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2018Esri开发竞赛ENVI-IDL组作品欣赏-“1996-2016年南昌城市建成区时空特征变化研究”

(2018-11-21 15:27:55)
标签:

2018esri开发大赛

分类: 遥感应用案例

作品名称:1996-2016年南昌城市建成区时空特征变化研究

作者单位:东华理工大学测绘工程学院

小组成员:陈永昱、余芸、傅尧声

指导老师:谭永滨、李小龙

获奖情况:三等奖

作品概述

结合Landsat影像数据以及城市夜间灯光数据,通过整合Landsat遥感影像提取的建成区与夜间灯光数据提取建成区,获得已存在人类活动的南昌市建成区范围;以五年为时间周期,从建成区面积变化、城市重心转移、空间差异性等方面,分析并讨论20年间南昌市建成区的时空变化特征。

作品制作流程

作品制作流程主要包含以下5个步骤:

1)图像预处理。Landsat TM5影像预处理分为辐射定标、大气校正、几何校正、影像镶嵌和影响裁剪五个步骤。夜间灯光数据主要是利用相互校正原理进行预处理。

2TM影像建成区的提取。通过监督分类,划分建成区的像元,再进行平滑、距离、图像分割与合并。最后选定建成区的位置。

3)夜间灯光数据建成区的提取。利用突变检测法确定最佳阈值,划分建成区与非建成区,确定建成区的大致范围。

4)两种建成区数据进行叠加,相交分析,确定建成区的最终范围。

5)将五个年份的建成区结果进行综合分析。结果分析包括数量分析、形态分析、重心坐标、重心分布情况、重心移动过程模型、空间差异分析五个方面。

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图:作品制作流程

2.1  影像预处理结果

Lansat数据处理包括辐射定标、大气校正、裁剪。

DMSP稳定夜间灯光数据处理包括投影转换和去饱和(2015,曹子阳等)。以F162006辐射定标灯光影像作为参考,采用最小二乘法进行一元二次回归拟合,根据不同年份拟合参数进行数据校正,相互校正的数据集。

 

2.2  建成区提取

Landsat TM建成区提取

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图:Landsat建成区提取

夜间灯光数据建成区提取

ArcGIS中构建模型,利用突变检测法确定最佳阈值,即找出周长突然增加的阈值,为最佳阈值,并用最佳阈值提取出DMSPNPP数据的城市建成区。

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图:DMSP提取的19962001200620112016年建成区

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DMSPLandsat提取的建成区相交得到最终建成区

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图:各年份DMSPLansat数据建成区交集

2.3  1996-2016年南昌市建成区时空变化分析

2.3.1.          建成区面积变化及扩展分析

1)城市年面积增长率

城市面积年增长率(%( annual growth rateAGR) 表达城市在某一时段的面积变化情况,计算公式为:

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UEstart为初始年份的城市面积范围,UEend为末尾年份的城市面积范围,d为以年为单位的研究时间跨度。

2)城区扩展速率

城区扩展速率研究城区在一定时间段内城市土地的扩展速率,表达某研究区在一定时间范围内城市建成区用地的数量变化情况。

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Ub为研究末期城市建设用地面积,Ua为研究初期城市建设用地面积,T为研究时段。

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图:城市面积年增长率与城区扩展速率

1996-2001年之间,南昌市发展缓慢,相比于其他城市有较大差距。到了2001- 2006却迎来了转折点,出现了爆发式增长,南昌东进西扩,面积增加显著。昌东地区的开发、红谷滩新区的建设,让南昌市地图覆盖面积从2001年前的60平方公里,扩大到140多平方公里。图中可以看到,2006-2016这十年虽然城区扩展速率相比于上一阶段下降很多,但是城建区面积仍然扩张了200多平方公里。

2.3.2.        建成区形态特征及变化分析

1)城市形态的分形维数

建设用地形态的变化是城市发展过程中空间格局和结构变化的综合反映。分形维数用于刻画自然界不规则的、不稳定的并具有高度复杂结构的现象[7]。城市扩展分形维数可以反映城市扩展的形态特征及变化过程,其公式为:

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式中,D(n)为分形维数,P(n)为研究区边缘周长,A(n)为研究区面积,n为研究时期;D值介于1~2之间,越大表示图形形状越复杂,当D<1.5时,说明图形趋向于简单,当D>1.5时,则图像更为复杂[8]

2)紧凑度指数

城市外围轮廓形状的紧凑度被认为是反映空间形态的一个十分重要的概念,其计算公式为:

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式中,C指城市紧凑度,A为城市面积,P为城市轮廓周长,一般把圆形视为最紧凑的形状,并把圆形的紧凑度作为度量标准。紧凑度值越大,则形状越具有紧凑性;反之形状的紧凑性越差。

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图:分数维变化图及紧凑度指数变化图

2.3.3.        建成区重心分布及转移分析

ArcMap计算各年份建成区重心坐标值。

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图:各年份建成区重心

 

2.3.4.        建成区空间差异及变化分析

中心位置采用五个时期的重心坐标平均值,向外做八条均匀分布的射线,将建成区均分为八个部分。利用ArcGIS分析功能计算出南昌八个方向在不同时间的城区面积,从而得出各年份在各方向上的平均值和标准差。

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图:各年份南昌建成区在不同方向上的扩展速率情况

从总体上来看,在1996年到2016年的20年间,南昌市建成区的扩张从高速发展变为平稳发展,严格按照南昌市城市总体规划进行着城市的更新与发展。

作品亮点

1)将光学数据(Landsat)与夜间灯光数据(DMSP)数据相结合提取有人类活动的城市建成区,以期提高建成区提取精度;

2)从建成区面积变化、城市重心转移、空间差异性等多个维度分析并讨论20年间南昌市建成区的时空变化特征。

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