学期计划夜间灯光影像数据_PPT

城市数据团 2017 夜间灯光数据数据获取及应用 讲师 小智 城市数据研习社 什么是夜间灯光数据 夜间灯光数据全称DMSP OLS夜间灯光遥感数据 来源于美国国家地球物理数据中心 自1976年9月DMSP卫星 美国国防气象卫星计划 首次搭载OLS传感器后开始获取夜间灯光数据 夜间灯光数据在1992年以前主要是照片 之后才开始有数字产品 该数据是消除了云及火光等偶然噪声影响后对全年可见光和NVIR通道灰度值进行直接平均化处理得到的 数据具有以下特点 数据的灰度值范围1 63 数据空间分辨率为1km 1km 坐标为WGS1984地理坐标 夜间灯光数据的定义 数据下载网站 1992年 2013年数据 https www ngdc noaa gov eog dmsp downloadV4composites html2012年 2017年数据 https ngdc noaa gov eog viirs download dnb composites html2010年 2017年数据 https www lightpollutionmap info 2012 2008 2004 2000 1996 1992 1 优点 夜间灯光数据的优缺点 2 缺点 该数据容易获取 可在美国国家地理信息中心网站免费获取 该数据不受光线阴影的影响 对夜间可见度较低的光源较为敏感 可捕捉到城市灯光 火光乃至较为微弱的海上渔船光影 数据质量较高 数据的连续性很强 可以追索到1992年的数据 可以进行纵向对对比 自1992年以来获取夜间灯光数据的卫星有F10 F12 F14 F15 F16 F18 多位学者对中国区1992 2013年夜间灯光数据进行统计分析后 发现不同卫星所得数据间存在明显差异 不能直接进行纵向分析 夜间灯光数据存在一定的灯光溢出效应 探测到的反映人类活动的灯光分布区范围往往要大于实际情况 也就是存在灯光强度比较大的地方周围的区域也会有较高的灯光值 但是实际灯光值可能没有这么高 夜间灯光数据的应用方向 城市建成区空间扩张研究 城镇体系空间格局研究 经济估算人口估算碳排放光污染环境监测 夜间灯光数据的处理 夜间灯光数据处理的必要性 自1992年以来获取灯光数据的卫星有F10 F12 F14 F15 F16 F18六颗 多位学者对中国区多年间灯光数据分析后发现不同卫星所得数据存在明显差异 夜间灯光数据存在一定的灯光溢出现象 由于 灯光溢出 效应的存在 DMSP OLS探测到的灯光分布区范围往往要大于实际情况 由于不同年份夜间灯光数据的采集标准或是采集卫星不同 加之存在灯光溢出效应 导致不同年份的灯光数据不能直接进行对比分析 必须对每一年的数据按统一标准进行处理 才能进行后续应用 具体到城市规划专业关注的城市建成区空间扩展分析方面 利用夜间灯光数据的关键是确定提取城市建成区的灯光阈值 进而对不同年份城市建设用地的范围进行提取 再进行后续分析 夜间灯光数据阈值设定的主要方法 2 突变检测法 此方法由Imhoff提出 他认为在夜间灯光图像中 真实的城市区域应该保持其几何形状的完整性 灯光值越大 此地被探测到的频率越高 属于城市区域的概率也就越大 在逐渐增大分割阈值的过程中 代表城市建成区的多边形斑块沿着边缘逐渐缩小 当分割阈值达到某一个点时 多边形斑块区域不再沿着边缘缩小 而是从内部破碎 分裂为很多的较小的多边形斑块 代表着城市建成区的多边形周长会突然增加 这个点即为提取该城市建成区的阈值点 缺点 此方法忽略了城市发展过程中不同区域间的差异性 并不能作为阈值设定的通用标准 经验阈值法是由研究者依据夜间灯光数据特征和前人所做的研究 结合实际经验 人为给定一个阈值 将超过阈值的像素当作建成区像素 缺点 经验阈值法虽操作简单 但存在很大的主观性 提取结果依研究者个人而定 缺乏足够的科学依据 1 经验阈值法 夜间灯光数据阈值设定的主要方法 3 参考比较法 参考比较法是设定一系列灯光阈值 将基于该灯光阈值提取出的城市建成区面积与政府发布的统计数据中建成区面积进行对比 把误差最小时的阈值作为最佳阈值 缺点 参考比较法虽具有一定的科学依据 但由于如果统计数据出错 则对结果有很大影响 4 影像空间比较法 该方法由Henderson提出 利用分辨率较高的LandsatTM影像作为辅助数据实现夜间灯光图像中城市建成区的提取 基本假设为相对于夜间灯光数据1km的空间分辨率 从30m高分辨率的TM影像中提取的城市建成区即是真实的城市区域 可作为提取夜间灯光数据中城市建成区的标准 以获得可用于夜间灯光数据的最佳阈值 缺点 大范围的高分辨影像数据难以获取 使用参考比较法来确定夜间灯光数据阈值 思路 1 找到参考数据 本次采用的是 中国城市统计年鉴 的城市建设用地面积数据 市辖区面积 作为参考数据 2 找到参考数据后 下一步就是在灯光数据中找到合适的灯光值 使 该灯光值值的所有区域的面积约等于区域 中国城市统计年鉴 中的城市建设用地面积 基于夜间灯光数据的城市建成区空间扩张研究 2013年 2005年 2007年 2009年 2011年 2013年 拿到这个数据我们可以研究什么 单个年份的建成区范围建成区的规模建成区的位置建成区的空间格局 2013年 数据特色 有单个年份的建成区面积 又有连续多个年份的数据 三大研究内容城市建成区规模扩张分析城市建成区重心分析城市建成区空间格局分析 多年间的城市建成区范围建成区规模的变化研究建成区位置的变化研究建成区空间格局的变化研究 城市建成区规模扩张分析 基于不同年份的夜间灯光数据 可以提取不同年份的建成区范围 进而可以逐年对建成区的规模扩张进行研究 规模扩张的分析主要包括扩展模式 扩展速度 扩展强度等指标 扩展模式 扩展模式是对城市空间扩展演变过程的类型总结 扩展模式包括轴向扩展 同心圆式扩展 扇形扩展 多核心扩展等 扩展速度 扩展强度 扩张速度指数 USI 是指城市在不同阶段的扩张面积的绝对增量 式中 和 分别为 年和 年的城市面积 以年为单位 由于扩展速度指数无法对城市扩张的程度进行定量化比较 引入城市扩张强度指数 UII 来反映城市扩张的强弱快慢 使得不同时期的城市扩张速度具有可比性 式中 和 分别为 年和 年的城市面积 以年为单位 城市建成区重心分析 城市建成区重心 X Y 定义为区域内所有建成区用地的重心位置 以经纬度计 通过重心位置的变化可以反映建成区空间扩展方向的变化情况 关于城市建成区重心的研究涉及到重心位置 重心偏移距离 重心偏移速度 重心偏移角度四个指标 重心位置 其中 X Y表示城市化区域重心的经纬度坐标 FDNi表示第i个象元的灰度值 xi yi 表示第i个像元的坐标 n为区域内像元总量 重心偏移距离 重心偏移距离 t是指建成区重心在某一研究时期内的移动距离 重心偏移速度 平均偏移速度Vt是指建成区重心在某一研究时期内的平均移动速度 重心偏移角度 偏移角度 t是指建成区重心在某一研究时期内移动的方向与正东的夹角 上述2 3 4公式中 Xt Yt 和 Xt 1 Yt 2 分别是第t t 1年城市化区域的重心坐标 T为时间间隔 重心是研究区域中所有要素的平均x坐标和y坐标 城市建成区空间格局分析 景观生态学起源于20世纪50年代的欧洲 历经20多年的探索 在世界范围内得到迅速发展 作为一门交叉学科 景观生态学的原理被广泛应用于各个领域 城市空间格局的变化是其中较为经典的研究方向之一 景观生态学的主要研究对象是景观格局 景观格局主要指空间格局 包括景观组成单元的类型 数目以及空间分布与配置 反映了大小和形状不一的景观斑块在空间上的排列特征 对于景观格局的研究主要通过景观指数来实现 景观指数是能高度浓缩景观格局信息 反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标 本次对于城市空间格局的研究主要包括斑块规模 斑块形状指数 斑块密度等指标 斑块规模 景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值 反映该类景观要素斑块规模的平均水平 1 斑块平均面积 式中 Ni表示第i类景观要素的斑块总数 Aij表示第i类景观要素第i个斑块的面积 江苏省2004 2013年建成区斑块平均面积统计表 2 最大和最小斑块面积 是指景观中某类景观要素最大和最小斑块的面积 反映该类景观要素斑块规模的极端情况 江苏省2004 2013年建成区斑块最大 最小 面积统计表 是指景观中某类景观要素斑块面积的统计标准差 反映该类景观要素斑块规模的变异程度 3 斑块面积标准差 Si 江苏省2004 2013年建成区斑块标准差统计表 斑块形状指数 通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状的复杂程度 1 以圆为参照 斑块周长与等面积的圆周长之比 2 以正方形为参照 斑块周长与等面积的正方形周长之比 其中 P为斑块周长 A为斑块面积 斑块的形状越复杂或越扁长 D