基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的南京市城市空間結(jié)構(gòu)研究

作者/付毅菁，南京市第一中學(xué)

引言

城市是人類生活的重要場(chǎng)所，是生態(tài)系統(tǒng)中比較活躍的一部分。研究城市圈的空間結(jié)構(gòu)規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也能為進(jìn)一步科學(xué)地保護(hù)土地資源，改善生態(tài)環(huán)境的重要決策奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前基于遙感技術(shù)的城市化研究被廣泛應(yīng)用于城市土地變化監(jiān)測(cè)[1]、城市空間格局分析[2]等方面。

美國軍事氣象衛(wèi)星DMSP上搭載的OLS傳感器可以捕捉微弱的夜間燈光數(shù)據(jù)。很多學(xué)者利用夜光遙感數(shù)據(jù)對(duì)城市或城市群的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，王春楊等利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)成渝城市結(jié)構(gòu)群的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[3]，王曉慧[4]使用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)研究了中國近30年城鎮(zhèn)的擴(kuò)展，通過地理學(xué)和空間經(jīng)濟(jì)學(xué)分析的結(jié)合，以上研究都取得了較好的研究成果。

1.數(shù)據(jù)搜集及預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)搜集與研究區(qū)裁剪

本研究中所使用的DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)可以從NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站下載，所用城市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)從統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)下載，矢量數(shù)據(jù)從國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心下載。

對(duì)下載的2011年的全球夜間燈光數(shù)據(jù)使用南京市市轄區(qū)的矢量邊界進(jìn)行了裁剪，裁剪后影像和市轄區(qū)區(qū)劃如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 夜光數(shù)據(jù)閾值選取與圖像分割

由于夜間燈光數(shù)據(jù)有溢出效應(yīng)，因此需要利用統(tǒng)計(jì)年鑒中的建成區(qū)面積對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行溢出處理。

根據(jù)2011年縣級(jí)行政單位城市建成區(qū)面積為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，處理當(dāng)年的夜光數(shù)據(jù)，以消除燈光溢出效應(yīng)的影響。提取得到的有效區(qū)域如圖2所示。

1.2.2 柵格數(shù)據(jù)矢量化及夜光強(qiáng)度運(yùn)算

（1）由于遙感影像是柵格數(shù)據(jù)，每個(gè)象元值代表所在地理位置的相對(duì)夜光強(qiáng)度大小，將柵格點(diǎn)矢量化為點(diǎn)圖層文件。

圖1 2011年南京市市轄區(qū)夜間燈光遙感圖與行政區(qū)劃圖

（2）對(duì)縣級(jí)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，如夜光矢量化數(shù)據(jù)與江寧區(qū)界疊加，得到疊加后的點(diǎn)圖層。對(duì)點(diǎn)圖層上上所有點(diǎn)的grid_code屬性進(jìn)行加和運(yùn)算，并將值賦給夜間燈光影像上對(duì)應(yīng)縣區(qū)的新增屬性tValue。

圖2 燈光溢出效應(yīng)消除后影像與疊加運(yùn)算后的影像

通過以上步驟的數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)初步處理后，我們得到了南京市不同區(qū)縣的夜間燈光遙感強(qiáng)度圖。數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢，接下來就要對(duì)處理后的影像進(jìn)行分析。

2.研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型

本研究采用的方法是對(duì)處理后影像的夜間燈光強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓繪制，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓這算法最早是由美國南加州大學(xué)（Universityof Southern California）社會(huì)學(xué)教授韋爾蒂.利菲弗（D. Welty Lefever）在1926年提出，有的書里面，也把這個(gè)算法稱為Lefever's "Standard DeviationalEllipse"（利菲弗方向性分布）。

該算法的原理如下：

測(cè)量一組點(diǎn)或區(qū)域的趨勢(shì)的一種常用方法便是分別計(jì)算x 和 y 方向上的標(biāo)準(zhǔn)距離。這兩個(gè)測(cè)量值可用于定義一個(gè)包含所有要素分布的橢圓的軸線。由于該方法是由平均中心作為起點(diǎn)對(duì) x 坐標(biāo)和 y 坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，從而定義橢圓的軸，因此該橢圓被稱為標(biāo)準(zhǔn)差橢圓。利用該橢圓,可以查看要素的分布是否是狹長形的，并因此具有特定方向。正如通過在地圖上繪制要素可以感受到要素的方向性一樣，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差橢圓則可使這種趨向變得更為明確。

2.2 Mortan’sI空間自相關(guān)分析

本研究中使用Moran’s I對(duì)2011年南京市的夜間燈光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行空間差異性分析。

Moran’s I（又稱莫蘭指數(shù)），是澳大利亞統(tǒng)計(jì)學(xué)家帕特里克·阿爾弗雷德·皮爾斯·莫蘭（Patrick Alfred PierceMoran），在1950年提出的。

莫蘭指數(shù)是一個(gè)有理數(shù)，經(jīng)過方差歸一化之后，它的值會(huì)被歸一化到–1.0—1.0之間。Moran’s I＞0表示空間正相關(guān)性，其值越大，空間相關(guān)性越明顯，Moran’s I＜0表示空間負(fù)相關(guān)性，其值越小，空間差異越大，否則，Moran’s I = 0，空間呈隨機(jī)性。

空間差異（spatialdisparity）是指不同地域范疇因?yàn)椋ㄉ鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)等）發(fā)展水平及其結(jié)構(gòu)不同，而產(chǎn)生的差異。

3.數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

使用ArcGIS平臺(tái)對(duì)預(yù)處理后的2011年夜間燈光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差橢圓繪制，繪制結(jié)果如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓繪制結(jié)果

由標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的屬性表可知，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓包含的范圍內(nèi)將約占總數(shù)95%的要素包含在內(nèi)，橢圓的面積為5580平方千米，橢圓長軸為50公里，短軸為34公里，方位角為20.46°，發(fā)達(dá)區(qū)域集中在“東北–西南”線上，使用GeoDa空間經(jīng)濟(jì)學(xué)分析軟件，對(duì)Moran’s I對(duì)2011年南京市的夜間燈光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行空間差異性分析。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 Moran’s I空間差異性分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，Moran’s I為–0.324448，為一負(fù)數(shù)，根據(jù)Moran’s I的含義可知：南京市的空間差異性較強(qiáng)，集群趨勢(shì)不明顯。

4.結(jié)論與討論

本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，借助2011年DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和2011年統(tǒng)計(jì)年鑒中的建成區(qū)面積，使用ArcMap和GeoDa地理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)分析軟件，對(duì)南京市進(jìn)行了夜間燈光強(qiáng)度分級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓繪制以及Moran’s I全局空間自相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)南京市的中心位于主城區(qū)玄武區(qū)，城市結(jié)構(gòu)呈東北—西南方向排布，發(fā)達(dá)區(qū)域主要集中在“東北–西南”線上，但南京市Moran’s I指數(shù)為負(fù)值，各區(qū)在空間上呈負(fù)相關(guān)，集群趨勢(shì)不明顯。

本次研究中所使用的數(shù)據(jù)僅為夜間燈光數(shù)據(jù)，僅使用了夜間燈光亮度對(duì)南京市的城市空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，但要得到更詳細(xì)的城市空間結(jié)構(gòu)信息，可綜合更多的信息，如各區(qū)GDP數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、土地利用類型等多種信息進(jìn)行綜合分析。

* [1]黎夏, 葉嘉安. 利用主成分分析改善土地利用變化的遙感監(jiān)測(cè)精度—以珠江三角洲城市用地?cái)U(kuò)張為例[J]. 遙感學(xué)報(bào), 1997,1(4)∶283—289.

* [2]隆學(xué)文, 馬新輝. 首都圈“京津冀”三軸線城市空間格局的遙感分析 [J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào) , 2011, 13(3)∶367—373.

* [3] 王春楊, 吳國譽(yù), 張超. 基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的成渝城市群空間結(jié)構(gòu)研究[J]. 城市發(fā)展研究, 2015, 22(11).