基于珞珈一號衛(wèi)星夜間燈光數(shù)據(jù)的鄭州建成區(qū)識別與分析

劉艷華 王彥良 陳富強 王一涵 杜鵬超

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院, 河南 鄭州 450006;2. 河南省自然資源天空地遙感智能監(jiān)測研究科技創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 450006;3. 鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 河南 鄭州 450053)

0 引言

近年來,隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)產(chǎn)品不斷更新,通過高時效、多尺度的夜光遙感數(shù)據(jù)提取建成區(qū)面積廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)決策中。國內(nèi)外的研究者們多數(shù)基于美國國防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program,DMSP)所搭載的可見光成像線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(operational linescan system,OLS)得到的DMSP/OLS數(shù)據(jù)和Suomi國家極軌合作伙伴(suomi national polar-orbiting partnership,Suomi-NPP)搭載的可見光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)得到的NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進行建成區(qū)識別提取，因其分辨率較低問題，難以提高識別精度。珞珈一號夜光遙感衛(wèi)星憑借分辨率高的優(yōu)勢，燈光溢出和飽和問題也得到了一定的解決。此外,珞珈一號能夠監(jiān)測出小面積的房屋、路燈等散發(fā)出的微弱的光亮,可以用來區(qū)分城市的建成區(qū)和非建成區(qū)[1]。基于珞珈一號夜間燈光數(shù)據(jù)識別的城市建成區(qū)可以成為區(qū)域規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為城市的近期土地資源合理利用提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐,也是城市集約、節(jié)約用地的重要前提之一[2]。

本文以鄭州作為研究區(qū)域,從官網(wǎng)(http://59.175.109.173:8888/index.html)上下載珞珈一號衛(wèi)星的夜光遙感影像數(shù)據(jù),用經(jīng)驗閾值法對建成區(qū)進行識別,然后用重分類的方法分區(qū)計算各縣區(qū)燈光面積的變化,根據(jù)計算結(jié)果分析變化的原因。該分析結(jié)果可以為鄭州城市土地資源的可持續(xù)利用提供相關(guān)參考[3],拓展國產(chǎn)衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域。其中,用于研究的行政界線數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心[4],統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2019年河南統(tǒng)計年鑒和《鄭州市人民政府關(guān)于2019年鄭州市城市建成區(qū)規(guī)模通告》得出的鄭州各地人口數(shù)、國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic pro-duct,GDP)和建成區(qū)面積等[5]。

1 珞珈一號衛(wèi)星的優(yōu)勢

珞珈一號衛(wèi)星是由長春長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司和武漢大學(xué)合作研究并共同開發(fā)的世界第一顆專業(yè)的夜光遙感衛(wèi)星[6],具體參數(shù)如表1所示。

表1 珞珈一號衛(wèi)星的主要參數(shù)

珞珈一號衛(wèi)星整星重22 kg,采用大相對孔徑像方遠心光學(xué)系統(tǒng)、異形遮光罩雜光抑制、高信噪比高動態(tài)成像、帆板自主鎖緊展開等手段[7],搭載了高靈敏度夜光相機,實現(xiàn)了高靈敏、大范圍的夜光成像,其精度達到夜光遙感分辨率130 m,數(shù)據(jù)分辨率是NPP-VIIRS衛(wèi)星的4倍。珞珈一號夜間燈光影像可以清楚地區(qū)分城市建成區(qū)的分布、道路的分布以及大面積住宅的分布。晚上,江面上亮燈的大橋也能被看見。精度優(yōu)于美國國防氣象衛(wèi)星DMSP/OLS和NPP-VIIRS。另外,珞珈一號屬于極地軌道衛(wèi)星,軌道高度為645 km,具有全球范圍數(shù)據(jù)拍攝能力,理想條件下可在15 d內(nèi)繪制完成全球范圍的夜間燈光影像,因而能夠滿足更高速、更高精度的應(yīng)用要求[8],和DMSP/OLS、NPP-VIIRS衛(wèi)星相比,珞珈一號夜間燈光影像數(shù)據(jù)在時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率上有了極大提高。時間分辨率的提升可以獲得更加密集的時間序列,便于在更小時間尺度上研究城市變化;空間分辨率的提升能更清晰地展現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu);光譜分辨率的提升能夠有效避免亮度飽和的缺點[9-10]。

珞珈一號衛(wèi)星在2018年6月2日成功發(fā)射后,包含鄭州的夜間燈光數(shù)據(jù)只更新到了2018年10月31日。所以,這里選取的是2018年6月13日、9月7日和10月31日的夜間燈光數(shù)據(jù),具體如圖1所示。

(a)6月13日 (b)9月7日

2 建成區(qū)面積計算及分析的技術(shù)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)處理和建成區(qū)提取

為了獲得有效的燈光值,必須得對夜光遙感影像數(shù)據(jù)進行處理,去除異常點和消除背景噪聲,簡化數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)識別的可靠性。因此在進行建成區(qū)的識別前,必須對珞珈一號影像進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)和圖像裁剪等處理。

本文使用簡單易行且較為可靠的最佳閾值分割法分割城市建成區(qū)和非建成區(qū),利用自然間斷點法提取配合經(jīng)驗閾值法調(diào)整再用統(tǒng)計數(shù)據(jù)法驗證結(jié)果的提取方法。通過分析圖像,調(diào)整像素值的大小來確定閾值的區(qū)間,通過計算對閾值分割的結(jié)果進行對比,最后選擇出最佳閾值。同時對比采用光學(xué)遙感影像Landsat8多光譜數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類處理,自動提取建成區(qū)范圍,后者存在城市邊界不連續(xù),提取精度不高的問題。

該方法利用二值法的策略,采用圖像中要提取的目標(biāo)灰度值與背景灰度值的差異,先把像素級分成若干類,再將目標(biāo)灰度值從背景中提取。流程是先判斷圖像中各個像素點的灰度值是否滿足閾值的要求,再確定圖像中的像素值是屬于目標(biāo)灰度值還是背景灰度值,從而將灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖。根據(jù)地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)軟件的自然間斷點自動確定一個初始亮度閾值對鄭州建成區(qū)進行提取,然后不斷調(diào)整閾值,計算每個確定的閾值的燈光建成區(qū)面積,將計算得到的燈光建成區(qū)面積與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的建成區(qū)面積進行比較[11-13]。通過不斷更改亮度閾值讓提取結(jié)果與統(tǒng)計數(shù)據(jù)最為接近,最終根據(jù)三個月的數(shù)據(jù)確定三個閾值為6 177、6 933、6 545。結(jié)果如表2所示。

表2 閾值確定的建成區(qū)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較

該亮度閾值的提取結(jié)果即為城市建成區(qū),具體識別結(jié)果如圖2所示[14]。將建成區(qū)的燈光識別結(jié)果與裁剪后的燈光數(shù)據(jù)本身相比較,得出結(jié)論：鄭州燈光數(shù)據(jù)的亮區(qū)與提取到的建成區(qū)的范圍基本一致。所以,認(rèn)為圖中高亮的地區(qū)就是建成區(qū)的范圍。

(a)6月份 (b)9月份 (c)10月份

2.2 分區(qū)計算面積

計算鄭州各縣區(qū)的燈光建成區(qū)面積,使用縣級行政范圍線對研究區(qū)域進行分割。根據(jù)分割后的區(qū)域?qū)Ω骺h區(qū)的遙感影像像元亮度(digital number,DN)值進行統(tǒng)計,計算出各縣區(qū)的建成區(qū)面積。具體分割結(jié)果如圖3所示。

按鄭州各縣區(qū)的矢量范圍對處理好的珞珈一號夜間燈光影像進行裁剪,統(tǒng)計分析各區(qū)縣的DN值數(shù)據(jù)。依據(jù)燈光亮度值來計算各縣區(qū)的建成區(qū)面積,并與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中各縣區(qū)的GDP數(shù)據(jù)、建成區(qū)的面積進行多元線性回歸分析[15-16]。

(a)登封市 (b)二七區(qū) (c)鞏義市 (d)金水區(qū)

利用ArcGIS軟件平臺的字段計算器對所選記錄進行計算,在要素圖層的屬性表中添加Area字段,使用計算幾何工具計算面積。為了提高計算的精度,使用雙精度字段類型得到精確到四位小數(shù)位數(shù)的面積結(jié)果。但是得到的數(shù)據(jù)零散,數(shù)量繁多,需要通過匯總統(tǒng)計來獲得更加直觀的數(shù)據(jù)信息。計算各縣區(qū)的面積總和,得到各縣區(qū)燈光的面積。具體計算結(jié)果見表3。

表3 各縣區(qū)建成區(qū)面積 單位：km2

由表3可以看出,從6月到10月各地區(qū)的燈光面積都有一定的變化,有增加的,也有減少的。惠濟區(qū)、中原區(qū)、二七區(qū)、金水區(qū)、中牟縣、登封市和新密市的燈光建成區(qū)面積在增加。而管城區(qū)、新鄭市、鞏義市、上街區(qū)和滎陽市的建成區(qū)面積在減少。

2.3 多元線性回歸

為了衡量基于夜光遙感數(shù)據(jù)燈光強度值的建成區(qū)識別面積和各縣區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中實際建成區(qū)面積以及GDP的相關(guān)密切程度,首先將三個時期基于燈光數(shù)據(jù)的建設(shè)區(qū)提取面積進行均值處理,其次,建立起一個燈光建成區(qū)識別面積平均值與統(tǒng)計數(shù)據(jù)建成區(qū)面積和GDP的因果關(guān)系,將統(tǒng)計建成區(qū)面積和GDP作為起因變量,燈光建成區(qū)識別面積作為結(jié)局變量。燈光建成區(qū)面積屬于連續(xù)性的數(shù)值變量,并且有兩個起因變量,將建立起一個多元線性回歸。計算因子如表4所示。

表4 計算因子

建成區(qū)面積和GDP作為自變量,燈光建成區(qū)面積作為因變量,統(tǒng)計德賓-沃森(Durbin-Watson)殘差值,繪制標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖。具體的計算結(jié)果見表5和表6。

表5 模型摘要表

表6 系數(shù)表

3 結(jié)束語

本文主要對使用自然間斷點法提取配合經(jīng)驗閾值法調(diào)整再用統(tǒng)計數(shù)據(jù)法驗證結(jié)果的提取方法對建成區(qū)進行提取,以提取建成區(qū)后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算鄭州各縣區(qū)的燈光面積,并將三個時期的燈光面積平均值和統(tǒng)計數(shù)據(jù)中各縣區(qū)的實際建成區(qū)面積以及GDP建立了一個多元線性回歸。得出了建成區(qū)面積、GDP的變化對各縣區(qū)燈光建成區(qū)面積的平均值產(chǎn)生影響,使驅(qū)動力因素分析更合理。然后從自然和人文兩個角度討論影響建成區(qū)發(fā)展因素,為鄭州更有效地利用建成區(qū),協(xié)調(diào)好區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和土地資源利用之間的關(guān)系,逐步實現(xiàn)經(jīng)濟社會、與生態(tài)文明建設(shè)的統(tǒng)一發(fā)展提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

本文還存在一些不盡如人意的地方,例如燈光溢出的現(xiàn)象沒有得到完全的解決,導(dǎo)致燈光建成區(qū)面積比實際的面積稍大。在建成區(qū)識別方法的基礎(chǔ)上解決燈光溢出問題和從更多方面分析驅(qū)動力的影響因素還需要進一步研究。