1基于DMSP-OLS-夜間燈光數(shù)據(jù)的長江三角洲地區(qū)城市化

格局與過程研究數(shù)據(jù)源：本文使用AcrGisDesktop作為地理信息處理軟件（數(shù)據(jù)源包括美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心提供的DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)以及通過國家基礎地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（htttp://）下載的全國1:400萬數(shù)據(jù)庫中的縣級以上境界面狀數(shù)據(jù)和主要交通線狀數(shù)據(jù)（二者的數(shù)據(jù)都是地理坐標），橢球體為WGS-84，可以相互疊加（為了計算面積，需對二類數(shù)據(jù)的坐標加以轉(zhuǎn)換，本文將其轉(zhuǎn)換為橫軸墨卡托（UTM）投影，橢球體仍為WGS-84。在縣級以上境界面狀數(shù)據(jù)中提取長三角洲地區(qū)各市和市轄區(qū)邊界，用以裁剪全球燈光數(shù)據(jù)的計算。原始數(shù)據(jù)是消除了云（通過熱紅外通道閾值法）及火光等偶然噪聲影響后對全年VNIR通道灰度值直接平均化處理后得到的，數(shù)據(jù)灰度值范圍廣63，飽和燈光灰度值為63。研究方法：（1）構(gòu)建城市化指數(shù)。通過分析了城市燈光數(shù)據(jù)（區(qū)域燈光面積屬性指標頓、平均燈光強度屬性指標、城市燈光亮度總值、復合夜間燈光數(shù)據(jù)）與長三角地區(qū)各城市經(jīng)濟（全市GDP、全市人均GDP、第二和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重）、人口（全市人口密度、市轄區(qū)人口密度、非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒戎兀┖屯恋乩茫ㄊ休爡^(qū)建設用地面積、市轄區(qū)建成區(qū)面積）的相關性。采用平均燈光強度屬性指標作為基于DMSP-OLS的城市化水平指數(shù)。（2）燈光閾值的確定。閾值的確定方法包括經(jīng)驗法、突變檢測方法和基于輔助資料的空間比較法等。本文采用空間比較法中的二分法來確定燈光閾值(閾值為DN時的面積與建設用地面積之差絕對值最小)圖中，DNT為夜間燈光數(shù)據(jù)的閾值：S(DNT)為統(tǒng)計閾值內(nèi)的燈光斑塊面積;△S(DNT)為S(DNT)與各市市轄區(qū)建設用地面積(Area)的差值絕對值;DNmax、DNmin分別為閾值的最大、最小值；△S(DNT-1)、△S(DNT+1)分別為閾值DNT-1、DNT+1時的面積與建設用地面積之差的絕對值；IF[^S(DNTT)N^S(DNT)W^S(DNT+1)表示閾值為DNT時的面積與建設用地面積之差絕對值最小。結(jié)果分析：1城市群城市化空間模式。城市化過程可以理解為城市用地在空間上通過占有非城市用地而實現(xiàn)擴展的過程。2城市群城市化過程分析。通過區(qū)域內(nèi)平均燈光強度均值的變化分析城市群整體城市化的過程，平均燈光強度的變差系數(shù)來反應城市群內(nèi)部城市化水平的差異。3城市群用地擴展類型。基于DMSP-OLS數(shù)據(jù)特點，像元燈光強度隨時間的變化在一定程度上可以反映其所在區(qū)域開發(fā)利用強度的變化過程，因此可以根據(jù)城市像元燈光強度的時間變化特征來識別不同的城市用地主導擴展類型。)==2基于DMSP-OLS燈光數(shù)據(jù)新疆天山北坡經(jīng)濟帶城市化研究研究理論背景：用夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市主要是基于城市夜間燈光強度與鄉(xiāng)村黑暗背景的強烈反差特征，采用閾值法進行提取，即設定一個閾值DN0，如果象元的DN值大于或等于DN0將其劃為城市類型，如果小于DN0，則認為該象元代表非城市用地類型。由于DMSP/OLS具有不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式，而且不同的研究者分析思考問題的方式、角度不一，因此閾值的確定方法也不一樣。目前確定閾值常見的方法主要有三種：)==A）經(jīng)驗法。即根據(jù)以往研究的經(jīng)驗確定閾值。Croft[4]、Kramer[12]等曾先后用它來繪制城市分布圖。B）突變理論。Imhoff認為[13]:在一段時間的連續(xù)觀測中，像元發(fā)出的燈光被探測到的頻率越高，它屬于城市類型的概率越大；正確提取城市的閾值應該保持市中心的完整（不破脆）。基于這種假設，可以通過逐漸增加閾值來減小噪聲帶來的影響。當將閾值向100逐漸增加時，城市多邊形逐漸收縮，當閾值增加到某一個點時，明亮的城市多邊形不再沿著邊緣變小，而是開始在內(nèi)部出現(xiàn)破脆，即明亮的多邊形內(nèi)部開始析出黑暗的小島，此時所研究的城市多邊形的周長會突然增加，那么使周長突然增加開始析出黑暗的小島，此時所研究的城市多邊形的周長會突然增加，那么使周長突然增加的閾值點即為所尋點。C）空間比較法。就是將DMSP夜間燈光圖像與其他遙感圖像做空間比較分析以確定城市化邊界。宮鵬等人基于DMSP/OLS拼合的兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品：穩(wěn)定燈光圖像，輻射標定燈光圖像，確定了具有不同城市化水平和經(jīng)濟發(fā)展水平的三個城市一美國舊金山、中國北京、中國拉薩的邊界。并將這些邊界一一與TM提取出的城市邊界比較，以此調(diào)整并確定不同發(fā)展水平下城市的閾值。數(shù)據(jù)：非輻射定標的夜間平均燈光強度數(shù)據(jù)。方法：主要依據(jù)下面的兩個基本假設來提取新疆天山北坡經(jīng)濟帶城市空間信息：基本假設1：現(xiàn)有土地利用方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以基本反映新疆天山北坡經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)用地的總量特征，因此利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取的各縣市城鎮(zhèn)用地的總量應該充分接近統(tǒng)計數(shù)據(jù)?；炯僭O2：在DMSP/OLS最小像元lkm*lkm的尺度上，在1992-2003年新疆天山北坡經(jīng)濟帶的城鎮(zhèn)用地基本上是連續(xù)增加的。即在前一個時期出現(xiàn)的城市斑塊，不會在后一個時期的DMSP影像上消失，應該在后一個時期的城市圖像上得到保留。燈光圖像預處理后提取各縣市燈光圖像與各縣市統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行總量比較提取各縣市城鎮(zhèn)用地信息，得到基于燈光數(shù)據(jù)的新疆天山北坡經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)用地信息。結(jié)論分析：盡管目前對城市化的概念有諸多不同的認識和理解，但從空間和景觀的角度上看，城市化過程可以主要理解城市用地（斑塊）在空間上占有非城市用地進行擴展。通過比較不同年份該比例得到城市化整個變化趨勢。3基于DMSP-OLS影像的我國主要城市群空間擴張?zhí)卣鞣治鰯?shù)據(jù)：目前主要有3種夜間燈光影像數(shù)據(jù)：穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)、輻射定標夜間平均燈光強度影像數(shù)據(jù)和非輻射定標夜間平均燈光強度影像數(shù)據(jù)。本文采用數(shù)據(jù)為穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品是在月光微弱的條件下獲取的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄了一段時間內(nèi)（通常為1a）在無云的條件下燈光被連續(xù)探測到的頻率，該數(shù)據(jù)排除了亮云和水體的影響，其空間分辨率為1Km。方法：提取城市用地：本文首先應用經(jīng)驗閾值6%初步提取京津冀、長江三角洲和珠江三角洲城市群的城市用地像元，然后以依據(jù)經(jīng)驗閾值提取的城市用地像元為基礎根據(jù)公式（1）-（5）進一步較精確地確定城市用地像元。（卓莉等的經(jīng)驗指出已經(jīng)發(fā)展成為城市的區(qū)域，一般情況下不可能再變?yōu)猷l(xiāng)村區(qū)域即城市像元的燈光值不可能從大于零再變?yōu)榱悖┮虼四骋幌裨?992、1995、2000、2005和2009燈光值滿足以下（1）-（5）公式:（F1992〉0）和（F1995〉0）和（F2000〉0）和（F2005〉0）和（F2009〉0）（1）（F1992=0）和（F1995〉0）和（F2000〉0）和（F2005〉0）和（F2009〉0）（2）（F1992=0）和（F1995=0）和（F2000〉0）和（F2005〉0）和（F2009〉0）（3）（F1992=0）和（F1995=0）和（F2000=0）和（F2005〉0）和（F2009〉0）（4）（F1992=0）和（F1995=0）和（F2000=0）和（F2005=0）和（F2009〉0）（5）結(jié)果分析：1根據(jù)三大城市群城市像元數(shù)占總數(shù)比例分析城市的擴張進程差異。2根據(jù)城市用地的分布分析城市群的擴張方向特征。（以東南西北方向為坐標軸，確定城市區(qū)距離中心位置的分布）3根據(jù)城市用地的變化結(jié)合人口以及經(jīng)濟的變化分析三者之間的關系。4基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的城市中心城區(qū)提取新方法數(shù)據(jù)：DMSP/OLS的穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品方法：首先，以輔助資料的空間對比法確定城市中心城區(qū)范圍最小閾值，然后，提取DMSP數(shù)據(jù)中的每個極大值及一定范圍內(nèi)的臨近值，作為城市中心城區(qū)范圍，并將提取的范圍與作為輔助資料的MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)中相應的城市中心城區(qū)范圍作線性回歸分析，進而獲得估算城市中心城區(qū)范圍的線性模型。經(jīng)驗證其結(jié)果預測吻合度達到82.06%,平均相對誤差為8.47%，說明利用該方法提取城市中心城區(qū)范圍具有一定的可行性，可較準確地提取發(fā)展水平不同的城市的中心城區(qū)范圍。51992-2010年基于DMSP-OLS圖像的環(huán)渤海城市群空間格局變化分析數(shù)據(jù)源：本研究利用1992-2010年間共19年的DMSP-OLS非輻射定標的夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)，其下載自美國國家海洋和大氣管理局下屬的國家地理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。方法：從DMSP-OLS數(shù)據(jù)提取城市區(qū)域的經(jīng)驗閾值法存在固有的缺陷，經(jīng)驗閾值對不同的空間區(qū)域不具備通用性，不適用的經(jīng)驗閾值，將導致城區(qū)面積提取具有較大誤差，可采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)對經(jīng)驗閾值進行修正以降低誤差。本文在大時空尺度條件下以少量樣本城市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對經(jīng)驗閾值方法進行了修正；另采用Elvidge二次多項式模型對DMSP-OLS時間序列數(shù)據(jù)進行了校正。在此基礎上選取總斑塊數(shù)量、景觀總面積、平均斑塊大小、最大斑塊面積比、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、總邊界長度、平均邊界密度和斑塊平均回旋半徑共9個景觀生態(tài)學指標，采用FRAGSTATS3.3軟件計算分析了1992-2010年環(huán)渤海區(qū)域城市發(fā)展的空間格局變化特征。6中國城市體系等級結(jié)構(gòu)及其空間格局——基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的實證數(shù)據(jù)源：選取F162006輻射定標數(shù)據(jù)，其一穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)包含城鎮(zhèn)等穩(wěn)定光源而背景噪音為0，為城鎮(zhèn)體系實證研究提供優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源，其二卜162006輻射定標數(shù)據(jù)有效消除夜間燈光數(shù)據(jù)的燈光飽和效應，其可信度與可行性評估更為有效。掩膜提取中國DMSP/OLS夜間燈光并重采樣為1km分辨率。方法：基于夜間燈光指數(shù)的引力模型定量測度中國341個城市之間的相互作用關系，并通過二階段聚類法綜合分析其城市體系等級結(jié)構(gòu)與空間格局。中國節(jié)點城市被劃分為7大國家節(jié)點城市（包括北京、天津、上海、廣州、重慶、哈爾濱與沈陽）、26個區(qū)域節(jié)點城市與107個省域節(jié)點城市，而中國城市體系則被劃分為2個國家城市體系（北方城市體系與南方城市體系）、8個區(qū)域城市體系（華北城市體系、東北城市體系、西北城市體系、黃河中游城市體系與華東城市體系、華南城市體系、西南城市體系、長江中游城市體系）與31個省域城市體系。7基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的中國城市化過程研究——反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)的構(gòu)建數(shù)據(jù)：本次研究使用的OLS數(shù)據(jù)產(chǎn)品來自日本國立環(huán)境研究所，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是介于上述兩類產(chǎn)品之間的新數(shù)據(jù)產(chǎn)品，被稱作非輻射定標的夜間燈光平均強度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。它是由日本國立環(huán)境研究所和東京大學在NGDC的DMSP/OLS研究小組協(xié)助下，借鑒1996）1997年間夜間燈光數(shù)據(jù)輻射標定實驗工作的經(jīng)驗，針對亞洲地區(qū)的特點開發(fā)的。根據(jù)DMSP/OLS的物理設計，在正常操作狀態(tài)下,OLS的增益會隨著背景照度的變化進行自動調(diào)整，背景照度的變化依據(jù)月球運轉(zhuǎn)周期以及月的高度來預測。最低的放大倍數(shù)出現(xiàn)在滿月時，這時的圖像非常類似白天可見光波段的圖像。隨著月光照度的減小，放大倍數(shù)逐漸增大，在每一個月亮周期中月光最暗的晚上，增益系數(shù)調(diào)到最大值（約60dB）。對多時相不同增益下的VNIR通道數(shù)據(jù)（MoonLight50%以下的低光數(shù)據(jù)）做平均化處理即可得到城市燈光強度分布。方法：反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)構(gòu)建本文從區(qū)域夜間燈光分布的兩方面屬性來構(gòu)建反映其城市化水平的燈光指數(shù)(Lj):(1)區(qū)域平均燈光強度屬性；(2)區(qū)域燈光面積屬性?；诮y(tǒng)計數(shù)據(jù)的城市化復合指標為了評價燈光指數(shù)是否反映了區(qū)域的城市化水平，選取了3個反映城市化水平的主要因子計算城市化復合指標,3個因子分別為:非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎?第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重;建成區(qū)面積占整個區(qū)域面積的比例。結(jié)論：(1)本文重點介紹了DMSP/OLS非輻射定標的夜間燈光平均強度數(shù)據(jù)產(chǎn)品及預處理流程。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是由日本國立環(huán)境研究所和東京大學在NGDC的DMSP/OLS研究小組協(xié)助下針對亞洲地區(qū)特點開發(fā)的新數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是消除云及火光等偶然噪聲影響后對多時相VNIR通道灰度值(DN)進行平均化處理后得到的多年度時間序列產(chǎn)品。適用于宏觀尺度的城市化強度及其時空分異研究。(2)基于DMSP/OLS非輻射定標的夜間燈光平均強度數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)，該指數(shù)考慮了區(qū)域平均燈光強度和燈光面積兩方面屬性特征。通過省級尺度上燈光指數(shù)與城市化水平復合指標的相關分析發(fā)現(xiàn):燈光指數(shù)與城市化水平復合指標之間有顯著相關性，燈光指數(shù)能夠較好地反映區(qū)域的城市化水平。8基于DMSP/OLS影像的城市化水平遙感估算方法數(shù)據(jù)源：DMSP/OLS夜間穩(wěn)定燈光影像、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)，社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、行政邊界圖(矢量數(shù)據(jù))。方法：首先，從美國國防氣象衛(wèi)星計劃的線性掃描業(yè)務系統(tǒng)(DefenseMeteorologicalSatelliteProgram/OperationalLinescanSystem,DMSP/OLS)獲取的夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)中提取了夜間燈光綜合指數(shù)(NightLightCompositiveIndex,NLCI)。然后建立了基于社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)的城市化水平指數(shù)(UrbanizationLevelIndex,ULI)與NLCI間的統(tǒng)計學模型，并據(jù)此對中國大陸地區(qū)級尺度的城市化水平進行了估算。9長三角城市群地域擴張的時空特征——基于“近十年來DSMP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)”的實證分析數(shù)據(jù)源：遙感數(shù)據(jù)：DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。其獲取圖像的幅寬為3000km，全分辨率數(shù)據(jù)的地面采樣距離是0.56km。研究使用的基礎數(shù)據(jù)為穩(wěn)定燈光圖像數(shù)據(jù)，是消除了云及火光等偶然噪聲影響后對全年VNIR通道灰度值直接平均化處理后得到的，數(shù)據(jù)灰度值范圍1~63，飽和燈光灰度值為63，空間分辨率為1km。研究方法：基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的特點，本文擬結(jié)合1999-2010年夜間燈光數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，采用二分閾值法，用側(cè)重于表征數(shù)量變化的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)驗證夜間燈光數(shù)據(jù)，從而重建長三角城市群的歷年城市邊界，基于此得到城市擴展空間屬性數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，進行長三角時空形態(tài)變化分析，分別采用重心轉(zhuǎn)移法、景觀格局指數(shù)方法和空間關聯(lián)維數(shù)系統(tǒng)性地從擴張方向、擴張形態(tài)和擴張模式深入分析近十年來長三角城市群地域擴張的時空特征。提取城鎮(zhèn)群地域邊界的基本方法是：基于ArcGIS平臺，對DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)采用二分法提取各市的閾值和城鎮(zhèn)用地的面積總量，并將提取面積結(jié)果與城市群各市城鎮(zhèn)用地面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行比較，直到利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取的各市城鎮(zhèn)用地面積與統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對誤差最小時的閾

值即為可提取的閾值，大于該閾值的值也就是通過DSMP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取的城鎮(zhèn)用地面積。（備注：同基于DMSP-OLS-夜間燈光數(shù)據(jù)的長江

三角洲地區(qū)城市化格局與過程研究相似）10DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)在城市化監(jiān)測中的應用數(shù)據(jù)源：DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)。提取城市面積方法:（1）設定燈光強度閾值提取城市面積。（2）利用DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建復合指標提取城市面積.城市化主要從人口與面積指標兩方面來定義，但是由于我國人口普查數(shù)據(jù)周期較長和行政邊界經(jīng)常變更的限制，導致通過人口界定城市化范圍精度較低。DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)在時間分辨率和空間分辨率上有很大優(yōu)勢，但是由于其空間分辨率太粗糙，直接從影像獲得精確的城市范圍比較困難。學者們根據(jù)燈光強度與社會經(jīng)濟因子或植被覆蓋等其他因素之間的關系構(gòu)建復合指標，再利用新建指標實現(xiàn)對城市面積的提取。例如不透明水面（ISA）與人口數(shù)量以及DMSP/OLS燈光亮度之間的線性模型（ISA=0.0795（radiance）+0.00868（populationcount）簡化城市面積的提取，ISA大于50%區(qū)域被認為是城市區(qū)域。11基于夜間燈光數(shù)據(jù)環(huán)渤海地區(qū)城市化過程數(shù)據(jù)：非輻射定標的夜間平均燈光強度數(shù)據(jù)方法：DMSP/OLS數(shù)據(jù)中，燈光數(shù)據(jù)強度（圖像灰度值）越高的地方，城市用地的可能性越高，提出兩個基本假設來提取城市的建設用地?；炯僭O1:現(xiàn)有的土地利用方面的數(shù)據(jù)可以基本反映中國城鎮(zhèn)用地的總量特征，所以利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取的各個省區(qū)城鎮(zhèn)用地總量充分接近統(tǒng)計數(shù)據(jù)?；炯僭O2：在DMSP/OLS最小像元1KMX1KM的尺度上，環(huán)渤海地區(qū)的城鎮(zhèn)用地基本上是連續(xù)的增加。即在前一個時期出現(xiàn)的城市斑塊，不會在后一個時期的DMSP圖像消失，首先應該在后一時期的城市圖像中得到保留。在基本假設基礎上