要包括屋?、沥青或水泥道路以及停车场等具有不透水性的地表面，与透水性的植被和土壤地表面相对；不透水面盖度（Impervious surface coverage，ISC）指某区域内不透水面覆盖面积与区域面积的比例[1]。

不透水面是城市景观的最主要特征，近年来，城市化的快速发展使得不透水面不断扩张，利用遥感影像提取不透水面并分析不透水面的密度、空间范围和格局以及动态变化有助于城市土地的合理利用与发展规划。

Yang等[2]采用阈值分割的方法将ISC分为自然地表、低密度城市用地、中等建设密度用地和高密度城市用地。

任鹏飞等[3]利用Landsat ETM+影像提取了昆明市主城区的不透水面，且分析指出了2000-2010年该地区的不透水面明显增加，并向郊区扩张。

王丽云等[4]利用TM影像分析了宁波市2000-2010年不透水面变化，该地区不透水面在10年间不断增长，且不同年份之间增长速度不同。

翟珂[5]利用Landsat8 OLI影像分析了渤海地区的不透水面趋向海岸分布，不透水面斑块化程度增加。

谢慧君等[6]利用光谱混合分解的方法提取了天津于桥水库流域的不透水面的盖度，并分析指出了该流域的不透水面盖度在30年间逐年增高，且呈线性增长。

综上，已有很多研究对不透水面的密度、空间范围和格局以及动态变化进行了分析，但是几乎没有对不透水面的空间自相关性进行分析。

然而，通过分析不透水面的空间相关性可以进一步了解某地区不透水面的空间分布规律以及空间差异，从而揭示该地区城市化水平的空间差异。

本研究利用高分一号遥感影像为主要数据源，通过分类回归树（Classification and regression tree，CART）提取了武汉市2015年12月6日的不透水面，在保证有效提取精度基础上，对该地区13个行政区划单元的不透水面盖度进行了空间自相关分析。

通过此分析可以了解武汉市2015年13个城区不透水面盖度的空间分布规律和空间分布差异，进而揭示该地区城市化水平的空间差异，这对该城市的规划与发展具有重要意义。

1 数据来源与方法1.1 研究区概况武汉市位于东经113°41′-115°05′，北纬29°58′-31°22′。

地处中国中心，江汉平原东部，长江与汉江的交汇处，是国家区域中心城市（华中）、副省级市和湖北省省会。

武汉市现有13个辖区，其中江岸区、江汉区、?~口区、汉阳区、武昌区、洪山区、青山区7个为中心城区，?|西湖区、蔡甸区、江夏区、黄陂区、新洲区、汉南区6个为新城区。

截至2014年末，武汉市全境面积8 494.41 km2；常住人口1 033.80万人，户籍人口827.31万人；其中，农业人口268.03万人，非农业人口559.26万人。

武汉还是中国重要的工业基地，拥有钢铁、汽车、光电子、化工、冶金、纺织、造船、制造、医药等完整的工业体系；2014年，武汉市GDP 达到10 069.48亿元，迈入中国城市“万亿GDP俱乐部”居华中首位。

2 结果与分析2.1 不透水面提取武汉市2015年主要的土地覆盖类型分为植被（含农用地）、水体和不透水面（建筑用地）、裸地4类。

因此，在遥感影像样本选择时选择植被、水体、裸地和不透水面4类样本，选取的4类样本用于建立CART分类规则和分类的精度验证。

4类样本的数量和样本的可分离性如表2所示。

为了利用CART有效地提取不透水面，需对样本进行统计分析，提取CART分类规则。

首先通过波段运算得到新波段的比居民地指数（RRI）和归一化差异水体指数（NDWI），其中RRI=■[11]，NDWI=（B2-B4）/（B2+B4）[12]，其中，B为波段b的像元值。

然后把RRI和NDWI和已有的4个波段（b1，b2，b3，b4）进行波段叠加，生成具有6个波段的新遥感影像，最后在新的遥感影像的基础上对4类样本进行样本统计，如表3所示，得到4类样本在6个波段上的平均像元统计值，为CART分类规则的建立提供依据。

在样本统计的基础上建立初步的CART分类规则，构建初步的分类树，并通过多次的阈值调整对分类规则进行修改，从而得到最终的分类规则和分类树（图1）。

分类规则构建步骤如下：①如表3所示，水体的NDWI平均值为-0.27，而其他类型的NDWI平均值都大于0，因此，利用NDWI 由图2可知，不透明水平盖度较高的江汉、江岸、?~口、汉阳、青山、武昌、东西湖和洪山8个城区集中在武汉市中部，而低不透水面盖度的蔡甸、汉南、新洲、江夏、黄陂5个城区分布在武汉市的四周。

结合图3，第一象限的6个城区和第二象限的7个城区则更能说明武汉市2015年不透水面主要集中在中部，而四周的不透水面盖度较低，从而反映出武汉市2015年城市化水平中部高而四周低，且差异较大。

这与江岸、江汉、?~口、汉阳、武昌、洪山、青山7个城区是中心（老）城区，而东西湖、蔡甸、江夏、黄陂、新洲、汉南6个城区是新城区的实际情况基本一致。

3 小结与讨论3.1 讨论武汉市2015年不透水面提取的有效精度是对13个城区不透水面盖度进行空间自相关分析的前提。

本研究采用精度较高的CART分类树进行不透水面的提取，但由于武汉市地表特征复杂及遥感影像空间分辨率较低，武汉市2015年不透水面的提取精度受到一定限制。