一、导语

航天宏图自2008年成立以来，一直致力于研发国产遥感与地理信息一体化软件PIE，拥有国内遥感与地理信息云服务平台PIE-Engine，实现了遥感基础软件的国产化替代；始终坚持产学研相结合，充分领会新工科建设的行动内涵，传递前沿技术信息，促进高校科研成果转化，举办PIE开发者大赛，提供实习实践基地，为高校空间信息专业的学科建设和应用型人才培养提供支持服务；始终坚持培育国产遥感软件使用生态，与各合作高校在自然资源、气象、海洋等遥感应用领域及人工智能、云计算等前沿技术的先进科研技术成果实现互通、共享。

PIE-Engine遥感云平台，以SaaS服务模式满足客户应用需求，集成了多源遥感数据处理、分布式资源调度、实时计算、批量分析和深度学习框架等技术，实现了遥感实时计算分析和人工智能解译，为大众用户提供了高效、灵活、定量免费的地理数据分析全流程服务。航天宏图通过校企合作平台积极培育与挖掘PIE-Engine创新应用案例，并提供在线试用体验+订阅式管理服务以满足客户多样化需求。

基于多源遥感的城市生态宜居评估服务依托校企双方合作机制，来源于中国石油大学（华东）孙根云教授师生团队，该服务基于PIE-Engine提供的已有Sentinel-5P、Landsat 8影像数据集，以空气质量、水环境要素、地表覆盖、热环境4个方面作为生态环境质量评价项，运用层次分析法构建权重模型，并通过预警点识别，在不同时空尺度上实现对城市生态宜居性评价。服务案例以京津冀为例，欢迎在线体验。如有其他需求，可联系提供订阅式服务。

体验地址：https://engine.piesat.cn/engine/home

二、背景

随着城镇化进程的快速发展，城市人口、资源和环境之间矛盾日益突出，因此对城市生态质量的监测与评估，对于城市规划、环境管理、生态建设及城市可持续发展等至关重要。党的十九大提出“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”，要求坚持人与自然和谐共生，构筑尊崇自然、绿色发展的生态体系，同时我国越来越多的城市把建设“生态宜居”城市写入其发展纲要，因此如何快速、准确地对城市生态宜居性进行评价是目前城市发展的研究热点之一。

当前生态宜居性研究所用数据主要来自土地调研、问卷调查和专家经验，数据获取过程费时费力并且更新速度缓慢，难以满足大规模城市生态宜居性评价。由于卫星遥感技术的宏观性，以及快速、准确、实时等特性，基于卫星影像的光谱指数已广泛应用于生态环境建模及评估，主要包括归一化植被指数(NDVI)、植被覆盖度（FVC）、叶面积指数(LAI) 、归一化建筑指数(NDBI) 、归一化土壤指数(NDSI) 、归一化水分指数(NDWI) 及地表温度(LST) 等。在基于遥感数据的生态环境建模中，综合遥感指数已显现出比单一指数更多的优势。

京津冀位于中国地区环渤海心脏地带，是中国北方经济规模最大、最具活力的地区，是中国北方经济的重要核心区，是中国的“首都经济圈”。本文以京津冀为例，为大家介绍基于多源遥感的城市生态宜居评估服务。

三、服务能力介绍

基于多源遥感的城市生态宜居评估服务主要是基于PIE-Engine遥感云平台上强大的云端数据存储和高性能在线分析计算能力，以及丰富的UI组件，可实现高时间分辨率、高空间分辨率的综合遥感指数计算，形成以城市生态环境宜居监测与评估为目标的SaaS服务能力。

以京津冀为例，基于多源遥感的城市生态宜居监测与评估服务主要分为三部分：综合遥感指数计算服务、城市生态环境质量评估服务及其他功能服务。

 ▲服务能力介绍

3.1 综合遥感指数计算服务

综合遥感指数计算服务可基于PIE-Engine遥感云平台上调用的Sentinel-5P和Landsat 8数据集，计算获得京津冀逐季、逐年的空气质量、水环境、地表覆盖、热环境分布，基于Sentinel-5P数据对京津冀的空气质量进行动态监测服务，基于Landsat 8数据对京津冀的水环境、地表覆盖、热环境进行动态监测服务。

（1）基于Sentinel-5P数据空气质量监测服务

NO2、SO2、CO和O3是《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中规定的4种基本污染痕量气体，这4类气体不仅是主要的大气污染物,也是臭氧、酸雨和光化学烟雾的重要前体物。因此基于Sentinel-5P数据、选择SO2、CO、NO2和O3四种污染气体作为衡量空气质量值（Air Quality Index，AQI）的指标,并通过调用PIE-Engine遥感云平台上的UI组件和可视化配图效果，设计研究区域和研究时间筛选功能，实现京津冀空气质量监测服务。

 ▲基于Sentinel-5P数据空气质量监测服务技术路线图

北京市东城区2020年春季臭氧、一氧化碳污染气体数据处理结果如下图所示。

 ▲北京市东城区2020年春季

臭氧气体数据处理结果展示

 ▲北京市东城区2020年春季

一氧化碳气体数据处理结果展示

（2）基于Landsat 8数据水环境监测服务

京津冀地区是我国人类活动对水循环扰动强度最大、水资源承载压力最大、水资源安全保障难度最大的地区。准确、快速提取水体的空间分布信息，对全面了解水体变化和生境质量具有重要意义。改进的归一化差异水体指数（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）在城镇水体提取中可获得较好效果，亦可反映水体悬浮沉积物的分布、水质的变化等。因此本服务采用MNDWI表征京津冀地区水体的空间分布情况。

基于Landsat 8数据、MNDWI指数量度及相关分析实现城市水环境监测服务，通过调用PIE-Engine遥感云平台上的UI组件和可视化配图效果，设计研究区域、研究时间和云量筛选功能，实现京津冀水环境计算服务，并对结果进行可视化展示。

▲基于Landsat 8数据

京津冀水环境监测服务技术路线图

▲基于Landsat8北京市东城区

2020年春季MNDWI计算结果展示

（3）基于Landsat 8数据地表覆盖监测服务

地表覆盖要素主要分为植被覆盖和建筑密度两个部分，城市绿度和城市不透水面密度是评价城市生态宜居度的重要参考依据。

植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover，FVC)常用于植被变化、生态环境研究、水土保持、气候等方面的研究，该指数可以很好的量化某地区某一时间的植被覆盖范围及空间分布状况。目前常用归一化植被指数（NDVI）来近似估算植被覆盖度。

城市不透水面密度是量化城市发展状况的重要指标，间接反映了城市生态环境状况，目前常用归一化建筑指数（Normalized Difference Built-up Index，NDBI）量化城市不透水面密度。

▲基于Landsat8北京市东城区

2020年春季FVC计算结果展示

▲基于Landsat8北京市东城区

2020年春季NDBI计算结果展示

（4）基于Landsat 8数据热环境监测服务

城市热环境是评价城市生态宜居性的一个重要参考指标，直接影响人们生活的舒适度。系统采用地表温度表征城市热环境要素，利用单通道算法反演京津冀地区地表温度。

▲基于Landsat8京津冀

2020年夏季地表温度反演结果展示

3.2 城市生态环境质量评估服务

基于Sentinel-5P、Landsat 8等多源遥感数据，在城市群、省、市、区县4级空间尺度和逐年、逐季节的多个时间尺度上，计算多种生态环境指标，运用层次分析法构建权重模型，将生态环境质量均值作为临界值（标准），结合标准差设置预警范围，通过生态质量的预警等级划分来判断当地的宜居程度，从而对京津冀地区的生态宜居性做出全面、准确的评估。

 ▲北京市东城区2019年

春季生态环境质量计算结果展示

（1）时间维度生态环境质量分析

2018-2020年京津冀地区生态环境质量整体向好，但在空间上存在明显差异。在京津冀的西北部地区，生态环境较差，而在中部北部地区，生态质量较好。这可能是由于西北部植被覆盖度低，水资源较少，而中部和北部植被覆盖度较高。从季节变化上看，夏季和秋季生态质量较好，春冬季节较差，这可能与气候和空气质量有关。

 ▲时间维度生态环境质量

（2）空间维度生态环境质量分析

以2019年春季为例，可以看出生态环境状况在空间尺度有密切关系，在不同级别的区域内部，生态环境质量的空间异质性较强。

 ▲空间维度生态环境质量

3.3 其他功能服务

其他服务主要基于PIE-Engine遥感云平台上设计了影像（Landsat8和Sentinel-5P）数据多时空尺度统计分析图表功能。

▲单年份季节性指标统计图表

▲全时间序列指标统计图表

▲评估结果统计图表

四、服务案例应用领域

基于多源遥感的城市生态宜居评估服务调用PIE-Engine遥感云平台上的云端数据和高性能在线分析计算能力，从人类感知层面的空气质量要素、水环境要素、热环境要素和城市组成结构层面的热环境要素、地表覆盖要素双层设计出发，实现城市生态宜居的评估。结果可为评估城市宜居性提供依据，为大众择居、择业提供参考，具有较好的实用性和科研应用价值。此外基于多源遥感的城市生态宜居评估服务进行了长时间序列的生态宜居评估，可为各地区的协调可持续发展和政府部门规划决策提供一定的帮助，同时具有很好的普适性和迁移性，除了京津冀以外，可应用到其他城市群或更大空间尺度，为其他城市和地区的生态宜居评估提供研究思路和参考范例，欢迎大家体验与订阅咨询。