DMSP/OLS稳定夜间灯光影像在中国的分类校正方法

长时间序列DMSP/OLS夜间稳定灯光影像数据集存在饱和像元大量积聚在城市中心区域及影像之间缺少可比性的问题,导致数据集在进行空间分析及时间对比研究时会受到限制。为解决上述2个问题,本文在现有研究的基础上提出了一种基于不变目标区域的中国稳定灯光影像分类校正方法。该方法对数据集中每一期中国区域稳定灯光影像进行了饱和及非饱和像元的分类。对饱和像元,选择北京等5个城市作为不变目标区域,选择不存在饱和像元的辐射校准的灯光影像作为参考,基于不变目标区域的非饱和像元之间的相关关系也同样适用于饱和像元的假设,对饱和像元进行了校正;同时,基于多期辐射校准的灯光影像之间存在的相互校准关系,对饱和校正后的饱和像元进行了相互校准。对于非饱和像元,选择了长沙等13个城市作为不变目标区域;根据稳定灯光影像中非饱和像元DN值总和随时间变化的总体趋势,确定了13期稳定灯光影像作为参考,其他多期影像基于不变目标区域中非饱和像元之间的相关关系进行了相互校准。为验证校正结果的准确性,多种相互校准和饱和校正方法被引入进行比较。本文提出的分类校正方法与另外2种相互校准方法相比对F10、F12和F14卫星影像校准效果更好,另外2种方法对F15和F16卫星影像的校准结果更好,3种方法总体上都实现了对数据集影像的相互校准且使校正后的影像具有了可比性。与经过植被指数校准后的城市夜间灯光指数（The Vegetation Adjusted NTL Urban Index,VANUI）相比,分类校正方法解决了饱和像元聚集于城市中心区域的问题,减弱了像元饱和程度,校正结果更接近辐射校准的灯光影像。此外,在中国城市水平上,分类校正的稳定灯光影像与GDP和电力消耗值的相关关系与其他2种相互校准方法相比也是相对较好的,能更客观合理地反映区域经济发展的差异。     

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。     

基于LSTM神经网络的青藏高原月降水量预测

青藏高原的降水量预测不仅为该地区水资源合理规划利用提供依据,同时对中国及周边国家气候变化研究有着重要的意义。论文利用1990—2016年青藏高原降水量数据,采用长短期记忆神经网络（LSTM）对青藏高原月降水量进行预测,主要包括：① 使用青藏高原86个测站1990—2013年的月降水资料,预测各个测站2014—2016年的月降水量,并与传统的RNN、NAR、SSA和ARIMA预测模型相比,平均决定系数R²分别提高了0.07、0.15、0.13和0.36,均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）表现更低;② 分析了降水量预测精度的空间分布特征,将各模型的R²在青藏高原地区内插值,分析R²的空间分布特征,发现所有模型降雨稀少的干旱地区和降雨多的湿润地区R²较低,在气候稳定、降水规律性明显的地区R²较高,且LSTM模型R²≥0.6的空间范围远大于传统模型;③ 分析了不同预测长度对各模型预测精度的影响,发现所有模型会随着预测长度增加而预测精度降低,但在不同的预测长度下LSTM预测的RMSE值都低于其他模型。     

同化叶面积指数和蒸散发双变量的冬小麦产量估测方法

同化遥感信息到作物生长过程模拟模型,是估测区域作物产量的重要方法之一。同化变量的选取对同化结果精度至关重要。本文在标定WOFOST作物模型参数的基础上,优化了WOFOST模型的默认灌溉参数。利用ET和LAI作为同化变量,分别构建了时间序列趋势信息的代价函数和四维变分代价函数;采用SCE-UA算法最小化代价函数, 重新初始化WOFOST模型初始参数——作物初始干物质重、作物35 ℃生命期和灌溉量。最后利用MODIS LAI产品（MCD15A3）、MODIS ET产品（MOD16A2）,同化到作物模型估测产量,并对比分析了水分胁迫模式下同化单变量（ET或LAI）和同化双变量（ET和LAI）的估产精度。结果表明：同化双变量ET和LAI的策略,优于同化单变量LAI或ET,双变量策略的冬小麦产量估测精度为R²=0.432,RMSE=721 kg/hm²;单独同化高精度LAI对提高估产精度具有重要作用,其冬小麦产量估测精度为R²=0.408,RMSE=925 kg/hm²;单独同化ET的趋势信息改善了WOFOST模型模拟水分平衡的参数,但是,产量估测精度（R²=0.013,RMSE=1134 kg/hm²）与模型模拟估测产量精度（R²=0.006,RMSE=1210 kg/hm²）相比改善效果有限。本研究为其他区域的遥感数据与作物模型的双变量数据同化的作物产量估测研究提供了参考价值。     

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。     

基于夜间灯光数据估算安徽省县级尺度城镇化水平

城镇化是地区经济发展和社会进步的重要标志,研究城镇化水平对城镇科学发展和政府高效决策具有重要意义。夜间灯光数据包含了人类活动和经济社会发展等信息,弥补了指标法的不确定性和滞后性等不足,可以更加直观地反映城镇化水平,为城镇化研究提供了新的思路。现有的研究,已经有用夜间灯光数据分析宏观尺度的城镇化水平,但由于DMSP-OLS数据和NPP-VIIRS数据的时间范围均较短,且2种数据的时间尺度不连续,且空间分辨率和辐射分辨率不一致,因此目前主要集中于使用一种夜间灯光数据研究城镇化水平,且研究的时间跨度较短。此外,虽然已有研究表明,大尺度的社会经济活动与夜间光照情况有较强的相关关系,但在较小尺度下,这种相关性受地区经济发展以及灯光数据分辨率的影响较大,对估算精度有更高的要求,因此需要使用实际数据证明使用夜间灯光数据估算县级城镇化水平的合理性。本文使用DMSP_OLS和NPP_VIIRS夜间灯光数据,估算了2006—2015年安徽省县级尺度城镇化水平,为夜间灯光数据在长时间序列的城镇化研究中提供理论支撑。首先分别计算DMSP-OLS和NPP-VIIRS平均夜间灯光指数,以NPP-VIIRS灯光指数为自变量,以DMSP-OLS灯光指数为因变量,对2012年和2013年的2种灯光指数年数据进行曲线拟合,建立2种灯光数据的对应关系,得到2006—2015年安徽省各区县的DMSP-OLS平均夜间灯光指数;然后从人口、经济、社会生活和农业机械化4个方面选取城镇化指标,使用层次分析法计算基于统计数据的城镇化水平;最后将灯光指数与基于统计数据的城镇化水平进行相关性分析和线性回归分析,讨论了安徽省各区县灯光指数和基于统计数据的城镇化水平的时空分布的异同点,分析了同时使用两种灯光指数估算长时间序列城镇化水平的合理性。研究结果显示,灯光指数和基于统计数据的城镇化水平在县级尺度上具有高度相关性,相关系数为0.91（P<0.05）,线性回归的拟合优度R²=0.82。灯光指数和基于统计数据的城镇化水平的时空分布基本一致,空间上,安徽省城镇化水平整体分布不均衡,呈现出东高西低的规律;时间上,2006—2015年城镇化水平呈现逐年增长的趋势,合肥市辖区、马鞍山市辖区等发达城区的城镇化水平增长速度较快,而霍丘县、寿县等经济欠发达地区增长较缓慢。     

亚热带福建省森林生长季与气温、降水相关性的遥感分析

植物生长季的变化反映了全球气候变化对生态环境的影响。本研究以2000-2006年间MODIS-NDVI影像数据集,使用TIMESAT软件从归一化植被指数（NDVI）时间序列中,分别提取福建省不同森林植被的生长季开始日期（Start of Season,SOS）、生长季结束日期（End of Season,EOS）和生长季长度（Length of season,LOS）等物候参数,并与全省尺度的气温与降水量进行相关分析。结果表明：不同森林类型NDVI与当月月均气温之间具有较显著的相关性（R²为0.72-0.79,p<0.01）,同期温度变化对植被生长的影响相对于降水量更重要;而植被生长对降水量的响应存在大约2个月的时滞效应（R²为0.54-0.75,p<0.01）,说明前期的降水累积对于后续植被生长有较显著影响。福建省森林植被生长季持续时间约213~223 d,开始于每年4月初到4月中旬（第98~103 d）,结束于11月中旬前后（第316~321 d）。其中,南亚热带森林生长季长于中亚热带森林,相同气候条件下的阔叶林生长季时间略长于针叶林。另外,春季（2-4月）气温变化是导致福建省内2个气候带森林生长季开始时间、生长季结束时间及生长季长度变化的关键因素,而伴随春季温度升高,植被生长季开始时间提前（R²为0.83,p<0.01）,同时生长季长度延长（R²为0.80,p<0.01）。7 a间,生长季持续时间呈现微弱延长趋势,总体延长幅度为2.4~3.1 d。     

变换光谱数据对土壤氮素PLSR模型的影响研究

光谱数据变换对消除背景、噪音影响以及提取光谱特征有重要的作用,是光谱数据分析过程中的必要步骤。为了研究光谱变换处理对土壤氮素PLSR模型的影响精度,并选择最佳光谱变换处理方法,本文对原始光谱数据进行了15种典型光谱变换,通过比较不同变换光谱与土壤氮素的相关性,实现土壤氮素的PLSR精确诊断,并综合评定最佳光谱数据变换方法。结果表明,涉及微分处理后的光谱变换,尤其是先进行开方（T₈、T₁₁）、对数（T₆、T₁₂）等变换后再进行微分处理,可提高其与土壤氮素的相关性。在引入较少因子变量个数的条件下,该方法使因变量解释量达到了98%。综合考虑模型的校正、验证效果及模型复杂度（模型最佳因子变量个数）,可得出光谱平方根的一阶微分变换处理（T₈）为最佳的土壤光谱变换算法。该条件下的土壤氮素的校正模型表现为R²=0.985、RMSE_C=0.000132、F_n=6,验证模型的表现为R²=0.9853、RMSE_V=0.000162,结果表明基于T₈的光谱数据变换可实现本试验条件下土壤氮素的光谱估算。另外,可以考虑将原始光谱的一阶微分（T₉）、对数和对数倒数的一阶微分（T₆、T₇）以及平方根和对数的二阶微分（T₁₁、T₁₂）作为光谱数据变换方法。本文研究结果可为土壤氮素估算和光谱数据预处理提供技术参考。     

南方红壤侵蚀区长汀县不同生态恢复年限下芒萁叶绿素含量的高光谱估算模型

芒萁是南方红壤侵蚀区生态恢复重要的地带性草本植物,对生态系统修复具有重要作用,监测其叶绿素含量能有效诊断生长健康状况。本文以福建省长汀县朱溪流域6个不同生态恢复年限下的芒萁叶片高光谱反射数据以及实测叶绿素含量为数据源,借助高光谱遥感技术分析不同恢复年限芒萁叶片原始光谱特征,筛选出光谱敏感波段并构建光谱指数,基于相关性分析,建立芒萁叶绿素单变量以及多元逐步回归模型,并确定最佳估算模型。结果表明：高光谱指数建立的单变量估算模型中,改进红边归一化植被指数（mNDVI₇₀₅）、叶面叶绿素指数（LCI）、红边指数（Vog）、比值光谱指数（RVI_603/407）、NDVI[603,407]高光谱指数建立的二次模型精度高,建模决定系数R²均超过了0.8,其中以高光谱指数为自变量建立的多元回归模型拟合R²值（0.886）最高。综合建模精度和模型验证精度,LCI指数构建的单变量模型以及基于高光谱指数的多元回归模型是估算芒萁叶片叶绿素含量最佳模型。本研究建立的叶绿素高光谱估算模型对快速、无损地监测水保植物芒萁生长具有重要意义。     

基于夜间灯光与LUC数据的川渝地区人口空间化研究

高精度的人口空间分布数据是开展小尺度人口活动变化规律研究的关键数据。夜间遥感影像对于反映人类社会活动具有独特的能力,因而被广泛的应用于社会经济领域的空间数据挖掘。本研究以DMSP/OLS夜间灯光数据、NPP/VIIRS夜间灯光数据、常住人口统计数据、土地利用数据为数据源,在县级尺度上建立逐步回归模型,构建川渝地区人口空间分布数据;并随机抽取研究区内500个乡镇,以常住人口统计数据为真实数据,对人口空间化结果进行精度检验。结果表明：① 2种夜间灯光数据与人口均有较高的相关性,相关系数均在0.76以上,NPP/VIIRS夜间灯光数据与人口的相关性要高于DMSP/OLS,且受拟合模型的影响不大。② 与人口相关性较高的土地利用类型有多种,耕地、林地对人口空间分布也有影响,在建模时不应只考虑建成区。③ 在2种夜间灯光数据分别与土地利用与土地覆被数据（Land Use/ Land Cover, LUC）结合时,使用DMSP/OLS夜间灯光数据和NPP/VIIRS夜间灯光数据得到的逐步回归模型的复相关系数R²分别为0.796、0.817,模型拟合率较高,而基于NPP/VIIRS夜间灯光数据得到的人口空间化结果分辨率（500 m）相比DMSP/OLS提高了一倍（1 km）,中心城区与周边城区人口密度变化更加自然,更符合实际人口分布情况。④ 与LUC数据结合时,使用NPP/VIIRS夜间灯光数据得到的人口空间化结果精度要高于DMSP/OLS夜间灯光数据,表明NPP/VIIRS夜间灯光数据相比DMSP/OLS更适用于人口数据空间化研究。     

基于DMSP/OLS数据的城市中心城区提取新方法

近年来,DMSP/OLS夜间灯光数据已被广泛应用于城市空间格局和城市化过程、人类活动及效应、经济水平、生态环境影响、电力能源消耗量和灾害分析等领域。本文利用DMSP/OLS的稳定灯光数据产品,首先,以辅助资料的空间对比法确定城市中心城区范围最小阈值,然后,提取DMSP数据中的每个极大值及一定范围内的临近值,作为城市中心城区范围,并将提取的范围与作为辅助资料的MODIS土地覆盖数据中相应的城市中心城区范围作线性回归分析,进而获得估算城市中心城区范围的线性模型。经验证其结果预测吻合度达到82.06%,平均相对误差为8.47%,说明利用该方法提取城市中心城区范围具有一定的可行性,可较准确地提取发展水平不同的城市的中心城区范围。     

城市建成区多源遥感协同提取方法研究

城市建成区边界是城市研究重要的基础信息,也是落实城市功能空间布局、实施界限管控的前提。DMSP/OLS夜间灯光数据已被广泛应用于城市建成区的提取,但由于受饱和、扩散及低分辨率问题的影响,导致仅依靠DMSP/OLS NTL映射城市建成区仍然是一个巨大的挑战。本文以京津冀为例,采用MODIS NDVI和DMSP / OLS夜光数据相结合解决NTL影像的饱和及扩散问题,提取城市建成区潜在范围,并辅以Landsat NDVI数据,采用本文提出的最大自相关双阈值方法进行自适应修正,最后采用目视解译对结果进行验证。实验结果表明,多源遥感协同方法提取城市建成区的总体精度和kappa系数分别为92.9%和0.88,在空间分布和统计数据中均有较高的有效性和可靠性。     

基于Globcover和DMSP/OLS数据的中国大陆城市潜能分析

城市潜能作为城市体系空间相互作用的代表性指标,反映了城市与其所在的城市体系内所有城市间相互作用的强度,即城市所具备的的集聚能力。合理分析城市空间布局及结构、探寻城市发展的空间差异,以及制定区域发展政策日益迫切,研究城市空间相互作用具有重要意义。本文以Globcover数据集提取中国大陆范围内26 619个城市斑块,获取了城市潜能计算时所需的城市斑块规模总量;同时,以DMSP/OLS夜间灯光影像为数据,提取能综合反映人类社会经济活动的城市斑块夜间灯光总强度,参与城市潜能的计算。利用潜能模型,依据城市斑块分层结果,以城市斑块规模和时间成本为参数,计算得到公里格网的城市潜能值模拟分布图,并分析了中国大陆城市潜能的空间分异特征。     

Directional Analysis of Urban Expansion Based on Sub-pixel and Regional Scale: A Case Study of Main Districts in Guangzhou,China

Multi-scale data have had a wide-ranging level of performance in the area of urban change monitoring. Herein we investigate the correlation between the impervious surface fraction(ISF) and the Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System(DMSP/OLS) nighttime stable light(NTL) data with respect to the urban expansion in the main districts of Guangzhou. Landsat 5 Thematic Mapper and Landsat 8 Operational Land Image(OLI) data from 1988 to 2015 were used to extract the ISF using the linear spectral mixture analysis model and normal difference build-up index at the sub-pixel scale. DMSP/OLS NTL data from 1992 to 2013 were calibrated to illustrate the urban nighttime light conditions at the regional scale. Urban expansion directions were identified by statistics and kernel density analysis for the ISF study area at the sub-pixel scale. In addition, the correlation between the ISF and DMSP/OLS NTL data were illustrated by linear regression analysis. Furthermore, Profile Graph in ArcGIS was employed to illustrate the urban expansion from the differences in correlation in different directions. The conclusions are as follows: 1) The impervious surface(IS)in the study area has expanded to the northeast and the east, starting with the old urban zones, and the high-density IS area has increased by321.14 km~2. 2) The linear regression analysis reveals a positive correlation between the ISF and the DMSP/OLS NTL data. The multi-scale data changes are consistent with the actual urban planning of Guangzhou. 3) The DMSP/OLS NTL data overestimate the urban extent because of its saturation and blooming effects, causing its correlation with ISF to decrease. The pattern of urban expansion influences the saturation and blooming effects of the DMSP/OLS NTL data.     

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。     

DMSP/OLS夜间灯光数据研究成果知识图谱分析

利用CitesSpace软件对1997-2017年DMSP/OLS夜间灯光数据进行知识图谱分析,梳理国内外研究热点与演化历史,发掘研究难点,为后来研究者提供方向。本文选取Web of Science 核心数据集数据库收录的文献,进行合著特征分析、关键词共现分析和文献共被引分析。结果表明：① 夜间灯光数据相关研究最活跃的国家、机构和作者分别是美国、中国科学院和Elvidge;② 社会经济条件估计（人口、人口密度和电力）和城市扩展变化监测一直是国内外研究的热点和前沿;③ 目前的研究难点是如何减少灯光溢出效应以及灯光过饱和现象对研究精度的影响;④ 研究学科交叉性强,涉及地理学、测绘科学与技术、应用经济学、社会学等领域。因此,未来的研究趋势主要表现在数据处理方法的优化、研究领域的拓展以及深化已有研究成果3个方面。