Landsat卫星观测下的30米全球不透水面年度动态与城市扩张模式(1972到2019)

半个世纪以来,全球范围内剧烈的人类活动对气候、环境、生态系统的破坏影响了人类健康与福祉、制约了可持续发展。不透水面(ISA,指具有不透水特性的人造地表结构,主要包括屋顶、铺面、硬化地表、道路等)作为人类活动最显著的区域,其时空动态是理解和监测人类对自然影响的重要基础参数。本研究采用自1972年来的超过三百万景Landsat影像,研发了一套从70年代至今的最细时空粒度的全球不透水面产品(GISA)。以全球270个城市随机选取的120,777参考点验证,其漏报率、虚警率和F-score分别为5.16%,0.82%和0.954。与现有全球产品相比,本研究的优势在于:1) 提供1985年以前的全球不透水面(ISA)分布,具有最长的时间跨度(1972~2019年),和最高的精度(经大量随机验证点和第三方验证样本集评价);2) 提出一种新的全球ISA地图绘制方法,包括半自动全局样本采集、局部自适应分类和时空后处理;3) 我们将整个全球陆表作为实验区域来提取ISA(不是仅从城市范围内提取),因此减少了低估。基于GISA,本研究首次制作了长时间序列的全球城市扩张模式产品(GUEP),并对各大洲及其代表性国家的城市扩展格局进行分析。本研究提供的新数据集将有助于进一步地理解近半个世纪以来人类对地表环境的改造,可通过以下网址下载:http://irsip.whu.edu.cn/resources/dataweb.php。

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图1 全球ISA制图方案流程图。

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图2 GISA产品中(a)1972年和(b)2019年的ISA分布,每个像素表示0.3°×0.3°范围内ISA的面积。

从1986年到2018年,我们统计全球各大洲每两年城区ISA扩张类型,进一步对比近30年来各国的扩张模式。在全球范围内,近30年来城区ISA的连续扩展均以边扩张类型为主,除大洋洲(非显著性增长)和北美(2008年以后有一定震荡)以外,全球各洲的边扩张模式随时间线性增长,这说明城市蔓延是全球的普遍现象,而且正在加速。总的来讲,北美洲的边扩张比例最高,可能由于该地区的城市低密度蔓延。从时序上看,非洲和亚洲不仅是城市化进程最快的地区,也是全球城市线性加速蔓延的主要地区。

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图3 全球和大洲尺度上的城市扩张模式。

论文相关链接:Huang X., Li J., Yang J., Zhang Z., Li D., Liu X. 30-m global impervious surface area dynamics and urban expansion pattern observed by Landsat satellites: from 1972 to 2019.SCIENCE CHINA Earth Sciences, 2021, DOI: 10.1007/s11430-020-9797-9.

供稿 |李 家 艺

编辑 |李 家 艺

审核 |黄 昕