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基于夜晚燈光數(shù)據(jù)的城市建成城區(qū)提取與格局分析

2017-09-29 18:50趙航倪杰
科學(xué)家 2016年12期

趙航 倪杰

摘要 利用山東省1995年-2013年19年間的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比法進(jìn)行山東省建成區(qū)面積提取,并對建成區(qū)提取閾值與提取出的建成區(qū)面積進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)提取閾值隨時(shí)間的增長而波動(dòng),建成區(qū)面積持續(xù)增長。然后對多年建成區(qū)面積進(jìn)行分析,結(jié)果表明:通過緊湊度分析,山東省城市緊湊度隨時(shí)間增長,城市輪廓呈現(xiàn)三階段不同形態(tài)與趨勢;通過3種不同時(shí)間間隔對山東省城市擴(kuò)張速度進(jìn)行研究,城市擴(kuò)張速度呈現(xiàn)趨勢為波動(dòng)中增長;通過引入城鎮(zhèn)化指數(shù),分析了山東省城鎮(zhèn)化發(fā)展情況,發(fā)現(xiàn)山東省城鎮(zhèn)化水平一直處在高速發(fā)展階段。

關(guān)鍵詞 夜間燈光數(shù)據(jù);建成區(qū)提??;城市擴(kuò)張

中圖分類號 P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095—636 3(2016)12—0005—01

中國實(shí)行改革開放后,社會(huì)各方面不斷持續(xù)發(fā)展,隨著社會(huì)的發(fā)展,我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高。遙感影像正以其獨(dú)到的優(yōu)勢正廣泛應(yīng)用于城市的研究。

DMSP/OLS夜間燈光影像作為一種較為特殊的能夠有效監(jiān)測夜間燈光的遙感影像,逐漸被學(xué)者深入研究,夜間燈光數(shù)據(jù)逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)。如今夜間燈光數(shù)據(jù)主要被應(yīng)用于城市化水平研究、人口研究、災(zāi)害研究以及社會(huì)發(fā)展研究等方面。宋金超等人使用高分辨率遙感影像作為對照,通過對照遙感影像上的實(shí)際建成區(qū)來確定燈光數(shù)據(jù)提取閡值。鄒進(jìn)貴提出了便捷、高效地提取城鎮(zhèn)建成區(qū)的聚類閡值法。卓莉等人綜合利用夜間燈光與EVI指數(shù)信息,通過對VANUI指數(shù)構(gòu)建方法進(jìn)行改進(jìn),建立了一個(gè)新的緩解夜間燈光強(qiáng)度飽和的EANTLI指數(shù)。范俊甫等人使用夜間燈光影像,選取9個(gè)景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)分析了1992年—2010年環(huán)渤海區(qū)域城市發(fā)展的空間格局變化特征。何春陽等人利用夜間燈光數(shù)據(jù)從區(qū)域尺度,提出了3種不同的城市分布形態(tài),并分別進(jìn)行了分析,最后,綜合對環(huán)渤海城市群城市演化進(jìn)行了研究。

1研究區(qū)概況

本次的研究區(qū)域?yàn)樯綎|省,山東省面積在全國排名僅為20位,但是,山東的經(jīng)濟(jì)水平、人口總數(shù)在全國名列前茅,研究意義巨大。山東省共17地市,境內(nèi)文化中心、省會(huì)為濟(jì)南市,經(jīng)濟(jì)中心為青島。

山東省的地勢中間高,多山地地形;西部地勢平坦,多為緩坡平原,東部地區(qū)多為丘陵,各地形交錯(cuò)分布。總體上平原分布最廣,所占面積大于50%,其次為山地、丘陵。

2數(shù)據(jù)來源

夜間燈光影像是美國DMSP衛(wèi)星上的OLS傳感器所獲取的,下載來源于http:∥ngdc.noaa.gov/eog/,主要產(chǎn)品為穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)、輻射定標(biāo)平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)與非輻射定標(biāo)平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本次研究使用的是穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)為全年合成數(shù)據(jù),去除了火災(zāi)等隨機(jī)性亮度值的影響。

夜間燈光影像數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1年,空間分辨率約為1km,提供1992年—2013年共22年間數(shù)據(jù),自帶坐標(biāo)為WGS1984坐標(biāo)系,此外,隨著衛(wèi)星傳感器的更替,出現(xiàn)了一年有兩傳感器測得的不同數(shù)據(jù)的情況。

本次研究利用夜間燈光數(shù)據(jù),共選取山東省1995年—2013年19年間的影像,針對建成區(qū)進(jìn)行提取與分析。

3研究方法

對于城市建成區(qū)的提取方法,總結(jié)起來主要是以下4種:一是通過經(jīng)驗(yàn)分析人為設(shè)定提取閡值;二是求取提取的建成區(qū)面積與周長突變點(diǎn)所對應(yīng)DN值為閡值;三是將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為對照,提取建成區(qū);四是使用較高分辨率影像數(shù)據(jù)作為參考,提取建成區(qū)。由于經(jīng)驗(yàn)閾值的方法只適應(yīng)各自對應(yīng)地區(qū),并且準(zhǔn)確性值得商榷;使用較高分辨率影像數(shù)據(jù)作為參考提取閾值,但研究區(qū)山東使用較高分辨率影像數(shù)據(jù)覆蓋時(shí),數(shù)據(jù)量過大,并且不易操作,放棄使用此上2種方法。本次研究選擇統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法,通過經(jīng)驗(yàn)閡值大體確定閾值范圍,然后進(jìn)行不同閡值時(shí)建成區(qū)面積比較來求得準(zhǔn)確閡值。

通過上述技術(shù)路線,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法進(jìn)行城市建成區(qū)面積提取,分別獲取各年份建成區(qū)提取閾值。由于有的年份同時(shí)就有2個(gè)不同傳感器獲得的影像,所以對同一年份不同傳感器影像都進(jìn)行閡值提取,求出與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最接近的影像作為當(dāng)年影像進(jìn)行研究。

4結(jié)論分析

通過閾值法提取的城市建成區(qū)面積,從中我們可以知道,山東省建成區(qū)總面積呈持續(xù)增長趨勢,并且增長趨勢總體呈現(xiàn)逐漸加強(qiáng)。

分析建成區(qū)提取面與年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)兩者都呈持續(xù)增長的趨勢,并對提取精度進(jìn)行驗(yàn)證,得到總體相對誤差為4.29%,誤差較小,符合提取要求。

分析多年城市建成區(qū)提取閾值,我們可以得出,建成區(qū)提取閾值隨著時(shí)間的增長,閡值呈現(xiàn)波動(dòng)中增長,分析原因,隨著時(shí)間的增長,社會(huì)的快速發(fā)展,建成區(qū)燈光強(qiáng)度增長,高燈光強(qiáng)度像元增多,越來越多的像元值趨于飽和值,燈光飽和效應(yīng)增強(qiáng)。

城市的緊湊度作為表述城市空間分布形態(tài)的一個(gè)重要概念,在城市形態(tài)研究、城市發(fā)展動(dòng)態(tài)變化研究、城市未來規(guī)劃中占據(jù)重要地位,本次研究引入城市緊湊指數(shù),對山東省建成區(qū)緊湊度進(jìn)行分析。緊湊度定量計(jì)算公式為:

其中A為面積,P為周長,BCI為緊湊度。

通過對山東省建成區(qū)緊湊度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)山東城市緊湊度在1995—2001年較為平穩(wěn),2002年開始下降,直到2010平穩(wěn)小幅度下降,2011—2013年呈現(xiàn)波動(dòng)中增長趨勢。分析得到,第一階段,山東城市的較為發(fā)展平穩(wěn),幾乎擴(kuò)張幅度較小,城市輪廓形態(tài)變化不大;第二階段,山東城市進(jìn)入快速擴(kuò)張階段,小型城鎮(zhèn)發(fā)展迅速,導(dǎo)致周長變化較大,緊湊度降低,城市輪廓變化較大,形態(tài)分布式明顯;第三階段,城市發(fā)展到較為完善階段,主城區(qū)擴(kuò)張向邊緣城鎮(zhèn)逼近,導(dǎo)致緊湊度在波動(dòng)中增加,城市輪廓逐漸變緊湊。

選用建成區(qū)擴(kuò)張速度來衡量城市擴(kuò)張的快慢,擴(kuò)張速度計(jì)算公式為:

本次研究使用3種時(shí)間間隔進(jìn)行山東省城市擴(kuò)張速率研究,分別為4、3、2年時(shí)間間隔,分別記為法1、法2、法3,下圖表為3種方法計(jì)算的山東省城市擴(kuò)張速率。通過圖1我們可以看出,山東省內(nèi)自1995—2013年,城市擴(kuò)張速率整體呈現(xiàn)出不斷地波動(dòng),但是整體在波動(dòng)中上升,3種方法所表現(xiàn)的趨勢基本一致。分析原因,隨著我國的城市化進(jìn)程的加快,山東省建成區(qū)面積逐漸增加,增長速率整體上穩(wěn)步上升,擴(kuò)張是較長時(shí)間行為,所以會(huì)出現(xiàn)增長速率的上下波動(dòng)。

借鑒人口城鎮(zhèn)化水平的計(jì)算公式,將表征土地城鎮(zhèn)化的城鎮(zhèn)化指數(shù)定義為城鎮(zhèn)建成區(qū)面積與區(qū)域總面積的比值,計(jì)算公式為:

其中,U代表城鎮(zhèn)化指數(shù),S代表建成區(qū)面積,L代表區(qū)域總面積。

我們可以看出,我省城鎮(zhèn)化進(jìn)程分為2個(gè)階段,第一階段為1995—2000年,城鎮(zhèn)化進(jìn)程緩慢,第二階段為2001—2013年,城鎮(zhèn)化進(jìn)程飛速發(fā)展,逐漸加快。endprint