An Impervious Surface Spectral Index on Multispectral Imagery Using Visible and Near-Infrared Bands

Abstract

The accurate mapping of urban impervious surfaces from remote sensing images is crucial for understanding urban land-cover change and addressing impervious-surface-change-related environment issues. To date, the authors of most studies have built indices to map impervious surfaces based on shortwave infrared (SWIR) or thermal infrared (TIR) bands from middle–low-spatial-resolution remote sensing images. However, this limits the use of high-spatial-resolution remote sensing data (e.g., GaoFen-2, Quickbird, and IKONOS). In addition, the separation of bare soil and impervious surfaces has not been effectively solved. In this article, on the basis of the spectra analysis of impervious surface and non-impervious surface (vegetation, water, soil and non-photosynthetic vegetation (NPV)) data acquired from world-recognized spectral libraries and Sentinel-2 MSI images in different regions and seasons, a novel spectral index named the Normalized Impervious Surface Index (NISI) was proposed for extracting impervious area information by using blue, green, red and near-infrared (NIR) bands. We performed comprehensive assessments for the NISI, and the results demonstrated that the NISI provided the best studied performance in separating the soil and impervious surfaces from Sentinel-2 MSI images. Furthermore, regarding impervious surfaces mapping accuracy, the NISI had an overall accuracy (OA) of 89.28% (±0.258), a producer’s accuracy (PA) of 89.76% (±1.754), and a user’s accuracy (UA) of 90.68% (±1.309), which were higher than those of machine learning algorithms, thus supporting the NISI as an effective measurement for urban impervious surfaces mapping and analysis. The results indicate the NISI has a high robustness and a good applicability.

Comparative Evaluation of Various Impervious Surface Indices Using Sentinel-2A MSI and Landsat-9 OLI-2 Images: A case of Samsun

“…Kentsel alanlarda biyofiziksel çevre; açık arazi, bitki örtüsü alanları ve yapılaşmış arazilerden oluşur (Deng, Wu, Li, & Chen, 2015;Hidayati & Suharyadi, 2019). Geçirimsiz yüzeyler; yollar, kaldırımlar, otoparklar ve çatılar gibi yağmur suyunun toprağa sızamadığı antropojenik arazi yüzeyi özellikleridir (Fan, Fan, & Weng, 2015;Wang, Gang, Li, Chen, & Li, 2015;Li, 2019;Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022).…”

“…Kentsel alanlar, heterojen özellikte karmaşık ekosistemlerdir (Kaur & Pandey, 2022). Kentsel geçirimsiz yüzeylerin doğru haritalanması, kentsel arazi kullanımı/örtüsü değişimlerinin anlaşılması ve geçirimsiz yüzey değişiminden kaynaklanan çevre sorunlarının incelenmesinde çok önemlidir (Li, 2019;Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022). Geçirimsiz yüzeyler, kentsel alanların ana bileşenidir ve kentsel büyüme/yayılma derecesinin değerlendirilmesinde yaygın olarak önemli bir gösterge olarak kabul edilmektedir (Li, 2019;Kaur & Pandey, 2022).…”

“…Geçirimsiz yüzeyler, kentsel alanların ana bileşenidir ve kentsel büyüme/yayılma derecesinin değerlendirilmesinde yaygın olarak önemli bir gösterge olarak kabul edilmektedir (Li, 2019;Kaur & Pandey, 2022). Geçirimsiz yüzeyler aynı zamanda kentleşmenin neden olduğu çevresel etkileri de artıran en önemli unsurlardan biridir (Shrestha, Stephen, & Ahmad, 2021;Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022). Doğal veya yarı doğal yüzeylerin geçirimsiz yüzeylere dönüşmesi, radyasyon bütçesini etkileyerek yerel yüzey ve hava sıcaklıklarında artışa neden olmaktadır (Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022).…”

“…Geçirimsiz yüzeyler aynı zamanda kentleşmenin neden olduğu çevresel etkileri de artıran en önemli unsurlardan biridir (Shrestha, Stephen, & Ahmad, 2021;Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022). Doğal veya yarı doğal yüzeylerin geçirimsiz yüzeylere dönüşmesi, radyasyon bütçesini etkileyerek yerel yüzey ve hava sıcaklıklarında artışa neden olmaktadır (Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022). Geçirimsiz yüzeylerin artması, yüzey akışının hacminde, süresinde ve yoğunluğunda artışa neden olurken yeraltı suyu beslemesinin azalmasına neden olur ve sel tehlikesini artırır.…”

“…Geçirimsiz yüzeylerin artması, yüzey akışının hacminde, süresinde ve yoğunluğunda artışa neden olurken yeraltı suyu beslemesinin azalmasına neden olur ve sel tehlikesini artırır. Ayrıca kaynak kirleticilerin akışını doğrudan etkiledikleri için alıcı su kaynaklarının bozulması da bir diğer olumsuz etkidir (Shrestha, Stephen, & Ahmad, 2021;Su, Tian, Dong, Tian, Wang, & Xi, 2022). Bu kapsamda geçirimsiz yüzey bilgisi, kentleşme derecesinin ve çevresel kalitenin önemli bir göstergesidir (Shrestha, Stephen, & Ahmad, 2021).…”