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

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(duì)比法進(jìn)行山東省建成區(qū)面積提取，并對(duì)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(zhǎng)而波動(dòng)，建成區(qū)面積持續(xù)增長(zhǎng)。然后對(duì)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(zhǎng)，城市輪廓呈現(xiàn)三階段不同形態(tài)與趨勢(shì)；通過3種不同時(shí)間間隔對(duì)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(shì)為波動(dòng)中增長(zhǎng)；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?。怀鞘袛U(kuò)張

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

中國(guó)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(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高。遙感影像正以其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(duì)照，通過對(duì)照遙感影像上的實(shí)際建成區(qū)來(lái)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(duì)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(yáng)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(duì)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(guó)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(guó)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(shì)中間高，多山地地形；西部地勢(shì)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(lái)源

夜間燈光影像是美國(guó)DMSP衛(wèi)星上的OLS傳感器所獲取的，下載來(lái)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(cè)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(duì)建成區(qū)進(jìn)行提取與分析。

3研究方法

對(duì)于城市建成區(qū)的提取方法，總結(jié)起來(lái)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(zhǎng)突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)DN值為閡值；三是將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)，并且增長(zhǎng)趨勢(shì)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(zhǎng)的趨勢(shì)，并對(duì)提取精度進(jìn)行驗(yàn)證，得到總體相對(duì)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(zhǎng)，閡值呈現(xiàn)波動(dòng)中增長(zhǎng)，分析原因，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，社會(huì)的快速發(fā)展，建成區(qū)燈光強(qiáng)度增長(zhǎng)，高燈光強(qiáng)度像元增多，越來(lái)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(lái)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(duì)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(zhǎng)，BCI為緊湊度。

通過對(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)。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(zhǎng)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(lái)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(shì)基本一致。分析原因，隨著我國(guó)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(zhǎng)速率整體上穩(wěn)步上升，擴(kuò)張是較長(zhǎng)時(shí)間行為，所以會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)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