李灝川

（福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011）

城市建成區(qū)是“已經(jīng)成片建設(shè)、市政公用設(shè)施和公共設(shè)施基本具備”的區(qū)域，是城市利用范圍的表征，在城市形態(tài)[1,2]、城市發(fā)展水平[3]、城市發(fā)展驅(qū)動力[4]等研究方向上有重要作用。以夜間燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的城市建成區(qū)提取方法因其更加簡便及提取成果與經(jīng)濟、人口等其他因子關(guān)聯(lián)性更強而深受學(xué)者喜愛。傳統(tǒng)的主要提取方法為閾值法，包括突變檢驗、經(jīng)驗閾值、統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較等，如陳星星[5]依據(jù)相關(guān)研究成果以DN 值8 作為DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取建設(shè)用地的基礎(chǔ)閾值，結(jié)合城鎮(zhèn)建設(shè)用地復(fù)合指數(shù)NUACI 提取武漢市2000 年、2005 年、2010 年3 年的城鎮(zhèn)用地，并以Landsat TM/ETM 數(shù)據(jù)提取的不透水表面進行驗證；毋冰龍等[6]采取提取閾值可變的方式基于“類NPP 數(shù)據(jù)”提取了2000—2019 年北京市建成區(qū)范圍，并以此進行建成區(qū)擴張的動態(tài)分析，以統(tǒng)計年鑒面積為精度驗證數(shù)據(jù)；況旭等[7]以統(tǒng)計年鑒（公報）中建成區(qū)的面積數(shù)據(jù)為參考，基于DMSP/OLS、NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)，確定提取了亮度閾值和粵港澳大灣區(qū)的建成區(qū)邊界等。

但閾值提取方法應(yīng)滿足或近似滿足城市建成區(qū)的亮度值高于非建成區(qū)的前提假設(shè)，在小尺度的研究中不一定成立，如李外賓等[8]在對天津6 個主城區(qū)進行建成區(qū)提取時發(fā)現(xiàn)，燈光溢出對周邊非建設(shè)用地的影響在小尺度研究中較為明顯。精度評價中閾值方法提取建成區(qū)的總體精度為82.5%，但Kappa 系數(shù)僅為0.359；唐鵬飛等[9]在提取不透水面時也發(fā)現(xiàn)，哈爾濱市的不透水面漏分來源于其燈光亮度值低于閾值設(shè)定。為減少閾值提取方法存在的誤差，基于NPP-VIIRS 提取城市建成區(qū)的改良思路，可以在簡便的提取方法基礎(chǔ)上，為更加準(zhǔn)確提取城市建成區(qū)提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域和對象

為保持研究范圍一致性，研究區(qū)域為福建三明三元區(qū)2021 年行政區(qū)調(diào)整后范圍。研究對象為2013—2021 年間研究區(qū)域中城市總體規(guī)劃控制范圍內(nèi)各組團已建成、在建或已推平的城鎮(zhèn)建設(shè)用地，不含城市內(nèi)部現(xiàn)狀連片農(nóng)地及山體、水域等（圖1）。

圖1 研究區(qū)域城市建成區(qū)圖Fig.1 Urban built-up areas in the research area

1.2 研究數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)為2013—2021 年NPP-VIIRS 夜間燈光月度數(shù)據(jù)集、Landsat-8 L1TP 數(shù)據(jù)集等（表1）。其中，NPP-VIIRS 夜間燈光數(shù)據(jù)使用VCM 月度數(shù)據(jù)，以每月福州主城區(qū)最大DN 值為參考極值，采用8鄰域方法[10]平滑異常值后，投影至阿爾伯斯等積圓錐投影并重采樣至30 m，年度數(shù)據(jù)由月度數(shù)據(jù)平均得到。Landsat-8 數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)和大氣校正后，衍生指標(biāo)裁切至研究區(qū)范圍并重投影至阿爾伯斯等積圓錐投影。

表1 研究區(qū)主要使用數(shù)據(jù)及來源Table1 Research datas and sources in the research area

2 研究思路與方法

2.1 研究思路

基于NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)的二分結(jié)果，與植被、水體等非城市建成區(qū)部分共同提取城市建成區(qū)。

采用逐年迭代方式提取研究區(qū)多時相城市建成區(qū)主要技術(shù)流程（圖2）。

圖2 研究區(qū)多時相城市建成區(qū)提取主要技術(shù)流程圖Fig2. Technical flow chart of multi-temporal urban built-up areas extraction in the research area

2.2 建成區(qū)備選區(qū)域的提取

城市建成區(qū)意味著空間上的聚集，由其產(chǎn)生的燈光數(shù)據(jù)存在空間自相關(guān)性，基于該特性的提取方法在識別低亮度但存在空間自相關(guān)的區(qū)域方面應(yīng)有更高的靈敏度，所提取的備選區(qū)域覆蓋更加全面。

基于空間自相關(guān)的常用聚類方法采用Getis-Ord Gi*指數(shù)法，該指數(shù)被用于獲取顯著的空間自相關(guān)區(qū)域，其統(tǒng)計量Gi*由下式得到：

式中：xj為要素j 的屬性值，wi,j是要素i 與要素j 之間的空間權(quán)重，n 為要素總數(shù)，且

2.3 非建成區(qū)部分的排除

研究區(qū)域土地覆蓋類型可以大致分為植被、水體、裸地和建筑物。在城市建成區(qū)提取過程中需要予以排除的包括植被中城市綠化以外的部分、水體、裸地中推平地以外的部分、村莊建設(shè)用地。

NDVI 指標(biāo)以其低密度植被分辨清晰及高密度植被過飽和[11]成為植被排除指標(biāo)的首選。考慮到NDVI 對高反射率廠房反應(yīng)較為敏感，參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)并經(jīng)ROI 提取檢驗，將閾值設(shè)定在0.6。

研究區(qū)的水體主要為穿過建成區(qū)的河流，由徐涵秋[12]提出的MNDWI 在提取城鎮(zhèn)范圍內(nèi)水體精度上相較于傳統(tǒng)NDWI 更高，參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將閾值設(shè)定在0.1。

推平地與其他裸土的顯著差異暫無較明確的研究結(jié)論，同時鑒于主城區(qū)內(nèi)部尚有一定量的老舊房屋，以人工解譯并疊加城市總體規(guī)劃的方式排除裸土中非推平地和村莊建設(shè)用地。

2.4 多時相建成區(qū)的提取

在較短時期內(nèi)，一般已建成或在建的城鎮(zhèn)建設(shè)用地不會減少。因此時序越往后，城市建成區(qū)范圍應(yīng)當(dāng)越大，即在足夠精度下，式（4）在數(shù)量和空間上均成立：

式中：Areat、Areat-1為第t期、第t-1 期建成區(qū)范圍，ΔAreat為第t期新增的建成區(qū)范圍?？紤]到城市建成區(qū)提取過程為減法（排除）過程，迭代方式選擇以2021 年為基期，逐年向前迭代。

3 結(jié)果與分析

3.1 提取結(jié)果

為進行對比分析，以常用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較方法提取對照組，統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源為三明市統(tǒng)計年鑒中建成區(qū)面積。2013—2021 年對照組及改良方法提取結(jié)果（圖3、圖4）。通過對2013—2021 年對照組與改良方法的各年結(jié)果分別取分層隨機樣本5 000個，以人工判讀方式獲取真值構(gòu)建混淆矩陣，精度評定結(jié)果（表2）。

圖4 研究區(qū)改良方法2013—2021 年建成區(qū)提取結(jié)果圖Fig.4 Built-up Extraction results maps from 2013 to 2021 by use improved method in the research area

表2 研究區(qū)對照組與改良方法組精度評定結(jié)果Table 2 Precision assessment results of the control group and modified method group in the research area

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 提取范圍

（1）對照組和改良方法的提取結(jié)果均遺漏了組團2。以2021 年基期數(shù)據(jù)分析，該區(qū)域亮度值為1.726 8 ～3.169 7 nW/cm2/sr，其亮度值高于NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)背景噪音[13]，但遠(yuǎn)低于閾值；分析范圍6 km×6 km 以上時該組團內(nèi)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)顯著的高值聚集，可能與組團內(nèi)亮度聚集較為輕微有關(guān)。

（2）對照組較完整提取了主城區(qū)及其邊緣的組團3，但發(fā)生了較為明顯的漏提和錯提現(xiàn)象，如在所有年份中均未提出組團6 的同時，提取結(jié)果還包含了主城區(qū)周邊山體和穿過主城區(qū)的水體；改良方法除部分推平地外基本為完整提取。對照組提取結(jié)果中，亮度明顯低于閾值是漏提和錯提的主要原因，而改良方法漏提的主要原因是推平地未產(chǎn)生顯著的亮度聚集。

（3）對照組提取結(jié)果在組團4，7 的連續(xù)提取結(jié)果中出現(xiàn)了前后范圍不一致現(xiàn)象，如組團4 在2014—2016 年、2019 年均未提取，但其前后年均存在少量提取區(qū)域；改良方法提取結(jié)果在連續(xù)提取中表現(xiàn)出邏輯一致性，不存在突然出現(xiàn)或突然消失情況。

3.2.2 精度評價結(jié)果

對照組提取結(jié)果的總體精度不低于97%，Kappa 系數(shù)為0.62 ～0.73，改良方法提取結(jié)果的總體精度不低于99%，Kappa 系數(shù)為0.88 ～0.91，改良方法提取結(jié)果的精度及穩(wěn)定性均優(yōu)于對照組提取結(jié)果[14]。

3.2.3 與統(tǒng)計數(shù)據(jù)差異

改良方法提取結(jié)果與統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)的差異量在2013—2021 年間呈遞增趨勢，與周青等[15]結(jié)論相似。以2021 年提取面積與統(tǒng)計年鑒面積之間的差異為基準(zhǔn)，結(jié)合人工解譯結(jié)果，產(chǎn)生差異的主要原因在于：分辨率不足導(dǎo)致多提取，尤其在建成區(qū)的邊緣，因分辨率不足可能將部分非建成區(qū)納入提取結(jié)果；參考范圍較為粗略，在沒有其他外部參考信息的情況下可能將部分不屬建成區(qū)的集體建設(shè)用地如城邊村一并納入提取結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）改良方法通過捕捉夜光數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)特征，較傳統(tǒng)閾值提取方法在識別較低亮度但存在空間自相關(guān)的區(qū)域有更高的靈敏度。

（2）改良方法較傳統(tǒng)閾值提取方法顯著提高了精度和穩(wěn)定性。

（3）改良方法在設(shè)計上保證了多時相提取結(jié)果的邏輯一致性。

（4）改良方法的提取結(jié)果可為小尺度上城市形態(tài)、城市發(fā)展等相關(guān)研究提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，但受夜間燈光數(shù)據(jù)本身影響，無光源區(qū)和低聚集度區(qū)域的漏提問題依然難以避免，結(jié)合更多數(shù)據(jù)進行補充提取將是進一步研究的方向。