基于夜晚灯光数据的城市建成城区提取与格局分析

赵航　倪杰

摘要 利用山东省1995年-2013年19年间的DMSP/OLS夜间灯光数据，运用统计数据对比法进行山东省建成区面积提取，并对建成区提取阈值与提取出的建成区面积进行分析，发现提取阈值随时间的增长而波动，建成区面积持续增长。然后对多年建成区面积进行分析，结果表明：通过紧凑度分析，山东省城市紧凑度随时间增长，城市轮廓呈现三阶段不同形态与趋势；通过3种不同时间间隔对山东省城市扩张速度进行研究，城市扩张速度呈现趋势为波动中增长；通过引入城镇化指数，分析了山东省城镇化发展情况，发现山东省城镇化水平一直处在高速发展阶段。

关键词 夜间灯光数据；建成区提取；城市扩张

中图分类号 P2 文献标识码 A 文章编号 2095—636 3（2016）12—0005—01

中国实行改革开放后，社会各方面不断持续发展，随着社会的发展，我国城镇化水平不断提高。遥感影像正以其独到的优势正广泛应用于城市的研究。

DMSP/OLS夜间灯光影像作为一种较为特殊的能够有效监测夜间灯光的遥感影像，逐渐被学者深入研究，夜间灯光数据逐渐被应用于各行各业。如今夜间灯光数据主要被应用于城市化水平研究、人口研究、灾害研究以及社会发展研究等方面。宋金超等人使用高分辨率遥感影像作为对照，通过对照遥感影像上的实际建成区来确定灯光数据提取阂值。邹进贵提出了便捷、高效地提取城镇建成区的聚类阂值法。卓莉等人综合利用夜间灯光与EVI指数信息，通过对VANUI指数构建方法进行改进，建立了一个新的缓解夜间灯光强度饱和的EANTLI指数。范俊甫等人使用夜间灯光影像，选取9个景观生态学指标分析了1992年—2010年环渤海区域城市发展的空间格局变化特征。何春阳等人利用夜间灯光数据从区域尺度，提出了3种不同的城市分布形态，并分别进行了分析，最后，综合对环渤海城市群城市演化进行了研究。

1研究区概况

本次的研究区域为山东省，山东省面积在全国排名仅为20位，但是，山东的经济水平、人口总数在全国名列前茅，研究意义巨大。山东省共17地市，境内文化中心、省会为济南市，经济中心为青岛。

山东省的地势中间高，多山地地形；西部地势平坦，多为缓坡平原，东部地区多为丘陵，各地形交错分布。总体上平原分布最广，所占面积大于50%，其次为山地、丘陵。

2数据来源

夜间灯光影像是美国DMSP卫星上的OLS传感器所获取的，下载来源于http：∥ngdc.noaa.gov/eog/，主要产品为稳定灯光数据、辐射定标平均灯光强度数据与非辐射定标平均灯光强度数据。本次研究使用的是稳定灯光数据，此数据为全年合成数据，去除了火灾等随机性亮度值的影响。

夜间灯光影像数据时间分辨率为1年，空间分辨率约为1km，提供1992年—2013年共22年间数据，自带坐标为WGS1984坐标系，此外，随着卫星传感器的更替，出现了一年有两传感器测得的不同数据的情况。

本次研究利用夜间灯光数据，共选取山东省1995年—2013年19年间的影像，针对建成区进行提取与分析。

3研究方法

对于城市建成区的提取方法，总结起来主要是以下4种：一是通过经验分析人为设定提取阂值；二是求取提取的建成区面积与周长突变点所对应DN值为阂值；三是将统计数据作为对照，提取建成区；四是使用较高分辨率影像数据作为参考，提取建成区。由于经验阈值的方法只适应各自对应地区，并且准确性值得商榷；使用较高分辨率影像数据作为参考提取阈值，但研究区山东使用较高分辨率影像数据覆盖时，数据量过大，并且不易操作，放弃使用此上2种方法。本次研究选择统计数据比较法，通过经验阂值大体确定阈值范围，然后进行不同阂值时建成区面积比较来求得准确阂值。

通过上述技术路线，运用统计数据比较法进行城市建成区面积提取，分别获取各年份建成区提取阈值。由于有的年份同时就有2个不同传感器获得的影像，所以对同一年份不同传感器影像都进行阂值提取，求出与统计数据最接近的影像作为当年影像进行研究。

4结论分析

通过阈值法提取的城市建成区面积，从中我们可以知道，山东省建成区总面积呈持续增长趋势，并且增长趋势总体呈现逐渐加强。

分析建成区提取面与年鉴统计数据，发现两者都呈持续增长的趋势，并对提取精度进行验证，得到总体相对误差为4.29%，误差较小，符合提取要求。

分析多年城市建成区提取阈值，我们可以得出，建成区提取阈值随着时间的增长，阂值呈现波动中增长，分析原因，随着时间的增长，社会的快速发展，建成区灯光强度增长，高灯光强度像元增多，越来越多的像元值趋于饱和值，灯光饱和效应增强。

城市的紧凑度作为表述城市空间分布形态的一个重要概念，在城市形态研究、城市发展动态变化研究、城市未来规划中占据重要地位，本次研究引入城市紧凑指数，对山东省建成区紧凑度进行分析。紧凑度定量计算公式为：

其中A为面积，P为周长，BCI为紧凑度。

通过对山东省建成区紧凑度进行分析，发现山东城市紧凑度在1995—2001年较为平稳，2002年开始下降，直到2010平稳小幅度下降，2011—2013年呈现波动中增长趋势。分析得到，第一阶段，山东城市的较为发展平稳，几乎扩张幅度较小，城市轮廓形态变化不大；第二阶段，山东城市进入快速扩张阶段，小型城镇发展迅速，导致周长变化较大，紧凑度降低，城市轮廓变化较大，形态分布式明显；第三阶段，城市发展到较为完善阶段，主城区扩张向边缘城镇逼近，导致紧凑度在波动中增加，城市轮廓逐渐变紧凑。

选用建成区扩张速度来衡量城市扩张的快慢，扩张速度计算公式为：

本次研究使用3种时间间隔进行山东省城市扩张速率研究，分别为4、3、2年时间间隔，分别记为法1、法2、法3，下图表为3种方法计算的山东省城市扩张速率。通过图1我们可以看出，山东省内自1995—2013年，城市扩张速率整体呈现出不断地波动，但是整体在波动中上升，3种方法所表现的趋势基本一致。分析原因，随着我国的城市化进程的加快，山东省建成区面积逐渐增加，增长速率整体上稳步上升，扩张是较长时间行为，所以会出现增长速率的上下波动。

借鉴人口城镇化水平的计算公式，将表征土地城镇化的城镇化指数定义为城镇建成区面积与区域总面积的比值，计算公式为：

其中，U代表城镇化指数，S代表建成区面积，L代表区域总面积。

我们可以看出，我省城镇化进程分为2个阶段，第一阶段为1995—2000年，城镇化进程缓慢，第二阶段为2001—2013年，城鎮化进程飞速发展，逐渐加快。endprint