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基于多源夜间灯光遥感影像的多尺度城市空间形态结构分析

陈佐旗

  城市作为人类活动的主要集聚地,城市的出现和发展受到了人类活动、自然环境以及社会经济活动的影响,同时其发展和扩张也同样影响着自然环境以及人类活动的模式。因此,对于城市的研究,尤其对城市空间结构的研究,是一个与人类切身利益相关且极具意义的研究方向。随着地理信息系统与遥感技术的日益发展,尤其是夜间灯光遥感影像的出现,相关技术被多次用于城市空间形态的研究,但仍存在一定不足,值得做进一步研究。首先,获取长时间序列的城市建成区范围是研究城市空间结构的基础。但目前已有的城市建成区数据在时间上不连续,且不同产品数据所认定的 城市区域 存在差异,导致不同数据间的不可比。其次,在城市空间结构识别的研究中,多是使用统计调查数据进行城市中心的识别工作,鲜有基于遥感技术识别城市中心以及城市中心间相互关系的研究。最后,传统城市居住空间结构大多以住房价格作为主要指标,但住房价格并不能真实反映该住房的使用情况。因此有研究对此提出了质疑,认为住房价格并不一定适于研究城市居住空间结构。城市住房空置率已被证明与住房价格呈负相关的关系,且能够反映住房的真实入住情况,故认为其可被用于城市居住空间结构的研究。但受限于当前仅有少数国家或地区统计或公布了住房空置率信息,且其统计尺度相对较大,不利于研究其空间分布模式。通过分析和归纳国内外已有的研究情况,提出了基于夜间灯光遥感影像的多空间尺度城市空间形态结构识别与分析方法,内容涵盖了长时间序列的全球城市建成区提取、城市空间结构识别以及城市居住空间结构探究。本文的主要研究内容和成果如下:(1)本文将 城市区域 定义为基于土地利用的城市建成区,并提出了基于DMSP-OLS(Defense Meteorological Satellite Program-Operational Linescan System)稳定夜间灯光数据以及 MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)标准产品数据的区域生长支持向量机-双向马尔科夫随机场模型,提取了 2000年至2012年全球城市建成区范围。首先,详细介绍了利用区域生长支持向量机提取初始全球城市建成区范围的过程,随后利用双向马尔科夫随机场模型,融合了遥感影像的空间邻域及时间邻域信息,对初始城市建成区提取结果进行逐步优化和校正。通过与已有全球土地覆盖产品数据,证实了当前人类活动范围不仅仅局限于不透水层,已渗透至部分非不透水层区域(例如城市森林等)。通过与2000年、2005年以及2010年Landsat7ETM+多波段遥感影像进行精度验证,本研究提取的城市建成区范围总体精度和Kappa系数均处于较高水平,三个时相的总体精度(Kappa 系数)分别为 86.75%(Kappa:0.72)、87.93%(Kappa:0.75)以及88.39%(Kappa:0.77)。结果表明,基于区域生长支持向量机-双向马尔科夫随机场(RSVM-BMRF)模型能够有效地实现大空间尺度下的长时间城市建成区提取,且在时间序列上具有更稳定的表现。(2)本研究将夜间灯光数据视为反映人类活动聚集程度的连续场,并将地理要素与城市要素进行类比,包括将城市中心识别转化为在夜间灯光数据中寻找 山峰 的过程以及将地形学中的 坡度 应用至夜间灯光数据以表征人类活动的变化情况,最终利用局部等值线树算法提取多株等值线树来反映研究区内夜间灯光亮度的变化情况,实现对城市空间结构的探究。本研究以中国上海为研究区,利用NPP-VIIRS(Suomi National Polar-Orbiting Partnership-Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)夜间灯光数据成功识别出了 33个城市中心的位置、空间范围以及层级关系。通过量化城市中心的形态指标与夜间灯光指标,有效地分析了上海市各个城市中心的发展情况及多中心程度。基于等值线树的层级结构,使得本研究能够获取到城市中心的层级关系,以满足不同空间尺度下研究城市空间结构的需求。通过将地形学理论与城市地理学相结合,为今后研究城市空间结构提供了一种新的思路。(3)本研究提出了一种基于NPP-VIIRS夜间灯光数据以及美国土地覆盖数据估算城市住房空置率的模型以探究城市居住空间结构的思路。在剔除了非住宅要素的灯光亮度影响以及削减了夜间灯光像元内不透水层比例不一致所带来的灯光亮度差异影响的基础上,结合统计模型,估算了研究区内住房满置情况下的夜间灯光亮度值,最终实现住房空置率的估算以及城市居住空间结构的分析。受限于统计数据的获取,本研究仅以美国都会区为例。通过将住房空置率估算结果与统计调查数据进行对比,证明了该模型是可靠有效的(皮尔森相关系数为0.856,决定系数为0.734以及均方根误差为17.72%),可被用于填补其他国家或地区,或是在精细尺度上统计数据的空白。通过分析城市住房空置率分布模式,得出结论,美国总体居住区规划相对合理,尤其是在城市发展水平相对较高的区域。此外,自然要素(如山脉、海湾等)亦会对城市居住空间结构产生影响。……   
[关键词]:DMSP-OLS;NPP-VIIRS;全球城市建成区提取;支持向量机;马尔科夫随机场;城市空间结构;局部等值线树;城市居住空间结构
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华东师范大学2017年