本文作者：
禹丝思，孙中昶，郭华东 , 赵相伟 , 孙林 , 吴孟凡
摘要
以海上丝绸之路沿线的11个超大城市为例，基于长时间序列的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI和HJ-1卫星CCD数据，利用基于面向对象的支持向量机SVM(Support Vector Machine)分类方法提取20世纪70年代到2015年的城市不透水层，并结合景观格局指数—最大斑块指数LPI(Largest Patch Index)、斑块密度PD(Patch Density)和欧几里得最邻近距离ENN(Euclidean Nearest Neighbor Distance)分析了超大城市的发展模式。研究结果表明：基于面向对象的SVM分类方法能够高效提取城市不透水层;平均总精度高于87.9%，平均Kappa系数高于0.87;过去40余年，各超大城市的面积扩张了4—13倍，中国和印度的超大城市扩张最快，广州、上海超过12倍;各城市以“中心—边缘”或“沿海—内陆”的方向扩张，表现为“扩散—聚集—再扩散”的扩张模式;总体来看，沿线的城市化进程仍处于上升期。本研究为建设“21世纪海上丝绸之路”提供了科学依据，对当地生态环境保护和新型城镇化建设具有重要意义。
关键词
海上丝绸之路, 超大城市, 面向对象的SVM, 不透水层, 景观格局, 城市化
1、引言
超大城市是指人口超过1000万的城市(Aguilar 等，2003)。超大城市是城市发展和聚集的产物，与中小城市、大城市相比，具有更大规模的人口数量和更高的社会、文化、经济水平，其形成与发展对区域生态环境、资源分配以及人们的生活质量都产生更为显著的影响(Esch 等，2012;Taubenböck 等，2012)。据联合国统计(UN，2014)：1950年，全 球只有纽约和东京两个超大城市;2014年，超大城市的数量达到29个;预计2030年，全球超大城市将超过40个，70%以上将分布在海上丝绸之路沿线。
“21世纪海上丝绸之路”是中国政府2013年提出的战略构想，对沿线国家的经济发展与交流合作具有深远影响。海上丝绸之路沿线的港口城市，尤其是超大城市，集中了各国主要的人口、公共设施和经济社会活动，是中国与欧洲、非洲大陆进行贸易往来的重要枢纽(Xiao 等，2014)。在全球变化背景下，海上丝绸之路沿线国家和地区的快速城市化导致了洪涝灾害、空气污染、水污染和海平面上升等一系列问题，给沿线生态环境和人们的生活、健康带来了广泛的负面影响。因此，分析海上丝绸之路沿线的城市化模式，对该地区的城市生态环境保护具有重要意义。
作为城市地物的重要组成部分，城市不透水层不仅是城市化程度的指示器，更是城市环境的一个重要敏感因子(Dougherty 等，2004;van der Linden和Hostert，2009;Taherzadeh 等，2012;Weng，2012)。不透水层是一种天然的或人造的，水体不能够通过其渗入到土壤中的人为要素，包括城市建筑、屋顶、道路和停车场等诸多要素(江利明 等，2008)。遥感影像由于成本低、获取快、覆盖广、周期短的特点，适合大区域制图，被国内外学者广泛用于不透水层的提取(Ling 等，2011;Song 等，2016;Zhang和Weng，2016)。目前，通过提取不透水层研究城市空间扩展的工作已经取得了很多成果。Sun等人(2011,2014)先后利用多层感知神经网络模型和支持向量机的方法，从光学影像中提取了北京的不透水层，并分析了土地利用和土地覆盖变化对地表径流的影响。Taubenbock等人(2012)利用面向对象的决策树方法基于Landsat和TerraSAR影像分析了12个超大城市1975年—2010年的扩张足迹。Xu(2013)利用基于规则的算法，分别从SPOT-5、IKONOS和ALOS影像提取了中国福州、泉州和澳大利亚霍巴特的不透水层。Guo等人(2014)协同利用SPOT-5和Radarsat-2影像提取了北京的不透水层。Singh和Garg(2014)利用非线性微分法、灰度形态学法和标记分水岭分割法，实现了不透水层边缘的自动提取。Yang等人(2014)基于WorldView-2影像，根据最佳光谱特征，利用混合像元分解法提取了日本流山市和柏市的不透水层。Nie和Xu(2015)利用线性混合分析模型从ETM+影像上提取了上海的不透水层，并分析了不透水层百分比对地表温度的影响。Wang等人(2015)提出了一种新的归一化差异不透水层指数NDII(Normalized Difference Impervious Index)，从TM影像中提取了南京的城市范围。Song等人(2016)利用逐像素后分类法提取了华盛顿大都会区1984年—2010年的不透水层。Zhang和Lin(2015)将SPOT-5和TerraSAR-X影像融合，提取了香港西北部的不透水层。Zhang和Weng(2016)利用Landsat影像提取了1998年—2013年珠江流域的不透水层。现有研究多以小区域、短时间的不透水层提取为主，对城市扩张的分析也多集中在2010年以前，对最近几年城市空间扩展的研究较少(王浩 等，2013)。因此，大尺度、长时间序列的不透水层提取和城市扩张模式分析仍是一项重要任务。
本文基于Landsat MSS/TM/ETM+/OLI影像和中国HJ-1卫星CCD数据，利用面向对象的SVM分类方法，从广域的时空尺度提取20世纪70年代到2015年海上丝绸之路沿线11个超大城市的不透水层，并结合景观格局指数分析了沿线超大城市过去40余年的扩张模式。本研究对国家宏观把握新型城镇化空间格局具有重要意义。
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