DMSP/OLS夜间灯光影像中国区域的校正及应用

美国国防气象卫星搭载的业务型线扫描传感器（DMSP/OLS）获取的夜间灯光影像,可客观地反映人类开发建设活动强度,其广泛应用于城市遥感的多个领域。但该数据缺少星上的辐射校正,下载的原始影像数据集不能直接用于研究,需进行区域校正。长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光影像数据集主要存在2个问题需在校正过程中解决：（1）原始影像数据集中的影像是非连续性的;（2）数据集中的每一期影像都存在着像元DN值饱和的现象。针对这2个问题,本文提出了一种不变目标区域法的影像校正方法,对提取出来的每一期中国区域的夜间灯光影像进行了校正,该校正方法包括相互校正、饱和校正和影像间的连续性校正。最后,为了检验校正方法的合理性与可靠性,本文将校正前后中国夜间灯光影像与GDP和电力消耗值,分别进行回归分析评价表明,校正后的影像更客观合理地反映区域经济发展的差异。     

一种DMSP/OLS稳定夜间灯光影像中国区域的校正方法

随着遥感技术的快速发展,国防气象卫星计划作战线扫描系统（DMSP/OLS）夜间灯光图像开始更多的应用于人文经济研究中。由于原始影像存在较多问题,如DN值饱和、年际不连续问题等,因此在使用之前需要对影像进行校正。“传统不变区域法”是应用较为广泛的校正方法,但仍存在部分问题,如未考虑目标区域长时间尺度上的微弱变化以及连续校正前基准年份的选取。本文对传统不变目标区域法进行改良,以黑龙江鹤岗市作为不变目标区域,选取3期辐射定标影像作为参考影像对DMSP/OLS稳定夜间灯光影像进行饱和校正,通过对比各年份影像饱和校正情况,选出最为合理的基准年份,从而对饱和校正后的影像进行连续性校正。为验证影像校正精度,本文从国家像元DN值、省级GDP与电力消费量、地级市GDP和县域GDP 4个层面与对应DN值进行线性回归检验,结果显示经改进方法校正后DMSP/OLS稳定夜间灯光影像TDN与市级GDP的拟合度（R2）平均值为0.85,远大于传统方法校正TDN与市级GDP拟合度（R2）平均值的0.53,且随着时间推移,传统不变目标区域法校正后拟合度逐渐降低至2013年的0.40,而利用改进后方法进行校正的拟合度未出现递减现象,2013年其R2仍为0.88,表明与传统不变区域法相比校正精度明显提高,饱和问题得到较大改善。     

基于夜间灯光遥感的城市垂直空间扩展研究——以武汉为例

长期以来城市空间扩展研究主要针对城市水平空间的扩展模式研究,而忽视了城市垂直空间的扩展模式研究。以武汉市为例,利用长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光数据集,在避免预设灯光变化规律的基础上对其进行校正,汇总统计城市建成区外延像元灯光强度值的变化特征,探测城市垂直空间扩展规律。结果表明城市像元灯光强度增强速度的统计特征与其所处的城市发展阶段有明显的关联性,并且符合"外延-增强-减速增强-稳定不变"的规律,其中"增强"阶段受城市发展规划和政策的影响明显。     

整合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据的长江三角洲城市格局时空演化研究

本文基于1992—2012年DMSP/OLS和2012—2018年NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据,对长江三角洲城市群时空演化格局进行监测。考虑到不同卫星夜间灯光遥感数据之间的不一致性以及城市核心区亮度过饱和问题,对DMSP/OLS和NPP/VIIRS数据进行连续性校正、去饱和处理和一致性校正,构建长江三角洲区域1992—2018年长时间序列多源夜间灯光遥感数据集。利用二分法基于该数据逐年提取长江三角洲城市群各城市建成区空间分布,计算加权标准差椭圆和Zipf系数进行重心变化和方向性分布变化、规模体系变化等监测。结果表明： ① 本研究采用的连续性校正、去饱和处理和一致性校正方法能够构建稳定的长时间序列多源夜间灯光遥感数据集; ② 基于二分法提取的建成区面积平均绝对误差为6.85 km²,平均相对误差为8.10%; ③ 长三角城市群重心较为稳定,始终在苏州市境内的太湖沿岸附近,呈现出向东南方向移动的趋势城市群呈西北—东南方向分布,且分布方向有向南北方向转动的趋势,标准差椭圆的扁率持续减小,表明城市群的方向性分布减弱; ④ Zipf系数始终在1附近且呈缓慢降低的趋势,城市规模分布较为均衡。     

高分遥感图像相对辐射校正中的伪不变地物自动提取和优化选择

相对辐射校正是遥感变化检测中重要的预处理过程,伪不变地物（Pseudo-Invariant Features,PIF）是多时相影像中相对不变的地物,是相对辐射校正中的重要依据。针对高分遥感图像变化检测中相对辐射校正的要求,本文提出了一个自动提取和优化选择PIF的流程和方法：首先计算两期图像的亮度、光谱特征和空间特征的变化向量,然后对各变化向量的像元值从低到高进行排序,经多数投票后提取PIF,最后使用“迭代线性回归—去除异常值”方法选择获得最终PIF。以2016年11月27日和2017年7月18日的2期“北京二号”高空间分辨率多光谱影像为例,选择地物占比不同的两个实验区对流程和方法进行了验证,并与多元变化检测和迭代加权多元变化检测的PIF提取方法进行了比较。使用两期WorldView-2影像和Landsat-8 OLI影像对方法的适用性进行了验证。结果表明：① 2个实验区提取的PIF精度分别为98.74%和98.71%,PIF像元合理分布于未变化区域、包括了影像中主要的地物类型;② 使用本文方法提取的PIF建立的相对辐射校正模型具有显著的线性拟合效果（p<0.000 1）;③ 本文方法考虑了图像亮度、光谱信息以及空间信息的差异,使用参数少,可操作性高;④ 与多元变化检测和迭代加权多元变化检测方法相比,本文方法提取的PIF更为合理,建立的辐射校正方程拟合效果更佳;⑤ 本文方法适用于具有相同波段设置的中、高空间分辨率光学遥感影像。     

基于DMSP/OLS夜间灯光影像的中国东部沿海地区城市扩展动态监测

美国国防气象卫星搭载的业务性线性传感器（DMSP/OLS）所获取的夜间灯光影像数据,能够客观地反映人类对城市建成区的开发建设范围与强度,已广泛地应用于城市扩展的动态监测。本文利用不变目标区域法对长时间序列DMSP/OLS夜间灯光影像进行辐射校正,基于校正后的影像对2001-2013年中国东部沿海地区的城市建成区范围进行提取,结果表明：① 建成区面积从2001年的7550 km²,增加到2013年的21 650 km²,共扩展了14 100 km²,虽然建成区面积呈逐年增加的趋势,但其扩展速率则在逐步减缓,城市重心逐渐向南转移;② 在空间上形成了京津唐、长江三角洲和珠江三角洲3城市群,研究发现京津唐的中小城市面临难以获得发展资源的问题,导致了该地区发展的不平衡;③ 综合分析建成区扩展和经济统计数据,结果表明人口和经济是建成区扩展的主要驱动因子,但同时城市快速扩展也给东部沿海地区带来了一定程度的用地浪费问题;④ 由于DMSP/OLS夜间灯光影像受到自身空间分辨率的限制和灯光过饱和的影响,易造成城市建成区边缘细节部分的错提。新一代Suomi NPP/VIIRS夜间灯光影像在空间和光谱分辨率上均有较大提高,在后续的研究中应充分挖掘其数据优势,以期提供更加精准的城市扩展动态监测。     

基于复合指数模型的DMSP/OLS夜间灯光影像饱和校正方法

由于OLS传感器航行过程中增益记录和交叉定标的缺失,使得DMSP夜光影像在城市中心出现过度饱和等问题,因此探讨灯光数据去饱和方法在人类活动强度评估和城市时空演化分析等方面具有重要意义。为了解决这一难题,有学者提出使用NDVI修正饱和灯光数据的VANUI指数,为研究灯光数据去饱和提供了简单便捷的思路,然而该指数在部分城市中较难有明显的校正效果。本文在VANUI指数思想的基础上,顾及到人口密度随着郊区到城市中心距离的增加呈现指数型增长,提出了基于复合指数模型校正夜间灯光指数CEANI,为人类活动强度评价等研究提供更准确的结果。研究表明:① 与VANUI相比,CEANI在刻画城市内部饱和区域特征时具有更好的细节,较好地凸显城市内部空间异质性;② 在25组随机样本的相关对比中,CEANI（R²mean=0.79）与辐射定标产品比VANUI（R²mean=0.68）具有更高的相关性;③ 三大城市群中CEANI与常住人口的R²分别为0.767、0.676和0.841,比VANUI（R²分别为0.640、0.553和0.775）分别提高了0.127、0.123、0.066,相较于VANUI,CEANI与常住人口具有更强的相关性,对于人口指标的估算能力更强。     

集成夜间灯光数据与Landsat TM影像的不透水面自动提取方法研究

利用多源遥感数据提取不透水面信息是一个重要的研究方向。针对以往研究中多需要人工选取不透水面样本进行模型训练的问题,本文通过整合夜间灯光遥感与Landsat TM影像中的空间和光谱信息实现了不透水面覆盖范围（Impervious Surface Area,ISA）的自动提取。首先根据夜间灯光的分布来定位ISA聚集的城市区域的位置,分别在城市区域内部和外部自动提取可靠性高的ISA及非ISA样本,然后通过迭代分类提取城市区域的ISA,再以此为样本对城市区域外部进行分类,最后将分类结果整合完成整幅影像的ISA提取流程。应用本方法对美国雪城地区的DMSP/OLS夜间灯光影像上提取了84个城市区域,提取精度大于95%。从中分别选择高ISA密度和低ISA密度的2个城市区域作为ISA提取的测试区,本文方法在城市区域内的ISA提取总体精度与kappa系数分别为88.23%和0.63;在城市区域外部为78.6%和0.54,均优于人工样本选取方法的提取精度,表明该方法能够实现精度稳定且高效的ISA自动提取。     

基于VIIRS数据的油气平台提取技术研究

油气平台作为海上油气资源勘探开发的主要设备之一,其数量与空间分布反映了一个区域油气资源的开发状况。普通光学影像易受天气状况影响,而雷达数据成本较高,这给油气平台的检测带来了一定的困难。由于油气平台作业过程中,需要灯光照明,同时伴气的燃烧也产生很强的灯光,因此可以通过检测灯光来实现油气平台的提取。针对VIIRS数据具有强夜间光探测能力,本文提出了一种卷积运算临界值法对海上油气平台进行提取。首先对2期不同时相的VIIRS数据进行卷积运算,对亮像元进行了增强处理,对背景像元进行弱化处理,从而明确区分疑似目标与背景,然后以0值为分界点,对疑似目标进行提取,最后利用油气平台相对静止的特性,通过邻域分析,实现油气平台的提取。结果表明,本文提出的卷积运算临界值法可以有效地提取油气平台,提取准确率约为85.4%,同时可以有效地减少由于经验阈值对提取结果造成的误差。     

嫦娥一号IIM高光谱数据和月球轨道器LOLA DEM数据的配准与月表地形校正及评价

在对月探测中,月表物质的可见光、近红外反射数据,是进行月表化学元素及矿物反演与制图的重要信息源。受月球表面地形起伏的影响,嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）高光谱数据在开展月表参数定量反演前,须进行月表地形校正,还原月表真实的反射率信息。IIM高光谱数据和常用的美国LOLA月球DEM数据之间存在月球经纬度空间配准不精确的问题,对月表地形校正的精度产生了影响。以月表陨石坑为例,在两幅月球遥感影像上选取一定数量的同名点,使用多项式校正方法进行像元级配准,与直接使用经纬度开展空间配准作了对比分析,发现IIM高光谱数据与LOLA DEM数据之间在经度方向存在平均约3.5个像元的位置偏差,纬度方向存在约1.95个像元的偏差。在此基础上,尝试将地球地形校正中使用的C校正方法运用到月球,探究在微弱大气散射环境下,月球陨石坑地貌的月表地形校正可行性。研究发现,经过像元级空间配准的数据在月表地形校正的效果上,比直接使用月球经纬度进行匹配的校正效果有明显提高。经过匹配和C校正,月表反射率与太阳入射角的余弦值之间的线性相关方程的斜率降低了89.4%,很好地消除月表陨石坑阴影地区和阳坡高亮区域的月表地形效应,恢复月表阴影区域的光谱信息。验证结果表明,校正后的月表局部遥感影像更接近于月表真实反射率,为后续利用IIM数据开展月表理化要素定量反演研究提供了可靠的科学数据保障。     

夜间灯光数据驱动的成渝城市群空间形成过程重建及分析

2016年4月发布的《成渝城市群发展规划》首次正式确定了成渝城市群的内涵和具体边界,重建成渝城市群的形成过程,有利于把握未来发展趋势,并合理优化与调整其发展过程。在重建技术方面,对DMSP/OLS夜间灯光数据传统的不变目标区域校正法加以改进,将成渝城市群2013年城市市区范围内的全部像元加入校正模型的拟合中,设计了统计数据的校正规则,再通过二分比较法较好地恢复了成渝城市群内各城市建成区的时序空间信息。提取面积与统计面积总体平均相对误差为-0.38%,利用高分辨率Google Earth图像验证的建成区提取准确率达到98.29%,相比其他研究结果,经方法改进后的提取结果精度高且稳定。在结果分析方面,基于提取结果展开对城市群建成区重心转移过程与城市聚合过程的深层次研究,剖析了城市群的内部格局与时空变化特征。分析表明,成渝城市群的聚合情况与《成渝城市群发展规划》高度吻合,城市群已进入快速发育阶段,随着区域差异的持续扩大,成都、重庆都市圈的核心地位逐渐形成,而重庆的发展态势稍好。     

Spatio-temporal Dynamics of Urbanization in China Using DMSP/OLS Nighttime Light Data from 1992–2013

Understanding the dynamics of urbanization is essential to the sustainable development of cities. Meanwhile the analysis of urban development can also provide scientifically and effective information for decision-making. With the long-term Defense Meteorological Satellite Program’s Operational Linescan System(DMSP/OLS) nighttime light images, a pixel level assessment of urbanization of China from 1992 to 2013 was conducted in this study, and the spatio-temporal dynamics and future trends of urban development were fully detected. The results showed that the urbanization and urban dynamics of China experienced drastic fluctuations from 1992 to 2013, especially for those in the coastal and metropolitan areas. From a regional perspective, it was found that the urban dynamics and increasing trends in North Coast China, East Coast China and South Coast China were much more stable and significant than that in other regions. Moreover, with the sustainability estimating of nighttime light dynamics, the regional agglomeration trends of urban regions were also detected. The light intensity in nearly 50% of lighted pixels may continuously decrease in the future, indicating a severe situation of urbanization within these regions. In this study, The results revealed in this study can provided a new insight in long time urbanization detecting and is thus beneficial to the better understanding of trends and dynamics of urban development.     

1992-2010年基于DMSP-OLS图像的环渤海城市群空间格局变化分析

从DMSP-OLS数据提取城市区域的经验阈值法存在固有的缺陷,经验阈值对不同的空间区域不具备通用性,不适用的经验阈值,将导致城区面积提取具有较大误差,可采用统计数据对经验阈值进行修正以降低误差。本文在大时空尺度条件下以少量样本城市的统计数据对经验阈值方法进行了修正;另采用Elvidge二次多项式模型对DMSP-OLS时间序列数据进行了校正。在此基础上选取总斑块数量、景观总面积、平均斑块大小、最大斑块面积比、斑块密度、景观形状指数、总边界长度、平均边界密度和斑块平均回旋半径共9个景观生态学指标,采用FRAGSTATS 3.3软件计算分析了1992-2010年环渤海区域城市发展的空间格局变化特征。结果表明:1992-2010年间,环渤海区域城市化进程持续较快发展,城市建成区总面积增加了2.14倍,平均城市建成区面积增加了76%,提取到的城市斑块平均回旋半径增加了约26.5%,并且城市景观斑块的复杂度明显上升,可检测到的城镇总个数增加了82%。但是,每100km2内孤立的城市景观斑块数却降低了约76%;大城市持续扩张的相对速度慢于中小城市,城市区域边界密度和整体城市分布景观格局破碎度逐渐降低,核心城市与周围卫星城市的景观斑块的联通性逐步增加。     

Land cover change detection in West Jilin using ETM+ images

In order to assess the information content and accuracy ofLandsat ETM+ digital images in land cover change detection,change-detection techniques of image differencing,normalized difference vegetation index,principal components analysis and tasseled-cap transformation were applied to yield 13 images. These images were thresholded into change and no change areas. The thresholded images were then checked in terms of various accuracies. The experiment results show that kappa coefficients of the 13 images range from 48.05 ～78.09. Different images do detect different types of changes. Images associated with changes in the near-infrared-reflectance or greenness detects crop-type changes and changes between vegetative and non-vegetative features. A unique means of using only Landsat imagery without reference data for the assessment of change in arid land are presented. Images of 12th June, 2000 and 2nd June, 2002 are used to validate the means. Analyses of standard accuracy and spatial agreement are performed to compare the new images (hereafter called "change images" ) representing the change between the two dates. Spatial agreement evaluates the conformity in the classified "change pixels" and "no-change pixels" at the same location on different change images and comprehensively examines the different techniques. This method would enable authorities to monitor land degradation efficiently and accurately.     

光学卫星常态化相对辐射定标方法研究

相对辐射定标是获得各类光学遥感卫星传感器的高精度观测产品的必备条件,由于受发射震动、在轨空间环境变化等因素以及传感器自身衰减的影响,传感器在轨响应状态会随时间发生衰减和漂移,单一相对辐射定标方法无法保障卫星传感器在特定时间的探元响应一致性。本文以光学卫星传感器全生命周期影像辐射质量保障为目标,主要研究了光学卫星传感器在轨生命周期内高频率、高定标精度的常态化相对辐射定标方法,并总结了当前常用的相对辐射定标精度评估方法,评估了各定标方法的指标以及应用场景。利用珞珈一号01星（LJ1-01）夜光传感器获取的影像进行在轨暗电流、和在轨均匀场地定标实验和验证,珠海一号02组高光谱卫星影像被用来实施和验证统计定标和偏航辐射定标方法,并耦合多种定标方法实现常态化辐射定标。实验结果表明：各种定标方法处理后影像的条纹系数小于0.25%,图像相对标准差均优于3.00%;多种定标方法相互结合的常态化辐射定标方法实现了多种定标方法的优势最大化,完成常见传感器的高精度在轨标定。