基于夜间灯光数据的城市化研究进展

基于夜间灯光数据的城市化研究进展

2019-09-19

摘要：城市化研究是当今城市发展研究的热点之⼀，受到社会各界的⼴泛关注。及时快速地获取城市化相关信息，⽆论对于城市的发展、城市化问题的研究，还是⼈与⾃然⽣态系统的相互作⽤研究都具有重要意义。⽂章不仅对DMSP/OLS夜间灯光数据的来源及特点进⾏了说明，⽽且对于国内外利⽤DMSP/OLS夜间灯光数据在城市边界提取、城市化进程、城市化模式等⽅⾯的研究进⾏了概述。⽂章还进⼀步指出夜间灯光数据应⽤范围不⼴泛，且主要集中在⼩尺度的城市化研究，中观和宏观尺度的研究相对较少，这也是今后夜间灯光数据⽤于城市化研究的⽅向之⼀。

关键词：夜间灯光数据；城市化；城市边界提取；城市化进程

1引⾔

城市化研究是⼀个涉及经济、⼈⼝、地域空间等诸多⽅⾯的复杂过程，由于各科学领域对城市化概念理解的不⼀，使得各学科对城市化过程进⾏测度的指标和⽅法差异较⼤，故不能全⾯、有效地反映城市化的性质和发展。因此，构建⼀个能够综合、全⾯刻划城市化发展及其特性，并能快速获取且具有较⾼可⽐性的城市化⽔平测度指标已成为迫切需要解决的问题。⽽DMSP/OLS夜间灯光数据为获取城市化信息提供了新的途径。

DMSP/OLS夜间灯光遥感数据来源于美国军事⽓象卫星Defence　Meteorological　Satellite　Program（DMSP）搭载的Operational　Linescan　System（OLS）传感器，它为⼤尺度的城市研究提供了新的数据源。DMSP/OLS传感器于70年代开始应⽤，其最⼤特点是可在夜间⼯作，且数据在夜间获取，不受光线阴影⼲扰，并能探测到城市灯光甚⾄⼩规模居民地、车流等发出的低强度灯光，使之明显区别于⿊暗的乡村背景，⽐较适合⼤尺度上城市化过程的动态监测。⽽DMSP/OLS数据有两点优势：⼀是不依赖于⾼空间分辨率，因影像数据量⾮常⼩，且不到TM数据的1%，故对DMSP/OLS数据进⾏处理时更加简便；⼆是DMSP/OLS夜间灯光影像能反映综合性信息，它涵盖了交通道路、居民地等与⼈⼝、城市等因⼦分布密切相关的信息。因此，使⽤DMSP/OLS夜间灯光数据时⽆需再单独考虑这些因素[1]。

2国外研究进展

2.1城市化的研究内容

2.1.1城市边界提取

1978年，Croft[2]⾸次提出DMSP/OLS影像具有城市建成区提取的潜⼒。但学者们经过早期研究发现：城区提取易受到云层覆盖、短暂性光源等多种因素的限制。⽽在Elvidge等[3]⼈的努⼒下，初步解决了云层覆盖与短暂性光源的问题。Henderson等[4]对DMSP/OLS灯光频率图像和DMSP/OLS辐射定标灯光强度图采⽤不同的阈值，分别提取了旧⾦⼭、北京、拉萨等发展⽔平不同的⼏个城市边界，并以Landsat　TM图像提取的城市边界作为精度评价的标准，说明DMSP/OLS稳定灯光和辐射定标图像均可作为城镇范围和城市化⽔平监测的有效数据源[1]。

Sutton等[5]在对DMSP/OLS夜间灯光数据和⼈⼝分布数据对⽐分析后，提出以40%、80%和90%的阈值，分别提取低收⼊地区、⾼收⼊地区和⼀些特殊地区（如埃及尼罗河地区）的城市建成区[6]。

2.1.2城市化进程研究

Milesi等[7]⾸先利⽤DMSP/OLS1992—1993年、2000年的稳定灯光产品，在参考美国1992年基于LANDSATTM的⼟地覆盖分类图及统计数据的基础上，通过选取全局最优灯光频率阈值，做出了美国东南部地区1992年⼟地覆盖类型图和1992—2000年城市空间扩展图。并分析了该地区1992-2000年因城市扩展造成的植被初级⽣产⼒损失量。

Imhoff等[8]同样在利⽤DMSP/OLS1994—1995年的稳定灯光产品提取美国城市空间分布的基础上，结合⼟地覆盖分类图和NOAA/AVHRRNDVI等数据，采⽤CASA（Carnegie　Stanford　Ames）模型，对⽐分析了城市地区与⾮城市地区NPP的季节性变化规律，以此来定量化研究美国城市化过程对碳循环和粮⾷安全带来的影响。

2.2其他研究

2.2.1⼈⼝密度模拟

1997年，Sutton等[9]以美国⼤陆为基础，将其⼈⼝密度栅格图像与DMSP/OLS数据图像进⾏⽐较，研究了其相关性，并显⽰出DMSP/OLS数据在研究⼈⼝分布领域的未来应⽤前景。Sutton[10]同样以美国为研究区，利⽤DMSP/OLS数据，结合统计数据，建⽴城市⼈⼝密度衰减模型，分析了城市⼈⼝密度与灯光数据的相关性。

2001年，Lo[11]以中国1996年3⽉、1997年1-2⽉的辐射定标夜间灯光强度数据DMSP/OLS为基础数据，利⽤灯光⾯积，灯光体积，像素平均值和灯光密度作为独⽴变量，建⽴⾃动增长模型与线性衰减模型，在省、市、县3个⾏政单元尺度上估算了中国的平均⼈⼝密度。

1995年，Gallo等[12]选取了28个城市，回顾了利⽤其他卫星数据评估城市热岛效应的⽅法，并结合NDVI指数⽐较，利⽤DMSP/OLS数据评价了热岛效应对⽓象记录的影响。

2.2.3电⼒能源消耗量研究

1980年，Welch[13]⾸先考虑根据美国夜间灯光数据图像，建⽴⼈⼝、城市⾯积以及电⼒能消耗量之间的关系模型。同时，选取了美国东部18个城市为样本，建⽴回归模型，在国家或地区尺度上证明了利⽤夜间灯光数据检测电⼒能源消耗量的可⾏性。

1997年，Elvidge　等[14]以美国、巴西等21个国家作为研究区，利⽤DMSP/OLS　数据，分析了区域灯光灰度值与当地⼈⼝数量、GDP、电⼒能源消耗量之间的相关性，并建⽴了log　of　population、log　of　GDP、log　of　GWH3个log-log模型，证明了DMSP/OLS数据在估算⼈⼝数量、GDP、电⼒能源消耗量等⽅⾯具有实际性意义。

2005年，Amaral等[15]选取巴西亚马逊河流域作为研究区，并以Para州为例，证明了1996年DMSP/OLS数据与城市⼈⼝统计数据，1999年电⼒能源消耗量与DMSP/OLS数据，均符合线性相关性。

2009年，Kiran　等[16]利⽤　DMSP/OLS　数据，描述了印度1993-2002年的电⼒消费模式的时空变化特征。即随着印度全州夜间灯光总量⼤幅度上升，其国家⼈⼝和电⼒能源消耗量也⼤幅度增加，表明夜间灯光数据与⼈⼝以及电⼒能源消耗量之间的相关性。

2.2.4城市化对⽣态环境影响研究

2000年，Imhoff等[17]利⽤灯光数据结合NOAA/AVHRR等数据，选取了7个较⼤城市，通过计算某⼀时间段内NDVI累加和代表该时间段内的植被初级⽣产⼒总量，对城市化过程对美国植被初级⽣产⼒带来的影响进⾏了季节性研究，指出美国城市演化造成地表植被初级⽣产⼒总体下降。

3国内研究进展

3.1城市化的研究

3.1.1城市边界提取

何春阳等[18]利⽤1992、1996和1998年的DMSP/OLS数据，计算出适宜的阈值⽤于建成区域的提取。同时利⽤Landsat　TM 数据对提取的城市空间格局特征分析也表明，利⽤　DMSP/OLS　提取的城市格局特征与Landsat　TM提取的基本上是吻合的。即该⽅法重建的中国⼤陆20世纪90年代城市空间过程，为中国⼤陆宏观城市空间格局和变化过程研究提供了⼀定帮助。

曹丽琴等[19]通过转换DMSP/OLS遥感数据，利⽤了1∶5万湖北省边界栅格图提取2000年和2002年湖北省各个县市边界图。并分析了湖北省各县市城镇⼈⼝与夜间灯光数据的线性关系。结果表明利⽤DMSP/OLS数据，对不同级别的县市，采⽤不同的预测模型能有效的估算城镇⼈⼝。

王翠平等[20]应⽤Henderson等提出的经验阈值6%初步从DMSP/OLS数据中提取京津冀、长江三⾓洲和珠江三⾓洲城市群的城市⽤地像元，并以依据经验阈值提取的城市⽤地像元为基础确定了精确的城市⽤地像元和城市群的城市⽤地边界。结果表明基于夜间灯光影像数据提取的城市像元能较好的反映三个城市群的城市⽤地空间扩张进程。

3.1.2城市化进程

陈晋等[21]基于DMSP/OLS⾮辐射定标的夜间灯光平均强度数据构建了⼀个反映区域城市化⽔平的灯光指数，并通过分析发现：灯光指数与城市化⽔平复合指标之间有显著相关性，且能够较好地反映区域的城市化⽔平。

何春阳等[22]利⽤1992年、1996年和1998年的DMSP/OLS数据，提取了环渤海地区20世纪90年代的城市群空间信息，建⽴了城市群地区⾯状、线状和点状三种城市化空间模式，分析了环渤海地区20世纪90年代的城市化过程及城市空间演化过程。并指出DMSP/OLS数据在区域城市化过程研究中具有巨⼤潜⼒。

徐梦洁等[23]利⽤1998、2003和2008年的DMSP/OLS数据和统计数据，分析了灯光数据与城市化进程中经济、⼈⼝和⼟地利⽤等⽅⾯的关联，并确定了市辖区建设⽤地信息提取的阈值，根据各城市在1998-2003和2003-2008年两个阶段阈值的变化，划分城市建设⽤地的主导扩张类型。此外，采⽤平均灯光强度作为城市化⽔平的表征，分析长三⾓城市群的城市化⽔平空间分异。与陈晋[24]提出的加权灯光指数和卓莉的CNLI[25]相⽐，更为简便和直观。

3.2其他研究

3.2.1⼈⼝密度模拟

2005年，卓莉等[24]利⽤针对亚洲地区开发的DMSP/OLS数据和NDVI数据，以灯光强度作为估算因⼦及基于⼈⼝——距离衰减规律和电场叠加理论分别对灯光区内外建模，估算⼈⼝密度。结果显⽰利⽤DMSP/OLS数据，进⾏⼈⼝密度研究，可使⼈⼝分布描述更接近实际，实现⼈⼝、资源、环境和社会经济综合有效管理。