基于DMSP/OLS数据的城市扩张研究

2020-11-13薛林福王海俊冉祥金

吉林大学学报(信息科学版) 2020年2期

燕群, 薛林福, 王海俊, 冉祥金, 丁可

(吉林大学地球科学学院, 长春 130062)

0 引言

城市建设用地的扩张状况是评价和分析城市化进程的重要因素, 建设用地在数量、结构以及空间格局上的变化直接影响城市发展的模式和速度[1-2]。DMSP/OLS(Defence Meteorological Satelite Program/Oprational Linescan System)夜间灯光数据作为一种新的数据源, 为研究大时空尺度的城镇扩张提供了一种新的数据获取手段, 其不仅可以直接反映城市化进程, 也可以评估城市化过程中导致的生态和环境问题[3],以及人口密度[4]和经济发展状况等,成为人类活动良好的监测数据源[5-7]。该数据与常用的遥感数据相比, 有如下优势: 1) 数据量非常小, 并且下载十分方便, 不需要进行分幅拼接处理[8]; 2) 综合性强, 反映了人类活动包括交通、人口以及土地利用等相关信息。

目前, 国内外学者利用夜间灯光数据在研究城市建成区提取方面普遍采用经验阈值法[9]、突变检测法[10]、统计数据法[11]和较高分辨率影像数据空间比较法[12]。21世纪以来, 城镇空间扩张大致分为两个方向： 1) 城市空间形态定量测度; 2) 城市空间扩张边界划分。我国的城市空间扩张对西部省份相较中东部的城市密集区市或单一的城市要少[13], 而且多采用中等分辨率的影像作为数据源, 但由于该类数据的数据量大, 计算繁琐, 难以简便地获取城市扩张数据, 故夜间灯光数据在研究大范围区域动态变化监测方面具有良好的实时性和有效性[14], 便于城镇信息的提取以及城镇时空演变规律的研究。基于此, 笔者以DMSP/OLS数据为数据源, 利用灯光指数的变化对太原市1992～2012年的城市扩张动态变化展开研究。

1 研究区概况及数据预处理

1.1 太原市概况

笔者研究范围为太原市市区。太原市为盆地地形, 其地势北边高南边低, 中南部为平原, 东西两边群山环绕呈现往北边合拢环抱的走势, 黄河第二大支流汾河由南向北贯穿全市。太原市区地理坐标为北纬37°～38°, 东经111°～112°, 市区面积1 460 km2, 包含6个市辖区, 分别为迎泽区、小店区、杏花岭区、尖草坪区、万柏林区和晋源区。

1.2 数据来源

1) 夜光数据。数据来源于美国国家大气管理局(NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration)网站提供的DMSP/OLS夜间平均灯光强度数据, 笔者选用F101992, F152002, F182012这3期平均灯光数据, 它的灰度(DN: Digital Number )值范围为0～63, 影像分辨率大约为1 km。DMSP/OLS传感器有可见光通道和热红外通道两个通道,可以捕捉到无云情况下夜间微弱的灯光, 所以为研究大范围城镇用地变化提供了良好的数据的手段。

2) 统计数据。使用太原市建成区用地面积、统计数据, 山西省行政边界shpefile文件、中国详细shapefile文件。其中统计数据来源于《山西省统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 数据处理

选取1992年、 2002年、 2012年的DMSP/OLS稳定灯光数据。首先将这3期夜光数据转为地理经纬度坐标UTM/WGS84基准面49度带并且重采样为1 km, 然后利用太原市行政边界进行裁剪, 得到太原市这3期的DMSP/OLS夜间灯光数据。

a 1992年 b 2002年 c 2012年图1 太原市灯光数据Fig.1 The night light images in Taiyuan province

分别对各年份数据设定不同的阈值, 具体流程如图2所示。然后将提取的太原市建成区利用ArcGIS 10.2重分类, 提取太原市不同年份的城市用地, 同时对比统计数据中的城市建成区用地面积数据, 不断修正阈值直到与官方统计数据接近为止。

图2 确定灯光阈值流程图Fig.2 The flow chart of the threshold value

图2中DT为夜间灯光数据的阈值,S(DT)为大于阈值的灯光图斑面积, ΔS(DT)为提取数据与统计数据的面积差值的绝对值,Dmax为最大阈值,Dmin为最小阈值。

2.2 灯光强度动态变化指标

1) 区域灯光指数

(1)

2) 区域平均夜间灯光指数

(2)

其中TTNLI表示区域亮度值变化指数(NLI: Night Light Index),Di为每个栅格单元的像元辐射值,n为区域内栅格数。

2.3 时空尺度变化

1) 扩张速度。单位时间内城市扩张面积与基期城市用地面积的比值, 表示城市用地的年增长速度, 可以反映城市用地面积扩张速度的快慢。计算公式为

(3)

其中W为当前年份扩张速度,A为基期城市用地总面积, ΔA为城镇用地扩张面积, ΔT为时间间隔。

2) 扩张强度。扩张强度是指单位时间内城市用地扩张面积与土地总面积的比值, 反映城市用地扩张强弱, 计算公式为

(4)

其中I为城市扩张强度指数,TA为土地总面积。

3) 扩张形态指数。扩张形态指数指一定时期内城市用地面积的年增长率与上一个时期年增长率的比值, 计算公式为

(5)

其中Wt1-t2表示t1～t2时期内的扩张速度,Wt0-t1表示t0～t1时期内的扩张速度。当U>1时, 为加速型扩张模式；当0

4) 扩张幅度。扩张幅度是指末期与基期面积之差与基期面积的比值, 反映了城市扩张幅度的大小, 计算公式为

(6)

4) 其中UUEI表示城市用地扩张指数,UAt为末期,UAo为基期。

3 结果与分析

3.1 太原市用地提取结果及精度评价

3.1.1 定性分析

相比山西省各市县的灯光指数, 太原市区灯光亮度值相对较亮。从年际变化看, 太原市的灯光亮度值趋于平稳, 最高亮度范围不断向外蔓延, 其主要表现形式为城市中心灯光的亮度值最大, 外围区域亮度值逐级缓减, 即以太原市主城区为中心向外呈面状扩张的形态。由图3可以看出, 灰度值大于40的区域不断地向外延伸, 则表明太原市城市建城区面积不断地增加, 结合3期的灯光分级图可以明确看出, 1992～2002年太原市城区主要向西、西南方向扩张； 2002～2012年太原市城区扩张较为明显, 主要呈向南, 东南方向扩张的势态。

a 1992年 b 2002年 c 2012年图3 太原市灯光分级图Fig.3 Light grade of Taiyuan

3.1.2 定量分析

1992年、 2002年、 2012年3期DMSP/OLS夜间灯光数据提取的太原市建成区结果显示(见表1), 1992～2012年间建成区用地面积增长不明显, 但其灯光亮度值变化范围较大, 建成区灰度值由44～60变化。2002～2012年间建成区用地面积增长幅度非常大, 2012年的建成区面积几乎为2002年的两倍, 建成区灰度值较上一时期变化微弱, 为57～63。

表1 提取结果

3.2 太原市用地扩张时空特征

分别将1992年、 2002年、 2012年3期的太原市城市建成区数据叠加, 结合表2分析各年份太原市城市用地的变化情况发现, 2002～2012年城市用地扩张速度异常明显, 呈现大幅度扩张的现象, 扩张幅度超过了100%, 扩张强度超过1%, 形态指数为7.41, 呈现向西南和正南方加速性扩张模式。

表2 1992～2012年城镇扩张情况

3.3 太原市城市扩张类型

由于DMSP/OLS夜间灯光数据反映不同区域的灯光亮度值, 而且不同的灯光亮度值代表了不同的像元值, 所以不同时空跨度的灯光亮度值变化反映了不同时空城市扩张的变化情况。基本变化规律表现为当提取阈值随时间变化不断增加时, 为填充增强主导扩张类型; 当提取阈值随时间变化不断减少或变化幅度较小时, 为外延主导扩张类型。

根据太原市阈值提取结果(见表3), 可以明显看出, 1992～2002年太原市的城市用地提取阈值由44上升为57, 为填充增强主导扩张类型； 2002～2012年间阈值几乎稳定不变, 为外延主导扩张类型。从太原市灯光强度变化指数看(见表3), 1992～2002年建成区亮度值范围较大, 说明太原市建成区周边的建设用地逐渐被有效利用。也侧面反映出太原中心区对周边的辐射影响越来越大, 这一时间段内太原市城镇化水平不断提高, 城市现代化水平不断提高, 综合发展强度大, 城市的活力不断增强。

表3 灯光强度变化指数

3.4 灯光数据反映城市重心迁移

笔者采用加权重心转移法研究不同年份的太原市扩张重心移动轨迹。由于城市的建成区是由不同灰度值的像元构成的, 进而可以把灰度值作为权重计算建成区区域重心坐标, 利用 ArcGIS 10.2计算城市重心。

在计算过程中, 把1992年像元灰度值大于44, 2002年像元灰度值大于57, 2017年像元灰度值大于61的值作为权重参与运算, 使计算范围缩小至太原市建城区以内。这种算法不需要假设城市为均质城市, 从而得到的城市重心不是单纯的几何中心, 更加形象、生动地反映太原市城市的重心迁移方向。图4为1992年、 2002年、 2012年太原市建成区叠加图。从图4看出, 1992～2002年太原市城市重心呈现向东南方向迁移； 2002～2012年重心呈现向正南方向迁移。