基于DMSP/OLS夜间灯光数据的广东省近20年城镇用地扩张研究

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本文通过DMSP/OLS夜间灯光数据影像对中国广东省城镇区域信息进行提取,并对广东省近20年的城镇用地扩张状况进行研究。  城市化是社会经济发展变化的过程,体现为农业人口不断转化为非农业人口的过程,是城市用地不断向郊区延展、城市社会经济技术革新进入乡村的过程。近20年来广东省城市化进程速度加快,但同时也面临着城市用地扩张失控的局面,演变成为城市化无序扩张,衍生出诸如城市热岛效应等的环境问题。通过遥感影像提取的城市区域信息可以综合反映城市化进程速度、城市用地扩张模式及对未来的城市发展方向进行规划,对于从总体上把握城市发展过程,贯彻城市的可持续性发展具有重要意义。美国空军国防气象卫星计划(DefenseMeteorological Satellite Program,简称DMSP)搭载的传感器(OperationalLine-scan System,简称OLS)采集的夜间灯光数据影像产品作为新型的研究数据源,在城市用地扩张及城市化等方面的研究具有重要地位。  本文以我国广东省为研究区,选取适合亚洲地区的非辐射定标夜间平均灯光强度数据,制定出“研究城镇信息在夜间灯光数据上的形态-分析各代卫星数据差异性并相互校正夜间灯光数据-解译广东省城镇用地信息在夜间灯光数据上的空间形态特征,并与通过Landsat8 OLI_TRIS数据提取的效果图进行优缺点对比-选择SVM区域生长法提取广东省城镇用地形态与轮廓信息-分析广东省长时间序列城镇用地扩张变化形态”的研究路线,对广东省1994-2013年城市用地扩张进行了研究。论文的主要研究内容和结论如下:  (1)分析夜间灯光数据在遥感影像上的表征,探讨了通过夜间灯光数据表达的城镇形态与轮廓信息特征。一般情况下,原始影像上城镇形态与轮廓信息呈块状、条带状及片状分布,但与真实的城镇区域相比,会存在“溢出”现象。通过夜间灯光数据亮度值进行高低不一的调整,影像可以实现对城镇轮廓、形态及结构信息的表达。但由于夜间灯光数据对于城镇与城镇之间的道路网信息并不敏感,所以影像上的道路信息即使会隐约呈现出条带状分布,但由于其像元亮度值过小,容易与城镇周边的干扰溢出像元混淆,所以难以正确且清晰地表达。  (2)对1994-2013年夜间灯光数据进行相互校正。由于原始下载的DMSP/OLS数据未对云量、火光等信息干扰进行星上校正,所以不同年份间的原始影像数据不能相互比较参考。本文基于现今已有的研究方法,通过模拟公式,对1994-2013年的非辐射定标夜间平均灯光强度数据的进行相互校正的参数设定,进而对近20年的夜间灯光数据进行了相互校正。  (3)基于前人对于DMSP/OLS夜间灯光数据提取城市用地信息的方法对比研究,选取基于SVM区域生长法的分区分类法用于广东省近20年城市形态与轮廓信息的提取。由于广东省省内各城市区域的经济发展程度不一导致对于夜间灯光数据提取的城市信息产生偏差及影响,故应将研究区按经济发展的程度不一分为四大区,分别为:珠三角地区、粤东地区、粤西地区及北部山区。在分区分类的模式下,运用基于SVM的区域生长法提取城市信息,既能保证较优的提取面积精度,又能完整地提取整个城市空间轮廓形态信息。  (4)分析了近20年广东省的城市格局变化的扩张模式。首先描述了广东省城镇空间结构的历史演变及近20年来广东省行政区划的演变;从总体来看,广东省近20年的城市用地面积呈指数型增长;广东省城镇形态扩展呈现“先缓慢升高-后缓慢降低-再迅速升高”的强度趋势,并形成集聚形态或存在集聚趋势。  本文针对广东近20年的城市发展特点,制定了一条运用DMSP/OLS夜间灯光数据提取城市用地信息及对用地扩张趋势进行研究的技术路线。对城市用地在夜间灯光数据影像上的表征进行了探讨和研究,证明了夜间灯光数据在提取城市形态轮廓与用地信息方面的广阔应用前景及能力。本文在分区分类的模式下,运用基于SVM区域生长法提取城市信息,保证了提取结果的空间形态和面积精度的较好稳定性;在城市信息提取结果的基础上,对近20年广东省城市空间扩张格局进行了重建分析,具有实际应用价值。
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