佳文赏析 | 《Geo-spatial Information Science》：用遥感来评估城市环境可持续发展

联合国经济及社会理事会2017年报告中指出，全球已有54%的人口生活在城市。然而，2014年的一项调查中指出，城市居民每10个人中有9人呼吸的空气不符合世界卫生组织的安全标准。城市与环境的可持续发展问题已成为人类面临的新挑战。

在过去的二十年间，城市化进程最迅猛的莫过于中国。中国的城市扩张与发达国家有何不同？何种模式在可持续发展中更优？采用何种标准来评价城市的可持续发展潜力？

为此，GSIS特邀ISPRS前主席（2000-2004年）新南威尔士大学荣誉教授John Trinder撰写学术论文Assessing environmental impacts of urban growth using remote sensing ，对中国武汉和澳大利亚悉尼这两座截然不同的城市过去30年来的环境变化进行了比较，为评估城市环境可持续发展提出了一种可能性。

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引用本文

John Trinder & Qingxiang Liu (2020) Assessing environmental impacts of urban growth using remote sensing, Geo-spatial Information Science, 23:1, 20-39, DOI: 10.1080/10095020.2019.1710438

以下为论文主要研究内容：

• 使用端元光谱混合分析（MESMA）和超分辨率映射（SRM）相结合的方法，利用人工神经网络（ANN）预测的小波方法，推导出分类分数，生成更高空间分辨率的分类图。

•  对武汉和悉尼30年来的Landsat影像进行植被、建筑物、水和土壤的分类。然后使用Indifrag软件对分类进行处理，以评估30年来建筑物、植被、水和土壤面积变化所造成的破碎程度。

• 对武汉和悉尼城市化进程中生态系统服务价值（ESV）的变化进行了评估，从1988年至2017年期间提取的武汉和悉尼的ESV表明，如果在评估生态系统服务价值时建筑未被指定为城市区域组成部分，武汉和悉尼的生态系统服务价值损失分别为20%和3%。同时，建议使用ESV作为城市化影响评价的指标。

研究发现，武汉市部分地区的绿地水平在过去30年中有明显下降的趋势，低于本文提出的最低建议水平；城市紧凑度如增加到一定限度以外，对人口以及动植物群的健康和福祉是不可取的。武汉部分地区似乎已经达到或可能超过了一个令人满意的上限。

而悉尼由于近30年来吸收了大量移民，城市化水平也有所提高，但绿地比例一直保持在适合居住区的水平。但是，由于缺乏足够的基础设施和服务，经常会出现通勤时间过长的问题，从而导致交通拥堵，温室气体排放过多、服务效率无法提升。因此，这两个城市的住房密度都不太理想。

作者在文章结尾处指出，随着各国继续城市化，迫切需要确定如何评估和实现可持续性。这不仅是遥感专家的任务，而且是一项多学科的任务，应该包括社会科学家、环境学家和城市规划者、决策者、经济学家和政治家。

特别值得指出的是，本文使用了来自中国的资源三号和高分一号卫星影像数据。国产卫星数据正在为世界范围内的遥感学科发展做出越来越重要的贡献。

作者简介

John Trinder 1965-1999年受雇于澳大利亚新南威尔士大学，1990-1999年升任教授和校长，2013年当选新南威尔士州名誉研究员。他目前担任新南威尔士大学土木与环境工程学院名誉客座教授。John Trinder 教授在新南威尔士州从事教学和研究大约55年，专长是摄影测量、遥感和空间信息。他的研究兴趣始终包括这些领域以及它们对研究环境影响的贡献。他曾任国际摄影测量和遥感学会（ISPRS）主席（2000-2004年），目前是ISPRS荣誉会员。

John Trinder PhD (NSW) MSc (ITC) was employed at the University of NSW, Australia, from 1965-1999, progressing to Professor and Head of the School from 1990-1999 and was elected Honorary Fellow of UNSW in 2013. He currently holds the position of Visiting Emeritus Professor in the School of Civil and Environmental Engineering at the UNSW. John has undertaken teaching and research at UNSW for about 55 years, specializing in Photogrammetry and Remote Sensing and spatial information. He maintains an interest in these areas, and their contributions to studying environmental impacts. He was President (2000-2004) of the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS) and is currently an Honorary Member.

Qingxiang Liu   2013年本科毕业于武汉大学，2018年获得新南威尔士大学地理信息工程博士学位。她曾从事大规模湿地测绘、海岸线变化监测、地形几何学和矿区植被恢复监测的遥感工作。她目前的研究方向是环境遥感研究和应用。

Qingxiang Liu received her PhD degree in Geomatics Engineering from the University of New South Wales in 2018. She finished undergraduate study at Wuhan University in 2013. She has worked on remote sensing for large-scale wetland mapping, shoreline change monitoring, landform geometry and vegetation rehabilitation monitoring for mining sites. Her current research interests include remote sensing applications to environmental studies and GIS.

前沿观点

“由于Landsat卫星影像是20世纪80年代至今连续可用影像的唯一来源，因此，许多研究者将其用于土地利用和城市土地利用变化的长期研究。

Since Landsat images are the only sources of continuously available images from the 1980s to the present, they have been used by many researchers for long-term studies of land use and urban land use changes.

“可持续城市，生态城市或城市区域，是指一个城市的设计在不损害后代体验同样条件的能力的前提下，考虑到可持续性的三大支柱，即社会、经济、环境影响，并作为现有人口的弹性栖息地。

如Berger 2014年所说的，城市是“与自然矛盾，不像乡村生活在自然中”，这个意义上说，城市天生不具备可持续发展性。

A sustainable city, eco-city (also called “ecocity”) or urban area, is stated as being a city designed with consideration of the three pillars of sustainability, namely social, economic, environmental impact, and as a resilient habitat for existing populations, without compromising the ability of future generations to experience the same conditions. 

Cities themselves are unsustainable according to (Berger 2014) and “built in contradiction to nature, unlike rural living within nature”.

“世界各地的城市人口将继续增加，到2030年可能达到85亿。虽然绿地显然不是衡量可持续性的唯一标准，但事实表明，它是可持续城市的重要组成部分。

……

本文将假设悉尼（2017年悉尼市）CBD和工业区的理想最小绿化覆盖率应在15%至20%之间，住宅区和轻商业区为25%至30%，郊区为50%。这些数字将根据中国武汉市和澳大利亚悉尼西部快速发展的城市绿地变化（即植被面积）进行测试，这些变化可通过遥感技术进行测量。

Populations of cities will continue to increase around the world, possibly reaching 8.5 billion by 2030. While green space is clearly not the only measure of sustainability it has been shown that it is an important component of sustainable cities.

…

This paper will assume that a desired minimum green cover as recommended for Sydney (City-of-Sydney 2017) should be of the order of 15% to 20% in CBDs and industrial areas, 25% to 30% in residential and light commercial areas, and up to 50% in suburban areas. These figures will be tested against the changes in green spaces, that is vegetation areas, that are measurable by remote sensing technologies, in the rapidly developing city of Wuhan, China, and the expanding western part of Sydney, Australia.

“生态系统服务价值（ESV）涉及评估自然环境和有益于人类的正常运行的生态系统对人类的服务价值，在过去40年中得到了广泛的研究。

Sandhu和Wratten 2013 将提供给人类的农田和城市生态系统服务列为“提供服务、监管服务、文化服务、栖息地和支持服务”。

对这些服务的描述很复杂，但人们的理解是，如果生态系统服务因任何原因而减少，例如有害的人类行为，那么人类的福祉和繁荣的能力可能会受到不利影响。

Ecosystem Service Values (ESVs), which involve assessing the values of services to humans from the natural environment and properly-functioning ecosystems that benefit humans, have been studied extensively over the past 4 decades.

(Sandhu and Wratten 2013) list the farmland and urban ecosystem services provided to humans as “provision of services, regulating services, cultural services, habitat and supporting services”. The descriptions of these services are complex, but the understanding is that if ecosystem services are diminished for any reason, such as detrimental human actions, then human well-being and ability to prosper maybe adversely affected.

“人类必须在未来努力建设可持续发展的城市，其中应包括健康、宜居和便利的建筑和绿地设计、减少私人车辆使用的高效公共交通、环境友好型发电和高效利用能源等，尽量减少城市对腹地的影响和废物的有效处置。

It is essential for humans to strive for sustainable cities in the future, which should include amongst other facilities, healthy, livable and convenient design of buildings and green spaces, efficient public transport that reduces the use of private vehicles, environmentally friendly generation and efficient use of energy, minimization of impacts of cities on the hinterland and efficient disposal of waste.

“ 随着各国继续城市化，迫切需要确定如何评估和实现可持续性。这不仅是遥感专家的任务，而且是一项多学科的任务，应该包括社会科学家、环境学家和城市规划者、决策者、经济学家和政治家。

As countries continue to urbanize, there is an urgency in determining how sustainability can be assessed and then achieved. This is not only a task for remote sensing specialists, but a multi-disciplinary task that should include social scientists as well as environmentalists and urban planners, decision-makers, economists and politicians.

研究数据

分类数据

武汉使用了1987年至2017年期间获得的7个Landsat场景，这些场景的获取日期如表1所示，而悉尼则使用了1988年至2017年期间获得的7个场景。

Table 1. Experimental images used for Wuhan and Sydney.

这两个数据集包括五幅由Landsat5专题制图器（TM）和两幅由Landsat8操作性陆地成像仪（OLI）传感器采集的图像。Landsat2级表面反射率产品从美国地质调查局（USGS）下载。

评价数据

利用高分辨率图像评价SRM分类结果的准确性。具体而言，武汉使用了2013年10月10日采集的资源三号卫星图像（比2013年的陆地卫星图像晚一周）和2017年10月31日获得的高分一号卫星图像（仅比2017年的陆地卫星图像晚1天）。两幅图像都有四个光谱带，即红色、绿色、蓝色和近红外。资源三号卫星图像只覆盖了研究区域的东部，而高分1号卫星则覆盖了研究区域的大部分区域，除了最东部。两幅图像的空间分辨率均为2米。

悉尼使用了Nearmap（Nearmap 2018）获取的两幅空间分辨率为2.39 m的航空图像，以及红色、绿色和蓝色的可见光谱带。这些图像是2013年和2017年Landsat8号传感器采集日期后一个月内不同日期采集的航空照片的拼接。

实验结果

武汉从1990年到2013年经历了大规模扩张，从城市地理中心开始，以环形发展模式，连接各个独立的区域，然后在老城外快速发展。这表示，开发对武汉的景观有显著影响，导致前期水域流失，随后得到整治，农业用地流失。这项研究也揭示了城市化的相似后果。 

武汉市的建筑对象平均面积在各地区的范围从2万 平方米到8万 平方米不等，但在某些地区，它们在30年的时间里往往翻了一番。有些地区植被对象的平均大小有所减少，例如洪山区，植被对象的平均大小减少了约2倍。

比较植被对象/建筑物对象的比例，发现在30年内，硚口区从50%下降到15%；江汉区从50%下降到<10%（1993年至2017年）；青山区从50%下降到35%；汉阳从250%下降到30%；江岸从120%下降到40%；洪山区从600%下降到125%，其中硚口和江汉人口密集地区的百分比似乎低于建议的最低比例15%，

尽管人们普遍认为紧凑型城市提供基础设施的效率更高，但它们集中了建筑物和不透水表面，从而导致植被和绿地的损失。将紧凑度增加到一定限度以外，对人口以及动植物群的健康和福祉是不可取的。武汉部分地区似乎已经达到或可能超过了一个令人满意的上限。

Wolch、Byrne和Newell（2014年）建议绿地的最小面积在0.5公顷到1公顷之间，这意味着武汉的最小面积应为750平方米。同样，接受第三节中建议的绿地最小面积为区域面积的15%，武汉市建成区平均面积为5000平方米，绿地最小面积为750平方米。除硚口区或江汉区外，武汉大部分地区都实现了这一目标。 

在悉尼西部规划个人住房可以提供足够的绿地，但由于缺乏足够的基础设施和服务，经常会出现通勤时间过长的问题，从而导致交通拥堵。因此，从对温室气体排放、服务效率、基础设施和公共交通的影响的角度来看，紧凑型城市更可取，只要它们包括足够的绿地。

文章图表

Figure 1. (a) Regions of Wuhan studied for changes in land use. (b) Distribution of Local Government Areas (LGA) in western Sydney

Figure 2. Landsat影像处理流程图/Landsat data processing flow chart.

Figure 3. Framework of ANN WT (adapted from Mertens et al. (2004)

图4  武汉（1987年和2017年）和悉尼（1988年和2017年）的SRM地图

表2显示了武汉和悉尼的总体准确度（OA）和Kappa系数（Kappa）。并对基于像素的分类结果的精度进行了比较。武汉地区影像分类的总体准确率和Kappa系数均令人满意，但低于悉尼地区的预期。

图5 在精细尺度上的结果显示了基于像素的分类（使用MESMA）和SRM的比较。左栏显示武汉（2017年）和右栏（2013年）西悉尼的结果。

（a） 和（b）分别是武汉和悉尼的参考高分辨率图像，（c）和（d）武汉和悉尼的基于像素的分类结果。

（e） 和（f）分别为武汉和悉尼的SRM结果。建成后，植被、土壤和水分别用红色、绿色、黄色和蓝色表示。

Figure 6. Objects mean sizes (m2) for four classes of buildings, soil, vegetation and water in Wuhan.

Figure 7. Object mean sizes (m2) for four classes in western Sydney. Class built-up, soil and water are indicated in the left axis and vegetation in the right axis.

悉尼的建筑对象尺寸（图7）通常比武汉小，约为3 000至4 000 平方米或更大，这表明澳大利亚郊区典型的独立式建筑，而在利物浦和卡姆登地区，植被物体的尺寸往往在2007年之后减少。植被面积一般比武汉大，因为它们往往代表未开发的土地和运动场。植被对象/建筑对象的平均大小比例变化很大，一般在50%以上。

Figure 8. The number of objects in Wuhan for four classes of buildings, soil, vegetation and water.

1987年至2017年，武汉市的建筑对象数量（图8）略有增加，而植被对象则有明显增加的趋势，尤其是汉阳和江汉洪山地区，几乎翻了一番。这表明碎片化程度更高。

在悉尼（图9），五个区的建筑和植被对象数量保持相对稳定。

Figure 9. The number of objects in western Sydney for four classes of buildings, soil, vegetation and water.

与建筑对象密度相比，武汉的植被对象（图10）在所有情况下都变得更为密集，这也表明武汉植被区的破碎程度高于建筑物。在悉尼（图11），大多数地区的建筑对象密度增加，表明建筑活动水平更高，但植被对象往往保持稳定。悉尼地区土壤物体密度很大。

Figure 10. Object density (no./km2) in Wuhan for four classes of buildings, soil, vegetation and water.

Figure 11. Object densities (no./km2) in western Sydney for four classes of buildings, soil, vegetation and water.

图12和图13给出了武汉和悉尼植被生长和损失的统计数据，其中从图1所示区域的中心开始测量距离，这些变化在距离上的方向用圆圈标出。类似的图形可以确定在建筑物对象中的生长和丢失，但未示出。在武汉，城市东部的植被发生了显著的损失，而在悉尼，植被的损失主要发生在城市南部。

Figure 12. Growth and loss in vegetation objects in terms of distance (a) and orientation (b) from the center of Wuhan (km2).

Figure 13. Growth and loss in vegetation objects in terms of distance (a) and orientation (b) from the center of western Sydney.

图14给出了武汉市硚口和江汉人口较密集地区植被年变化率和面积变化率的示例。1987年至2017年期间，变化并不一致，因为2009年至2017年期间硚口和2004年至2013年期间江汉的植被面积略有增加。

Figure 14. Areal rates (%) of change of vegetation (a) and annual change (km2/year) (b) in QiaoKou region and JiangHan region in Wuhan from 1987–2017.

Table 3. Values of ESV for classifications extracted in Wuhan and Sydney.

Figure 15. ESVs for Wuhan and Sydney derived from ESVs from (i) vegetation + soil + water, and (ii) vegetation + soil + water + urban, according to accompanying legend.

致谢

感谢中国科学院遥感与数字地球研究所为武汉地区分类精度评价提供的高分一号和资源三号遥感影像。作为新南威尔士州和Nearmap之间的许可协议的一部分，我们还感谢Nearmap有限公司提供他们在悉尼上空的影像，以评估悉尼上空的分类。

关于  Geo-spatial Information Science

Geo-spatial Information Science（GSIS）是由武汉大学主办的测绘遥感专业英文期刊，主编为中国科学院院士、中国工程院院士李德仁教授。2020年9月被SCIE收录。

GSIS 采用开放获取的出版模式，就是大家所说的开源期刊/OA期刊（Open Access），文章一经发表，可马上被全球读者免费全文下载，这种模式可以让你的文章有更多的曝光度。

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期刊官网：

https://www.tandfonline.com/tgsi

投稿网址：

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转载自 地球空间信息科学学报GSIS

经作者授权转载

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原文标题：GSIS特邀论文|ISPRS荣誉会员John Trinder: 用遥感来评估城市环境可持续发展

排版：朱晏君

责任编辑：李倩

审编：鲁嘉颐

终审： 顾伟男   田巍   梁龙武

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