论文中文题名: | 基于NPP/VIIRS的山东省城市空间 格局变化研究 |
姓名: | |
学号: | 18210064045 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 081603 |
学科名称: | 工学 - 测绘科学与技术 - 地图制图学与地理信息工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2021 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 遥感图像处理与应用研究 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2021-06-23 |
论文答辩日期: | 2021-05-30 |
论文外文题名: | Study on the Change of Urban Spatial Pattern in Shandong Province Based on NPP/VIIRS |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Nighttime light ; MODIS EVI ; Urban built-up area ; Spatio-temporal expansion |
论文中文摘要: |
城市化是社会经济和科学技术发展的结果,过快的城市扩张产生了一系列的土地、环境问题,如何平衡城市扩张与环境保护之间的关系是现下研究的热点问题。近二十年来,随着对地观测技术的快速发展,使得长时序、动态监测城市空间扩展和城市形态变化成为可能。 本文考虑到NPP/VIIRS夜间灯光数据存在背景噪声、异常值及年际数据不连续的问题,对数据进行校正,以山东省为研究对象,基于校正后的NPP/VIIRS灯光数据和MODIS EVI数据,采用植被修正灯光指数方法提取了城市建成区,对2012-2019年山东省城市空间动态演变特征进行了分析,分别构建了灰色驱动力预测模型和BP神经网络预测模型,探究城市发展与经济社会因子之间的驱动力机制。主要的研究结论如下: (1)利用掩膜去噪法对原始灯光数据进行降噪处理,随后进行异常值剔除、连续性校正,得到长时间序列、可用的灯光数据,并对校正后的灯光亮值像元进行统计和GDP线性拟合,结果表明亮值像元的个数和总量都呈现持续增长的趋势,与GDP经济参数的拟合程度较高,相关系数R2大于0.9,说明校正后的灯光数据具有较高的适用性及可靠性。 (2)采用邻域分析法、支持向量机法、指数构建方法进行建成区提取实验,并对三种方法进行精度对比分析,结果表明结合植被指数构建的修正灯光指数在建成区提取方面具有较高精度,与统计数据相差0.33%,准确率达到83%,提取结果可用于研究城市扩展变化规律。 (3)从空间拓展时序变化、空间形态测度变化、城市用地规模三个方面探讨山东省城市空间扩展的时空规律。研究结果表明山东省城市扩展主要经历了三个阶段:以济南为中心的省会都市圈先发展,然后向东部沿海迁移,后期向内部鲁西南地区发展,城市发展趋于平衡,区域间协调可持续发展,建成区边界范围向着集中、规范化发展。 (4)利用灰色关联度分析探索山东省城市扩张与经济驱动力因子之间的关联程度,总体分析,地区生产总值、市辖区人口数量、社会消费零售额与建成区面积之间的关联度都超过0.7,具有较高的关联性。选取排名前五的经济驱动力因子,分别构建了灰色驱动力预测模型和BP神经网络预测模型,对山东省城市扩张进行模拟预测,结果表明BP神经网络模型得到的模拟值与实际值之间的相对误差在2%左右,精准度更高,可以适用于山东省城市扩张分析。 |
论文外文摘要: |
Urbanization is the result of the development of social economy and science and technology. Excessive urban expansion has produced a series of land and environmental problems. How to balance the relationship between urban expansion and environmental protection is a hot topic of current research. In the past two decades, with the rapid development of earth observation technology, it is possible to monitor urban spatial expansion and urban form change in a long time sequence and dynamically. This article takes into account the background noise, abnormal value and inter-annual data discontinuity in the NPP/VIIRS night light data, and corrects the data. Taking Shandong Province as the research object, based on the corrected NPP/VIIRS light data and MODIS EVI data, The vegetation correction light index method was used to extract the urban built-up area, and the dynamic evolution characteristics of the urban space in Shandong Province from 2012 to 2019 were analyzed, and the gray driving force prediction model and the BP neural network prediction model were constructed to explore the urban development and economic and social factors. The driving force mechanism between. The main research conclusions are as follows: (1) Use the mask denoising method to denoise the original light data, then perform outlier elimination and continuity correction to obtain long-term sequence and usable light data, and perform statistics on the corrected light brightness value pixels It is linearly fitted to GDP. The result shows that the number and total amount of bright value pixels show a continuous growth trend, and the degree of fitting with GDP economic parameters is relatively high. The correlation coefficient R2 is greater than 0.9, indicating that the corrected light data has a relatively high High applicability and reliability. (2) The neighborhood analysis method, support vector machine method, and index construction method are used to carry out built-up area extraction experiments, and the accuracy of the three methods is compared. The results show that the modified light index constructed in conjunction with the vegetation index has a better performance in built-up area extraction. High accuracy, 0.33% difference from statistical data, and accuracy rate of 83%. The extracted results can be used to study the law of urban expansion. (3) Discuss the temporal and spatial laws of urban spatial expansion in Shandong Province from three aspects: temporal changes in spatial expansion, changes in spatial form measurement, and urban land use scale. The research results show that the urban expansion of Shandong Province has experienced three main stages. The provincial capital metropolitan area with Jinan as the center develops first, then migrates to the eastern coastal area, and then develops to the southwestern part of Shandong. The urban development tends to be balanced, and the inter-regional coordination is sustainable. Development, the boundary and scope of built-up areas are developing towards concentration and standardization. (4) Use gray correlation analysis to explore the degree of correlation between urban expansion and economic driving factors in Shandong Province. Overall analysis, the correlation degree between regional GDP, population of municipal districts, social consumer retail sales and built-up area Both are more than 0.7, with high relevance. Select the top five economic driving force factors, respectively construct the gray driving force prediction model and the BP neural network prediction model to simulate and predict the urban expansion of Shandong Province. The results show that the relative error between the simulated value and the actual value obtained by the BP neural network model is about 2%, and the accuracy is higher, which can be applied to the analysis of urban expansion in Shandong Province. |
参考文献: |
[1]陈明星.城市化领域的研究进展和科学问题[J].地理研究,2015,34(04):614-630. [3]国家统计局,编.中国统计年鉴[M]. 中国统计出版社, 2017. [4]谢文惠. 城市经济学[M].北京:清华大学出版社,1996,32-37. [5]金凤君.论人类活动的空间趋利行为[J].地理研究,2014,33(01):191-198. [6]李建伟. 空间扩张视角的大中城市新区生长机理研究[D].西北大学,2012. [7]崔功豪,武进.中国城市边缘区空间结构特征及其发展——以南京等城市为例[J].地理学报,1990(04):399-411. [8]李德仁,李熙.论夜光遥感数据挖掘[J].测绘学报,2015,44(06):591-601. [9]杨妮,吴良林,邓树林,等.基于DMSP/OLS夜间灯光数据的省域GDP统计数据空间化方法——以广西壮族自治区为例[J].地理与地理信息科学,2014,30(04):108-111. [10]杨眉,王世新,周艺,等.DMSP/OLS夜间灯光数据应用研究综述[J].遥感技术与应用,2011,26(01):45-51. [11]陈颖彪,郑子豪,吴志峰,等.夜间灯光遥感数据应用综述和展望[J].地理科学进展,2019,38(02):205-223. [12]胡为安. 基于合成NPP-VIIRS年度数据的中国贫困地区发展状况研究[D].江西理工大学,2020. [13]李明峰,蔡炜珩.NPP/VIIRS多时相夜光遥感影像校正方法[J].测绘通报,2019(07):122-126. [14]钟亮,刘小生,杨鹏.SNPP-VIIRS夜间灯光影像去噪方法研究[J].测绘通报,2019(03):21-26. [15]崔晓临,张佳蓓,吴锋,等.基于多源数据融合的北京市人口时空动态分析[J].地球信息科学学报,2020,22(11):2199-2211. [16]孙小芳.夜光遥感支持下的城市人口核密度空间化及自相关分析[J].地球信息科学学报,2020,22(11):2256-2266. [17]金铭. 基于夜间灯光指数的辽宁省人口流动研究[D].辽宁师范大学,2020. [18]王璇璇,赵明松,谢毅,等.基于NPP-VIIRS夜光遥感的江苏省人口数据空间化研究[J].黑龙江工程学院学报,2020,34(03):31-35. [19]陈军卫,汪潇,王秀丽.基于夜间灯光数据的河南省GDP空间化研究[J].地域研究与开发,2020,39(01):28-31+45. [20]张永年,潘竟虎.基于DMSP/OLS数据的中国碳排放时空模拟与分异格局[J].中国环境科学,2019,39(04):1436-1446. [21]王俊华,张廷斌,易桂花,等.DMSP/OLS夜间灯光数据的四川省GDP空间化分析[J].测绘科学,2019,44(08):50-60. [25]闫庆武,厉飞,李玲.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[J].地球信息科学学报,2020,22(08):1714-1724. [26]郑洪晗,桂志鹏,栗法,等.夜间灯光数据和兴趣点数据结合的建成区提取方法[J].地理与地理信息科学,2019,35(02):25-32 [27]董鹤松,李仁杰,李建明,等.基于DMSP-OLS与NPP-VIIRS整合数据的中国三大城市群城市空间扩展时空格局[J].地球信息科学学报,2020,22(05):1161-1174. [28]张思宇. 基于夜间灯光数据的南海渔业捕捞动态变化研究[D].南京大学,2017. [29]田浩,刘阳,田永军,等.以遥感夜间灯光数据为基础的西北太平洋秋刀鱼渔船识别[J].水产学报,2019,43(11):2359-2371. [32]屈辰阳,张莉,汪鸣泉,等.基于NPP/VIIRS卫星夜光数据的新建高铁站所在县域的GDP估算模型[J].国土资源遥感,2020,32(02):81-87. [34]李岩林,程钢,杨杰,等.夜光遥感数据支持下的区域经济空间格局精细化模拟——以河南省为例[J].地域研究与开发,2020,39(04):41-47. [36]苏泳娴,陈修治,叶玉瑶,等.基于夜间灯光数据的中国能源消费碳排放特征及机理[J].地理学报,2013,68(11):1513-1526. [37]孙贵艳,王胜,肖磊.基于夜间灯光数据的长江上游地区能源消费碳排放及影响因素研究[J].地域研究与开发,2020,39(04):159-162+174. [39]卓莉,陈晋,史培军,等.基于夜间灯光数据的中国人口密度模拟[J].地理学报,2005(02):266-276. [40]王娇娇,李中元.基于Landsat OLI影像及 NPP-VIIRS灯光数据的武汉市人口密度估算[J].地域研究与开发,2019,38(06):146-151. [42]何春阳,史培军,李景刚,等. 基于DMSP/OLS夜间灯光数据和统计数据的中国大陆20世纪90年代城市化空间过程重建研究[J].科学通报,2006(07):856-861. [43]徐梦洁,陈黎,刘焕金,等.基于DMSP/OLS夜间灯光数据的长江三角洲地区城市化格局与过程研究[J].国土资源遥感,2011(03):106-112. [44]范俊甫,马廷,周成虎,等.1992-2010年基于DMSP-OLS图像的环渤海城市群空间格局变化分析[J].地球信息科学学报,2013,15(02):280-288. [45]王博. 基NPP-VIIRS夜间灯光遥感影像的杭州城市结构发展变化分析[D].浙江大学,2019. [48]付泽钰,翟国方.基于多源数据的厦门市地震灾害风险评估[J].地震研究,2020,43(03):441-448+601. [49]李晓雪,马小平,刘岸果,等.基于NPP-VIIRS数据的夜间灯光指数变化分析——以夏河M_S5.7地震为例[J].地震工程学报,2020,42(05):1232-1235+1269. [50]乌云德吉. 基于GIS的草原火遥感监测与火险评估[D].内蒙古师范大学,2014. [51]陈冠宇,刘阳,田浩,等,.以VIIRS-DNB数据为基础的黄海渔船夜间灯光动态[J].水产学报,2020,44(06):1036-1045. [53]李伟,郑新奇.结合VIIRS和监测数据插值的北京雾霾监测方法[J].测绘学报,2015,44(S1):123-128. [56]王小龙,闫浩文,等.利用SVM分类Landsat影像的朝鲜主要城市建设用地时空特征分析[J].国土资源遥感,2020,32(04):163-171. [57]王帅,徐涵秋,唐菲.基于IBI和CA模型的城市建成区提取及其应用——以上海市为例[J].遥感技术与应用,2017,32(06):1161-1170. [58]白杨,宁晓刚,张继贤.基于不透水面和引力模型的城市建成区提取与分析[J].测绘科学,2014,39(01):59-63. [59]陈剑锋,谌进波.基于植被指数阈值法的城市边界动态监测技术研究[J].测绘与空间地理信息,2011,34(05):84-86+90. [60]张翰超,宁晓刚,王浩,等.基于高分辨率遥感影像的2000-2015年中国省会城市高精度扩张监测与分析[J].地理学报,2018,73(12):2345-2363. [65]周玉科.基于去饱和夜光数据的北京建成区时空动态分析[J].地理与地理信息科学,2020,36(01):52-57. [66]郑洪晗,桂志鹏,栗法,等.夜间灯光数据和兴趣点数据结合的建成区提取方法[J].地理与地理信息科学,2019,35(02):25-32. [67]唐敏. 基于对数变换的NPP-VIIRS夜间灯光遥感影像在城市建成区提取中的应用[D].华东师范大学,2017. [68]刘荣高,刘洋,刘纪远.MODIS科学数据处理研究进展[J].自然科学进展,2009,19(02):141-147. [69]陈慕琳, 蔡红艳. 京津冀地区VIIRS/DNB月度及年度夜间灯光数据集(2013–2018)[J].全球变化数据学报(中英文),2019,3(04):376-381+483-488. [70]周翼,陈英,刘洋,等.NPP-VIIRS年度夜间灯光数据的合成方法与验证[J].遥感信息,2019,34(02):62-68. [71]胡为安. 基于合成NPP-VIIRS年度数据的中国贫困地区发展状况研究[D].江西理工大学,2020. [72]中华人民共和国建设部.城市规划基本术语标准: (GB/T 50280-98) [S]. 北京:中国标准出版社, 1998. [73]孙凌蔚. 基于Landsat数据和DMSP/OLS夜间灯光数据的山东省城市扩张探讨[D].重庆师范大学,2017. [74]Vapnik V N . The Nature of Statistical Learning Theory[J]. Springer, 1995. [75]许泽宁,高晓路.基于电子地图兴趣点的城市建成区边界识别方法[J].地理学报,2016,71(06):928-939. [76]毛蒋兴,阎小培.高密度开发城市交通系统对土地利用的影响作用研究——以广州为例[J].经济地理,2005(02):185-188+210. [77]卓莉,张晓帆,郑璟,等.基于EVI指数的DMSP/OLS夜间灯光数据去饱和方法[J].地理学报,2015,70(08):1339-1350. [79]闫庆武,厉飞,李玲.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[J].地球信息科学学报,2020,22(08):1714-1724. [81]储金龙.城市空间形态定量分析研究[M].南京:东南大学出版社,2007. [82]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社,2000. [83]宫兆宁,张翼然,宫辉力,等.北京湿地景观格局演变特征与驱动机制分析[J].地理学报,2011,66(01):77-88. [84]余永欣,陈品祥,秦飞,等.北京市城市扩展空间格局变化监测与分析[J].测绘通报,2020(11):132-136. [86]邓聚龙.灰色控制系统[J].华中工学院学报,1982(03):9-18. [87]雷波.BP神经网络和多元回归模型在城市建成区面积预测中的应用比较——以福州市为例[J].城市发展研究,2008(01):153-155. |
中图分类号: | P208 |
开放日期: | 2021-06-23 |