基于VBANUI夜間燈光調節指數的河南省城市擴張研究

林敬娜 楊杰

（河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003）

1 引言

城市化進程是一個涉及城市擴張和土地利用變化的過程，能夠反映區域的經濟發展水平，城市擴張變化分析是研究城市時空演變的重要方式，有利于加快城市化進程。近年來，我國城市擴張速度過快，容易導致自然資源短缺、大氣環境變化等問題[1]，同時我國區域經濟發展不均衡，城市擴張也存在較大的地域差異，及時關注城市擴張信息對優化城市空間布局和調整區域發展模式具有重大意義。河南省是農業大省，人口密度大，是我國東西部區域發展的連接紐帶，河南省的城市擴張變化研究是監測河南省城市化進程的重要課題，關系著我國的整體經濟發展。

隨著信息技術的迅速發展，遙感技術通過非接觸方式獲取地物表面信息，能夠有效提取城市擴張有關的空間信息，已被廣泛應用于檢測城市動態[2]。夜光遙感是遙感科學與技術的一個重要分支，能探測地球表面的夜間可輻射光源，因此對于直觀表達人類活動具有一定的能力[3]。DMSP/OLS（Defense Meteorological Satellite Program/Operational Line-Scan System） 夜 間 燈 光 數 據 和NPP/VIIRS（National Polar‐Orbiting Partnership/Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）夜間燈光數據是兩種常用的夜間燈光數據源，因時間序列較長，且影像分辨率較低，耗費人力時間成本較小，為監測大尺度城市的時空變化提供特殊視角[4-6]。

綜上，本研究在校正DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 夜間燈光數據的基礎上，以河南省為研究區，借助NDBI 和NDVI 數據，利用VBANUI 夜間燈光調節指數閾值法提取河南省2000、2005、2010、2015、2020 年城市建成區，從建成區面積、擴張強度、重心遷移角度研究河南省近20 年的城市擴張時空演變特征。研究發現，河南省城市不斷擴張，近5 年擴張最快，中北部地區城市擴張較快，河南省建成區重心從許昌市遷移至鄭州市。

2 研究區與數據

2.1 研究區

河南省（行政區劃如圖1 所示）地理坐標為31°23′N～36 °22 ′N 、110 °21 ′E～116 °39 ′E ，下轄18 個地市 ，總面積16.7 萬km2，截至2020 年建成區面積2394km2，GDP 5.43 萬億元，人口9941.2 萬，城鎮化率54.2%。河南省是中原城市群的主要組成部分，是全國承接東西、連通南北的重要樞紐[7]，研究河南省的城市擴張變化分析對促進河南區域協調發展具有重要意義。

圖1 研究對象區域行政區劃

2.2 數據處理

2.2.1 DMSP/OLS 數據

2000～2013 年的夜光遙感數據采用美國國家地理信息中心提供的非輻射定標夜間平均燈光強度影像的22期穩定燈光影像，不同年份和不同傳感器的DMSP/OLS數據存在不連續性和不可比性問題，數據DN 值范圍為0～63，存在飽和問題。采用不變目標區域法進行數據的相互校正和飽和校正[8,9]，根據像元燈光值逐年只增不減原則進行連續校正[10]，不同傳感器的數據取均值作為年度數據。

2.2.2 NPP/VIIRS 數據

2013～2020 年的夜光遙感數據來自美國國家地球物理數據中心提供的NPP/VIIRS VCMFG月度合成數據，排除雜散光影響。各年份NPP/VIIRS 年度數據由1～4月、8～12 月的月度數據進行均值合成[11]，并去除負值極高值，以均值濾波計算周圍5 鄰域像元平均值代替負值極高值。

2.2.3 NDVI 和NDBI 數據

NDVI 數據采用MODIS 數據產品中的MOD13Q1 250m16day 產品，NDBI 數據由2000～2012 年的landsat5數據和2013～2020 年的landsat8 數據計算。由GEE平臺獲取MODIS 和landsat 數據，設置云量、投影坐標系、輸出范圍和柵格大小，并將各年數據進行均值合成計算年平均數據，計算NDVI 和NDBI 指數。

2.2.4 土地利用數據

采用2000～2020 年間的中科院二級土地利用分類數據，土地利用數據根據土地資源的自然屬性，分為25個類型，對數據進行重分類，編號51（城鎮用地類型，指大、中、小城市及縣鎮以上建成區用地）作為建成區類型，其他編號類型合并為一類，作為非建成區類型，將其作為文中提取城市建成區的參考驗證數據。

為了數據統一，投影轉換均采用WGS_1984_UTM_Zone_49N 投影坐標系，將河南省行政區劃數據作為掩膜進行裁剪與重采樣，取500m 分辨率。

3 研究方法

3.1 技術路線

本研究將河南省作為研究區，將DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 作為時間序列夜光遙感數據，將NDVI 和NDBI 作為輔助數據，構建VBANUI 夜間燈光調節指數，結合閾值法對河南省2000、2005、2010、2015、2020年城市建成區進行提取，并參考土地利用數據，對建成區提取結果進行評價。在此基礎上，圍繞建成區面積、擴張強度、重心遷移角度，以五年為一個時間階段，分析河南省近20 年的城市擴張變化。技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

3.2 VBANUI 指數提取方法

3.2.1 VBANUI 夜間燈光調節指數

歸一化植被指數（NDVI）是一種反映綠色植物的輻射量化值，與建成區信息存在負相關關系，將NDVI用于調節夜間燈光亮度，構建VANUI 指數結合閾值法進行城市建成區提取，能有效降低夜光數據飽和的影響，具有減小夜光數據噪聲影響的作用，增加建成區夜間燈光飽和地區及建成區邊緣信息的NTL 信號[12-14]，VANUI 遙感指數如公式（1）所示。

公式（1）中，NDVI 為像元歸一化植被指數，NTL為像元夜間燈光輻射值。

地球表面存在裸露地表，在建成區提取中容易存在混淆現象。歸一化建筑物指數（NDBI）是一種主要反映建筑用地信息的數據集，與建成區信息存在正相關關系，NDBI 指數能區分高密度建筑區及裸露地表與建成區[14]。因此綜合考慮夜光影像中建成區的飽和度問題，以及高密度建筑區及裸露地表對建成區的混淆問題，對VANUI 遙感指數進行改進，采取由NDVI 及NDBI 共同調節的VBANUI 夜間燈光調節指數用于城市建成區提取，可能取得更好的建成區提取結果[15]，VBANUI 計算如公式（2）所示，NTL 數據取自校正后的DMSP/OLS 和NPP/VIIRS 數據。

公式（2）中，NDVI 為像素歸一化植被指數，NDBI 為像素歸一化建筑物指數，NTL 為夜間燈光輻射值。

3.2.2 閾值法提取

閾值法是一種基于區域的影像分割技術，即將影像像元區分成若干類，閾值法提取城市建成區相當于找出一個像元值即最佳閾值，將影像區分為建成區和非建成區兩類，其方法簡單、計算量小。分割區域較大時，局部閾值比全局閾值分割圖像精度高，因此使用局部閾值法進行城市建成區提取。

閾值法提取城市建成區的具體方法如下：（1）統計建成區參考面積。選擇土地利用數據中編號51 類型數據作為文中提取建成區的參考數據，基于各年份土地利用類型數據計算研究區市域內不同年份的建成區參考面積。（2）確定最佳閾值。對上文計算的VBANUI指數設定系列區域閾值，對各市域進行建成區提取，計算提取城市建成區的面積，將提取面積與建成區參考面積最為接近的值作為各市域最佳閾值。（3）提取建成區。根據每年區域最佳閾值對VBANUI 指數柵格數據進行建成區與非建成區的區分。

3.2.3 精度評價

本研究采用混淆矩陣的評價指標進行精度分析，包括用戶精度UA、生產精度PA、整體精度OA 以及Kappa 系數。其中UA 代表被正確提取為建成區的像元與被提取建成區總像元的比值，PA 代表被正確提取為建成區的像元與參考數據建成區總像元的比值，OA 代表被正確提取建成區和非建成區的像元占所有像元的比例，Kappa 系數表示提取結果與參考數據狀況的一致性。

3.3 城市擴張分析方法

3.3.1 擴張強度

建成區面積擴張速度是反映城市發展快慢的一項重要指標，表示每年建成區面積的平均增長速度。擴張強度是指區域內城市擴張過程中建成區擴張面積與區域總土地面積的比值，值的大小代表擴張快慢，相較于擴張速度，引入各區域的土地總面積進行標準化處理，使不同時期的城市建成區擴張強度更具可比性。此外，建成區擴張強度可以反映城市擴張過程中建成區與非建成區用地間的關系，擴張強度數值大說明城市在擴張過程中占用了大量土地面積，數值小則說明建成區擴張面積占整個土地面積的比例較小，有較多土地面積待開發[16]，擴張強度計算如公式（3）所示。

公式（3）中，I表示年均建成區面積擴張強度，S末表示末尾年份建成區面積，S始表示初始年份建成區面積，ΔT表示末尾與初始年份間隔，S表示區域土地利用總面積。

3.3.2 重心遷移

建成區重心是指區域空間中能使各方向的建成區空間分布維持平衡的某一點，在二維圖中以點表示。重心遷移距離和方向反映了要素空間位置的變化和要素在地理空間中的發展方向和聚集程度[17]，建成區重心和遷移距離計算如公式（4）和公式（5）所示。

公式（4）和（5）中，（X t,Yt）為t年標準差橢圓重心，（X t+k,Y t+k）為t+k年標準差橢圓重心，Dt,t+k為t到t+k年重心遷移距離，xi和yi為區域范圍內建成區斑塊i的重心坐標，n為區域內建成區斑塊總數，wi為區域內建成區斑塊i的面積權重。

4 結果與討論

4.1 提取結果分析

河南省2000、2005、2010、2015、2020 年城市建成區的提取結果如圖3 所示。從空間上看，各年份提取建成區的空間分布與參考建成區比較吻合，在各城市中心城區位置和范圍基本得以展現，非中心城區提取偏差較大；從時間上看，建成區誤提現象在2000年、2005 年、2010 年更為明顯，2015 年和2020 年建成區誤提現象稍有減少，可能與夜間燈光數據源有關，2000 年、2005 年、2010 年的DMSP/OLS 數據分辨率低、且數據飽和校正不一定能很好地消除誤差，依然存在數據質量問題，2015 年和2020 年的NPP/VIIRS 數據分辨率較高，相對于DMSP/OLS 數據提取建成區效果會更好，但NPP/VIIRS 數據也存在一定程度的燈光溢出效應，會影響建成區提取效果。此外，2000 年到2020年間，總體上建成區范圍逐年擴大，四周建成區斑塊變多，這是近20 年來河南省城市擴張的結果。

圖3 建成 區提取結果

基于土地利用數據對河南省的城市建成區提取結果進行分類精度驗證，結果如表1 所示。總體來看，城市建成區與非建成區分類的整體精度較高，Kappa系數略低、建成區提取的用戶精度略大于生產精度。由此說明建成區與非建成區的整體提取準確度較高，但與真實地表一致性不高，這與中心城區建成區提取范圍過大、非中心城區建成區誤提現象過多相對應，可能受夜光數據在中心城區燈光溢出影響。

表1 建成區提取結果精度驗證

4.2 城市擴張

在近些年城市快速發展過程中，河南省建成區面積不斷擴張，不同城市內的建成區擴張速度和擴張強度也各有差異，圖4 為2000～2020 年河南省建成區擴張可視化結果。由圖4 可知，從時間上看，河南省建成區斑塊在近20 年來基本逐漸增多，各地級市行政區域中心城區內建成區基本呈逐漸擴張趨勢，非中心城區內建成區斑塊不斷增多，河南省北部區域和西部區域新增建成區斑塊較多，鄭州市擴張明顯。從空間上看，各年份建成區斑塊較大者多居于河南省北部區域，且斑塊比較集中，西部區域建成區斑塊較為散落。

圖4 2000～2020年河南省建成區擴張

為研究不同時間內河南省的建成區面積及擴張狀況，對河南省在市域層面進行建成區面積與擴張強度計算，如表2 所示，并對建成區面積和建成區擴張狀況在空間圖上作柱狀圖表，如圖5 和圖6 所示。

表2 2000～2020年河南省建成區面積與擴張強度

圖5 2000～2020年河南省各市建成區面積

圖6 2000～2020年河南省各市建成區擴張強度

從表2 和圖5 可以發現，2000～2020 年河南省省域建成區面積由2098km2增加至4488.75km2，市域建成區面積總體處于不斷增長狀態。從時間角度看，河南省2000～2010 年各市建成區面積逐年增加，2010～2015 年有少部分城市建成區面積稍有減少，可能是“十二五”規劃要求城鎮化健康發展所致，2015～2020 年增加最多，由此表明近20 年來城市建成區持續擴張，以2015～2020 年擴張最為顯著；近20 年來鄭州市建成區面積增長最多，2000～2005年洛陽、新鄉、許昌、周口等市建成區面積增長較大，2005～2015 年各市域建成區面積增長均較小，2015～2020 年中部地區建成區面積增長均較大，以鄭州市、洛陽市、南陽市和周口市最為明顯。從空間角度看，河南省北部區域建成區面積較大，包括洛陽市、新鄉市、安陽市等，鄭州市建成區面積在近20 年穩居首位，河南省建成區面積較小的有濟源市、漯河市、三門峽等。

由表2 和圖6 可以看出，近20 年河南省在鄭州市、洛陽市、周口市等中部區域城市擴張強度較大，且建成區所占市域土地面積的比值較大；西南部區域城市擴張強度小，有較多土地面積可用于建成區開發。2000～2005 年河南省各市擴張強度以鄭州市、洛陽市、新鄉市和周口市最大；2005～2010 年除鄭州市外各市擴張強度均較小；2010～2015 年屬鄭州市、洛陽市、安陽市等地區擴張較大，但少部分城市建成區面積呈現負增長趨勢，以許昌市、周口市最為明顯；2015～2020 年各市擴張強度最大，鄭州市擴張最快，其次是南陽市、焦作市、洛陽市、新鄉市、駐馬店市、周口市等區域。

4.3 重心遷移

河南省建成區重心是該區域所有建成區斑塊的重心平均值。為分析河南省近20 年的空間格局變化，以建成區斑塊面積作為權重進行河南省近20 年的建成區標準差橢圓計算，分析建成區重心變換，結果如圖7和表3 所示。

表3 建成區重心遷移

圖7 建成區重心及標準差橢圓

由圖7 和表3 可以發現，河南省的建成區重心從最初的許昌市遷移至鄭州市后穩定在鄭州市內，基本呈“先西北再西南后東南”的遷移趨勢，在這20 年里，總體上南北遷移的幅度大于東西遷移的幅度，且近20 年鄭州市整體呈現“北偏東-南偏西”方向的分布態勢。細分每一變化時間段，2000 年建成區重心位于許昌市長葛市境內；2000～2005 年向西北方向遷移，遷移距離較大，且向北遷移的幅度大于向西遷移的幅度，2005 年建成區重心遷移至鄭州新鄭市境內；2005～2010 年建成區重心依然向西北方向遷移，建成區重心仍位于新鄭市境內；2010～2015 年建成區重心開始向西南遷移；2015～2020 年建成區重心向東南方向遷移，遷移距離較大，但依然未遷出新鄭市。總體來說，河南省建成區重心在2000～2010 年整體向北遷移，從許昌市遷移至鄭州市，2010～2020 年建成區重心雖有遷移，但穩定在鄭州市。可以推測2010 年以前河南省西北方向城市的建成區發展較好，可能與鄭州市、洛陽市、焦作市、新鄉市、濟源市城市發展較好有關；2010 年后向南方向城市擴張程度逐漸變高，可能是地廣人稀的南部地區在近些年經濟的刺激之下城市迅速擴張所致，例如平頂山市、許昌市、南陽市等。

5 結論

本研究以河南省為例，將不同夜光數據源分別與Landsat、MODIS 等多源數據結合，通過VBANUI 夜間燈光調節指數結合閾值法提取河南省城市建成區，在此基礎上從建成區面積、擴張強度和重心遷移角度分析河南省在2000～2020 年的城市擴張時空演變特征，得出如下結論：經NDVI 和NDBI 調節夜間燈光數據的遙感指數能夠有效提取城市建成區，建成區的位置和范圍基本得到展現；近20 年來河南省城市不斷擴張，近5 年擴張最快，在中北部地區城市擴張較快，建成區面積所占土地面積比例較大；近20 年河南省建成區重心整體向西北遷移，向北遷移的幅度大于向西遷移的幅度，從許昌市遷移至鄭州市。