基于夜間燈光數(shù)據(jù)與Landsat數(shù)據(jù)

基于夜間燈光數(shù)據(jù)與Landsat數(shù)據(jù)城市建成區(qū)提取比照評(píng)價(jià)——德陽(yáng)市2023年摘要：基于DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光均值數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)。以德陽(yáng)市建成區(qū)為例，基于2023年穩(wěn)定夜間燈光均值數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法，根據(jù)Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積作參考，分析成為城市建成區(qū)的DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光均值數(shù)據(jù)的燈光指數(shù)值。研究說明,燈光指數(shù)與反映城市化水平的復(fù)合指數(shù)存在較高的相關(guān)關(guān)系,可以用于我國(guó)城市化水平及其時(shí)空差異分析和城市化進(jìn)程監(jiān)測(cè)。引言遙感技術(shù)具有多波段、多時(shí)相以及覆蓋范圍廣的特性使其在城市擴(kuò)展監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)評(píng)價(jià)、人口密度和城市規(guī)劃管理等研究中得到了廣泛的應(yīng)用。夜間燈光遙感數(shù)據(jù)來源于美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星DMSP(DefenseMeteorologicalSatellitePro-gram)搭載的OLS(OperationalLinescanSystem)傳感器。OLS有別于傳統(tǒng)的傳感器,它具有很強(qiáng)的光電放大能力,可在夜間工作,能探測(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,明顯區(qū)別于黑暗的鄉(xiāng)村背景。研究區(qū)概況德陽(yáng)市位于四川盆地成都平原東北部，地處東經(jīng)103°45′-105°15′北緯30°31′-31°42′之間。南靠成都，北接綿陽(yáng)，東壤遂寧，西鄰阿壩。1983年8月經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)為省轄地級(jí)市，四川省重點(diǎn)建設(shè)的九大城市之一，是成都旅游門戶圈的重要組成局部。全市幅員面積5818平方公里。德陽(yáng)市境狹長(zhǎng)，東西寬約65公里，南北長(zhǎng)約162公里，地勢(shì)西北高東南低。西北部為龍門山脈中段，山地面積1171.87平方公里，占全市總面積的19.68%；中部為成都平原東北部，面積1838.75平方公里，占全市總面積的30.88%；東南部為盆中丘陵，面積2943.13平方公里，占全市總面積的49.44%。數(shù)據(jù)與方法3.1數(shù)據(jù)來源夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAd-ministration)下屬的國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心NGDC(NationalGeophysicalDataCenter,:///dmsp/download.html)。DMSP衛(wèi)星以每天14軌的速度繞地球飛行一周,經(jīng)過赤道的地方時(shí)為10∶50與22∶50。OLS傳感器有兩個(gè)通道:可見光通道和熱紅外通道?？梢姽獠ǘ畏秶?.4～1μm,光譜分辨率為6bit,灰度值范圍為0～63;熱紅外通道波段范圍是10～13μm,光譜分辨率為8bit,灰度值范圍0～255。其獲取的圖像幅寬為3000km,全分辨率數(shù)據(jù)的地面采樣距離為0.56m,目前已有的夜間燈光遙感圖像的數(shù)字產(chǎn)品。3.2數(shù)據(jù)處理3.2.1在ArcGIS軟件中添加夜光數(shù)據(jù)〔F182023.v4c_web.stable_lights.avg_vis.tif〕，為了各個(gè)地方顯示更加明顯，首先對(duì)圖像進(jìn)行拉伸，然后參考其他相關(guān)的德陽(yáng)數(shù)據(jù)，確定德陽(yáng)在夜光數(shù)據(jù)中的亮斑位置〔下面的操作是根據(jù)Landsat數(shù)據(jù)確定，如圖1所示〕圖13.2．2在ArcCatalog中創(chuàng)立一個(gè)線文件，步驟如下列圖2,3,4,5.圖2圖3圖4圖53.2．3在建立好線文件之后，在ArcGIS軟件中加載進(jìn)來，準(zhǔn)備畫一條邊界框，將圖上德陽(yáng)最亮的圖斑框下來。首先確認(rèn)德陽(yáng)的相應(yīng)夜光圖斑，畫出矩形框，如圖6；然后運(yùn)用Clip工具，裁剪出德陽(yáng)的亮斑影像數(shù)據(jù)，操作如圖7；最后裁剪出的德陽(yáng)亮斑圖，如圖8所示：圖6圖7圖8在進(jìn)行夜光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)之前，首先需要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換〔轉(zhuǎn)換前的投影系統(tǒng)如圖9、10所示〕，要與Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)的投影系統(tǒng)保持一致。要進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，選擇ProjectRaster工具，投影轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_Zone_48N.操作如圖11、12所示，投影轉(zhuǎn)換成功之后如圖13所示：Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)圖9夜光數(shù)據(jù)圖10投影轉(zhuǎn)換圖11投影轉(zhuǎn)換圖12投影轉(zhuǎn)換成功如下列圖：圖13投影轉(zhuǎn)換成功后，需要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法來分析出最接近Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積的亮度值〔DN值〕，運(yùn)用Con工具，提取出DN>=30、32、35、38、40、42、45、48、49、50、51、52的柵格圖像如下所示：Con操作圖14Con操作圖15圖16圖17圖18圖19圖20圖21圖22圖23圖24圖25圖26圖273.2.6圖28沒勾選圖29勾選圖30兩中方式轉(zhuǎn)變，圖30更加圓滑一點(diǎn)，兩者面積也有一定差異。3.2統(tǒng)計(jì)分析DN值與面積變化趨勢(shì)分析采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法分析，得到如下的兩個(gè)DN值與面積變化趨勢(shì)圖，根據(jù)下面的圖表大致可以得出，DN值與面積變化總體上都成線性變化。圖31圖32根據(jù)上圖31、32分析，可以預(yù)測(cè)所選閾值和面積值可能存在線性關(guān)系，所以作了下面的線性計(jì)算，如圖33：圖33根據(jù)上面的線性計(jì)算的表繪制出下列圖34、35，可以很明顯的看出，面積值的變化和亮度值的變化具有相關(guān)性，且呈線性相關(guān)。公式如下：理論面積=圖34圖35Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積與夜光數(shù)據(jù)的面積比照分析以Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積做參考，Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積與統(tǒng)計(jì)分析后的面積比照，其中在亮度值〔DN〕等于51的時(shí)候，其面積值為61.421952km2,而運(yùn)用Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積為59.99205km2，之所以會(huì)選擇亮度值〔DN〕等于51，夜光數(shù)據(jù)的面積值小于Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積，如下列圖36可以看出，Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積圖36通過分析可以得到，雖然兩者的面積值大致相同，但是不同方式提取的面積分布情況是不同的。如上圖可以看出，夜光數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)整體向東部偏移，但是根據(jù)實(shí)際地形可以知道德陽(yáng)建成區(qū)是不可能再向東部延伸的，Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)的東部就是最后的東部邊界，主要是由于德陽(yáng)的東部有山，就阻礙了建成區(qū)東部的擴(kuò)張。產(chǎn)生這種差距在于，燈光是發(fā)散的，本來就會(huì)存在一定的誤差。再者通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的方法得出的夜光數(shù)據(jù)建成區(qū)的精確度，也在某種程度上取決于參考數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性.而且整個(gè)夜光數(shù)據(jù)的片區(qū)很大，最后落到某個(gè)國(guó)家的某個(gè)城市,顯然是存在一定誤差的.四、結(jié)論與討論本文介紹了運(yùn)用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)，是以Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積作參考，采用了統(tǒng)計(jì)分析的方法，設(shè)置了一系列閾值獲得與Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積相當(dāng)?shù)拈撝?，然后比照Landsat數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積的空間分布，證明了夜光數(shù)據(jù)在某些方面的局限性。不同地區(qū)的閾值在某種程度上也反響了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)能力和開展程度。閾值越大，說明該地區(qū)的開展情況越好。參考文獻(xiàn)：1.《基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的中國(guó)大陸20世紀(jì)90年代城市化空間過程重建研究》何春陽(yáng)史培軍李景剛陳晉潘耀忠李京卓莉一之瀬俊明北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京師范大學(xué)資源學(xué)院,日本國(guó)立環(huán)境研究所2.《基于夜間燈光數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)提取方法評(píng)價(jià)與應(yīng)用》舒松余柏蒗吳健平劉紅星華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室美國(guó)辛辛那提大學(xué)地理系,俄亥俄州,辛辛那提3.《基于DMSP/OLS影像的我國(guó)主要城市群空