王曉慧，肖鵬峰，馮學(xué)智，李海星

(1.江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室，南京大學(xué)，南京 210093;2.南京大學(xué)地理信息科學(xué)系，南京 210093)

0 引言

近幾十年來，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的增長，城鎮(zhèn)用地不斷擴張。快速的城市化進程正在不斷地改變著土地利用與覆蓋狀況，并且對區(qū)域乃至全球的生物多樣性、水文系統(tǒng)、生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候都有著深遠的影響［1，2］。在中國改革開放不到30 a 的時間里，中國的城市化得到快速發(fā)展，發(fā)展速度比世界平均水平快2.14%，但同時也出現(xiàn)了城市空間擴展失控的問題［3］。為了實現(xiàn)對城鎮(zhèn)區(qū)域的可持續(xù)管理以及對環(huán)境影響的評估，實時快速地監(jiān)測城鎮(zhèn)空間擴展變得越來越重要［4］。遙感技術(shù)能實現(xiàn)大面積的同步觀測，兼具時效性和經(jīng)濟性，滿足了實時快速獲取城鎮(zhèn)信息并進行空間擴展研究的需求。高、中空間分辨率數(shù)據(jù)(如IKONOS，QuickBird，Landsat TM/ETM+，SPOT/HRV)對地面物體的辨別能力強，但是由于數(shù)據(jù)量大、獲取成本較高且單景影像覆蓋范圍較小，因此多用于單個城市的城鎮(zhèn)用地提?。?］。在區(qū)域尺度或更大的全球尺度上，美國軍事氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program，DMSP)搭載的傳感器(operational linescan system，OLS)獲取的全球夜間燈光數(shù)據(jù)已被證明是監(jiān)測人類活動、進行城市化研究的有效數(shù)據(jù)源［4－11］。

運用DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)用地信息的難點在于閾值的確定。目前利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)進行城鎮(zhèn)用地提取主要有以下4 種方法:①經(jīng)驗閾值法［7］，是研究者根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定一個閾值，并用該閾值提取城鎮(zhèn)用地信息，此方法簡單易行，但主觀性太強，結(jié)果會隨著研究者的不同而不同;②突變檢測法［6］，基于城鎮(zhèn)的邊界應(yīng)為完整多邊形的假設(shè)，以多邊形發(fā)生突變的點作為閾值提取城鎮(zhèn)用地信息，此方法忽略了城鎮(zhèn)發(fā)展的區(qū)域差異性，并非所有的城鎮(zhèn)都只有一個中心城區(qū)［11］;③基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的二分比較法［10］，是以國家發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中城鎮(zhèn)用地面積信息為參考，通過調(diào)整閾值與統(tǒng)計數(shù)據(jù)靠攏，統(tǒng)計數(shù)據(jù)較易獲取，但由于層層上報，存在人為修改的隱患，與直接用遙感影像獲得城鎮(zhèn)用地數(shù)據(jù)有很大的差別［12－14］，并且統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏空間信息，不能直觀地展示城鎮(zhèn)的發(fā)展?fàn)顩r;④較高分辨率數(shù)據(jù)比較法［8］，一般以空間分辨率30 m 的TM/ETM+數(shù)據(jù)提取的城鎮(zhèn)用地信息作為標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)整夜間燈光數(shù)據(jù)的閾值與其不斷逼近，得到提取結(jié)果。較高分辨率數(shù)據(jù)比較法客觀真實，并且能使DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的空間信息得以保留，但對于大尺度的城鎮(zhèn)研究來說，如按照以往的閾值確定方法逐個城市確定閾值，處理效率會過低、數(shù)據(jù)成本過大，因而此方法用于特定城市提取較多。

鑒于此，本文針對較高分辨率比較法逐個城市設(shè)定閾值的不足，為了提高大尺度城鎮(zhèn)提取的效率并反映區(qū)域城鎮(zhèn)的整體狀況，采用分區(qū)的思想提取城鎮(zhèn)用地信息。以中國為研究區(qū)，將其按照經(jīng)濟發(fā)展程度劃分為7 大區(qū)，逐區(qū)分別提取城鎮(zhèn)用地信息，再對1992，1995，2000年的多時相結(jié)果進行真實城鎮(zhèn)像元判定，并評價提取結(jié)果精度。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源

1)DMSP/OLS 非輻射定標(biāo)夜間平均燈光強度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由日本國立環(huán)境研究所和東京大學(xué)借鑒1996—1997年的夜間燈光數(shù)據(jù)輻射標(biāo)定試驗工作的經(jīng)驗，針對亞洲地區(qū)開發(fā)，對不同時相的可見光近紅外通道數(shù)據(jù)進行平均化處理得到，濾除了云、火光等噪聲的影響［9，17］?？臻g分辨率為1 km，DN 值范圍為0～63，時間序列為1992—2010年。本文從1992，1995，2000年3 a 全球DMSP/OLS 影像上獲取中國區(qū)域的數(shù)據(jù)后，將其投影轉(zhuǎn)換為Lambert Conformal Conic(蘭伯特等角圓錐投影)(圖1)。

圖1 DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)中國區(qū)域圖像Fig.1 DMSP/OLS lighttime light image in China

2)Landsat TM/ETM+圖像。選取1992，1995，2000年間時相較一致且質(zhì)量較好的圖像，用于確定DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的閾值，進行精度評價。數(shù)據(jù)來自馬里蘭大學(xué)地球科學(xué)數(shù)據(jù)接口(earth science data interface，ESDI，http://glcfapp.glcf.umd.edu:8080/esdi/index.jsp)以及美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測與科學(xué)中心(USGS global visualization viewer，GloVis，http://glovis.usgs.gov/)。本次研究總共使用了3 a間共60 多景圖像(部分年份無質(zhì)量較好圖像，用相鄰年份的最近月份圖像代替)，已由USGS 進行過幾何精糾正。因此，僅對投影方式進行了轉(zhuǎn)換，投影方式及參數(shù)與DMSP/OLS 數(shù)據(jù)相同。

1.2 研究方法

首先對研究區(qū)進行分區(qū)，在每一區(qū)內(nèi)選取若干個城市作為訓(xùn)練區(qū)，對每個訓(xùn)練區(qū)人機交互提取城鎮(zhèn)用地信息;調(diào)整區(qū)內(nèi)各訓(xùn)練區(qū)的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)閾值，使提取結(jié)果逐步逼近人機交互提取的城鎮(zhèn)用地總量，得到該區(qū)的最佳閾值;再用各區(qū)的最佳閾值對DMSP/OLS 數(shù)據(jù)進行分區(qū)閾值分割，得到各區(qū)提取結(jié)果;最后通過真實城鎮(zhèn)像元判定得到研究區(qū)的城鎮(zhèn)用地信息。具體的技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technical flow chart

1.2.1 研究區(qū)分區(qū)

DMSP/OLS 影像獲取的是夜間燈光強度信息，燈光的強弱與城鎮(zhèn)的發(fā)展程度密切相關(guān)。由于中國的經(jīng)濟發(fā)展程度不均衡，東部地區(qū)明顯高于西部地區(qū)，呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性特征，因此在夜間燈光圖像上表現(xiàn)為東部地區(qū)燈光范圍和亮度大小明顯高于西部地區(qū)，而且在西部地區(qū)內(nèi)部(如西北與西南)也有明顯差異(圖1)。

采用基于分區(qū)的較高分辨率數(shù)據(jù)比較法提取城鎮(zhèn)用地信息，不再逐個城鎮(zhèn)確定燈光數(shù)據(jù)閾值，而將中國按經(jīng)濟發(fā)展程度分區(qū)，以區(qū)為單位進行提取。該方法既保留了較高分辨率數(shù)據(jù)比較法客觀真實的優(yōu)點，又能反映區(qū)域城鎮(zhèn)的整體狀況，并且提高了效率。具體做法是以聚類經(jīng)濟區(qū)為主，以協(xié)作經(jīng)濟區(qū)為補充，對全國進行分區(qū)。聚類經(jīng)濟區(qū)根據(jù)經(jīng)濟總體水平類似性劃分，如長江三角洲及沿江經(jīng)濟區(qū)、中部五省經(jīng)濟區(qū);協(xié)作經(jīng)濟區(qū)是為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展需要、促進區(qū)域經(jīng)濟的共同繁榮，由各省區(qū)組合而形成，如華北協(xié)作區(qū)、華東協(xié)作區(qū)等［15－16］。根據(jù)DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的區(qū)域特性，以省級行政單元為最小組合單元，結(jié)合聚類經(jīng)濟區(qū)和協(xié)作經(jīng)濟區(qū)兩種經(jīng)濟分區(qū)的優(yōu)勢，將全國分為以下7 大區(qū):①東北地區(qū)(遼寧，吉林，黑龍江);②西北地區(qū)(陜西，甘肅，青海，寧夏，新疆);③華北地區(qū)(北京，天津，河北，內(nèi)蒙古，山西);④華東地區(qū)(山東，上海，江蘇，浙江);⑤華中地區(qū)(河南，安徽，江西，湖北，湖南);⑥華南地區(qū)(福建，廣東，廣西，海南，臺灣，香港，澳門);⑦西南地區(qū)(四川，貴州，云南，西藏，重慶)。

1.2.2 分區(qū)閾值確定

在各分區(qū)內(nèi)，選取若干個訓(xùn)練區(qū)，一個訓(xùn)練區(qū)即一個城市，對每個城市通過TM 圖像人機交互提取城鎮(zhèn)用地信息作為參考，并與該訓(xùn)練區(qū)的DMSP/OLS 圖像對比。圖3 所示為2000年西北地區(qū)的2個訓(xùn)練區(qū)閾值確定情況。

圖3 訓(xùn)練區(qū)閾值確定示例Fig.3 Samples of threshold determining in training area

根據(jù)區(qū)內(nèi)各訓(xùn)練區(qū)的最佳閾值確定閾值范圍，在最佳閾值區(qū)間內(nèi)，按照與TM 圖像提取面積的區(qū)內(nèi)總面積誤差率最小原則確定該區(qū)最佳閾值，如表1所示。

表1 西北地區(qū)閾值確定Tab.1 Threshold determining of the northwest region (km2)

由表1 可知，訓(xùn)練區(qū)西寧、咸陽、西安的最佳閾值分別為53，46 和54，確定閾值區(qū)間為46～54。再根據(jù)總面積誤差率最小(1.85%)原則，最終確定西北地區(qū)2000年的最佳閾值為53。

1.2.3 真實城鎮(zhèn)像元判定

確定分區(qū)閾值后，分別對7 大區(qū)進行閾值分割。由于地表現(xiàn)象的復(fù)雜性，雖然本文使用的夜間燈光數(shù)據(jù)已濾除了一些偶然光噪聲，但數(shù)據(jù)中仍存在部分非城鎮(zhèn)像元的光噪聲，會對閾值分割后的結(jié)果產(chǎn)生影響。為濾除光噪聲，需要進行真實城鎮(zhèn)像元判定［18］。真實的城鎮(zhèn)像元在不同時相影像中應(yīng)具有連續(xù)性和擴展性，但是由于3 a 的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)未作校正，進行真實城鎮(zhèn)像元判定時為了避免位置偏差造成的誤判，對于提取的結(jié)果基于如下規(guī)則進行判定:任一像元3 a 中只要有任意2 a 表現(xiàn)為城鎮(zhèn)像元，便判定為城鎮(zhèn)像元，否則為非城鎮(zhèn)像元，如圖4 所示。

圖4 真實城鎮(zhèn)像元判定Fig.4 Judgment of real urban pixels

2 結(jié)果與分析

2.1 定性評價

對各區(qū)閾值提取結(jié)果進行真實城鎮(zhèn)像元判定后，得到研究區(qū)1992，1995，2000年3 a 的城鎮(zhèn)用地信息。按大、中、小3個級別選取城市(北京、西安、拉薩)與最接近年份的Google Earth 高分辨率影像進行嵌套(圖5)，對提取結(jié)果做定性評價。

圖5 DMSP/OLS 提取結(jié)果與Google Earth 對比圖Fig.5 Comparing of the results and Google Earth

圖5 上提取結(jié)果與Google Earth 上高分辨率影像的城鎮(zhèn)區(qū)域較一致。圖5(a)為北京市3 a 提取結(jié)果與2005年Google Earth 高分辨率影像嵌套結(jié)果，從空間上較準(zhǔn)確地反映了真實的城鎮(zhèn)用地信息;圖5(b)(c)分別為西安市、拉薩市3 a 提取結(jié)果的嵌套圖。從圖5 可以看出，1992—1995年城鎮(zhèn)面積有較大增長，而1995—2000年則緩慢增長。

2.2 定量評價

基于TM 數(shù)據(jù)的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)面積提取精度評價結(jié)果見表2。

表2 基于TM 數(shù)據(jù)的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)面積提取精度評價Tab.2 Area accuracy assessment of the proposed method using TM data

續(xù)表

從表2 中可知，1992—2000年8 a 間城鎮(zhèn)用地快速增長，大城市的增長比中小城市更加明顯。雖然各分區(qū)內(nèi)仍然存在大城市過度提取，部分小城市漏提的情況，但從總體面積一致性來看，3 a 均超過95%。

3 結(jié)論

1)本文利用DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)，針對已有研究逐個城市確定閾值的不足，提出了基于分區(qū)的較高分辨率數(shù)據(jù)比較法，將中國區(qū)域按經(jīng)濟發(fā)展程度分為7 大區(qū)，對各區(qū)單獨確定燈光數(shù)據(jù)閾值，提取城鎮(zhèn)用地信息。在每一區(qū)內(nèi)，通過逐步逼近調(diào)整閾值的方式得到分區(qū)最佳閾值，再進行區(qū)域閾值分割，并依據(jù)不同時相燈光數(shù)據(jù)的連續(xù)性對提取結(jié)果進行真實城鎮(zhèn)像元判定，得到1992，1995，2000年這3 a 的城鎮(zhèn)提取結(jié)果。

2)采用分區(qū)的方法提高了提取效率，并且總體精度較高，能較準(zhǔn)確地反映各個區(qū)的整體城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顩r。從結(jié)果可以看出:8 a 間城鎮(zhèn)數(shù)量有明顯的增加，其中1992—1995年增長較快，1995—2000年增長緩慢，3 a 城鎮(zhèn)用地信息提取的總體精度達到95%以上。但在各個區(qū)內(nèi)，仍然存在部分城市位置偏移和小城市漏提的現(xiàn)象，因此今后將進一步開展DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)校正的相關(guān)研究。

［1］Foley J A，DeFries R，Asner G P，et al.Global consequences of land use［J］.Science，2005，309(5734):570－574.

［2］Grimm N B，F(xiàn)aeth S H，Golubiewski N E，et al.Global change and theecology of cities［J］.Science，2008，319(5864):756－760.

［3］方創(chuàng)琳.改革開放30年來中國的城市化與城鎮(zhèn)發(fā)展［J］.經(jīng)濟地理，2009，29(1):19－25.Fang C L.The urbanization and urban development in China after the reform and opening－ up［J］.Economic Geography，2009，29(1):19－25.

［4］Cao X，Chen J，Imura H，et al.A SVM－based method to extract urban areas from DMSP－OLS and SPOT VGT data［J］.Remote Sensing of Environment，2009，113(10):2205－2209.

［5］Croft T A.Night time images of the earth from space［J］.Scientific American，1978，239(1):86－89.

［6］Imhoff M L，Lawrence W T，Stutzer D C，et al.A technique for using composite DMSP/OLS city lights satellite data to map urban area［J］.Remote Sensing of Environment，1997，61(3):361－370.

［7］Milesi C，Elvidge C D，Nemani R R，et al.Assessing the impact of urban land development on net primary productivity in the southeastern United States［J］.Remote Sensing of Environment，2003，86(3):401－410.

［8］Henderson M，Yeh E T，Gong P，et al.Validation of urban boundaries derived from global nighttime satellite imagery［J］.International Journal of Remote Sensing，2003，24(3):595－609.

［9］陳 晉，卓 莉，史培軍，等.基于DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的中國城市化過程研究——反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)的構(gòu)建［J］.遙感學(xué)報，2003，7(3):168－175.Chen J，Zhuo L，Shi P J，et al.The study on urbanization process in China based on DMSP/OLS data:Development of a light index for urbanization level estimation［J］.Journal of Remote Sensing，2003，7(3):168－175.

［10］He C Y，Shi P J，Li J G，et al.Restoring urbanization process in China in the 1990s by using non－ radiance－ calibrated DMSP/OLS nighttime light imagery and statistical data［J］.Chinese Science Bulletin，2006，51(13):1614－1620.

［11］楊 洋，何春陽，趙媛媛，等.利用DMSP/OLS 穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)用地信息的分層閾值法研究［J］.中國圖象圖形報，2011，16(4):666－673.Yang Y，He C Y，Zhao Y Y，et al.Research on the layered threshold method for extracting urban land using the DMSP/OLS stable nighttime light data［J］.Journal of Image and Graphics，2011，16(4):666－673.

［12］Wang L，Gong P，Ying Q，et al.Settlement extraction in the North China Plain using Landsat and Beijing－1 multispectral data with an improved watershed segmentation algorithm［J］.International Journal of Remote Sening，2010，31(6):1411－1426.

［13］Liu J Y，Liu M L，Tian H Q，et al.Spatial and temporal patterns of China’s cropland during 1990－2000:An analysis based on Landsat TM data［J］.Remote Sensing of Environment，2005，98(4):442－456.

［14］王 雷，李叢叢，應(yīng) 清，等.中國1990～2010年城市擴張衛(wèi)星遙感制圖［J］.科學(xué)通報，2012，57(16):1388－1399.Wang L，Li C C，Ying Q，et al.China’s urban expansion from 1990 to 2010 determined with satellite remote sensing［J］.Chinese Science Bulletin，2012，57(16):1388－1399.

［15］胡序威.論中國經(jīng)濟區(qū)的類型與組織［J］.地理學(xué)報，1993，48(3):193－203.Hu X W.On the typology and organization of economic regions in China［J］.Acta Geographica Sinica，1993，48(3):193－203.

［16］陸大壯.中國行政區(qū)、經(jīng)濟區(qū)發(fā)展的回顧與展望［J］.中國人民大學(xué)學(xué)報，1994(6):1－6.Lu D Z.The retrospect and prospect development of the administrative and economic regions in China［J］.Journal of Renmin University of China，1994(6):1－6.

［17］Elvidge C D，Baugh K E，Dietz J B，et al.Radiance calibration of DMSP/OLS low－light imaging data of human settlements［J］.Re-mote Sensing of Environment，1999，68(1):77－88.

［18］卓 莉，李 強，史培軍，等.基于夜間燈光數(shù)據(jù)的中國城市用地擴展類型［J］.地理學(xué)報，2006，61(2):169－178.Zhuo L，Li Q，Shi P J，et al.Identification and characteristics analysis of urban land expansion types in China in the 1990s using DMSP/OLS data［J］.Acta Geographica Sinica，2006，61(2):169－178.