第1章　海绵城市遥感监测概述
　　海绵城市是一个生态理念，通常是指采用“渗、滞、蓄、净、用、排”六位一体的措施，旨在实现城市化发展过程中水安全、水资源、水生态、水环境、水景观等城市水问题的系统治理。海绵城市理念与国际上更早出现的低影响开发、可持续排水计划、水敏感性城市等理念类似，也是为应对“城市内涝”等城市病而提出的一项城市生态可持续发展战略。
　　海绵城市本身是一项涉及规划、建设、运行维护的系统工程。调查城市渍涝点分布特征及城市黑臭水体等典型水问题，客观评估海绵城市建设动态进程中城市水文效应，是支撑全域系统推进海绵城市建设的关键科学问题。不同城市韧性能力及生态本底的差异，决定了城市水问题的严峻程度及其变化趋势的差异。多平台、多传感器及多尺度的遥感监测技术在海绵城市规划、设计、建设及运行维护等全生命周期中具有广泛的应用潜力。
　　本章为海绵城市遥感监测概述，分析全球城市化进程，剖析过度城市化引起的城市水问题，阐述海绵城市生态理念，提出海绵城市遥感监测科学问题，描述海绵城市建设遥感监测对象。
　　1.1　城市化进程
　　城市作为人类居住的主要载体，处于不断变化过程中（沈建国，2000）。当前，城市环境的变化是城市可持续发展的重要挑战，城市环境监测是学术前沿和研究热点，也是联合国2030年可持续发展目标的重要内容。21世纪是全球进一步城市化的世纪，出现了一些诸如城市热岛、交通拥挤、环境恶化等城市病。本节将介绍城市化的概念和特点，分析全球城市化发展历程和趋势，以及中国城市化发展进程。
　　1.1.1　城市化概念和特点
　　城市化（urbanization），*早出现在1867年西班牙巴塞罗那城市规划师Ildefons Cerdà编著的《城市规划概论》一书中（Puig，1995）。诺贝尔经济学奖得主Kuznets（1972）将城市化进程定义为“城市和乡村之间的人口分布方式的变化”。中国社会科学院版本的《城市经济学》中定义“城市化，系指人类进入工业社会时代，社会经济发展开始了农业活动比重逐渐下降而非农业活动的比重逐渐上升的过程”（中国社会科学院研究生院城乡建设经济系，2001）。
　　城市化，也称城镇化，是一个人口持续向城镇集中的过程（郑菊芬，2009）。城镇化形成的以“城市”“城镇”为支撑的二元结构，是统筹城乡发展方式转型的重大课题（迟福林等，2010）。本书中，统一将“城市化”“城镇化”称为“城市化”。当今世界，发达国家城市化程度普遍较高，以中国为代表的发展中国家是全球城市化的主力。
　　广泛的非城镇人口持续向城镇流动，是城市化持续发展的动力。然而，大量人口涌入城市，必定会带动城市规模的持续扩张。受城市资源、环境容量等制约，城市扩张到一定阶段，不可避免地出现诸如交通拥挤、环境恶化、城市内涝等典型“城市病”。虽然世界城市化以聚集为主，但其分散发展趋势越来越明显。尤其是在发达国家，大城市中心区的吸引力不断下降，导致城市经济和人口向外围或者小城市区域迁移和扩散（沈建国，2000）。
　　从城市水文学角度看，以自然地表持续向不透水面转化为代表的城市化进程，必然会对城市原有的水资源、水环境、水生态及水安全等产生一定的影响。例如：城市建成区广泛覆盖的高比率的不透水面，会削弱地表下渗能力、增大降水产流量；城市鳞次栉比的建筑、交织的路网，会加速城市地表汇流过程；除此之外，地下空间（如停车场、轨道交通、商业综合体等）的出入口，成为城市地表汇流的潜在泄洪口。
　　全面提升城市化质量是新型城市化的内在要求（李爱民，2013）。从平安城市、韧性城市、生态城市等可持续发展视角来看，城市发展需要正视城市自然环境、资源及城市动态发展的优化资源配置对人类活动承载能力的限制。总之，需要理性地控制城市的过度扩张。
　　1.1.2　全球城市化发展历程和趋势
　　城市化是全球经济发展的重要趋势之一。城市人口占有率一般采用城市人口相对包括农村人口在内的总人口占有比率来计算。城市人口占有率是衡量一个地区、国家甚至全球尺度的城市化程度的指标之一。世界城市化起步于18世纪中叶开始的工业革命，到20世纪末，世界城市化水平已达到47.2%（叶裕民，2004）。从发展时期来看，全球城市化主要经历了18世纪与19世纪、20世纪、21世纪三个重要时期（童庆禧，2016）（表1.1）。
　　联合国经济和社会事务部（United Nations Department of Economic and Social Affairs，UN DESA）公布的《世界城市化趋势：2018年修订版》（World urbanization prospects: The 2018 Revision）显示，当今世界，居住在城市中的人口占总人口的55%，预计到2050年，全球城市化率有望达68%，这其中近90%的城市化率增长来自亚洲和非洲（UN DESA，2019）。1950～2030年世界城市化发展变化迅速，到2030年全球新增城市面积将达到120万km2，其中近乎一半的贡献来自亚洲，尤其是中国和印度等发展中国家（图1.1）。
　　1.1.3　中国城市化发展进程
　　自1978年改革开放以来，中国城市化率以每年超过1%的速度不断上升，中国成为了全球城市化速度*快、城市化规模*大的国家之一（图1.2）。其中，1978年，中国城市人口占总人口的17.90%；2016年，中国城市人口占总人口的57.35%；2018年底，中国城市人口占总人口的59.60%；2019年，中国城市人口占总人口的60.60%；2020年，中国城市人口为9.0亿，占总人口的63.89%①。
　　城镇面积变化趋势也可以反映城市化发展进程。据国家遥感中心全球生态环境遥感监测报告显示，截至2010年，中国城镇总面积为16.1万km2，是1985年的20倍，仅次于美国，位居全球第二位。以武汉市为例，1952年，武汉市建成区面积仅为37.7km2；2018年底，武汉市建成区面积增至723.74km2（表1.2）。
　　一方面，城市内部已建区域的开发强度增大。以2003年、2013年、2020年Google Earth武汉市汉阳地区墨水湖周边遥感影像组图（图1.3～图1.5）为例，城市不透水地表及人工构筑物的面积和密度明显增大，城市建筑物高度显著增高。
　　另一方面，在我国异地搬迁、扶贫安置等政策影响下，部分村镇建成区的面积也呈现出一定的增加趋势。图1.6为甘肃省白银市平川区黄峤镇神木头村易地搬迁点建设前后的遥感影像。
　　张翰超等（2018）利用航空影像，以及IKONOS、SPOT-5、WorldView-1、WorldView-2、天绘一号、ZY-3等卫星影像，结合目视解译方法提取出了2000年、2005年、2010年、2015年中国31个省会城市（不含港澳台）建成区边界（图1.7）。可以看出，2000～2015年期间，中国省会城市的面积持续增长。其中，东部省会城市的建成区扩张速度逐步放缓；西部、东北地区省会城市的建成区面积扩张速度较快；中部省会城市的建成区处于稳步扩张状态。
　　城市化是全球经济发展的重要趋势。城市用地规模增长弹性系数是反映城市化发展协调程度的重要指标（李爱民，2013），该系数利用城市建设用地面积增长率与城市人口增长率的比值来计算，国际上公认阈值为1.12。本书以城市建成区面积增长率来代表城市建设用地面积增长率，分析显示，1981～2020年，我国城市用地规模增长弹性系数为2.38，城市扩张远远快于人口城市化进程（表1.3）。其中：1981～1991年，城市用地规模增长弹性系数为1.68；1991～2001年，城市用地规模增长弹性系数为1.62；2001～2011年，城市用地规模增长弹性系数为1.67；2011～2020年，城市用地规模增长弹性系数为1.59。
　　夜光遥感也被用来监测城市社会经济活力。基于时序夜间光照遥感影像，可以建立反映城市夜间经济活动（如餐馆、酒吧和剧院等）的模型，进而可以在一定程度上预测城市经济活动的变化情况。Fu等（2017）利用1992～2012年中国DMSP/OLS夜间灯光数据，建立了反映城市夜间经济与城市化的动态模型，揭示了中国城市化和夜间经济水平，1992～2012年的增长幅度很大。
　　1.2　城市水问题
　　城市化可以在一定程度上看作自然地表向半透水面或不透水面转化的过程。过度城市化给城市水安全、水资源、水环境等带来挑战。例如，在同一场降雨事件中，不透水率为20%的汇水区对应的产流量是不透水率为5%的汇水区产流量的2倍多（Shao etal.，2019）。
　　1.2.1　不利水文效应
　　不透水面是指地表水不能渗透的人工材料硬质表面。不透水面通过改变城市下垫面组

目录
第1章　海绵城市遥感监测概述　1
1.1　城市化进程　1
1.1.1　城市化概念和特点　1
1.1.2　全球城市化发展历程和趋势　2
1.1.3　中国城市化发展进程　3
1.2　城市水问题　6
1.2.1　不利水文效应　6
1.2.2　洪涝灾害问题　7
1.2.3　水环境问题　9
1.3　海绵城市生态理念　10
1.3.1　海绵城市概念　10
1.3.2　国内外生态雨洪管理理念　11
1.3.3　城市海绵体主要类型　12
1.3.4　城市海绵体空间分布形式　18
1.4　海绵城市遥感监测科学问题　25
1.4.1　城市水系统复杂场景海绵体“时-空-谱-角”遥感监测　25
1.4.2　城市水系统海绵建设布局智能优化　25
1.4.3　海绵城市水文生态综合效应定量遥感评估　25
1.5　海绵城市建设遥感监测对象　26
1.5.1　交通要素　26
1.5.2　建筑要素　28
1.5.3　绿地要素　29
1.5.4　裸土要素　30
1.5.5　水体要素　31
参考文献　31
第2章　海绵城市遥感监测内容　34
2.1　海绵城市遥感监测需求　34
2.1.1　海绵城市下垫面水文效应特征监测　35
2.1.2　海绵城市下垫面用地覆盖特征监测　35
2.1.3　海绵城市下垫面产流水文状态参数监测　38
2.1.4　海绵城市下垫面汇流特征监测　39
2.2　海绵城市遥感监测可利用影像资源　39
2.2.1　海绵城市下垫面用地覆盖特征监测影像资源　39
2.2.2　海绵城市下垫面产流遥感监测影像资源　42
2.2.3　海绵城市下垫面汇流遥感监测影像资源　46
2.3　海绵城市遥感监测面临的关键问题　49
2.3.1　城市多源多时相遥感影像色调差异问题　49
2.3.2　城市遥感影像云遮挡问题　50
2.3.3　城市遥感影像高层建筑阴影遮挡问题　51
2.3.4　城市遥感影像植被阴影遮挡问题　51
2.3.5　城市复杂下垫面同物异谱和异物同谱问题　52
2.3.6　城市复杂场景混合像元问题　52
2.4　海绵城市下垫面遥感监测关键技术　53
2.4.1　城市典型下垫面时空谱特性监测技术　53
2.4.2　城市高空间分辨率遥感影像阴影检测技术　55
2.4.3　城市遥感影像超分辨率重建时空融合技术　56
2.4.4　海绵城市遥感监测模型构建技术　57
2.4.5　海绵城市建设成效遥感评价方法　59
参考文献　60
第3章　海绵城市遥感监测生态模型　62
3.1　海绵城市生态学碳水通量遥感监测模型　62
3.1.1　海绵城市碳水循环　62
3.1.2　海绵城市生态系统碳水通量监测　63
3.1.3　基于涡度相关理论的海绵城市碳水通量观测模型　65
3.2　海绵城市下垫面遥感观测和信息表达模型　67
3.2.1　城市化对海绵城市下垫面的影响　67
3.2.2　海绵城市时-空-谱-角遥感观测模型　68
3.2.3　海绵城市下垫面遥感信息表达模型　72
3.3　海绵城市生态学遥感监测模型　74
3.3.1　海绵城市下垫面生态遥感监测　74
3.3.2　海绵城市水文水动力模型及应用　76
3.3.3　基于WaSSI-C的海绵城市生态学遥感监测模型　85
3.3.4　基于WaSSI-C的城市水文生态效应评估案例　89
参考文献　92
第4章　多尺度城市下垫面遥感监测方法　96
4.1　城市下垫面分类体系　96
4.2　像元尺度城市下垫面遥感监测方法　98
4.2.1　基于光谱指数的城市下垫面遥感监测方法　98
4.2.2　基于半监督模糊聚类的城市下垫面遥感监测方法　101
4.2.3　基于监督学习的城市下垫面遥感监测方法　102
4.3　亚像元尺度城市下垫面遥感监测方法　106
4.3.1　基于线性混合像元分解的城市下垫面遥感监测方法　107
4.3.2　基于局部自适应端元合成的城市下垫面遥感监测方法　108
4.4　对象尺度城市下垫面遥感监测方法　110
4.4.1　城市不透水面多尺度场景分割　111
4.4.2　基于随机森林的下垫面分类　112
4.4.3　图谱特征逐层融合的迭代提取模型　112
4.5　景观尺度城市下垫面遥感监测方法　113
参考文献　114
第5章　海绵城市土地利用空间格局遥感动态监测方法　116
5.1　海绵城市土地利用空间格局用地模式　116
5.2　基于中低分辨率遥感影像的海绵城市监测方法　118
5.2.1　城市群不透水面遥感监测方法　118
5.2.2　长江三角洲不透水面遥感监测　119
5.2.3　珠江三角洲不透水面遥感监测　121
5.2.4　武汉城市圈不透水面遥感监测　124
5.3　基于高分辨率遥感影像的海绵城市下垫面精细监测方法　126
5.3.1　海绵城市下垫面遥感精细监测方法　126
5.3.2　珠海市横琴新区海绵城市示范区下垫面遥感监测　127
5.3.3　梧州市海绵城市下垫面遥感监测　132
参考文献　134
第6章　多源遥感影像融合的海绵城市监测方法　136
6.1　多源遥感影像融合的基本方法　136
6.1.1　多源遥感影像融合的业务流程　136
6.1.2　遥感影像时空谱信息描述和提取　137
6.2　多源遥感影像时空谱融合方法　141
6.2.1　常用的全色多光谱影像融合方法　143
6.2.2　基于不同时相MODIS和Landsat遥感影像的时空谱融合方法　144
6.2.3　基于深度学习RSIFNN模型的全色多光谱影像时空谱融合方法　145
6.2.4　基于深度学习ESRCNN模型的多时相影像时空谱融合方法　148
6.3　多源遥感影像融合的海绵城市下垫面动态监测方法　151
6.3.1　融合光学和SAR影像的海绵城市下垫面动态监测方法　151
6.3.2　融合光学影像和LiDAR数据的海绵城市下垫面动态监测方法　155
6.4　基于天空地联合的海绵城市建设成效遥感监测方法　158
6.4.1　基于透水铺装材质光谱特征的海绵城市透水性监测方法　159
6.4.2　基于三维探地雷达技术的海绵城市浅地表含水量监测方法　168
6.4.3　基于光学和LiDAR数据的海绵城市地上生物量动态监测方法　175
6.4.4　基于天空地多传感器集成的海绵城市水系统动态监测方法　177
参考文献　180
第7章　面向城市水系统的海绵城市遥感监测方法　182
7.1　海绵城市水系统及要素遥感监测技术　182
7.1.1　海绵城市水系统组成　182
7.1.2　海绵城市水系统循环模式　183
7.1.3　海绵城市水系统要素遥感监测技术　185
7.2　海绵城市水系统要素遥感监测方法　187
7.2.1　海绵城市水体遥感监测方法　187
7.2.2　海绵城市水质遥感监测方法　189
7.2.3　海绵城市降雨量遥感反演方法　192
7.2.4　海绵城市地表径流模拟和估算方法　194
7.3　海绵城市水系统洪涝承载力遥感评估案例　196
7.3.1　海绵城市水系统承载力遥感评估流程　196
7.3.2　基于遥感影像的海绵城市下垫面调蓄库容量计算　197
7.3.3　海绵城市汇水区汇流能力分析　198
7.3.4　基于设计降雨量的海绵城市汇水区洪涝承载力评价　200
参考文献　200
第8章　海绵城市遥感监测系统　202
8.1　海绵城市遥感监测系统建设需求　202
8.2　海绵城市不同阶段遥感监测任务　203
8.2.1　基于海绵城市规划角度的遥感信息监测　203
8.2.2　基于海绵城市建设角度的遥感信息监测　204
8.2.3　基于海绵城市运维角度的遥感信息监测　205
8.3　海绵城市典型专题的遥感监测　205
8.3.1　海绵城市不透水面专题遥感监测　205
8.3.2　海绵城市透水面专题遥感监测　207
8.3.3　海绵城市蓄水专题遥感监测　209
8.3.4　海绵城市渍水排水专题遥感监测　215
8.4　海绵城市遥感监测系统建设思路　216
8.4.1　海绵城市遥感监测系统架构设计　216
8.4.2　海绵城市遥感监测系统建设关键技术　218
8.5　海绵城市遥感监测系统建设实践　219
8.5.1　海绵城市水系统优化平台　219
8.5.2　海绵城市遥感监测系统应用案例　220
参考文献　223
第9章　海绵城市示范区遥感监测应用实践　225
9.1　海绵城市示范区建设阶段的遥感监测需求　225
9.2　武汉市海绵城市建设遥感监测内容　227
9.2.1　武汉市海绵城市建设概述　227
9.2.2　武汉市海绵城市遥感监测指标　231
9.2.3　武汉市海绵城市建设监测系统　233
9.3　武汉市多尺度下垫面遥感监测实践　235
9.3.1　武汉市城市尺度下垫面遥感监测　235
9.3.2　武汉市景观尺度下垫面遥感监测　237
9.4　武汉市海绵城市水系统遥感监测实践　240
9.4.1　武汉市自然水系特点　240
9.4.2　武汉市湖泊面积遥感监测实例　241
9.4.3　武汉市模拟径流监测　244
9.5　海绵城市遥感监测面临的挑战　246
9.5.1　空地协同解决点面遥感监测问题　246
9.5.2　地面传感网建设成本问题　246
9.5.3　建成区透水铺装改造后的透水性能监测问题　246
9.5.4　海绵城市遥感监测的尺度问题　247
参考文献　249