燕 群, 薛林福, 王?？? 冉祥金, 丁 可

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)春 130062)

0 引 言

城市建設(shè)用地的擴(kuò)張狀況是評(píng)價(jià)和分析城市化進(jìn)程的重要因素, 建設(shè)用地在數(shù)量、 結(jié)構(gòu)以及空間格局上的變化直接影響城市發(fā)展的模式和速度[1-2]。DMSP/OLS(Defence Meteorological Satelite Program/Oprational Linescan System)夜間燈光數(shù)據(jù)作為一種新的數(shù)據(jù)源, 為研究大時(shí)空尺度的城鎮(zhèn)擴(kuò)張?zhí)峁┝艘环N新的數(shù)據(jù)獲取手段, 其不僅可以直接反映城市化進(jìn)程, 也可以評(píng)估城市化過程中導(dǎo)致的生態(tài)和環(huán)境問題[3],以及人口密度[4]和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等,成為人類活動(dòng)良好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源[5-7]。該數(shù)據(jù)與常用的遙感數(shù)據(jù)相比, 有如下優(yōu)勢(shì): 1) 數(shù)據(jù)量非常小, 并且下載十分方便, 不需要進(jìn)行分幅拼接處理[8]; 2) 綜合性強(qiáng), 反映了人類活動(dòng)包括交通、 人口以及土地利用等相關(guān)信息。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者利用夜間燈光數(shù)據(jù)在研究城市建成區(qū)提取方面普遍采用經(jīng)驗(yàn)閾值法[9]、 突變檢測(cè)法[10]、 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法[11]和較高分辨率影像數(shù)據(jù)空間比較法[12]。21世紀(jì)以來, 城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張大致分為兩個(gè)方向： 1) 城市空間形態(tài)定量測(cè)度; 2) 城市空間擴(kuò)張邊界劃分。我國的城市空間擴(kuò)張對(duì)西部省份相較中東部的城市密集區(qū)市或單一的城市要少[13], 而且多采用中等分辨率的影像作為數(shù)據(jù)源, 但由于該類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大, 計(jì)算繁瑣, 難以簡(jiǎn)便地獲取城市擴(kuò)張數(shù)據(jù), 故夜間燈光數(shù)據(jù)在研究大范圍區(qū)域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方面具有良好的實(shí)時(shí)性和有效性[14], 便于城鎮(zhèn)信息的提取以及城鎮(zhèn)時(shí)空演變規(guī)律的研究?；诖? 筆者以DMSP/OLS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源, 利用燈光指數(shù)的變化對(duì)太原市1992～2012年的城市擴(kuò)張動(dòng)態(tài)變化展開研究。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 太原市概況

筆者研究范圍為太原市市區(qū)。太原市為盆地地形, 其地勢(shì)北邊高南邊低, 中南部為平原, 東西兩邊群山環(huán)繞呈現(xiàn)往北邊合攏環(huán)抱的走勢(shì), 黃河第二大支流汾河由南向北貫穿全市。太原市區(qū)地理坐標(biāo)為北緯37°～38°, 東經(jīng)111°～112°, 市區(qū)面積1 460 km2, 包含6個(gè)市轄區(qū), 分別為迎澤區(qū)、 小店區(qū)、 杏花嶺區(qū)、 尖草坪區(qū)、 萬柏林區(qū)和晉源區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1) 夜光數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于美國國家大氣管理局(NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration)網(wǎng)站提供的DMSP/OLS夜間平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù), 筆者選用F101992, F152002, F182012這3期平均燈光數(shù)據(jù), 它的灰度(DN: Digital Number )值范圍為0～63, 影像分辨率大約為1 km。DMSP/OLS傳感器有可見光通道和熱紅外通道兩個(gè)通道,可以捕捉到無云情況下夜間微弱的燈光, 所以為研究大范圍城鎮(zhèn)用地變化提供了良好的數(shù)據(jù)的手段。

2) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。使用太原市建成區(qū)用地面積、 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 山西省行政邊界shpefile文件、 中國詳細(xì)shapefile文件。 其中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

選取1992年、 2002年、 2012年的DMSP/OLS穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)。首先將這3期夜光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為地理經(jīng)緯度坐標(biāo)UTM/WGS84基準(zhǔn)面49度帶并且重采樣為1 km, 然后利用太原市行政邊界進(jìn)行裁剪, 得到太原市這3期的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)。

a 1992年 b 2002年 c 2012年圖1 太原市燈光數(shù)據(jù)Fig.1 The night light images in Taiyuan province

分別對(duì)各年份數(shù)據(jù)設(shè)定不同的閾值, 具體流程如圖2所示。然后將提取的太原市建成區(qū)利用ArcGIS 10.2重分類, 提取太原市不同年份的城市用地, 同時(shí)對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的城市建成區(qū)用地面積數(shù)據(jù), 不斷修正閾值直到與官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接近為止。

圖2 確定燈光閾值流程圖Fig.2 The flow chart of the threshold value

圖2中DT為夜間燈光數(shù)據(jù)的閾值,S(DT)為大于閾值的燈光圖斑面積, ΔS(DT)為提取數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的面積差值的絕對(duì)值,Dmax為最大閾值,Dmin為最小閾值。

2.2 燈光強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)

1) 區(qū)域燈光指數(shù)

(1)

2) 區(qū)域平均夜間燈光指數(shù)

(2)

其中TTNLI表示區(qū)域亮度值變化指數(shù)(NLI: Night Light Index),Di為每個(gè)柵格單元的像元輻射值,n為區(qū)域內(nèi)柵格數(shù)。

2.3 時(shí)空尺度變化

1) 擴(kuò)張速度。單位時(shí)間內(nèi)城市擴(kuò)張面積與基期城市用地面積的比值, 表示城市用地的年增長(zhǎng)速度, 可以反映城市用地面積擴(kuò)張速度的快慢。計(jì)算公式為

(3)

其中W為當(dāng)前年份擴(kuò)張速度,A為基期城市用地總面積, ΔA為城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張面積, ΔT為時(shí)間間隔。

2) 擴(kuò)張強(qiáng)度。擴(kuò)張強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)城市用地?cái)U(kuò)張面積與土地總面積的比值, 反映城市用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)弱, 計(jì)算公式為

(4)

其中I為城市擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù),TA為土地總面積。

3) 擴(kuò)張形態(tài)指數(shù)。擴(kuò)張形態(tài)指數(shù)指一定時(shí)期內(nèi)城市用地面積的年增長(zhǎng)率與上一個(gè)時(shí)期年增長(zhǎng)率的比值, 計(jì)算公式為

(5)

其中Wt1-t2表示t1～t2時(shí)期內(nèi)的擴(kuò)張速度,Wt0-t1表示t0～t1時(shí)期內(nèi)的擴(kuò)張速度。當(dāng)U>1時(shí), 為加速型擴(kuò)張模式； 當(dāng)0

4) 擴(kuò)張幅度。擴(kuò)張幅度是指末期與基期面積之差與基期面積的比值, 反映了城市擴(kuò)張幅度的大小, 計(jì)算公式為

(6)

4) 其中UUEI表示城市用地?cái)U(kuò)張指數(shù),UAt為末期,UAo為基期。

3 結(jié)果與分析

3.1 太原市用地提取結(jié)果及精度評(píng)價(jià)

3.1.1 定性分析

相比山西省各市縣的燈光指數(shù), 太原市區(qū)燈光亮度值相對(duì)較亮。從年際變化看, 太原市的燈光亮度值趨于平穩(wěn), 最高亮度范圍不斷向外蔓延, 其主要表現(xiàn)形式為城市中心燈光的亮度值最大, 外圍區(qū)域亮度值逐級(jí)緩減, 即以太原市主城區(qū)為中心向外呈面狀擴(kuò)張的形態(tài)。由圖3可以看出, 灰度值大于40的區(qū)域不斷地向外延伸, 則表明太原市城市建城區(qū)面積不斷地增加, 結(jié)合3期的燈光分級(jí)圖可以明確看出, 1992～2002年太原市城區(qū)主要向西、 西南方向擴(kuò)張； 2002～2012年太原市城區(qū)擴(kuò)張較為明顯, 主要呈向南, 東南方向擴(kuò)張的勢(shì)態(tài)。

a 1992年 b 2002年 c 2012年圖3 太原市燈光分級(jí)圖Fig.3 Light grade of Taiyuan

3.1.2 定量分析

1992年、 2002年、 2012年3期DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取的太原市建成區(qū)結(jié)果顯示(見表1), 1992～2012年間建成區(qū)用地面積增長(zhǎng)不明顯, 但其燈光亮度值變化范圍較大, 建成區(qū)灰度值由44～60變化。2002～2012年間建成區(qū)用地面積增長(zhǎng)幅度非常大, 2012年的建成區(qū)面積幾乎為2002年的兩倍, 建成區(qū)灰度值較上一時(shí)期變化微弱, 為57～63。

表1 提取結(jié)果

3.2 太原市用地?cái)U(kuò)張時(shí)空特征

分別將1992年、 2002年、 2012年3期的太原市城市建成區(qū)數(shù)據(jù)疊加, 結(jié)合表2分析各年份太原市城市用地的變化情況發(fā)現(xiàn), 2002～2012年城市用地?cái)U(kuò)張速度異常明顯, 呈現(xiàn)大幅度擴(kuò)張的現(xiàn)象, 擴(kuò)張幅度超過了100%, 擴(kuò)張強(qiáng)度超過1%, 形態(tài)指數(shù)為7.41, 呈現(xiàn)向西南和正南方加速性擴(kuò)張模式。

表2 1992～2012年城鎮(zhèn)擴(kuò)張情況

3.3 太原市城市擴(kuò)張類型

由于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)反映不同區(qū)域的燈光亮度值, 而且不同的燈光亮度值代表了不同的像元值, 所以不同時(shí)空跨度的燈光亮度值變化反映了不同時(shí)空城市擴(kuò)張的變化情況?；咀兓?guī)律表現(xiàn)為當(dāng)提取閾值隨時(shí)間變化不斷增加時(shí), 為填充增強(qiáng)主導(dǎo)擴(kuò)張類型; 當(dāng)提取閾值隨時(shí)間變化不斷減少或變化幅度較小時(shí), 為外延主導(dǎo)擴(kuò)張類型。

根據(jù)太原市閾值提取結(jié)果(見表3), 可以明顯看出, 1992～2002年太原市的城市用地提取閾值由44上升為57, 為填充增強(qiáng)主導(dǎo)擴(kuò)張類型； 2002～2012年間閾值幾乎穩(wěn)定不變, 為外延主導(dǎo)擴(kuò)張類型。從太原市燈光強(qiáng)度變化指數(shù)看(見表3), 1992～2002年建成區(qū)亮度值范圍較大, 說明太原市建成區(qū)周邊的建設(shè)用地逐漸被有效利用。也側(cè)面反映出太原中心區(qū)對(duì)周邊的輻射影響越來越大, 這一時(shí)間段內(nèi)太原市城鎮(zhèn)化水平不斷提高, 城市現(xiàn)代化水平不斷提高, 綜合發(fā)展強(qiáng)度大, 城市的活力不斷增強(qiáng)。

表3 燈光強(qiáng)度變化指數(shù)

3.4 燈光數(shù)據(jù)反映城市重心遷移

筆者采用加權(quán)重心轉(zhuǎn)移法研究不同年份的太原市擴(kuò)張重心移動(dòng)軌跡。由于城市的建成區(qū)是由不同灰度值的像元構(gòu)成的, 進(jìn)而可以把灰度值作為權(quán)重計(jì)算建成區(qū)區(qū)域重心坐標(biāo), 利用 ArcGIS 10.2計(jì)算城市重心。

在計(jì)算過程中, 把1992年像元灰度值大于44, 2002年像元灰度值大于57, 2017年像元灰度值大于61的值作為權(quán)重參與運(yùn)算, 使計(jì)算范圍縮小至太原市建城區(qū)以內(nèi)。這種算法不需要假設(shè)城市為均質(zhì)城市, 從而得到的城市重心不是單純的幾何中心, 更加形象、 生動(dòng)地反映太原市城市的重心遷移方向。圖4為1992年、 2002年、 2012年太原市建成區(qū)疊加圖。從圖4看出, 1992～2002年太原市城市重心呈現(xiàn)向東南方向遷移； 2002～2012年重心呈現(xiàn)向正南方向遷移。

a 1992年 b 2002年 c 2012年圖4 1992年、 2002年、 2012年太原城市重心Fig.4 Taiyuan city center of gravity

4 結(jié) 語

筆者采用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法提取城市建成區(qū), 采用加權(quán)重心轉(zhuǎn)移法提取城市重心, 且所有實(shí)驗(yàn)誤差絕對(duì)值在10%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明, DMSP/OLS數(shù)據(jù)在研究小范圍大時(shí)間跨度的城市動(dòng)態(tài)變化方面提供了良好的數(shù)據(jù)源, 加權(quán)重心轉(zhuǎn)移法是基于該數(shù)據(jù)提取城市非均質(zhì)重心的有效方法。