基于DMSP/OLS数据的河南省城市空间格局及动态扩张分析

在大尺度城市化发展进程研究中,DMSP/OLS夜间灯光数据可以客观提供独特的视角,已成为城市空间格局研究重要的数据源之一。该文以河南省为研究区域,利用1992-2012年河南省夜间灯光影像数据和空间信息,采用平均灯光亮度、平均灯光亮度增长速度、归一化总辐射值、总灯光强度等指标以及城市重心坐标、城市重心偏移距离、城市重心偏移速度等指标对河南省各个城市的空间格局现状和城市扩张过程进行研究。结果表明:1992-2012年河南省城市化水平不断提高,小城市建成区面积增长率大于大、中城市;中北部平原地区城市发展速度较快,西部、南部山脉覆盖地区的城市发展较缓慢;整体上形成以郑州市为中心的簇状城市群向外扩张格局,并沿京广铁路和陇海铁路形成南北、东西向的"十"字形城市链形态;各城市中心的移动呈现"北城南移,南城北移",并有向中部省会郑州市聚拢的趋势。     

利用MODIS产品和DMSP/OLS夜间灯光数据监测城市扩张

选用多时序MODIS数据产品和晚间灯光指数数据,采用CART数据挖掘方法和改进的Niblack 阈值分割技术,对2001-2010 年之间的浙江省城市扩张情况开展了动态监测。结果显示：在多时序数据信息挖掘的基础上,利用区域灯光指数局部阈值,可以有效地分割城镇和非城镇类型,从而提高城镇专题信息提取的精度;从2001 年到2010 年,浙江省城市扩张迅速,年平均扩张速度为297.35 km²/a,平均扩张速度以余杭、萧山和绍兴为中心,以宁波和瑞安为次中心递减;扩张强度最大的是衢县,其次是开化县和海宁市。以杭州为例分析城市扩张的空间特征,其城市空间紧凑度从0.38 上升到了0.48,空间结构趋于紧凑;城市中心向西北方向移动了约3km,揭示着其向西北方向扩展的主要趋势。     

基于EVI指数的DMSP/OLS夜间灯光数据去饱和方法

DMSP/OLS夜间灯光数据被广泛应用于表征人类活动强度及其生态环境影响的诸多研究中,但因OLS传感器设计的局限,在用电强度较高的城市中心,灯光信号存在明显的饱和,这一不足可能影响到一些基于夜间灯光数据研究成果的可靠性。针对这一问题,NOAA-NGDC研发了辐射定标算法,但因缺乏星上定标系统,算法较为复杂,且受较多条件限制等原因,目前只有部分时期的辐射定标数据产品（RCNTL）。近期有学者提出一种基于植被指数NDVI构建的城市灯光指数VANUI,为灯光数据去饱和研究提供了一个操作简单且结果良好的方法,但该方法在一些城市效果不佳。基于此,本文综合利用夜间灯光与EVI指数信息,通过对VANUI指数构建方法进行改进,建立了一个新的缓解夜间灯光强度饱和的EANTLI指数。为了评价指数的效果,将EANTLI与VANUI从三个方面进行比较：① 区分、识别饱和区内地物的能力;② 与RCNTL的拟合程度;③ 对用电量估算的效果。结果表明：EANTLI在三个方面均表现出优势,在潜在饱和区内对特征地物具有更高的可区分性,与RCNTL的线性相关程度更高,与用电量的相关性相比于NTL、VANUI亦明显提高。因此可以认为EANTLI在指数的设计上较为合理,不仅易于计算,而且能达到较好的缓解灯光强度饱和、凸现城市内部差异的目的,在用于反演城市发展指标时能获得更为准确的结果,因此具有较高的应用价值。     

基于DMSP/OLS夜间灯光数据提取城镇建设用地的邻域分析法

为提高城镇建设用地提取的精度,文章提出一种基于DMSP/OLS夜间灯光数据邻近象元特征差异的提取城镇建设用地的邻域分析方法。该方法主要是通过栅格运算识别建设用地和非建设用地的突变,结合阈值法准确提取建设用地边界。将该方法应用于2009年中国大陆34个主要城市的建设用地提取,并与基于TM数据以及基于DMSP/OLS数据传统全局阈值法和局部优化法提取的建设用地进行比较。结果显示,该方法提取的建设用地象元数与TM影像提取的象元数呈较好的相关性(R2=0.966),均方根误差为191.64个象元,相对精度为82.79%,景观形状指数、聚集度指数、边缘面积比指数和连接度指数也具有较高的相似性(R2分别为0.475 4、0.366 2、0.858 9和0.915 3)。该方法不仅能准确识别大面积的城市建设用地斑块边界,而且不会漏掉小面积的城市建设用地斑块,克服了传统全局阈值法和局部优化法的缺点。     

基于DMSP/OLS稳定夜间灯光数据的中国1995-2008年电力消费量时空动态研究(英文)

Electric power consumption (EPC) is one of the basic indices for evaluating electric power use. Obtaining timely and accurate data on the spatiotemporal dynamics of EPC is crucial for understanding and practical deployment of electric power resources. In this study, an EPC model was developed using stable nighttime lights time-series data from the Defense Meteorological Satellite Program Operational Linescan System (DMSP/OLS). The model was used to reconstruct the spatial patterns of EPC in Chinese Mainland at the county level from 1995 to 2008. In addition, the spatiotemporal dynamics of EPC were analyzed, and the fol-lowing conclusions were drawn. (1) The EPC model reliably represented the spatiotemporal dynamics of EPC in Chinese Mainland with approximately 70% accuracy. (2) The EPC in most regions of Chinese Mainland was at low to moderate levels, with marked temporal and spatial variations; of high-level EPC, 58.26% was concentrated in eastern China. Six urban agglomerations (Beijing-Tianjin-Tangshan region, Shanghai-Nanjing-Hangzhou region, Pearl River Delta, Shandong Peninsula, middle-south of Liaoning Province, and Sichuan Basin) accounted for 10.69% of the total area of Chinese Mainland but consumed 39.23% of the electricity. (3) The EPC of most regions in Chinese Mainland increased from 1995 to 2008, and 64% of the mainland area showed a significant increase in EPC. Moderate increases in EPC were found in 61.62% of eastern China and 80.65% of central China from 1995 to 2008, whereas 75.69% of western China showed no significant increase in EPC. Meanwhile, 77.27%, 89.35%, and 66.72% of the Shanghai-Nanjing-Hangzhou region, Pearl River Delta, and Shandong Peninsula, respectively, showed high-speed increases in EPC. Moderate increases in EPC occurred in 71.12% and 72.13% of the Beijing-Tianjin-Tangshan region and middle-south of Liaoning Province, respectively, while no significant increase occurred in 56.34% of the Sichuan Basin.     

基于DMSP/OLS夜间灯光数据的1995-2009年中国地级市能源消费动态

能源是国民经济发展的重要支撑,便捷准确地获取能源消费时空动态信息,对于合理制定能源政策具有重要意义。基于DMSP/OLS 夜间灯光数据和能源统计数据之间的定量关联,在地级市尺度上模拟了中国1995-2009 年能源消费的空间格局,并采用空间自相关分析探讨其时空动态特征。研究表明：基于DMSP/OLS夜间灯光数据模拟中国各地市能源消费具有一定的可行性,该数据能够比较可靠地反映能源消费的时空动态;1995-2009 年中国大多数地市的能源消费量较低,中低强度能源消费区土地面积占全国72.66%,高能源消费强度区集中分布在中国东部地区;中国能源消费量存在显著的空间集聚性（历年Moran’s I 指数都大于0.4）,全国地级市能源消费“高-高”聚集和“低-低”聚集现象明显。     

中国城市体系等级结构及其空间格局——基于DMSP/OLS夜间灯光数据的实证

完善的城市体系可以不断优化各个城市的时空资源并强化区域城市的集聚效应,切实推动区域可持续发展与城市综合效益最大化。受惠于城市因素流与城市作用潜力的显著相关关系,节点体系研究可以准确测度城市体系内部各个城市之间的相互作用关系,又避免了功能体系研究所需矢量数据的难以获取与测算庞杂,而DMSP/OLS夜间灯光遥感数据可以综合地定量测度城市地区人类活动的广度与强度。基于夜间灯光指数的引力模型定量测度中国341个城市之间的相互作用关系,并通过二阶段聚类法综合分析其城市体系等级结构与空间格局。中国节点城市被划分为7 大国家节点城市（包括北京、天津、上海、广州、重庆、哈尔滨与沈阳）、26 个区域节点城市与107 个省域节点城市,而中国城市体系则被划分为2 个国家城市体系（北方城市体系与南方城市体系）、8 个区域城市体系（华北城市体系、东北城市体系、西北城市体系、黄河中游城市体系与华东城市体系、华南城市体系、西南城市体系、长江中游城市体系） 与31 个省域城市体系。城市体系的地域范围是相对的、局部的,没有明确的识别界线,不过通过对基于DMSP/OLS夜间灯光数据的中国城市体系等级结构与空间格局与顾朝林实证研究的分析结果进行进一步的综合比对评估,总体而言,基于DMSP/OLS夜间灯光数据对城市体系的等级结构与空间格局进行实证研究是可信的和可行的。     

一种面向城市收缩地区的DMSP/OLS夜间灯光影像多年连续校正方法

现有时间序列夜间灯光影像校正方法只适用于灯光亮度持续增长情况,对于城市收缩地区夜间灯光亮度的校正效果不佳.该文提出一种面向城市收缩地区的DMSP/OLS夜间灯光影像多年连续校正方法(Inter-annual Se-ries Correction for Shrinking Area,ISCSA),包括多传感器相互校正、多传感器年内融合、时间序列可比较校正和连续校正四方面,以东三省1992-2013年34期DMSP/OLS夜间灯光影像进行验证,并分析其与社会经济数据的相关性.结果显示:该方法校正后的夜间灯光影像不仅能反映东三省长时序的城市扩张现象,还能体现短时间的城市收缩现象;校正后的夜间灯光亮度与GDP和人口的相关性相比原始影像数据和传统连续校正方法均有一定提升,能更合理地反映东三省社会经济要素的发展差异.     

京沪高铁站点对周边地区的经济带动效应研究——来自DMSP/OLS和NPP/VIIRS卫星灯光数据的证据

随着中国高铁建设的全面铺开,高铁新城正在成为许多城市发展的“新引擎”。本研究以京沪高铁站点为例,分析沿线高铁站点对周边地区的经济带动效应。由于相关社会经济数据的匮乏,文章应用DMSP/OLS和NPP/VIIRS卫星灯光数据结合距离圈层法对京沪高铁站点的经济效应进行评估。研究结果表明,高铁开通后,中等规模城市所在的高铁站点周边地区受益最大,其次是大城市高铁站点的周边地区,而居于小城市的高铁站点对周边地区的带动效果不明显。     

黄河流域能源消费碳排放时空格局演变及影响因素——基于DMSP/OLS与NPP/VIIRS夜间灯光数据

科学估算并动态监测长时间序列区域能源消费碳排放发展态势,是制定、实施及评估地区碳减排策略的科学依据和基础保障。基于构建的长时间序列可相互比较的DMSP/OLS与NPP/VIIRS两种夜间灯光数据集,本文模拟了2000—2018年黄河流域能源消费碳排放的时空变化特征,并从流域地理分异的角度对其影响因素进行解析。结果表明：① 2000—2018年黄河流域能源消费碳排放呈现总量不断上升但增长速率下降的态势,整体表现出收敛趋势,但还未达到碳峰值;流域内部碳排放总量呈中游>下游>上游的地理分异特征。② 以黄河干流及主要支流为串联的核心城市形成了若干规模不一的高密度碳排放中心。③ 黄河流域碳排放呈显著的正的全局空间自相关,并形成了以晋陕蒙资源型城市为依托的中上游碳排放高-高集聚,以及上游甘青宁地区为主的碳排放低-低集聚。④ 经济发展水平对碳排放空间分异的影响力始终最强,其次为城镇化水平与人口规模,“GDP+”能源结构、能源强度与产业结构所主导的交互作用是导致碳排放持续增长的主要推动力。从构建流域生命共同体的视角出发,结合黄河流域自然环境特点与经济社会特征,并统筹上下游、左右岸、干支流之间的关系,分区施策与分时施策并行,对实现以碳减排为目标的黄河流域生态保护与可持续发展意义重大。     

基于夜间灯光数据的中国人口密度模拟

人口密度网格化比人口密度行政单元化更接近人口的实际分布,而且是实现人口数据与其他社会经济统计数据、资源数据、环境数据复合,提高人口、资源、环境综合管理能力的重要途径之一。选用专门针对亚洲地区开发的DMSP/OLS非辐射定标夜间灯光平均强度遥感数据模拟了中国的人口密度：基于灯光强度信息模拟了灯光区内部的人口密度,基于人口-距离衰减规律和电场叠加理论模拟了灯光区外部的人口密度,是应用DMSP/OLS夜间灯光数据模拟人口密度研究的拓展和深入,研究结果与其他研究基本一致,但所需数据量较少,更适合于大尺度人口密度的快速估算,为决策提供参考依据。结果表明,DMSP/OLS夜间灯光强度数据具有实现人口以及其他社会经济数据空间网格化的巨大潜力。     

20世纪90年代中国城市时空变化特征——基于灯光指数CNLI方法的探讨

用DMSP/OLS夜间平均灯光强度图像在区域上的扩展特征和聚集特征构建了一反映区域城市化综合水平的灯光指数CNLI (compounded night light index) , 并分别在省级和县级尺度上对CNLI与基于统计数据的城市化水平指数做了相关分析,结果表明CNLI与基于统计数据的城市化水平复合指数显著相关,最后用CNLI分析了中国省际城市化水平的时空特征。CNLI为客观、实时监测城市化水平的空间格局及其发展变化提供了新的指标和方法。     

1995-2008 年中国大陆电力消费量时空动态

电力消费量是定量衡量电力消费状况的一个基本指标。及时、准确地获取电力消费量的时空动态信息,对于合理配置中国电力资源具有重要的理论和现实意义。利用DMSP/OLS 稳定夜间灯光时间序列数据,在县级尺度上模拟重建了中国大陆1995-2008 年电力消费的空间格局,揭示了中国大陆同期电力消费量的时空动态过程。结果表明：① 利用DMSP/OLS数据能够比较可靠地反映中国大陆1995-2008 年电力消费量的时空动态,精度达到70%左右,具有一定的可行性。② 中国大陆1995-2008 年电力消费量以中低消费级别为主,但空间分布差异明显,占全国总面积10.69%的京津唐、沪宁杭、珠三角、山东半岛、辽中南地区、四川盆地等六大城市群地区是中国电力消费最为集中的区域,共消耗了中国39.23%的电力资源。③ 中国大陆1995-2008 年电力消费量表现出比较明显的增长趋势,电力消费量呈明显增长趋势的区域面积占全国总面积的64.00%。     

基于夜间灯光数据的中国城市用地扩展类型

针对目前在城市用地空间扩展类型的划分与识别方面存在的问题,首次提出了基于夜间灯光图像像元灯光强度的时间变化特征对城市用地空间扩展类型进行分类/识别的方法, 并应用该方法将中国1992~1998年间的城市用地空间扩展类型分成了3级7大类,进而对这些扩展类型的区域结构、空间分布和开发强度进行了分析,揭示了1992~1998年间中国城市用地空间扩展的一些主要特征。提出以像元为分析对象、并采用多级分类的方法,不仅实现了大尺度上城市用地空间扩展类型的快速识别,而且还在保证分类结果与其他相关研究结果衔接一致的前提下,提供了更为详细且符合实际的城市用地空间扩展信息。     

基于夜间灯光数据的环渤海地区城市化过程

利用1992年、1996年和1998年的三期DMSP/OLS夜间灯光数据,提取了区域尺度的环渤海地区20世纪90年代的城市群空间信息,建立了城市群地区面状、线状和点状城市化空间模式,分析了环渤海城市群地区20世纪90年代的城市化过程。基本结论如下:①20世纪90年代环渤海城市群地区城市斑块数量增长较快,城市化过程明显,但小斑块所占比重较大,城市斑块破碎度增加。同时,区域内城市重心基本维持在经度117.93o和纬度38.49o附近,整体上表现出向西北方向移动的趋势。②20世纪90年代环渤海城市群地区城市化过程基本上可以从空间上概括为在中心城市和大城市周围的面状城市化过程、沿交通干线周围的线状城市化过程和广大区域内以新兴小城市或小城镇出现为特征的点状城市化过程三种基本过程。其中,面状城市化过程一直居于优势地位,但面状城市化过程的基本有效范围主要局限在面状城市斑块周围3￣4km范围。线状城市化过程和点状城市过程所占的比例相对较小,但表现出明显的增强趋势,在区域内的影响范围正逐渐扩大。     

基于夜间灯光数据的环渤海地区城市化空间模式和过程研究

1 Introduction Urban agglomeration is a system of cities, supporting by the modern transportation and information network in the system, these cities, with different characteristics, types, sizes and hierarchies, interact with each other, and one or two …     

The urbanization process of Bohai Rim in the 1990s by using DMSP/OLS data

This paper firstly derived urban information from Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System (DMSP/OLS) data in 1992, 1996 and 1998 with the support of statistical data, and then developed three basic urban models of polygon-urbanization, line-urbanization and point-urbanization in urban agglomerations from viewpoint of spatial analysis. The conclusions are as follows: (1) Urban patch numbers in the Bohai Rim increased from 1659 to 2053 with an annual average increase number of about 66. Meanwhile, the small urban patches accounted for a larger proportion in the region and the patch density increased fast. In addition, the urban barycenter of the region showed a moving trend toward northwest from 1992 to 1998. Urbanization in the Bohai Rim in the 1990s is fast and obvious. (2) Urbanization in the Bohai Rim can be reflected by three basic processes, i.e., the polygon-urbanization around the big cities, the line-urbanization around the transportation lines and the point-urbanization emerging in large areas. Of them, the polygon-urbanization has been in dominance. It is obviously within an effective range of 3-4 km surrounding the urban patches. The line-urbanization and point-urbanization in the region was relatively small, both of which showed an obvious increasing trend.     

The desaturation method of DMSP/OLS nighttime light data based on vector data: taking the rapidly urbanized China as an example

The saturation of night light data caused by sensor defects conceals the differences and details of light luminance in the urban area, which greatly limits the application of Nighttime Light (NTL) in the study of urbanization. Although some methods have been proposed to mitigate the saturation of NTL data, the research of desaturation is worth further advancing due to its shortcomings in highlighting light differences and spatial resolution. Therefore, we propose a new spectral index, the Vector Data Adjusted NTL Index (VDANTLI) after analyzing the influence of different auxiliary parameters on saturation elimination. Then, we select the three most developed urban agglomerations in China and make a series of qualitative and quantitative analysis. The results of various assessments confirm that VDANTLI can effectively alleviate NTL saturation and enhance urban lighting differences. Moreover, by dynamically adjusting the length of the grid and single-phase vector data modified time-series NTL data, we further achieve the resolution-series and time-series VDANTLI. Therefore, compared with previous desaturation models, the VDANTLI can be used as an effective indicator and even an indispensable basic data for urbanization research and socio-economic spatial analysis because of its unique advantages in spatial resolution and the capability in time-series native NTL desaturation.