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1、基于夜间灯光数据城市化探究进展摘要：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
2、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
3、 Linescan System (OLS)传感器，它 为大尺度的城市研究提供了新的数据源o 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
4、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
5、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 o2. 1.2城市化进程研究Milesi 等7首先利用 DMSP/OLS 19921993 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1992-200
6、0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/OLS 19941995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/0LS数据图像进行比较，研究
7、了其相关 性，并显示出DMSP/0LS数据在研究人口分布领域的未来应 用前景。Sutton10同样以美国为研究区，利用DMSP/0LS 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,Loll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/0LS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。2. 2. 2热岛效应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
8、的方法，并结合NDVI指数 比较，利用DMSP/0LS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，Welch13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、
9、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，Ki ran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
10、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
11、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
12、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
13、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CNLI25相比，更为简便和直观。3.2其他研究3. 2. 1人口
14、密度模拟2005年，卓莉等24利用针对亚洲地区开发的DMSP/0LS 数据和NDVI数据，以灯光强度作为估算因子及基于人口一一 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。3. 2. 2热岛效应2007年，谢志清等26以长江三角洲城市带为研究对 象，利用DMSP/0LS数据提取1992-2003年研究区城市化空 间扩展过程，结合NOAA/AVHRR. M0DLS反演的月地表温度 数据和相关统计资料，定量考察了长江三角洲城市群热岛增 温效应对区域温度
15、气候趋势的贡献。3. 2. 3城市化对生态环境影响研究2007年李景刚等27利用DMSP/0LS数据对环渤海地区 城市化空间过程重建，将植被初级生产力变化作为评价的主 要指标，结合NDVI数据和中国植被类型图数据等数据，根 据累加NDVI和同NPP之间的统计关系，对比分析各土地覆 盖类型城市地区与非城市地区的初级生产力，探索城市化过 程对不同植被类型初级生产力所带来的影响。4评述从学者们的研究成果可以看出，自20世纪70年代以来,国内外学者们已成功将DMSP/OLS数据应用于边界提取和城 市化进程等各方面的研究，并在城市化研究方面取得了良好 效果。并从研究中证明了 DMSP/OLS数据在城市等
16、人口密集 地区的应用具有很强的优越性。但任何数据都有其自身局限性，在现有的研究中可以发 现由于DMSP/OLS数据缺乏灯光以外的信息，对于无灯光地 区，仍需借助其他遥感影像或统计数据等开展研究，从而不 能完整地表现城市化发展。因目前应用灯光影像时主要考虑 灯光的持续性和面积，加入强度因子的并不多见，故极大地 限制了估计精度与应用范围。因此研究者还不能充分利用夜 间灯光强度影像，对灯光强度信息进行深度挖掘。同时，在 利用夜间灯光数据时，学者偏重于研究城市化发展，而在区 域尺度对城市空间发展模式、过程等方面的研究还比较薄 弱，且目前利用遥感技术研究城市化主要集中在小尺度的城 市土地利用分类和空间扩展动态监测等方面，中宏观尺度的参考文献：王丽涛.DMSP/OLS遥感技术与
