一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法
【專(zhuān)利摘要】本專(zhuān)利涉及一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法，使用數(shù)據(jù)包括夜晚燈光數(shù)據(jù)和Googleearth影像數(shù)據(jù)，處理過(guò)程為：a、選取樣本城市并按照城市形態(tài)分類(lèi)；b、對(duì)夜晚燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理首先對(duì)夜晚燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射校正及去除異常值等；c、在不同假設(shè)閾值情況下對(duì)燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，得到假設(shè)閾值的城市建成區(qū)與非建成區(qū)的邊界；d、在Googleearth中根據(jù)城市建成區(qū)在遙感影像中的表現(xiàn)特征采集樣點(diǎn)，將采樣點(diǎn)與不同假設(shè)閾值提取的城市建成區(qū)邊界進(jìn)行疊加，以采樣點(diǎn)對(duì)表示的建成區(qū)和非建成區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)，確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)的最佳閾值；e、利用得到的最佳閾值結(jié)果提取不同城市形態(tài)的城市建成區(qū)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于城市地理中遙感信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)解決確定利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)最佳閾值的問(wèn)題，基于城市形態(tài)分類(lèi)實(shí)現(xiàn)地形復(fù)雜區(qū)域內(nèi)城市建成區(qū)的提取，并以Google Earth影像作為參照數(shù)據(jù)降低研究成本，本發(fā)明提出的方法具有成本低廉、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，既可應(yīng)用于城市建成區(qū)擴(kuò)張動(dòng)態(tài)研究，也有助于在空間上分析城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題。
【背景技術(shù)】
[0002]DMSP/0LS夜晚燈光數(shù)據(jù)具有與其他遙感影像不同的光電放大特性和夜間燈光的獲取能力，因此可以作為監(jiān)測(cè)人類(lèi)活動(dòng)的數(shù)據(jù)源，廣泛應(yīng)用于城市建成區(qū)提取、人口密度估測(cè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域。在目前利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)的研究中，使用最佳閾值分割城市建成區(qū)和非建成區(qū)的方法簡(jiǎn)單易行且較為可靠，常用的最佳閾值分割法主要有四種:經(jīng)驗(yàn)閾值法、突變檢測(cè)法、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證法和較高分辨率影像比較法。[0003]目前利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)的四種方法各有優(yōu)缺點(diǎn):(1)經(jīng)驗(yàn)閾值法具有較強(qiáng)的主觀(guān)性，得到的結(jié)果因研究者的不同而有差異；(2)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法需要以研究區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，受到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的限制，并且只能從建成區(qū)面積而不能從空間形態(tài)上與夜晚燈光數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)進(jìn)行比較；(3)突變檢測(cè)法具有較強(qiáng)的客觀(guān)性，但是數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，另外對(duì)于受地形因素影響、城市建成區(qū)外圍沒(méi)有零星斑塊的城市，突變檢測(cè)法需要依據(jù)不同城市形態(tài)進(jìn)行方法上的調(diào)整；(4)較高分辨率影像數(shù)據(jù)空間比較法由于需要以研究區(qū)域的TM影像作為輔助數(shù)據(jù)，所以研究成本相對(duì)較高，且數(shù)據(jù)處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，基于TM影像光譜提取的城市建成區(qū)中可能混雜著光譜相似的非建成區(qū)地物，比如裸露的山地、沙漠等；城市中成片的公園廣場(chǎng)用地和水體可能被劃分為非城市建成區(qū)，但是從生態(tài)和社會(huì)服務(wù)屬性來(lái)說(shuō)，城市公園廣場(chǎng)屬于城市建成區(qū)的范疇。而在利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)時(shí)，由于公園本身具有的燈光和附近輻射燈光的影響，公園綠地和水體被劃分成城市建成區(qū)，這是其他較高分辨率影像提取城市建成區(qū)不精確的因素之
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是根據(jù)兩種形態(tài)對(duì)城市進(jìn)行分類(lèi)，確定利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取不同形態(tài)城市建成區(qū)的最佳閾值，并且將閾值結(jié)果應(yīng)用于城市建成區(qū)的提取。以Google Earth影像為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)使提取結(jié)果更加準(zhǔn)確，閾值結(jié)果可以用于地形復(fù)雜或者具有不同城市形態(tài)的區(qū)域中提取城市建成區(qū)。具體包括以下內(nèi)容:
一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法技術(shù)流程圖見(jiàn)圖1，主要包括以下步驟:
A、夜晚燈光數(shù)據(jù)的處理方法
a、輻射定標(biāo):根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選擇與全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展平均值接近并且發(fā)展較為穩(wěn)定的城市作為輻射定標(biāo)區(qū)域，選取該城市夜晚燈光數(shù)據(jù)累計(jì)像元值最大的年份作為標(biāo)準(zhǔn)年份進(jìn)行輻射定標(biāo)。
[0005]b、輻射校正:利用X /IVi + b , DN + c (其中a、b、c是定標(biāo)區(qū)域各年份之間的校正系數(shù)，DN是原始數(shù)據(jù)，av—是校正以后的結(jié)果)分析各年度燈光數(shù)據(jù)像元值與定標(biāo)年份燈光像元值之間的關(guān)系，確定系數(shù)a、b、c以后，對(duì)樣本城市燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正。
[0006]C、去異常值:傳感器在接收和傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中存在不確定性，夜晚燈光數(shù)據(jù)的像元存在異常值，因此假設(shè)隨著時(shí)間的變化，城市建成區(qū)的范圍越來(lái)越大，燈光亮度值也越來(lái)越大，依據(jù)此規(guī)則對(duì)夜晚燈光數(shù)據(jù)去異常值。
[0007]d、重采樣:為增強(qiáng)兩種數(shù)據(jù)的直觀(guān)比較以及使燈光影像中城市區(qū)域的輪廓更貼近現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)夜晚燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行三次卷積重采樣，使空間分辨率調(diào)整到50m。
[0008]e、二值化:將夜晚燈光數(shù)據(jù)按照不同的假設(shè)閾值進(jìn)行二值化，將城市建成區(qū)賦值為1，非建成區(qū)賦值為-1，進(jìn)而得到城市建成區(qū)的輪廓。
[0009]B、Google Earth數(shù)據(jù)處理方法:利用Google Earth影像數(shù)據(jù)，已有城市的行政邊界作為掩膜，依據(jù)城市建成區(qū)在遙感影像中的顯示特征通過(guò)目視解譯判別城市建成區(qū)的邊界，在城市建成區(qū)和非城市建成區(qū)各采一個(gè)點(diǎn)形成正負(fù)值點(diǎn)對(duì)，正值點(diǎn)表示城市建成區(qū)，負(fù)值點(diǎn)表示非城市建成區(qū)，并且兩點(diǎn)形成的直線(xiàn)垂直于建成區(qū)的邊界。由于原始夜晚燈光數(shù)據(jù)的分辨率為1km，為保證兩點(diǎn)落在相鄰的柵格內(nèi)，兩點(diǎn)的距離在1.5km到2km之間。
[0010]C、將Google Earth中提取的點(diǎn)對(duì)與夜晚燈光數(shù)據(jù)中的二值化結(jié)果疊加，記錄符合要求(即正值點(diǎn)落在城市建成區(qū)I范圍內(nèi)，負(fù)值點(diǎn)落在非城市建成區(qū)范圍內(nèi))的點(diǎn)對(duì)數(shù)量，統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率P=r/t,其中r為符合要求點(diǎn)對(duì)數(shù)量，t為點(diǎn)對(duì)總數(shù)。
[0011]D、按照城市形態(tài)分類(lèi)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)兩種城市形態(tài)使用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)的最佳閾值并且進(jìn)行應(yīng)用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法技術(shù)流程圖；
圖2是寧波市夜晚燈光二值化結(jié)果與Google Earth點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)疊加示意圖；
圖3是貴陽(yáng)市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖4是蘭州市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖5是拉薩市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖6是三明市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖7是西寧市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖8是長(zhǎng)春市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖9是長(zhǎng)沙市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖10是寧波市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖11是沈陽(yáng)市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖；
圖12是廈門(mén)市夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】[0013]本發(fā)明一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法可以通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明:
A、選取兩種城市形態(tài)共十個(gè)城市作為樣本提取城市建成區(qū)，將其分為兩種城市形態(tài):帶狀城市和非帶狀城市，帶狀城市為三明、貴陽(yáng)、蘭州、拉薩、西寧，非帶狀城市為寧波、廈門(mén)、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、長(zhǎng)沙。
[0014]B、通過(guò)《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》取得2007-2012年各城市地區(qū)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率以及人口密度增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果確定以濰坊市作為定標(biāo)區(qū)域，分析2007-2012年的燈光像元值確定以2010年為定標(biāo)年份，其他年份與2010年像元值之間的相關(guān)關(guān)系如表1，
表1:定標(biāo)區(qū)2010年的燈光像元值與其他年份之間的回歸分析及系數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法，其特征在于以下步驟: A、將樣本城市按照城市形態(tài)分為兩類(lèi):帶狀城市和非帶狀城市； B、將夜晚燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在GoogleEarth平臺(tái)中進(jìn)行城市建成區(qū)和非建成區(qū)點(diǎn)對(duì)采樣，將兩種數(shù)據(jù)的處理結(jié)果導(dǎo)入ArCgis9.3軟件中疊加顯示，并且統(tǒng)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于夜晚燈光數(shù)據(jù)和谷歌地球的城市建成區(qū)提取方法，其特征在于:燈光的溢出受到地形因素和城市形態(tài)的影響，在確定提取城市建成區(qū)最佳閾值以及應(yīng)用于大范圍區(qū)域時(shí)，將城市按照城市形態(tài)分類(lèi)使結(jié)果更加精確。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定夜晚燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)閾值的方法，其特征在于:將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的夜晚燈光數(shù)據(jù)根據(jù)一系列不同假設(shè)的閾值提取出不同閾值情況下的城市建成區(qū)邊界；在Google Earth平臺(tái)中,根據(jù)城市建成區(qū)與非建成區(qū)不同的表現(xiàn)特征進(jìn)行點(diǎn)對(duì)采樣，正值點(diǎn)表示城市建成區(qū)，負(fù)值點(diǎn)表示非城市建成區(qū)；將Google Earth中提取的點(diǎn)對(duì)與夜晚燈光數(shù)據(jù)中提取的城市建成區(qū)輪廓疊加，統(tǒng)計(jì)符合要求(即正值點(diǎn)落在城市建成區(qū)I范圍內(nèi)，負(fù)值點(diǎn)落在非城市建成區(qū)范圍內(nèi))的點(diǎn)對(duì)數(shù)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定不同形態(tài)的城市利用夜晚燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)的最佳閾值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103955583SQ201410195054
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李新虎, 宋金超, 張國(guó)欽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所