基于遙感技術(shù)的城市人口數(shù)據(jù)研究

基于遙感技術(shù)的城市人口數(shù)據(jù)研究

1夜間燈光強(qiáng)度與城市c、nds模型的融合城市人口信息直接影響到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展和資源的使用。正確的人口分布和增加對(duì)提高人口素質(zhì)、資源和環(huán)境的綜合管理能力非常重要。傳統(tǒng)的由統(tǒng)計(jì)部門獲得人口資料的方法需要消耗大量的人力、物力和時(shí)間,特別是對(duì)大范圍的人口信息的統(tǒng)計(jì)困難較大。GIS和遙感技術(shù)的發(fā)展為人口信息的獲取提供了新的途徑。美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星DefenseMeteorologicalSatelliteProgram(DMSP)搭載的OperationalLinescanSystem(OLS)傳感器為大尺度的城市研究提供了一種新的數(shù)據(jù)獲取手段,DMSP/OLS傳感器可在夜間工作,能夠探測(cè)到城市燈光甚至小規(guī)模居民地、車流等發(fā)出的低強(qiáng)度燈光,并使之明顯區(qū)別于黑暗的鄉(xiāng)村背景。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已將此數(shù)據(jù)用于研究城市問題,例如利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)分析與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的線性相關(guān)性,這些社會(huì)因子包括人口密度、城市面積擴(kuò)張、熱島效應(yīng)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)和電力能源消耗等。陳晉、卓莉等利用燈光數(shù)據(jù)發(fā)展中國(guó)城市化評(píng)價(jià)指數(shù),分析中國(guó)城市化特征等。C.P.Lo等用DMSP/OLS輻射定標(biāo)夜間燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)估算了行政單元上的平均人口密度,卓莉等也利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)在基于光斑特征及人口-距離衰減律模擬了中國(guó)人口密度。鑒于夜間燈光數(shù)值與人口密度關(guān)系密切,且中國(guó)大陸20世紀(jì)90年代的夜間燈光的斑塊基本上是連續(xù)增加的,在前一個(gè)時(shí)期DMSP/OLS圖像上出現(xiàn)的燈光斑塊在后一個(gè)時(shí)期是不會(huì)消失的,因此可以利用多時(shí)相的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系估算未知年份的人口值,為認(rèn)識(shí)和了解城市發(fā)展提供參考。本文以湖北省為例,利用GIS平臺(tái)提取的DMSP/OLS各縣市夜間燈光數(shù)據(jù),結(jié)合湖北省往年的人口社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料,估算湖北省2002年各縣市城區(qū)人口數(shù)。具體思路:(1)分析2000年湖北省各地級(jí)市一直轄市的城鎮(zhèn)燈光亮度與城區(qū)人口的關(guān)系,建立相應(yīng)的線性模型,并利用該線性模型仿算2002年16個(gè)地級(jí)縣市一直轄市的城鎮(zhèn)人口;(2)利用2000年湖北省市轄區(qū)一縣級(jí)市及神農(nóng)架區(qū)數(shù)據(jù)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并利用該模型估算市轄區(qū)一縣級(jí)市及神農(nóng)架區(qū)的城鎮(zhèn)人口。2研究區(qū)域和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備2.1全省共設(shè)縣2所湖北省位于我國(guó)中部,介于北緯29°05′～33°20′,東經(jīng)108°21′～116°07′之間。東西長(zhǎng)約470km,面積18.59km2,占全國(guó)總面積的1.94%。全省轄12個(gè)地級(jí)市、1個(gè)自治州(恩施自治州),直轄3個(gè)縣級(jí)市(仙桃市、天門市、潛江市)、1個(gè)林區(qū)(神農(nóng)架林區(qū))、33個(gè)市轄區(qū)和26個(gè)縣級(jí)市。2000年底,全省總?cè)丝?949.28萬(wàn)人,城鎮(zhèn)人口2393.09萬(wàn)人,其中省轄市城鎮(zhèn)人口占全省總?cè)丝诒戎貫?0.22%。2.2數(shù)據(jù)來(lái)源2.3處理數(shù)據(jù)(1)投影及熱圖格式美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心提供的DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)投影是Geographic(Lat/lon),橢球體為WSG-84,為了與柵格邊界圖格式統(tǒng)一便于裁剪,將其投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ambertConformalConic,橢球體轉(zhuǎn)換為Clarke1866。(2)城鎮(zhèn)燈光閾值確定首先,在GIS平臺(tái)支持下,利用1∶5萬(wàn)湖北省邊界柵格圖提取2000年和2002年湖北省各個(gè)縣市邊界圖(見圖1)。然后,利用二分法的思路確定各城鎮(zhèn)燈光閾值DNT,提取各縣市城鎮(zhèn)燈光數(shù)據(jù)。具體方法是設(shè)定夜間燈光亮度閾值DNT,統(tǒng)計(jì)各燈光斑塊面積與各城鎮(zhèn)建成區(qū)面積進(jìn)行比較,直到某一閾值條件下利用DMSP提取的各城鎮(zhèn)建成區(qū)面積總量與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充分接近為止,圖2為各縣市城鎮(zhèn)燈光閾值確定流程。圖中DNmin和DNmax分別為DMSP/OLS影像最小和最大亮度值;f(DNT)為閾值DNT下提取的城鎮(zhèn)建成區(qū)面積;US為實(shí)際的城鎮(zhèn)建成區(qū)面積;Δf(DNT)表示在閾值DNT條件下,計(jì)算得到的城鎮(zhèn)建成區(qū)面積與US的差值;Δf(DNT)?min表示|Δf(DNT-1)|≥|Δf(DNT)|≤|Δf(DNT+1)|。3學(xué)習(xí)的概念和方法3.1預(yù)測(cè)2000年各縣市城鎮(zhèn)人口利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)和社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過分析湖北省2000年各個(gè)縣市的夜間燈光總灰度值和城鎮(zhèn)總?cè)丝谥g的關(guān)系,預(yù)測(cè)2002年各縣市城鎮(zhèn)人口。具體思路為:①分析2000年各地級(jí)市和直轄市提取的城鎮(zhèn)夜間燈光亮度總值與城鎮(zhèn)人口的關(guān)系,建立線性模型;②根據(jù)線性模型,估算2002年湖北省各地級(jí)市和直轄市的城鎮(zhèn)人口;③利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算2002年市轄區(qū)-縣級(jí)市及神農(nóng)架區(qū)城鎮(zhèn)人口。3.2學(xué)習(xí)方法3.2.1各城鎮(zhèn)dmsp與b在本次分析中,我們利用了湖北省16個(gè)地級(jí)市-直轄市的城鎮(zhèn)人口和夜間燈光亮度值數(shù)據(jù)建立了線性模型?；貧w方程的形式為:y=ax+b,其中x代表大于閾值的各縣市夜間燈光灰度總值,y代表城鎮(zhèn)人口數(shù),線性關(guān)系及參數(shù)如圖3所示?？蓻Q系數(shù)R∧2表示各縣市城鎮(zhèn)DMSP亮度值總和與人口各時(shí)相兩者之間的線性相關(guān)性,R∧2越接近1,說(shuō)明實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)離樣本線越近,擬合優(yōu)度越高。由圖3可知,2000年地級(jí)市-直轄市的城鎮(zhèn)人口和夜間燈光亮度值的可決系數(shù)為0.923,說(shuō)明兩者之間有很強(qiáng)的相關(guān)性,擬合優(yōu)度較高。3.2.2預(yù)測(cè)模型的建立與4.1節(jié)線性分析類似,分析各市轄區(qū)-縣級(jí)市城鎮(zhèn)燈光亮度值與城鎮(zhèn)人口的線性相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)兩者之間的可決系數(shù)R∧2僅為0.474,說(shuō)明兩者之間的線性關(guān)系不強(qiáng)。原因是我國(guó)屬于發(fā)展中國(guó)家,盡管湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平屬于我國(guó)的中上游(2003年湖北省GDP總量為5395.91億,比2002年增長(zhǎng)9.3%),但仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家,因此使得市轄區(qū)-縣級(jí)市城鎮(zhèn)人口與夜間燈光亮度之間的線性可決系數(shù)相對(duì)較小,故對(duì)于市轄區(qū)-縣級(jí)市而言,不能采用簡(jiǎn)單的線性模型。本文選用非線性的預(yù)測(cè)模型―人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)((ArtificialNeuralNetwork,簡(jiǎn)稱ANN),模擬2002年各縣級(jí)市城鎮(zhèn)人口。選取應(yīng)用最廣泛的誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,簡(jiǎn)稱BP模型。該模型有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能,具有非線性特征,包含輸入層、隱含層和輸出層。它將輸入數(shù)據(jù)加載到網(wǎng)絡(luò)的輸入端,訓(xùn)練后將網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)輸出與期望輸出相比較得出誤差,然后根據(jù)誤差情況修正各連接權(quán)函數(shù),使網(wǎng)絡(luò)朝著誤差減少的方向變化,直到實(shí)際相應(yīng)輸出與期望輸出之間的誤差小于指定值為止,網(wǎng)絡(luò)的輸出端則產(chǎn)生相應(yīng)的輸出,見圖4所示。它的數(shù)學(xué)模型是:其中,x、y、Z分別為輸入層、隱含層、輸出層上的節(jié)點(diǎn)向量,α1、β2分別是輸入層與隱含層之間的連接權(quán)和閾值,α2、β2分別是隱含層與輸出層之間的連接權(quán)和閾值,f(x)為網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù),采用S型的sigmoid函數(shù):引入代價(jià)函數(shù):用代價(jià)函數(shù)的最小化來(lái)完成輸入到輸出的映射,其中z0是期望輸出矢量。本文中,輸入層為各縣市城鎮(zhèn)亮度總值,隱含層個(gè)數(shù)為3,輸出層為縣市城鎮(zhèn)人口數(shù),設(shè)定期望誤差為0.00005,系統(tǒng)的初始連接權(quán)值為1。4預(yù)測(cè)吻合度的計(jì)算本文用預(yù)測(cè)吻合度(Goodnessofprediction,G)作為預(yù)測(cè)精度的衡量指標(biāo),其計(jì)算公式如下:式中,z(i)為第i個(gè)數(shù)據(jù)的真實(shí)值,z?(i)z^(i)為第i個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值,zˉzˉ為計(jì)算的所有真實(shí)數(shù)據(jù)的平均值z(mì)ˉ=1k∑i=1kz(i)?kzˉ=1k∑i=1kz(i)?k為參與計(jì)算預(yù)測(cè)吻合度的樣本個(gè)數(shù)值。從預(yù)測(cè)吻合度的計(jì)算公式可知,預(yù)測(cè)值越接近實(shí)際值,則預(yù)測(cè)吻合度的值越高;預(yù)測(cè)吻合度的值越接近100%,其預(yù)測(cè)精度就越高。為了能更為準(zhǔn)確的模擬2002年各城鎮(zhèn)人口數(shù),本文分別對(duì)地級(jí)市-直轄市及市轄區(qū)-縣級(jí)市和神農(nóng)架區(qū)人口估算結(jié)果進(jìn)行分析。4.12估計(jì)結(jié)果分析將地級(jí)市-直轄市城鎮(zhèn)的人口的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值代入公式(5)計(jì)算得到預(yù)測(cè)吻合度為97.83%。由表1可知,地級(jí)市-直轄市城鎮(zhèn)的人口估算結(jié)果平均相對(duì)誤差為11.52%,平均絕對(duì)誤差為10.70萬(wàn)人。其中,直轄市-仙桃、潛江和天門平均相對(duì)誤差均小于10%。地級(jí)市中,襄樊市估算結(jié)果與真實(shí)人口數(shù)最為接近,其絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均最小,分別為0.36萬(wàn)人和0.15%。相對(duì)誤差最大的為鄂州市,且估算結(jié)果大于真實(shí)人口數(shù)。2002年鄂州市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為113.34億元,年增長(zhǎng)率為12.87%,相應(yīng)的燈光亮度年增長(zhǎng)率為2.55%,而人口年增長(zhǎng)率僅為1.01%,因此估算的城鎮(zhèn)人口值大于真實(shí)城鎮(zhèn)人口。總的來(lái)說(shuō),湖北省2002年地級(jí)市-直轄市城鎮(zhèn)的人口的預(yù)測(cè)結(jié)果接近真實(shí)統(tǒng)計(jì)值,模型預(yù)測(cè)結(jié)果較好。4.22真實(shí)人口與城鎮(zhèn)估算人口關(guān)系2002年市轄區(qū)-縣級(jí)市及神農(nóng)架城鎮(zhèn)人口預(yù)測(cè)吻合度為95.47%,平均相對(duì)誤差為11.52%,平均絕對(duì)誤差為2.40萬(wàn)人,圖5為2002年各市轄區(qū)-縣級(jí)市及神農(nóng)架真實(shí)人口與城鎮(zhèn)估算人口關(guān)系圖。其中絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差最小的為新洲,其城鎮(zhèn)真實(shí)人口數(shù)為21.69萬(wàn)人,估算人口數(shù)為21.67萬(wàn)人,平均相對(duì)誤差為0.09%,估算結(jié)果幾乎與真實(shí)人口數(shù)相等。5燈光-人口線性模型及估算結(jié)果分析DMSP/OLS夜間燈光衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)的理想的數(shù)據(jù)源之一,在監(jiān)測(cè)人口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)空間化研究方面有較強(qiáng)的優(yōu)越性。本文利用DMSP/OLS數(shù)據(jù),分析湖北省各縣市城鎮(zhèn)人口與夜間燈光數(shù)據(jù)的線性關(guān)系,由線性回歸參數(shù)可知地級(jí)市-直轄市夜間燈