TCSES 18-2020 面向黑臭水体监管的城市建成区遥感提取技术指南

ICS13.060.99CCSZ50团体标准T/CSES18—2020面向黑臭水体监管的城市建成区遥感提取技术指南Urbanbuilt-upareasextractionguidelinesforusingremotesensingtechnologyforblack-odorouswatersupervision2020-12-29发布2020-12-29实施中国环境科学学会发布T/CSES18—2020I目次前言................................................................................II引言...............................................................................III1范围..............................................................................12规范性引用文件....................................................................13术语和定义........................................................................14缩略语............................................................................35技术原理..........................................................................36提取技术与方法....................................................................57提取结果验证......................................................................98监测产品制作.....................................................................109质量控制.........................................................................10附录A（资料性）相关卫星参数.......................................................11附录B（资料性）建成区提取案例.....................................................13T/CSES18—2020II前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由生态环境部卫星环境应用中心和中国科学院空天信息创新研究院提出。本文件由中国环境科学学会归口。本文件起草单位：生态环境部卫星环境应用中心、中国科学院空天信息创新研究院。本文件主要起草人：朱利、李家国、王雪蕾、杨红艳、孟庆岩、孟斌、周亚明、冯爱萍、陶金花、赵利民、占玉林、杨健、陈兴峰、黄莉、徐逸、朱南华诺娃。T/CSES18—2020III引言为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法（2008修订）》，科学、规范、及时有效地进行面向城市黑臭水体监管的建成区卫星遥感提取工作，促进遥感水环境应用技术的创新、示范和推广，制定本文件。改革开放以来，我国城镇化和工业化进程的发展速度不断加快，但城市基础设施建设不足，使得一些城市水体直接成为工业、农业及生活废水的主要排放通道和场所，导致城市部分水体大面积污染，进而形成“黑臭”。城市建成区是具有基本完善的市政公用设施的城市建设用地，是城市水环境的重要载体，因此，面向黑臭水体开展城市建成区的提取技术攻关已迫在眉睫。本文件从城市建成区遥感提取的内容、数据源、技术方法等方面入手，以期指导实际建成区空间分布提取工作，为符合实际管理需求的建成区遥感提取正式法规的最终建立奠定技术基础。T/CSES18—20201面向黑臭水体监管的城市建成区遥感提取技术指南1范围本文件规定了面向城市黑臭水体监管的城市建成区遥感提取技术原理、技术与方法、结果验证、监测产品制作和质量控制。本文件适用于城市黑臭水体监管中城市建成区范围的卫星遥感提取。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GJB2700—1996卫星遥感器术语3术语和定义GJB2700—1996界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1像元pixela.包含空间和光谱两个变量的遥感图像数据单元。其中，空间变量确定了分辨单元的视在尺寸，光谱变量确定了这个分辨单元在具体信道中的光谱响应的强度；b.数字图像中由每个数字值代表的地面面积单元。该数字值代表按要求的取样间隔对探测器输出的模拟信号的取样[来源：GJB2700—1996，3.1.1.8]3.2空间分辨率spatialresolutiona.遥感系统能区分的两个相邻目标之间的最小角度间隔或线性间隔；b.微波遥感器的天线主波束宽度所覆盖的地域大小。[来源：GJB2700—1996，3.1.3.2]3.3大气校正atmosphericcorrection消除大气因素对卫星遥感测量参数影响的各种处理。[来源：GJB2700—1996，3.1.5.12]3.4T/CSES18—20202绝对定标absoluteradiometriccalibration确定遥感器输出信号与输入的辐射量之间或者与目标景物的特性参量（如温度、反射率等）之间的比例关系的方法或过程。[来源：GJB2700—1996，3.1.1.20]3.5建成区built-uparea城市行政辖区内实际已建设发展起来的非农业生产建设地段。注：包括市区集中连片的部分，以及分散到近郊区但与城市有着密切联系的其他城市建设用地。3.6不透水面impervioussurface一种水体不能通过其渗入到土壤中的人工地表特征，主要由道路、停车场、广场及屋顶等建筑物组成。3.7专题图thematicmap具有某种属性的图形集合。3.8陆地卫星Landsat美国用于探测地球资源与环境的地球观测卫星系列。3.9归一化差值植被指数normalizeddifferencevegetationindex；NDVI为近红外波段和红波段通道反射率之差除以它们的和。3.10归一化差值水体指数normalizeddifferencewaterindex；NDWI为绿波段和近红外波段通道反射率之差除以它们的和。3.11改进的归一化差值水体指数modifiednormalizeddifferencewaterindex；MNDWI为绿波段和中红外波段通道反射率之差除以它们的和。3.12归一化差值建筑指数normalizeddifferencebuildingindex；NDBI为中红外波段和近红外波段通道反射率之差除以它们的和。3.13基于指数的建筑用地指数index-basedbuilt-upindex；IBI采用三个专题指数波段SAVI植被指数、MNDWI水体指数、NDBI建筑指数构建而来，在人工建筑指数的基础之上再次消除水体和植被的影响，进而达到进一步增强人工建筑的目的。T/CSES18—202033.14生物物理指数biophysicalcompositionindex；BCI以植被-非渗透表面-土壤三角模型为基础，通过对缨帽变换后的亮度、绿度和湿度三组份的进一步改造而得。3.15归一化不透水面指数normalizeddifferenceimpervioussurfaceindex；NDISI采用复合波段的形式创建，可以用于大区域范围内快速、自动地提取不透水面信息。3.16植被调整归一化城镇指数vegetationadjustednormalizedurbanindex；VANUI引入归一化植被指数NDVI，以解决城市夜间灯光的饱和问题。为1减NDVI的值与夜间灯光数据的乘积。3.17温度与植被调整城镇指数temperatureandvegetationadjustednormalizedurbanindex；TVANUITVANUI在VANUI指数基础之上，进一步融入温度参数，进而解决相同NDVI但温度不同的像素的弥散和饱和问题。3.18陆表温度landsurfacetemperature；LST地面的温度。太阳的热能被辐射到达地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，对地面温度测量后得到的温度为陆表温度。4缩略语下列缩略语适用于本文件。DMSP：国防气象卫星计划（DefenseMeteorologicalSatelliteProgram）MODIS：中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolutionimagingspectroradiometer）OLI：陆地成像仪（OperationalLandImager）TIRS：热红外传感器（ThermalInfraredSensor）5技术原理5.1提取方式利用Landsat中高空间分辨率、MODIS中低空间分辨率星载光学传感器以及NPP/VIIRS，DMSP/OLS等夜间灯光数据开展城市建成区范围卫星遥感提取工作。5.2数据要求中高空间分辨率卫星遥感器的空间分辨率通常在30米或优于30米，传感器设置需具有可见光、近红外、短波红外或热红外波段。以Landsat8卫星上携带的OLI和TIRS以及其它卫星数据为例进行说T/CSES18—20204明，相关波段设置见附录A。夜间灯光数据包括低、中空间分辨率，当前可获取的夜间灯光传感器数据主要包括DMSP/OLS、NPP/VIIRS、EROS-B、吉林一号、珞珈一号等。另外在使用夜间灯光数据过程中，为了解决灯光饱和的问题，通常需要其它多谱段可见光传感器数据的协助使用，可协助的数据包括MODIS、Landsat系列、GF系列等，在应用过程中根据实际可获取情况选择性使用。对于NPP/VIIRS，可优先使用做了大气、植被、月光校正的VNP46A2数据。相关传感器波段设置见附录A。5.3提取原理利用影像数据计算研究区归一化差值建筑指数（NDBI）、基于指数的建筑用地指数（IBI）、归一化不透水面指数（NDISI）、生物物理指数（BCI）、植被调整归一化城镇指数（VANUI）、温度与植被调整城镇指数（TVANUI），基于不同指标设置提取阈值，提取研究区人工建筑物分布，进而得到建成区空间分布范围。5.4提取内容城市建成区空间分布。5.5处理流程城市建成区遥感提取的一般流程见图1。对于多谱段遥感数据，首先对影像进行预处理，包括绝对定标、几何校正、大气校正和裁剪及拼接等。之后再计算不同反映建筑物程度的指数，包括生物物理指数（BCI）、基于指数的建筑用地指数（IBI）、归一化差值建筑指数（NDBI）、归一化不透水面指数（NDISI）。对于夜间灯光数据，首先处理协同影像得到陆表温度（LST）和归一化差值植被指数（NDVI），进而计算植被调整归一化城镇指数（VANUI）和温度与植被调整城镇指数（TVANUI）。之后对多光谱指数和夜间灯光指数进行不透水面密度计算，设定最优阈值获取建成区范围，并对孔洞进行后续处理。多谱段遥感数据选取遥感数据预处理几何校正图像裁剪或拼接全谱段指数计算BCIIBINDBI建成区提取阈值设定孔洞处理绝对定标大气校正夜间灯光遥感数据选取VANUI夜间灯光指数计算NDVI计算协