基于VBANUI夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)的河南省城市擴(kuò)張研究

林敬娜 楊杰

（河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

1 引言

城市化進(jìn)程是一個(gè)涉及城市擴(kuò)張和土地利用變化的過程，能夠反映區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，城市擴(kuò)張變化分析是研究城市時(shí)空演變的重要方式，有利于加快城市化進(jìn)程。近年來，我國城市擴(kuò)張速度過快，容易導(dǎo)致自然資源短缺、大氣環(huán)境變化等問題[1]，同時(shí)我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，城市擴(kuò)張也存在較大的地域差異，及時(shí)關(guān)注城市擴(kuò)張信息對優(yōu)化城市空間布局和調(diào)整區(qū)域發(fā)展模式具有重大意義。河南省是農(nóng)業(yè)大省，人口密度大，是我國東西部區(qū)域發(fā)展的連接紐帶，河南省的城市擴(kuò)張變化研究是監(jiān)測河南省城市化進(jìn)程的重要課題，關(guān)系著我國的整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感技術(shù)通過非接觸方式獲取地物表面信息，能夠有效提取城市擴(kuò)張有關(guān)的空間信息，已被廣泛應(yīng)用于檢測城市動態(tài)[2]。夜光遙感是遙感科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要分支，能探測地球表面的夜間可輻射光源，因此對于直觀表達(dá)人類活動具有一定的能力[3]。DMSP/OLS（Defense Meteorological Satellite Program/Operational Line-Scan System） 夜 間 燈 光 數(shù) 據(jù) 和NPP/VIIRS（National Polar‐Orbiting Partnership/Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）夜間燈光數(shù)據(jù)是兩種常用的夜間燈光數(shù)據(jù)源，因時(shí)間序列較長，且影像分辨率較低，耗費(fèi)人力時(shí)間成本較小，為監(jiān)測大尺度城市的時(shí)空變化提供特殊視角[4-6]。

綜上，本研究在校正DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以河南省為研究區(qū)，借助NDBI 和NDVI 數(shù)據(jù)，利用VBANUI 夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)閾值法提取河南省2000、2005、2010、2015、2020 年城市建成區(qū)，從建成區(qū)面積、擴(kuò)張強(qiáng)度、重心遷移角度研究河南省近20 年的城市擴(kuò)張時(shí)空演變特征。研究發(fā)現(xiàn)，河南省城市不斷擴(kuò)張，近5 年擴(kuò)張最快，中北部地區(qū)城市擴(kuò)張較快，河南省建成區(qū)重心從許昌市遷移至鄭州市。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

河南省（行政區(qū)劃如圖1 所示）地理坐標(biāo)為31°23′N～36 °22 ′N 、110 °21 ′E～116 °39 ′E ，下轄18 個(gè)地市 ，總面積16.7 萬km2，截至2020 年建成區(qū)面積2394km2，GDP 5.43 萬億元，人口9941.2 萬，城鎮(zhèn)化率54.2%。河南省是中原城市群的主要組成部分，是全國承接?xùn)|西、連通南北的重要樞紐[7]，研究河南省的城市擴(kuò)張變化分析對促進(jìn)河南區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

圖1 研究對象區(qū)域行政區(qū)劃

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 DMSP/OLS 數(shù)據(jù)

2000～2013 年的夜光遙感數(shù)據(jù)采用美國國家地理信息中心提供的非輻射定標(biāo)夜間平均燈光強(qiáng)度影像的22期穩(wěn)定燈光影像，不同年份和不同傳感器的DMSP/OLS數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性和不可比性問題，數(shù)據(jù)DN 值范圍為0～63，存在飽和問題。采用不變目標(biāo)區(qū)域法進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互校正和飽和校正[8,9]，根據(jù)像元燈光值逐年只增不減原則進(jìn)行連續(xù)校正[10]，不同傳感器的數(shù)據(jù)取均值作為年度數(shù)據(jù)。

2.2.2 NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)

2013～2020 年的夜光遙感數(shù)據(jù)來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心提供的NPP/VIIRS VCMFG月度合成數(shù)據(jù)，排除雜散光影響。各年份NPP/VIIRS 年度數(shù)據(jù)由1～4月、8～12 月的月度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值合成[11]，并去除負(fù)值極高值，以均值濾波計(jì)算周圍5 鄰域像元平均值代替負(fù)值極高值。

2.2.3 NDVI 和NDBI 數(shù)據(jù)

NDVI 數(shù)據(jù)采用MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的MOD13Q1 250m16day 產(chǎn)品，NDBI 數(shù)據(jù)由2000～2012 年的landsat5數(shù)據(jù)和2013～2020 年的landsat8 數(shù)據(jù)計(jì)算。由GEE平臺獲取MODIS 和landsat 數(shù)據(jù)，設(shè)置云量、投影坐標(biāo)系、輸出范圍和柵格大小，并將各年數(shù)據(jù)進(jìn)行均值合成計(jì)算年平均數(shù)據(jù)，計(jì)算NDVI 和NDBI 指數(shù)。

2.2.4 土地利用數(shù)據(jù)

采用2000～2020 年間的中科院二級土地利用分類數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)土地資源的自然屬性，分為25個(gè)類型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，編號51（城鎮(zhèn)用地類型，指大、中、小城市及縣鎮(zhèn)以上建成區(qū)用地）作為建成區(qū)類型，其他編號類型合并為一類，作為非建成區(qū)類型，將其作為文中提取城市建成區(qū)的參考驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

為了數(shù)據(jù)統(tǒng)一，投影轉(zhuǎn)換均采用WGS_1984_UTM_Zone_49N 投影坐標(biāo)系，將河南省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)作為掩膜進(jìn)行裁剪與重采樣，取500m 分辨率。

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線

本研究將河南省作為研究區(qū)，將DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 作為時(shí)間序列夜光遙感數(shù)據(jù)，將NDVI 和NDBI 作為輔助數(shù)據(jù)，構(gòu)建VBANUI 夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)，結(jié)合閾值法對河南省2000、2005、2010、2015、2020年城市建成區(qū)進(jìn)行提取，并參考土地利用數(shù)據(jù)，對建成區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。在此基礎(chǔ)上，圍繞建成區(qū)面積、擴(kuò)張強(qiáng)度、重心遷移角度，以五年為一個(gè)時(shí)間階段，分析河南省近20 年的城市擴(kuò)張變化。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

3.2 VBANUI 指數(shù)提取方法

3.2.1 VBANUI 夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是一種反映綠色植物的輻射量化值，與建成區(qū)信息存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，將NDVI用于調(diào)節(jié)夜間燈光亮度，構(gòu)建VANUI 指數(shù)結(jié)合閾值法進(jìn)行城市建成區(qū)提取，能有效降低夜光數(shù)據(jù)飽和的影響，具有減小夜光數(shù)據(jù)噪聲影響的作用，增加建成區(qū)夜間燈光飽和地區(qū)及建成區(qū)邊緣信息的NTL 信號[12-14]，VANUI 遙感指數(shù)如公式（1）所示。

公式（1）中，NDVI 為像元?dú)w一化植被指數(shù)，NTL為像元夜間燈光輻射值。

地球表面存在裸露地表，在建成區(qū)提取中容易存在混淆現(xiàn)象。歸一化建筑物指數(shù)（NDBI）是一種主要反映建筑用地信息的數(shù)據(jù)集，與建成區(qū)信息存在正相關(guān)關(guān)系，NDBI 指數(shù)能區(qū)分高密度建筑區(qū)及裸露地表與建成區(qū)[14]。因此綜合考慮夜光影像中建成區(qū)的飽和度問題，以及高密度建筑區(qū)及裸露地表對建成區(qū)的混淆問題，對VANUI 遙感指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采取由NDVI 及NDBI 共同調(diào)節(jié)的VBANUI 夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)用于城市建成區(qū)提取，可能取得更好的建成區(qū)提取結(jié)果[15]，VBANUI 計(jì)算如公式（2）所示，NTL 數(shù)據(jù)取自校正后的DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)。

公式（2）中，NDVI 為像素歸一化植被指數(shù)，NDBI 為像素歸一化建筑物指數(shù)，NTL 為夜間燈光輻射值。

3.2.2 閾值法提取

閾值法是一種基于區(qū)域的影像分割技術(shù)，即將影像像元區(qū)分成若干類，閾值法提取城市建成區(qū)相當(dāng)于找出一個(gè)像元值即最佳閾值，將影像區(qū)分為建成區(qū)和非建成區(qū)兩類，其方法簡單、計(jì)算量小。分割區(qū)域較大時(shí)，局部閾值比全局閾值分割圖像精度高，因此使用局部閾值法進(jìn)行城市建成區(qū)提取。

閾值法提取城市建成區(qū)的具體方法如下：（1）統(tǒng)計(jì)建成區(qū)參考面積。選擇土地利用數(shù)據(jù)中編號51 類型數(shù)據(jù)作為文中提取建成區(qū)的參考數(shù)據(jù)，基于各年份土地利用類型數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)市域內(nèi)不同年份的建成區(qū)參考面積。（2）確定最佳閾值。對上文計(jì)算的VBANUI指數(shù)設(shè)定系列區(qū)域閾值，對各市域進(jìn)行建成區(qū)提取，計(jì)算提取城市建成區(qū)的面積，將提取面積與建成區(qū)參考面積最為接近的值作為各市域最佳閾值。（3）提取建成區(qū)。根據(jù)每年區(qū)域最佳閾值對VBANUI 指數(shù)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行建成區(qū)與非建成區(qū)的區(qū)分。

3.2.3 精度評價(jià)

本研究采用混淆矩陣的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行精度分析，包括用戶精度UA、生產(chǎn)精度PA、整體精度OA 以及Kappa 系數(shù)。其中UA 代表被正確提取為建成區(qū)的像元與被提取建成區(qū)總像元的比值，PA 代表被正確提取為建成區(qū)的像元與參考數(shù)據(jù)建成區(qū)總像元的比值，OA 代表被正確提取建成區(qū)和非建成區(qū)的像元占所有像元的比例，Kappa 系數(shù)表示提取結(jié)果與參考數(shù)據(jù)狀況的一致性。

3.3 城市擴(kuò)張分析方法

3.3.1 擴(kuò)張強(qiáng)度

建成區(qū)面積擴(kuò)張速度是反映城市發(fā)展快慢的一項(xiàng)重要指標(biāo)，表示每年建成區(qū)面積的平均增長速度。擴(kuò)張強(qiáng)度是指區(qū)域內(nèi)城市擴(kuò)張過程中建成區(qū)擴(kuò)張面積與區(qū)域總土地面積的比值，值的大小代表擴(kuò)張快慢，相較于擴(kuò)張速度，引入各區(qū)域的土地總面積進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使不同時(shí)期的城市建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度更具可比性。此外，建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度可以反映城市擴(kuò)張過程中建成區(qū)與非建成區(qū)用地間的關(guān)系，擴(kuò)張強(qiáng)度數(shù)值大說明城市在擴(kuò)張過程中占用了大量土地面積，數(shù)值小則說明建成區(qū)擴(kuò)張面積占整個(gè)土地面積的比例較小，有較多土地面積待開發(fā)[16]，擴(kuò)張強(qiáng)度計(jì)算如公式（3）所示。

公式（3）中，I表示年均建成區(qū)面積擴(kuò)張強(qiáng)度，S末表示末尾年份建成區(qū)面積，S始表示初始年份建成區(qū)面積，ΔT表示末尾與初始年份間隔，S表示區(qū)域土地利用總面積。

3.3.2 重心遷移

建成區(qū)重心是指區(qū)域空間中能使各方向的建成區(qū)空間分布維持平衡的某一點(diǎn)，在二維圖中以點(diǎn)表示。重心遷移距離和方向反映了要素空間位置的變化和要素在地理空間中的發(fā)展方向和聚集程度[17]，建成區(qū)重心和遷移距離計(jì)算如公式（4）和公式（5）所示。

公式（4）和（5）中，（X t,Yt）為t年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓重心，（X t+k,Y t+k）為t+k年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓重心，Dt,t+k為t到t+k年重心遷移距離，xi和yi為區(qū)域范圍內(nèi)建成區(qū)斑塊i的重心坐標(biāo)，n為區(qū)域內(nèi)建成區(qū)斑塊總數(shù)，wi為區(qū)域內(nèi)建成區(qū)斑塊i的面積權(quán)重。

4 結(jié)果與討論

4.1 提取結(jié)果分析

河南省2000、2005、2010、2015、2020 年城市建成區(qū)的提取結(jié)果如圖3 所示。從空間上看，各年份提取建成區(qū)的空間分布與參考建成區(qū)比較吻合，在各城市中心城區(qū)位置和范圍基本得以展現(xiàn)，非中心城區(qū)提取偏差較大；從時(shí)間上看，建成區(qū)誤提現(xiàn)象在2000年、2005 年、2010 年更為明顯，2015 年和2020 年建成區(qū)誤提現(xiàn)象稍有減少，可能與夜間燈光數(shù)據(jù)源有關(guān)，2000 年、2005 年、2010 年的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)分辨率低、且數(shù)據(jù)飽和校正不一定能很好地消除誤差，依然存在數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，2015 年和2020 年的NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)分辨率較高，相對于DMSP/OLS 數(shù)據(jù)提取建成區(qū)效果會更好，但NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)也存在一定程度的燈光溢出效應(yīng)，會影響建成區(qū)提取效果。此外，2000 年到2020年間，總體上建成區(qū)范圍逐年擴(kuò)大，四周建成區(qū)斑塊變多，這是近20 年來河南省城市擴(kuò)張的結(jié)果。

圖3 建成 區(qū)提取結(jié)果

基于土地利用數(shù)據(jù)對河南省的城市建成區(qū)提取結(jié)果進(jìn)行分類精度驗(yàn)證，結(jié)果如表1 所示?？傮w來看，城市建成區(qū)與非建成區(qū)分類的整體精度較高，Kappa系數(shù)略低、建成區(qū)提取的用戶精度略大于生產(chǎn)精度。由此說明建成區(qū)與非建成區(qū)的整體提取準(zhǔn)確度較高，但與真實(shí)地表一致性不高，這與中心城區(qū)建成區(qū)提取范圍過大、非中心城區(qū)建成區(qū)誤提現(xiàn)象過多相對應(yīng)，可能受夜光數(shù)據(jù)在中心城區(qū)燈光溢出影響。

表1 建成區(qū)提取結(jié)果精度驗(yàn)證

4.2 城市擴(kuò)張

在近些年城市快速發(fā)展過程中，河南省建成區(qū)面積不斷擴(kuò)張，不同城市內(nèi)的建成區(qū)擴(kuò)張速度和擴(kuò)張強(qiáng)度也各有差異，圖4 為2000～2020 年河南省建成區(qū)擴(kuò)張可視化結(jié)果。由圖4 可知，從時(shí)間上看，河南省建成區(qū)斑塊在近20 年來基本逐漸增多，各地級市行政區(qū)域中心城區(qū)內(nèi)建成區(qū)基本呈逐漸擴(kuò)張趨勢，非中心城區(qū)內(nèi)建成區(qū)斑塊不斷增多，河南省北部區(qū)域和西部區(qū)域新增建成區(qū)斑塊較多，鄭州市擴(kuò)張明顯。從空間上看，各年份建成區(qū)斑塊較大者多居于河南省北部區(qū)域，且斑塊比較集中，西部區(qū)域建成區(qū)斑塊較為散落。

圖4 2000～2020年河南省建成區(qū)擴(kuò)張

為研究不同時(shí)間內(nèi)河南省的建成區(qū)面積及擴(kuò)張狀況，對河南省在市域?qū)用孢M(jìn)行建成區(qū)面積與擴(kuò)張強(qiáng)度計(jì)算，如表2 所示，并對建成區(qū)面積和建成區(qū)擴(kuò)張狀況在空間圖上作柱狀圖表，如圖5 和圖6 所示。

表2 2000～2020年河南省建成區(qū)面積與擴(kuò)張強(qiáng)度

圖5 2000～2020年河南省各市建成區(qū)面積

圖6 2000～2020年河南省各市建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度

從表2 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，2000～2020 年河南省省域建成區(qū)面積由2098km2增加至4488.75km2，市域建成區(qū)面積總體處于不斷增長狀態(tài)。從時(shí)間角度看，河南省2000～2010 年各市建成區(qū)面積逐年增加，2010～2015 年有少部分城市建成區(qū)面積稍有減少，可能是“十二五”規(guī)劃要求城鎮(zhèn)化健康發(fā)展所致，2015～2020 年增加最多，由此表明近20 年來城市建成區(qū)持續(xù)擴(kuò)張，以2015～2020 年擴(kuò)張最為顯著；近20 年來鄭州市建成區(qū)面積增長最多，2000～2005年洛陽、新鄉(xiāng)、許昌、周口等市建成區(qū)面積增長較大，2005～2015 年各市域建成區(qū)面積增長均較小，2015～2020 年中部地區(qū)建成區(qū)面積增長均較大，以鄭州市、洛陽市、南陽市和周口市最為明顯。從空間角度看，河南省北部區(qū)域建成區(qū)面積較大，包括洛陽市、新鄉(xiāng)市、安陽市等，鄭州市建成區(qū)面積在近20 年穩(wěn)居首位，河南省建成區(qū)面積較小的有濟(jì)源市、漯河市、三門峽等。

由表2 和圖6 可以看出，近20 年河南省在鄭州市、洛陽市、周口市等中部區(qū)域城市擴(kuò)張強(qiáng)度較大，且建成區(qū)所占市域土地面積的比值較大；西南部區(qū)域城市擴(kuò)張強(qiáng)度小，有較多土地面積可用于建成區(qū)開發(fā)。2000～2005 年河南省各市擴(kuò)張強(qiáng)度以鄭州市、洛陽市、新鄉(xiāng)市和周口市最大；2005～2010 年除鄭州市外各市擴(kuò)張強(qiáng)度均較小；2010～2015 年屬鄭州市、洛陽市、安陽市等地區(qū)擴(kuò)張較大，但少部分城市建成區(qū)面積呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢，以許昌市、周口市最為明顯；2015～2020 年各市擴(kuò)張強(qiáng)度最大，鄭州市擴(kuò)張最快，其次是南陽市、焦作市、洛陽市、新鄉(xiāng)市、駐馬店市、周口市等區(qū)域。

4.3 重心遷移

河南省建成區(qū)重心是該區(qū)域所有建成區(qū)斑塊的重心平均值。為分析河南省近20 年的空間格局變化，以建成區(qū)斑塊面積作為權(quán)重進(jìn)行河南省近20 年的建成區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓計(jì)算，分析建成區(qū)重心變換，結(jié)果如圖7和表3 所示。

表3 建成區(qū)重心遷移

圖7 建成區(qū)重心及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

由圖7 和表3 可以發(fā)現(xiàn)，河南省的建成區(qū)重心從最初的許昌市遷移至鄭州市后穩(wěn)定在鄭州市內(nèi)，基本呈“先西北再西南后東南”的遷移趨勢，在這20 年里，總體上南北遷移的幅度大于東西遷移的幅度，且近20 年鄭州市整體呈現(xiàn)“北偏東-南偏西”方向的分布態(tài)勢。細(xì)分每一變化時(shí)間段，2000 年建成區(qū)重心位于許昌市長葛市境內(nèi)；2000～2005 年向西北方向遷移，遷移距離較大，且向北遷移的幅度大于向西遷移的幅度，2005 年建成區(qū)重心遷移至鄭州新鄭市境內(nèi)；2005～2010 年建成區(qū)重心依然向西北方向遷移，建成區(qū)重心仍位于新鄭市境內(nèi)；2010～2015 年建成區(qū)重心開始向西南遷移；2015～2020 年建成區(qū)重心向東南方向遷移，遷移距離較大，但依然未遷出新鄭市?？傮w來說，河南省建成區(qū)重心在2000～2010 年整體向北遷移，從許昌市遷移至鄭州市，2010～2020 年建成區(qū)重心雖有遷移，但穩(wěn)定在鄭州市?？梢酝茰y2010 年以前河南省西北方向城市的建成區(qū)發(fā)展較好，可能與鄭州市、洛陽市、焦作市、新鄉(xiāng)市、濟(jì)源市城市發(fā)展較好有關(guān)；2010 年后向南方向城市擴(kuò)張程度逐漸變高，可能是地廣人稀的南部地區(qū)在近些年經(jīng)濟(jì)的刺激之下城市迅速擴(kuò)張所致，例如平頂山市、許昌市、南陽市等。

5 結(jié)論

本研究以河南省為例，將不同夜光數(shù)據(jù)源分別與Landsat、MODIS 等多源數(shù)據(jù)結(jié)合，通過VBANUI 夜間燈光調(diào)節(jié)指數(shù)結(jié)合閾值法提取河南省城市建成區(qū)，在此基礎(chǔ)上從建成區(qū)面積、擴(kuò)張強(qiáng)度和重心遷移角度分析河南省在2000～2020 年的城市擴(kuò)張時(shí)空演變特征，得出如下結(jié)論：經(jīng)NDVI 和NDBI 調(diào)節(jié)夜間燈光數(shù)據(jù)的遙感指數(shù)能夠有效提取城市建成區(qū)，建成區(qū)的位置和范圍基本得到展現(xiàn)；近20 年來河南省城市不斷擴(kuò)張，近5 年擴(kuò)張最快，在中北部地區(qū)城市擴(kuò)張較快，建成區(qū)面積所占土地面積比例較大；近20 年河南省建成區(qū)重心整體向西北遷移，向北遷移的幅度大于向西遷移的幅度，從許昌市遷移至鄭州市。