卫星遥感技术新应用——从夜间遥感灯光影像看中国城市扩张
2017-03-06 16:37     (点击: )

卫星遥感技术新应用——从夜间遥感灯光影像看中国城市扩张

            2017-02-20 佳格大数据                 GIS圈 GIS圈

                                        来源:佳格大数据

一直保持着高速发展和变迁的中国城市已经在见证与瞩目中走过了近四十个年头,日新月异的变化让人民的生活大踏步地前进着。

到20世纪末,我国的城市化水平已经达到36.2%,进入21世纪,各地城市建设更是活跃,大中型城市迅速发展,国家也加大政策扶持力度,城市群、城市带、大都市圈等相继形成并加速扩张,到2015年中国城市化率为56.1%。

但是近几十年来,中国大陆城市化进程逐渐脱离了正常的循序渐进的发展原则,城市用地空间膨胀失控现象极为严峻,“冒进式”城市化现象和“蔓延式”空间扩张使得建设空间布局结构变得混乱,城市边缘耕地被大规模占用,生态环境受到严重破坏,城镇的健康发展更是受到直接影响。

因此,认识中国城市空间格局的特征,及时准确地监测中国城市扩张进程的重要性进一步凸显。

遥感技术可以实现大面积的同步观测,兼具时效性及经济性,对于获取城镇信息,进行空间扩张研究提供了极为有效的手段,在此方面的研究也一直成为热点。

在城市研究中,遥感技术大规模应用,我们通常采用的较小尺度的中高空间分辨率影像数据(如Landsat TM/ETM+,SPOT,Quickbird等),一般都以分析单一城市、局部区域的城市用地扩张为主,本文就从一个独特的视角——夜间遥感灯光影像来带大家看看中国城市的扩张情况。

研究区空间分布
 

研究以地区发展势头迅猛以及经济水平有所差异为原则,选择了中国北、南、东、中、西各个区域的代表城市为典型研究区,即北京、广州、南京、武汉、成都、沈阳、乌鲁木齐七个城市。使用全球尺度的遥感影像数据,即美国军事气象卫星DMSP(Defense Meteorological SatelliteProgram)搭载的OLS(OperationalLinescan System)传感器获取的全球夜间灯光数据作为城市化研究的数据源。

DMSP/OLS 影像数据

全球稳定灯光数据

DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)是美国国防部极轨卫星项目,该卫星运行于太阳同步轨道,每天绕地球飞行14圈,每天可得到清晨、白天、黄昏和夜晚的四次的覆盖全球范围的影像图。

DMSP是以城镇区域为靶区,能探测到城市灯光甚至小规模居民地、车流等发出的低强度灯光,因此,DMSP/OLS 夜间灯光影像数据可作为人类活动的一种有效表征形式,越来越广泛的应用于社会经济问题的研究中。

在城市扩张研究中,夜间灯光数据使用的主要难点在于城市建成区面积的提取,在于解决“灯光溢出”现象,即夜间灯光影像上探测到的有灯光的区域的分布范围往往会大于实际对应的城镇居住区范围。

1994和2013年中国灯光数据预处理结果
 

以7 市的市级边界裁剪灯光数据,得到20 年的各个城市的灯光数据。如下表,选取1994、2004、2013 三年的各城市的灯光影像进行直观的对比。

各城市1994、2004、2013 三年灯光影像对比图表
 

城市建设用地空间分析及讨论

根据DMSP/OLS 夜间灯光数据提取的城市建设用地数据,可以通过GIS 空间分析的手段研究城市建设用地的空间分布情况,并且对比20年来的城市建设用地的空间分布对具体的城市扩张在空间上的反应做出分析。

下图浅色为1994年城市建设用地,深色为2013年城市建设用地,20年间城市的扩张情况可以一目了然的看到。

各城市建设用地面积缓冲区分析
 

在此基础上可以得到各个城市扩张区域的距离城市中心的建设用地面积空间分布曲线如下图。

各城市2013、1994 年距城市中心建设用地面积空间分布曲线

各城市20 年间扩张的建设用地面积距城市中心的空间分布曲线
 

从扩张的形态趋势而言,根据缓冲区分析图和扩张的建设用地面积距城市中心的空间分布曲线图,我们可以对上面七座城市进行逐一分析:

北京

在1994 年,距离城市中心大约5km-17km 的位置建设用地比较平均,没有突出的峰值,而2013 年的发展在距离城市中心大约10km 的位置有一个突出的峰值,增长区域外推,一直到大约22km 的位置城市建筑面积依然很大,此后才趋于减小,但在40km 的位置又从零有抬头趋势,说明城市边缘仍然有一些大的村镇或工业用地等。

广州

从图中可以明显看出1994年和2013 年的曲线是相似的形态,即说明发展是在等比例原基础的情况下建设、扩张的。2013 年在9km、20km 处有两个明显的峰值,同1994 年的两个峰值相似,从缓冲区的形态面积可以看出,这两个峰值就是在原来的基础上连同起了之前的核心市区发展而成的,主要的扩张面积在9km 的位置,所以广州的后期发展是更多只在于面积扩张而并没有太多其他的规划。

南京

正态分布形态更加明显,只在10km 的位置呈现极高的峰值,之后建筑面积减小,在原来1994 年有一个较高峰值的15km 的位置并没有做更重要的发展,后期趋缓。主要的建设也是在8km 的位置,从而造就了这样的形态。

武汉

武汉的发展不同于别的城市发展,主要是因为其特殊的城市规划分布,武汉由长江、汉江一分为三,从而有武昌、汉口、汉阳的“三足鼎立”形式,在1994年,城市建设峰值在12km 的位置,这是因为那时候汉口作为武汉的商贸中心更加繁荣,而到了2013 年,从5km-15km 城市建设用地面积相对比较平均,是因为武昌作为武汉的学术文化中心得到了更大的发展。图中所示在5km 和16km 有两个峰值,就是因为武昌、汉口的同步发展。

成都

成都的发展就是典型的中心扩张,城市区域也比较规整,1994 年和2013 年有一个明显的峰值,只不多是面积扩张使得增长区域外推显著,而过了峰值后就稳定下滑,并没有其他中心出现。核心扩张区域也只在6km 左右的位置。

沈阳

沈阳同成都比较相似,在城市形态上都是中心扩张的圆形形态,只是1994年在6km 处有一个明显的峰值,但发展之后峰值比较圆滑,周边区域建设都比较活跃,扩张面积主要集中在8km-12km 之间,而在大于14km 后外围区域直线下滑,说明城市边缘比较荒凉。

乌鲁木齐

乌鲁木齐的城市发展形态也比较特殊,主要是因为其特殊的城市形态和城市中心位置。乌鲁木齐这座城市呈条状,而城市中心并不在发展核心位置,这样条状的城市形态很容易形成“双城”,有两个比较明显的发展中心。根据1994 年的曲线明显可以看到有两个峰值,而扩张的曲线呈“马鞍”型,在9km 和18km 出同步发展,但是从2013年的曲线可以看出仍然是越靠近城市中心的发展区域建筑面积越大。

总体而言,可以明显地看出所有曲线都大致呈正态分布趋势,这符合城市内部空间结构的规律。从城市功能区分布的角度而言,根据各类经济活动的土地利用分布判断,一般的城市空间结构都为:市中心主要为商业及公共服务区,住宅用地主要分布于其外围,而工业用地主要分布于城市边缘区域。

东部沿海地区城市用地的空间格局

13 年里中国东部沿海城市的城市化空间过程
 

每个省(市)的城市用地均发生了不同程度的扩张。总的看来,沿海的城市扩张范围较大,在城市建设和经济发展方面尤为突出,包括辽宁省的大连市,天津市、山东省的烟台市和青岛市,上海市,浙江省的宁波市、台州市、温州市,福建省的福州市、泉州市、厦门市,以及广东省的汕头市、广州市、深圳市、中山市以及东莞市等。

结论

通过灯光强度能够很好地探测城市灯光,进而提取城市空间信息,为城市监测提供了新思路,在宏观尺度的城市研究中具有巨大的潜力和应用前景。

在中国城镇化大范围展开过程中,基于多时相遥感影像和社会经济统计数据,反馈城市扩张变化,理解和认识城市化进程及其原因,将为该地区经济社会可持续发展及我国城镇化建设相关研究提供基础数据和技术支持。


 

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