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“夜间灯光强度-NDVI”特征三角空间及其应用

“夜间灯光强度-NDVI”特征三角空间及其应用

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作者：宋智超华东师范大学

学位级别：硕士

城市化进程推动了区域人口迁移和经济发展,使得城市自然生态和人文环境发生显著变化。实现对复杂城市系统和城市空间形态的及时监测,有助于揭示人类社会经济活动与城市空间的耦合关系,对城市基础设施建设和空间发展战略的规划制定意义... 详细信息

城市化进程推动了区域人口迁移和经济发展,使得城市自然生态和人文环境发生显著变化。实现对复杂城市系统和城市空间形态的及时监测,有助于揭示人类社会经济活动与城市空间的耦合关系,对城市基础设施建设和空间发展战略的规划制定意义重大。近年来,多源遥感数据是研究城市化进程最有效的数据源之一,多时相遥感数据不仅能够反映城市土地利用类型、城市空间结构等物理层面的动态变化,也能够展现人口分布、能源消耗等社会经济活动状况,其中夜间灯光遥感数据已被证明能作为夜间人类活动和经济社会发展状况的表征,而NDVI数据产品能衡量地表植被覆盖面积和植被生产力,两种数据在城市研究中发挥了重要作用。现有研究发现夜间灯光强度与NDVI之间存在负相关关系,但这些研究仅停留在定性描述层面,并未对两者的负相关关系进行深入的定量化分析,缺乏对两者在城市研究中的应用潜力分析。因此,本研究以长三角地区为主要研究区域,对夜间灯光强度与NDVI两者之间的关系进行深入分析,并借助定量关系评估其在城市区域提取和城市等级划分中的应用潜力。主要研究内容和结果如下:(1)通过不同城市多时相的夜间灯光强度-NDVI散点图发现“夜间灯光强度-NDVI”特征三角空间的存在,夜间灯光强度与NDVI的散点分布呈现稳定的三角型结构。为了对夜间灯光强度-NDVI特征三角空间进行提取,借助核密度分析和局部异常因子检测法识别并去除散点图中密度离群点,设计分段高值搜寻法自动化提取特征三角空间描述方程。通过像元对比分析发现,夜间灯光强度-NDVI特征三角空间具有明确的物理含义,即三角空间的斜边和底边分别对应城市中某一NDVI条件下最大开发强度边界和最低开发强度边界。同时,结果也进一步表明特征三角空间的形态与城市所处的气候条件和社会经济发展水平均紧密相关。(2)基于夜间灯光强度-NDVI特征三角空间描述方程和其物理含义提出了植被-夜间灯光状况指数(Vegetation Nighttime light Condition Index,VNCI),用于衡量城市内部的相对发展水平。通过对比VNCI与原始夜间灯光强度在统计直方图和空间分布上的异同,揭示VNCI与夜间灯光强度变动趋势一致并且能扩大夜间灯光强度低值区的数值波动,抑制高值区的数据异常值。基于该特点,本研究利用标记控制分水岭分割算法分别从NASA’s Black Marble夜间灯光年合成数据(VNP46A4)与VNCI中提取长三角典型城市的城市区域范围,结果表明VNCI提取结果的整体精度优于VNP46A4,F-score和Kappa系数相较VNP46A4最高能提升0.1482和0.144,有效降低对城市区域的漏分现象,证明VNCI在城市区域提取中潜力巨大。(3)进一步对夜间灯光强度-NDVI特征三角空间在城市等级划分中的潜力进行了验证。首先通过斜边斜率绝对值、NDVI起始值与人口、GDP的相关性分析确定聚类因子,采用密度峰值聚类法和三角空间面积对长三角41个城市进行分级。结果表明,聚类分级结果与基于人口标准和经济标准的城市分级结果相关系数分别为0.9122和0.8779,具有极高的一致性。分析表明相较于人口标准,基于夜间灯光强度-NDVI特征三角空间的城市分级方法能够正确反映长三角的城市等级结构。综上,本研究揭示了夜间灯光强度与NDVI之间的特征三角空间关系,阐明了其物理含义,并进一步验证了夜间灯光强度-NDVI特征三角空间在城市区域提取和城市等级划分中的应用可行性和独特优势,为开展大范围长时序城市遥感研究提供了参考和支持。

关键词：夜间灯光 NDVI 特征三角空间城市区域城市等级

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