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科学技术论文

基于多时相夜间灯光和光学遥感的广西城市格局时空动态变化

时间:2021年03月06日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要:以广西桂林、柳州、南宁3个主要城市的建成区为研究区,利用阈值分割法分别对DMSP/OLS、NPP/VIIRS、Landsat数据提取城市建成区,根据灯光总强度指数(TNL)、平均灯光强度指数(ULL)以及综合夜间灯光强度指数(CNLI)的灯光特性分析广西三城城市化水平,通过

  摘要:以广西桂林、柳州、南宁3个主要城市的建成区为研究区,利用阈值分割法分别对DMSP/OLS、NPP/VIIRS、Landsat数据提取城市建成区,根据灯光总强度指数(TNL)、平均灯光强度指数(ULL)以及综合夜间灯光强度指数(CNLI)的灯光特性分析广西三城城市化水平,通过计算光学影像的归一化建筑指数(NDBI)、建筑用地指数(IBI)、仿建筑用地指数(SIBI)、综合加权建筑指数G采用阈值法提取3个城市1992、2000、2009和2017四个时间段的建成区,最后利用城市扩张速率、强度指数和空间重心位置转移定量分析25年来广西三大主要城市建城区时空演变特征。结果表明:(1)广西城市化水平不断提高。(2)利用陆地卫星遥感与夜光遥感对城市建成区提取具有一定可信度。陆地卫星提取的总体准确精度达到了93%,但提取的整体精度比夜光遥感低,夜间灯光数据的总体精度都在83%以上,总体精度达到了96%。(3)广西三大主要城市的城市化进程速度在加快。南宁在1992—2017年城市扩展速度由11.88上升至34.4,柳州在1992—2017年期间由6.95上升至21.74,桂林在1992—2017年期间扩展速度由8.11上升至16.74。以上结果同时说明了广西城市发展整体呈现上升趋势,建成区的空间扩展范围随时间推移表现出高强度增长模式,这与广西规划的城市化进程发展趋势一致。

  关键词:城市格局;DMSP/OLS;NPP/VIIRS;建筑指数;灯光指数;动态分析

  0引言改革开发至今,我国一直处于城市化高速增长的阶段,在1992—2017年的25年间,中国城镇化率从27.46%增到58.52%,且呈现持续上涨的态势。

  广西城镇之间发展不均衡现象显著,2017年广西城市人口城镇化率为49.21%,处于全国中下水平,城市格局远未成型。为了提高广西城市化,合理规划土地资源的利用,缩短广西与全国城市化发展的差距,必须掌握广西城市空间格局分布信息。应用遥感技术做城市化研究具有较大的优势和便利性,弥补了统计数据不利于动态监测的缺点。

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  20世纪80年代后期,成像光谱仪的应用领域广泛,充分显示了遥感技术的应用前景和发展前途,尤其是光学遥感在城市化监测的运用吸引了人们的高度关注[1-3],但大多数都是趋于多光谱遥感的城市化研究。直至夜间灯光遥感的出现,国内学者开始向夜光遥感的多元化如城镇化研究[4]:程熙等[5]利用夜间灯光强度的分布特征与不透水面覆盖的密切相关性集成夜间灯光数据与LandsatTM影像提取不透水面信息;马瑞雪等[6-7]计算不同灯光指数构建GDP的最佳回归模型。夜间灯光遥感始于1997年,Imhoff等为了估计城市土地对美国土地资源的影响。

  首次选择了夜间灯光数据作为研究数据,开辟了夜间灯光数据的研究领域[8],国外关于夜光遥感技术发展十分活跃[9-12],而国内夜间灯光的研究起步较晚,但是一批研究者已经熟练地将夜光数据应用于中国区域,宋善海等[13]对比不同地形背景下的山区与平原地区夜间灯光强度分布的空间特征;李景刚等[14]就DMSP/OLS夜间灯光数据和SPOT/VGT时间序列数据等多源遥感信息,探讨了环渤海城市群地区城市化过程对植被初级生产力的季节性变化影响;江威等[15]对比NPP/VIIRS数据和DMSP/OLS数据的特点,提出对比两种夜间灯光数据模拟社会经济参量的潜力;王若曦等[16]提出结合DMSP/OLS和Landsat数据对江西省进行建成区提取研究,多源遥感数据的结合进行城市化研究具有更高可信度。

  本文从城市发展进程出发,以广西南宁、柳州、桂林为例,在1992—2013年DMSP/OLS、1994—2017年NPP/VIIRS夜光遥感卫星数据与1991—2017年Landsat多光谱影像的支持下,综合夜间灯光指数和光学建筑指数定量分析广西1992—2017年城市格局时空演化特征,为广西数字城市和生态城市建设提供技术和理论支撑,对揭示广西城市化扩张规律、定量分析广西城市化水平、结合多种遥感数据应用于城市化监测等具有一定的参考价值和意义。

  1研究区概况

  南宁市(22°12′—24°02′N、107°19′—109°38′E)、柳州市(23°54′—26°03′N、108°32′—110°28′E)、桂林市(24°15′—26°23′N、109°36′—111°29′E)三城分别是广西壮族自治区的首府城市、工业城市、旅游城市,其中南宁地处广西中部偏南,全市面积为22112km2;柳州地处广西中北部,全市面积为18618km2;桂林地处广西东北部,全市面积为2.77万km2。广西是沿海唯一的自治区,紧邻广东,该地区城市化水平在全国各个省中整体相对低下,根据统计数据,2017年广西城镇化率低于全国城镇率(58.52%)大约9%,处于全国中下水平,城市规模小,小城镇难以发展成城市规模[17]。

  2数据源及预处理

  2.1数据源

  (1)夜间灯光遥感数据。夜间灯光数据是由美国气象管理局(NOAA)提供的全球大尺度范围的灯光栅格影像。该数据有两种不同传感器的数字产品:

  1)1992—2013年的DMSP/OLS数据由DMSP卫星搭载的线性扫描仪OLS拍摄,DMSP/OLS已经经过云及火光等偶然噪声影响的消除,同时对全年灰度值进行了直接平均化处理,因此下载之后可直接应用于相关研究;2)2013—2017年夜间灯光数据由NPP卫星搭载的更高分辨率(500m)的可见光红外成像辐射仪VIIRS提供,与DMSP/OLS探测器相比,解决了灯光值过度饱和从而溢裂的问题。

  两种夜间灯光数据搭配使用对长时间序列的研究具有更高的应用价值,因此被广泛应用于城市化和火灾的监测研究。本文研究采用广西1992—2013年F101992、F152000、F162009三期DMSP/OLS数据和2017年NPP/VIIRS月合成数据共4期灯光数据进行广西三城城市空间格局研究。

  (2)光学遥感影像数据。本文Landsat系列光学遥感影像数据来源于中国科学院地理空间数据云平台,遥感数据下载了条带号为125-44、125-43、124-43的12景Landsat卫星影像,分别获取时间为1992年的Landsat5TM影像、2000年的Landsat7ETM+影像、2009年Landsat5TM影像和2017年Landsat8OLI影像,且研究区城市上空无云覆盖,图像质量良好,城市建筑识别率高。

  (3)辅助数据:

  1)广西行政区划数据。研究中所用到的掩膜数据是来自国家基础地理信息中心的广西省界、市界以及区县行政区划数据,坐标系为WGS-84。2)统计年鉴数据。所用到的1992、2000、2009和2017年的城市建成区面积统计数据分别来自于国家统计局的统计年鉴用于遥感提取建成区面积的对比验证。

  2.2数据预处理利用ArcGIS10.6软件将1992—2017年夜间灯光数据坐标系转换为WGS1984UTM投影坐标系,然后在全球夜间灯光数据基础上,利用南宁、柳州、桂林行政边界矢量图层作为掩膜数据裁剪出3个城市的夜间灯光影像。

  利用ENVI5.3对1991年Landsat5TM、2000年Landsat7ETM+、2009年Landsat5TM、2017年Landsat8OLI4期光学遥感数据进行投影变换、几何校正处理,同时为了提高数据的质量和可比性,消除光照和大气等对地物反射的影响,对四期Landsat数据进行辐射定标、大气校正操作,最后根据研究区域建立感兴趣区域进行裁剪。针对DMSP/OLS灯光数据不同年份、不同传感器之间缺乏可比性、连续性的问题,本文采用不变区域法[18]对1992—2009年3期DMSP/OLS夜间灯光影像进行相互定标。

  3研究方法

  针对该研究区域的两种类型遥感图像,基于Landsat系列影像的光学遥感建筑指数分割法和夜间灯光数据的二分迭代分割区域法提取研究区城市用地信息。对比夜间灯光数据和国家统计年鉴的建成区面积统计数据,确定最佳阈值,通过二分迭代法设定最佳阈值进行城市化信息提取。Landsat构建3个建筑指数来提取城市信息,包含归一化建筑指数NDBI、仿建筑指数SIBI、建筑用地指数IBI。

  多个指数参与计算可以增强城市建成区信息,同时也会抑制由裸土、城市、水体等地物波谱信息相似而造成背景干扰噪声的非城市区域信息,而阈值法则是需要通过设定合适阈值分离城市与非城市,即可输出城市建筑用地信息提取结果。从空间角度出发,重建广西25年间城市化进程,即乡村区域向城镇区域转化的过程,最后对广西25年间城市空间演化过程进行系统分析。

  4基于夜光遥感与光学遥感的城市格局时空动态变化分析

  为了探究广西南宁、柳州、桂林3个城市1992—2017年的城市建成区面积变化与扩张规模,定量分析了广西城市空间格局变化特征。广西的经济蓬勃区主要集中于广西的首府城市、工业城市、旅游城市三者之间,因此研究南宁、柳州、桂林三城从1992—2017年的城市化水平,就能重建对广西的城市格局时空演化特征。

  4.1广西城市扩张模式分析

  根据夜间灯光数据提取的广西三城1992—2017年的城市扩张对广西的城市建成区进行扩张模式分析。广西的发展模式以面状发展模式为主,点状和线状发展为辅。从1992—2009年这个时期,扩张图表现广西城市发展的形势为在原有城市发展过程的聚集效应上向外延展,主要形式为面状发展模式,但在2009—2017年这个时期,南宁除了主城区的面积不断扩大外,相邻地区的武鸣县、宾阳县、横县出现了点状发展模式的趋势。

  柳州和桂林也有相应的城市扩张新增点,包括柳州的柳城县、鹿寨县、融水苗族自治县和桂林的临桂区、阳朔县、荔浦县、全州县,柳州主要沿着工业区的搬迁升级而扩张,桂林则以旅游景点实现小区域发展。南宁、柳州、桂林的发展在地理位置上似乎呈直线趋势扩张,说明交通发展也推动了城市发展。

  5结论

  本文利用1992—2017的LandsatTM/ETM+/OLI光学遥感数据和DMSP/OLS、NPP/VIIRS夜间灯光数据提取广西南宁、柳州、桂林的城市建筑用地信息,并对两种提取结果进行对比分析,定量阐述广西城市空间格局时空演化特征。得到的结果表明:

  (1)广西城市化水平逐渐提高。南宁综合灯光指数由0.0012上涨至0.0071,柳州综合灯光指数由0.0016上涨至0.0044,桂林综合灯光强度由0.0004上涨至0.0015,对比3个城市同一年份的综合灯光指数可以发现,南宁的综合灯光指数CNLI最高,说明南宁的城市化水平大于其它两个城市的水平,是广西城市化水平最高的城市,桂林的综合灯光指数CNLI数值最小,说明桂林的城市化水平相对偏低。

  (2)利用陆地卫星遥感与夜光遥感对城市建成区提取具有一定可信度。Landsat数据和夜间灯光数据提取建成区的结果的精度都达到了比较高的准确率,陆地卫星提取的总体准确精度达到了93%,但提取的整体精度比夜光遥感低,夜间灯光数据的总体精度都在83%以上,总体精度达到了96%。

  (3)广西三大主要城市的城市化进程速度在加快。南宁在1992—2017年城市扩展速度由11.88上升至34.4,柳州在1992—2017年期间扩展速度由6.95上升至21.74,桂林在1992—2017年期间扩展速度由8.11上升至16.74。在广西城市扩张过程中,城市建成区整体处于极速扩张态势,自2000年之后,城市扩张速率越来越快,扩展面积越来越大,各城镇区域之间聚集程度越来越高,呈现同一发展的现象,城市与城市之间相互作用也越来越大,这个连续上升的趋势也精确反映了广西城市空间格局的发展规律。

  以上结果同时说明了广西城市发展整体呈现上升趋势,建成区的空间扩展范围随时间推移表现出高强度增长模式,这与广西规划的城市化进程发展趋势一致。

  广西区是多格局发展的区域,虽然目前广西的发展能力处于全国各个省份的中下水平,但根据以上结果,可以推断未来广西的发展指日而待,目前广西发展格局非常稳定,其核心发展实力处于一个上升期。2019年,南宁的GDP为4506亿元,柳州的GDP为3128亿元,桂林的GDP为2105亿元,依次位列广西经济前三。

  参考文献:

  [1]付仲良,陈静.多时相Landsat数据动态监测城市土地利用变化——以上海市为例[J].地理信息世界,2016,23(6):26-30.

  [2]刘文锴,杨磊库,梁洪有,等.Landsat卫星遥感影像在焦作市建成区扩展变化监测中的应用[J].河南理工大学学报(自然科学版),2009,28(4):445-448.

  [3]王卷乐,李锐,徐永芬,等.面向数据共享的城镇化信息快速提取技术方法与应用——以江苏盐城为例[J].地球信息科学学报,2010,12(3):399-405.

  [4]王海军,孔祥冬,武克军,等.利用夜光遥感影像进行城市化监测[J].计算机工程与应用,2018,54(12):235-239.

  [5]程熙,吴炜,夏列钢,等.集成夜间灯光数据与LandsatTM影像的不透水面自动提取方法研究[J].地球信息科学学报,2017,19(10):1364-1374.

  作者:蓝斐芜,付波霖,何宏昌,刘曼,高二涛,范冬林