一种适用于珞珈一号夜间灯光影像的去噪方法

针对珞珈一号夜间灯光影像存在大量背景噪声和异高值的问题,提出一种掩膜和局部中值滤波相结合的去噪方法。首先,以去噪后同时期的NPP/VIIRS月均影像为掩膜数据,剔除珞珈一号平均影像残留的背景噪声;然后,计算每个栅格的8邻域标准差(standard deviation,STD)并进行分级统计,确定以STD大于25000为边界提取异高值栅格,对这部分栅格进行中值滤波,把异高值降低到正常值范围。通过统计发现,该去噪方法减少的灯光辐射栅格主要分布在林地、耕地和草地,影像辐射最大值由6034.920下降到900.599,辐射总值的减少量仅占原辐射总值的6.9%,并且去噪后的影像与GDP和常住人口数据的相关性均有提升。研究结果表明,该去噪方法能够在尽可能保留原始数据信息的同时有效去除珞珈一号夜间灯光影像大量存在的背景噪声和异高值。

中国区域DMSP/OLS夜间灯光影像的校正

美国国防军事气象卫星(DMSP)搭载的线性扫描系统(OLS)获取的夜间灯光影像具有很强的光电放大能力,存储量小,可直观反映人类活动,被广泛应用于城镇化监测、社会经济因素估算等方面。但是获取这些数据集的各传感器均未经过星上定标,存在像元饱和问题,并且传感器获得的1992—2013年的各数据之间缺乏可比性、连续性,无法直接用于长时间序列的研究,因此需要对长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光影像进行校正处理。校正内容包括中国区域各灯光影像间的相互校正、饱和校正、年内融合、年际间校正等;并对校正后的DMSP/OLS夜间灯光影像进行合理性检验,检验结果表明该校正方法是可行的。

一种面向城市收缩地区的DMSP/OLS夜间灯光影像多年连续校正方法

现有时间序列夜间灯光影像校正方法只适用于灯光亮度持续增长情况,对于城市收缩地区夜间灯光亮度的校正效果不佳。该文提出一种面向城市收缩地区的DMSP/OLS夜间灯光影像多年连续校正方法(Inter-annual Series Correction for Shrinking Area,ISCSA),包括多传感器相互校正、多传感器年内融合、时间序列可比较校正和连续校正四方面,以东三省1992-2013年34期DMSP/OLS夜间灯光影像进行验证,并分析其与社会经济数据的相关性。结果显示:该方法校正后的夜间灯光影像不仅能反映东三省长时序的城市扩张现象,还能体现短时间的城市收缩现象;校正后的夜间灯光亮度与GDP和人口的相关性相比原始影像数据和传统连续校正方法均有一定提升,能更合理地反映东三省社会经济要素的发展差异。

基于夜间灯光影像的太原市城市扩张特征及驱动力分析

随着城市化进程的推进,城市建成区范围不断扩大,在此过程中也出现了诸多问题。为更好地了解城市发展规律,本文选取1992、1997、2002、2007、2012年5期的DMSP/OLS数据和2017、2019年2期的NPP-VIIRS两种夜间灯光影像作为数据源,采用统计数据比较法提取太原市建成区范围,通过对太原市建成区形态扩张指数的分析,得出城市扩张规律。研究结果表明:(1)太原市建成区从1992—2019年太原市建成区面积增长了249.73 km~2,扩大了2.7倍,且建成区增长的面积主要集中在太原市的东南部。(2)2002—2012年和2017—2019年进入加速型扩张模式,扩张的速度快;1992—2019年太原市重心偏移距离为5676.42 m,平均偏移速度为202.73 m/a,重心位置总体向东南方偏移。(3)太原城市扩张的驱动力主要是受经济发展因素、人口因素、交通因素和政策规划因素的影响。本文为太原城市规划和空间结构调整提供理论依据和数据支撑。

基于DMSP/OLS夜间灯光影像的GDP预测模型研究

针对经济数据统计烦琐、滞后且不准确等问题,利用夜间灯光影像DMSP/OLS进行江苏各地级市GDP预测研究。对影像二值化处理,确定夜间灯光影像阈值,结合GDP数据构建多种常规回归模型。提出光亮面积指数参与建模的方法,预测经济数据并进行验证。实验结果显示,利用光亮面积指数法进行经济预测,可以提高预测的可靠性与科学性,具有可行性。

夜间灯光影像视角下长三角省际毗邻地带一体化发展

长三角省界毗邻区域的一体化进程明显加快,核心城市的带动辐射力明显增强,区域之间的差距明显缩小,具备更高起点上推动更高质量一体化发展的良好条件在长三角一体化上升为国家战略的背景下,省级边界毗邻区域成为区域融合的重点区块。夜间灯光数据因其融合了交通廊道、土地利用和居民地等信息,与要素流动和经济活力高度相关,已经成为学术界研究区域经济的重要工具。

DMSP/OLS夜间灯光影像中国区域的校正及应用

美国国防气象卫星搭载的业务型线扫描传感器(DMSP/OLS)获取的夜间灯光影像,可客观地反映人类开发建设活动强度,其广泛应用于城市遥感的多个领域。但该数据缺少星上的辐射校正,下载的原始影像数据集不能直接用于研究,需进行区域校正。长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光影像数据集主要存在2个问题需在校正过程中解决:(1)原始影像数据集中的影像是非连续性的;(2)数据集中的每一期影像都存在着像元DN值饱和的现象。针对这2个问题,本文提出了一种不变目标区域法的影像校正方法,对提取出来的每一期中国区域的夜间灯光影像进行了校正,该校正方法包括相互校正、饱和校正和影像间的连续性校正。最后,为了检验校正方法的合理性与可靠性,本文将校正前后中国夜间灯光影像与GDP和电力消耗值,分别进行回归分析评价表明,校正后的影像更客观合理地反映区域经济发展的差异。

1990-2020年长三角地区生境质量与夜间灯光的空间关系

基于1990-2020年长三角地区的土地利用数据和夜间灯光数据,运用InVEST生境质量评估模型、双变量空间自相关、相关系数对生境质量与夜间灯光的时空关系进行研究,并应用地理加权回归和归纳法分析两者的响应规律,结果表明:(1)浙江省总体上生境最优且城镇发展最快,安徽省在城镇快速发展的同时生境相对下降最少,生境质量和夜间灯光空间分布格局呈现出与区位、地形等因素的空间耦合性。(2)长三角地区生境质量与夜间灯光指数随着时间的发展空间上的依赖性越来越强,聚类模式主要为高-低、低-高及低-低3种。高-低聚类区域主要分布在浙江省和安徽省的南部、西部的山地丘陵,研究期内呈现缩小的趋势;低-高聚类区域在长三角东部平原区呈集聚分布、北部平原丘陵区呈零散分布,呈现扩张趋势。(3)不同年份各省份生境质量与夜间灯光指数呈显著负相关,且经济越发达的省份,生境质量与夜间灯光指数的负相关关系越强;生境质量与夜间灯光指数呈高度负相关的区县主要分布在长江下游沿岸和浙江省东部,相关性不显著的区县主要分布在安徽省、江苏省的北部,变化类型以负相关关系持续增强型占比最高。(4)生境质量与夜间灯光指数的相关关系随着城市发展呈U型变化,即随着城市发展,生境质量与夜间灯光指数的负相关关系先增强后下降。研究结果可为长三角城市可持续发展、生境调控提供前期基础。

基于2种夜间灯光影像亮度修正指数的城市建成区提取研究

夜间灯光影像容易受到道路灯光、水面散射等影响而产生背景噪声,这一定程度上影响了利用夜间灯光数据提取建成区的精度。本文基于夜间灯光影像的DN(Digital Number)值与路网密度正相关、与EVI指数(Enhanced Vegetation Index,增强型植被指数)呈负相关的规律,提出了2种可用于建成区提取的夜间灯光亮度修正指数:EVI夜间灯光亮度修正指数EANI(EVI Adjusted Nighttime Light(NTL)Index)和基于道路网密度与EVI指数的夜间灯光亮度修正指数REANI(Road Density&EVI Adjusted NTL Index),并利用珞珈1号卫星(LJ1-01,分辨率约130 m)影像和NPP-VIIRS影像(分辨率约500 m)2种不同空间分辨率夜间灯光遥感影像进行验证。以2018年徐州市建成区为研究对象,分区域(主城区、外围区)利用阈值法对2种原始夜间灯光影像、经EANI指数和REANI指数处理后的影像进行建成区提取,得到6种建成区提取的结果。研究表明:①EANI指数和REANI指数能够有效抑制夜间灯光影像的背景噪声,建成区提取的结果均优于直接利用原始影像的结果,特别是对于城市化水平较低地区的建成区提取效果更佳;②相较于NPP-VIIRS影像,利用LJ1-01影像提取建成区的效果提高6%左右,说明我国的LJ1-01夜间灯光影像在建成区提取方面有广阔的应用前景。EANI和REANI为建成区提取提供了有效工具,并可应用于城市规划和城市扩张等研究领域。

一种DMSP/OLS稳定夜间灯光影像中国区域的校正方法

随着遥感技术的快速发展,国防气象卫星计划作战线扫描系统(DMSP/OLS)夜间灯光图像开始更多的应用于人文经济研究中。由于原始影像存在较多问题,如DN值饱和、年际不连续问题等,因此在使用之前需要对影像进行校正。"传统不变区域法"是应用较为广泛的校正方法,但仍存在部分问题,如未考虑目标区域长时间尺度上的微弱变化以及连续校正前基准年份的选取。本文对传统不变目标区域法进行改良,以黑龙江鹤岗市作为不变目标区域,选取3期辐射定标影像作为参考影像对DMSP/OLS稳定夜间灯光影像进行饱和校正,通过对比各年份影像饱和校正情况,选出最为合理的基准年份,从而对饱和校正后的影像进行连续性校正。为验证影像校正精度,本文从国家像元DN值、省级GDP与电力消费量、地级市GDP和县域GDP 4个层面与对应DN值进行线性回归检验,结果显示经改进方法校正后DMSP/OLS稳定夜间灯光影像TDN与市级GDP的拟合度(R2)平均值为0.85,远大于传统方法校正TDN与市级GDP拟合度(R2)平均值的0.53,且随着时间推移,传统不变目标区域法校正后拟合度逐渐降低至2013年的0.40,而利用改进后方法进行校正的拟合度未出现递减现象,2013年其R2仍为0.88,表明与传统不变区域法相比校正精度明显提高,饱和问题得到较大改善。

基于DMSP/OLS夜间灯光影像的中国东部沿海地区城市扩展动态监测

美国国防气象卫星搭载的业务性线性传感器(DMSP/OLS)所获取的夜间灯光影像数据,能够客观地反映人类对城市建成区的开发建设范围与强度,已广泛地应用于城市扩展的动态监测。本文利用不变目标区域法对长时间序列DMSP/OLS夜间灯光影像进行辐射校正,基于校正后的影像对2001-2013年中国东部沿海地区的城市建成区范围进行提取,结果表明:①建成区面积从2001年的7550 km^2,增加到2013年的21 650 km^2,共扩展了14 100 km^2,虽然建成区面积呈逐年增加的趋势,但其扩展速率则在逐步减缓,城市重心逐渐向南转移;②在空间上形成了京津唐、长江三角洲和珠江三角洲3城市群,研究发现京津唐的中小城市面临难以获得发展资源的问题,导致了该地区发展的不平衡;③综合分析建成区扩展和经济统计数据,结果表明人口和经济是建成区扩展的主要驱动因子,但同时城市快速扩展也给东部沿海地区带来了一定程度的用地浪费问题;④由于DMSP/OLS夜间灯光影像受到自身空间分辨率的限制和灯光过饱和的影响,易造成城市建成区边缘细节部分的错提。新一代Suomi NPP/VIIRS夜间灯光影像在空间和光谱分辨率上均有较大提高,在后续的研究中应充分挖掘其数据优势,以期提供更加精准的城市扩展动态监测。

基于夜间灯光影像数据的黄河流域中心城市建成区空间扩展及动力因子分析

研究黄河流域建成区扩展特征有助于透视用地开发效果和践行中心城市高质量发展规划。基于1992、1997、2002、2007、2012、2018年6期夜间灯光影像与统计数据,提取建成区范围,采用扩展强度指数、紧凑度指数、协调发展系数与灰色关联分析,探究1992—2018年黄河流域8个中心城市扩展的时空格局、质量及动力因子。结果表明:(1)黄河流域中心城市建成区面积分化明显,中下游城市扩展规模和强度大,扩展形态呈紧凑度普遍下降趋势。(2)夜间灯光影像数据刻画的西安建成区综合水平高、西宁水平低,银川综合发展快、兰州慢;除西宁、呼和浩特与太原外,其他中心城市平均夜间灯光指数在1997—2018年呈下降趋势,反映城市扩展水平降低。(3)中心城市人口-土地协调发展系数均呈波动下降趋势,除呼和浩特、太原和济南外,人口-土地由基本协调型向土地过快扩展型转变;中心城市经济-土地协调发展系数呈波动下降趋势,经济年均增长率降低,建成区面积年均扩展率增加,基本由经济过快增长型向经济-土地协调发展型转变。(4)中心城市空间扩展主要受经济发展(地区生产总值)影响;从中心城市整体看,全时段(1996—2018年)行政力(固定资产投资)和内源力(人口规模)影响作用较大,分时段(1996—2002年、2002—2012年与2012—2018年)行政力影响系数亦较高,市场力(社会消费品零售总额)与外向力(实际利用外资额)影响作用程度随时间增加明显。新时期黄河流域中心城市空间扩展应注重内部提质增效,提高建设用地利用效率,促进城市高质量发展。

基于复合指数模型的DMSP/OLS夜间灯光影像饱和校正方法

由于OLS传感器航行过程中增益记录和交叉定标的缺失,使得DMSP夜光影像在城市中心出现过度饱和等问题,因此探讨灯光数据去饱和方法在人类活动强度评估和城市时空演化分析等方面具有重要意义。为了解决这一难题,有学者提出使用NDVI修正饱和灯光数据的VANUI指数,为研究灯光数据去饱和提供了简单便捷的思路,然而该指数在部分城市中较难有明显的校正效果。本文在VANUI指数思想的基础上,顾及到人口密度随着郊区到城市中心距离的增加呈现指数型增长,提出了基于复合指数模型校正夜间灯光指数CEANI,为人类活动强度评价等研究提供更准确的结果。研究表明:①与VANUI相比,CEANI在刻画城市内部饱和区域特征时具有更好的细节,较好地凸显城市内部空间异质性;②在25组随机样本的相关对比中,CEANI(R^2mean=0.79)与辐射定标产品比VANUI(R^2mean=0.68)具有更高的相关性;③三大城市群中CEANI与常住人口的R2分别为0.767、0.676和0.841,比VANUI(R^2分别为0.640、0.553和0.775)分别提高了0.127、0.123、0.066,相较于VANUI,CEANI与常住人口具有更强的相关性,对于人口指标的估算能力更强。

基于深度学习的宽基线夜间灯光影像线特征自动匹配

针对宽基线夜间灯光影像光照不足存在模糊现象,进而导致丢失大量轮廓及纹理信息,同时显著的视角变化也导致复杂畸变的问题,现有的匹配算法在此类影像上难以实现线特征的有效匹配。该文首先采用Res-block对影像进行卷积来减小饱和像素对影像匹配的影响,在保持影像细节的前提下突出边缘特征,并采用U-Net模型去除影像的伪影与噪声。然后利用LineTR关联上下文信息进行特征匹配,此方法改进了卷积神经网络进行线特征匹配时要求特征长度固定的不足,实现不同长度的同名线特征匹配;并利用ConvGRU实现超参数自适应估计,继而提高算法效率。最后选取多组宽基线夜间灯光影像进行测试,结果表明本方法能够得到较优的线特征匹配效果。

夜间灯光影像图在中学地理教学中的应用

研究表明,夜间灯光影像是一种能够作为人类活动的表征及人类活动检测的数据源,并且可以用于分析一些地理现象和过程。文章以美国的DMSP/OLS夜间灯光影像为例,通过实际案例说明夜间灯光影像图在中学地理教学过程中的应用并总结了它的优点以及在中学地理教学中的可行性。

基于夜间灯光数据的城市空间动态扩张分析——以江苏省为例

引用改进动态阈值法和重心模型,分析江苏省城市动态扩张时空特征,得到江苏省城市建成区的空间分布情况及区域差异。结果表明,2000—2021年,提取的城市建成区面积与实际符合,演变规律与城市经济发展相贴合,形成以南京市、苏州市、徐州市为中心的“放射状”集聚形态,不同城市、不同阶段扩张速度差异明显,发展重心逐渐由南向北推进,由南京都市圈和苏锡常都市圈为主的发展模式逐渐向均衡发展模式转变。

基于DMSP/OLS夜间灯光数据提取城镇建设用地的邻域分析法

为提高城镇建设用地提取的精度,文章提出一种基于DMSP/OLS夜间灯光数据邻近象元特征差异的提取城镇建设用地的邻域分析方法。该方法主要是通过栅格运算识别建设用地和非建设用地的突变,结合阈值法准确提取建设用地边界。将该方法应用于2009年中国大陆34个主要城市的建设用地提取,并与基于TM数据以及基于DMSP/OLS数据传统全局阈值法和局部优化法提取的建设用地进行比较。结果显示,该方法提取的建设用地象元数与TM影像提取的象元数呈较好的相关性(R2=0.966),均方根误差为191.64个象元,相对精度为82.79%,景观形状指数、聚集度指数、边缘面积比指数和连接度指数也具有较高的相似性(R2分别为0.475 4、0.366 2、0.858 9和0.915 3)。该方法不仅能准确识别大面积的城市建设用地斑块边界,而且不会漏掉小面积的城市建设用地斑块,克服了传统全局阈值法和局部优化法的缺点。

兰西城市群能源消费碳排放时空分布特征及影响因素——基于DMSP/OLS与NPP/VIIRS夜间灯光数据

在全国碳减排目标框架下,从县域尺度开展能源消费碳排放时空演变及其影响因素的研究,对指导城市群实现碳达峰及碳中和目标具有重要意义。探索性空间数据分析可以揭示区域内碳排放的空间差异性,而地理探测器不仅可以识别影响因素对碳排放单独的影响力,还可以识别影响因素交互效应对碳排放空间分异的影响力。因此,文章通过校正融合长时间序列DMSP/OLS与NPP/VIIRS夜间灯光影像,空间化模拟了1995—2019年兰西城市群能源消费碳排放量,并从县域尺度视角出发,利用探索性空间数据分析以及地理探测器等,对碳排放时空分布特征、空间关联特征及影响因素等展开研究。结果表明:(1)碳排放总量从1995年的36.23×10^(6)t上升到2019年的116.61×10^(6)t,增长速度呈先上升后下降的态势,年均增速为4.79%,县域碳排放(10^(4)t)区间由1995年的[13.4,425.4]增长为2019年的[103.2,1051.4];(2)高碳县区主要集中在兰州市和西宁市主城区以及周围人口密集、经济较发达的县区,空间差异性在不断缩小,空间正自相关性呈现出逐步扩大的趋势,局部自相关比较稳定,以高—高聚集和低—低聚集为主导;(3)碳排放空间分异受多种因素综合作用,经济发展水平对碳排放空间分异的影响力始终最强。

基于夜间灯光数据的云南省建成区提取

建成区是城市现代化发展的产物,夜间灯光影像用单位网格记录区域建成区的灯光亮度差异,可以客观反映不同地区的建成区变化。以云南省作为研究区,基于夜间灯光最佳阈值对1995~2018年的建成区进行提取,对建成区的空间分布特征进行分析,并对建成区发展影响因素进行分析。研究得出:1) 基于夜间灯光影像,用阈值法对建成区进行提取效果较好;2) 滇中地区的建成区扩展速度最快,面积最大,滇东北与滇西北地区的建成区扩展速度最小,面积最小;3) GDP、公共预算收入、粮食产量、农村常住居民人均可支配收入、公共预算收入、粮食产量具有较大的影响。

基于夜间灯光数据的山东省GDP预测及空间化

基于有效使用其他数据对GDP进行合理预测和直观了解GDP空间分布情况的目的,通过对山东省2012年~2017年16个地级市的NPP-VIIRS夜间灯光数据和GDP数据进行相关性分析,对比不同模型后采用二次多项式进行建模,建立灯光亮度值和GDP的对应关系,得到了2019年山东省GDP预测值,并与统计年鉴的对应数据进行了精度对比。根据像元亮度值对2012年和2019年的GDP进行了500 m网格的空间化,对山东省GDP变动情况进行分析。