CN114595428A - 一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法。高精度的人口空间分布数据是开展小尺度人口活动变化规律探究的关键数据。夜光遥感影像对于反映人类社会活动具有独特的能力,因而被广泛的应用于社会经济领域的空间数据挖掘。针对传统人口统计周期长、单一数据源精度较低等问题,本发明从多源数据共同表达人口空间化角度出发,融合土地利用、DEM、POI、夜光影像等数据,依据人口密度对乡镇(街道)分割成的区域进行分组,并在此基础上构建人口空间化模型,提升人口空间化精度。该研究可为未来人口空间合理布局与人口疏解政策完善提供定量化的科学依据。
Description
技术领域
本发明属于遥感图像处理领域,尤其涉及一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法。
背景技术
人口问题是影响当今世界可持续发展的重大问题之一。人口的增长加大了全球资源和环境的承载压力,资源、环境、人口之间的矛盾随之也变得十分突出。掌握人口信息,研究人口空间分布及其变化可以为区域可持续发展研究、规划等工作提供科学支撑。人口调查是当前各国实现人口信息统计和分析的主要渠道,具体方式包括抽样调查和全体普查两种形式。虽然人口调查和统计有严谨的统计学理论和方法作为支撑,具有权威、系统、规范等优势,但仍存在时间分辨率低、更新周期长、精度低、不利于可视化和空间分析操作等问题,难以满足人口分布规律研究。实时、可靠的人口空间分布信息对于研究和解释人类对社会、经济和环境的影响有重要作用。
人口空间分布信息可以由人口数据空间化或人口密度格网化技术获取得到。近年来,人口空间化研究发展较快,其中夜间灯光作为综合指示因子来进行社会经济数据空间化模拟得到越来越多的应用。早期研究大多使用美国国防气象卫星(DefenseMeteorological Satellite Program,DMSP)搭载的业务线扫描系统传感器(OperationalLine Scan System,OLS)获取的夜间灯光数据,由于该数据空间分辨率较低(约为1km),因此在大、中尺度(国家、省、州)上的相关研究较为适用,小尺度的估算适用性较低。2011年10月,美国新一代极轨运行环境卫星系统预备项目卫星(National Polar-orbit-ingOperational Environmental Satellite System Pre-paratory Project,NPP)发射成功,NPP携带的可见光红外线成像辐射仪(Visible Infrared Imaging Radi-ometer Suite,VIIRS)可得到接收22个波段的影像数据,其中白天/夜间波段(Day/Night Band,DNB)能够识别微弱灯光源。相较于DMSP/OLS夜间灯光数据,VIIRS传感器采用星上定标,可以得到更高精度的数据,新型夜间灯光数据空间分辨率的提高(500m)也为小尺度级别的数据空间化研究提供了技术支持。目前有关NPP/VIIRS夜间灯光的研究主要集中在模拟GDP、电力消耗估算、油气平台识别等经济领域,而在人口空间化方面应用的较少。高义等对比分析了2种夜间灯光数据在我国沿海地区人口空间化结果,研究表明,NPP/VIIRS夜间灯光数据反演人口的精度要高于DMSP/OLS夜间灯光数据,但是得到的结果精度并不是很高。因此,如何有效地借助NPP/VIIRS夜间灯光数据得到更高精度的人口空间化结果还需进一步研究。
综上所述,本发明在NPP/VIIRS夜间灯光数据与人口统计数据相关性的基础上,引入土地利用数据、数字高程(DEM)数据、兴趣点(POI)数据,以沈阳地区为研究区,与乡镇级常住人口统计数据进行多元线性回归建模,之后对研究区域进行分区及建立适合尺度的格网,并对人口空间化结果进行精度评价,期望建立更有效的人口空间化数据。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的在于克服已有技术的不足之处,提出一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,包括原始数据获取、研究区域分组、最佳建模因子筛选、人口空间化、人口空间格网化、精度分析。
为实现上述功能,本发明提供了一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,包括以下步骤:
S1:原始数据获取:土地利用数据下载,NPP/VIIRS数据下载,DEM数据下载,POI数据下载,数据预处理;
S2:研究区域分组:根据土地利用类别及人口密度对研究区域进行分区分组;
S3:最佳建模因子筛选:采用数学统计规律分析人口与各辅助数据的相关程度,选择最优数据组作为后续建模因子;
S4:人口空间化:根据步骤S3获取的各相关因子,通过多元线性回归,分别求得S2中分组前后各因子的建模系数,构建人口空间化模型;
S5:人口分布格网化:将空间化得到的结果汇总到乡镇单元与统计人口对比,并分析合适的网格尺度,将人口重新分配至格网尺度;
S6:精度分析:对模拟得到的人口数进行精度评价和误差分析。
进一步的,步骤S1原始数据下载主要包括以下步骤:
(1)土地利用数据下载、NPP/VIIRS数据下载、DEM数据下载、POI数据下载;
(2)对NPP/VIIRS影像、土地利用数据、DEM、POI数据进行数据合成、分类等预处理。
进一步的,步骤S2研究区域分组主要包括以下步骤:
通过ArcGIS软件,以土地利用类别及人口密度为依据,将研究区域分组,以便提高人口空间化模型的准确性。
进一步的,步骤S3最佳建模因子筛选主要包括以下步骤:
(1)采用斯皮尔曼(Spearman)相关系数针对各个自变量与因变量的关系进行探索,计算出人口与辅助因子之间的线性关系;
(2)选择相关系数在0.01水平(双侧)显著相关的因子作为后续建模因子。
进一步的,步骤S4人口空间化主要包括以下步骤:
(1)确定建模因子系数;
(2)人口空间化建模,模型公式为:
式中Yi和Xi为第i(i=1,2,3,...,n)个样本点处的因变量和自变量;β0为模型常数项;βk为第k个回归变量的系数;p为回归变量的个数;μi为第i个样本处的误差项。
进一步的,步骤S5人口空间格网化主要包括以下步骤:
(1)利用步骤S4中的结果,将人口分布至格网,公式为:
式中Pij为第i个乡镇(街道)内第j个格网的人口数;β0为模型常数项;Ni为第i个乡镇(街道)内网格个数;βk为第k个回归变量的系数;p为回归变量的个数;Xijk为第i量个乡镇(街道)内第j个网格的第k个自变量;
(2)对格网尺度的人口进行修正,公式为:
进一步的,步骤S6精度分析主要包括以下步骤:
(1)相关系数分析,公式如下:
(2)均方根误差分析,公式如下:
(3)平均绝对误差分析,公式如下:
(4)平均相对误差分析,公式如下:
有益效果:基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法与现有技术相比,具有如下优势:
(1)相较于传统的人口普查法收集到的人口统计数据,具有空间信息的人口分布数据更能反映行政单元的人口空间分布差异,能够为城市管理及规划提供可靠的参考;
(2)在多数据源方面,可以有效避免单一数据源、单一尺度的传统人口空间化造成研究结果误差较大的问题,更好的将人口真实空间分布信息展现出来。
附图说明
本发明的内容的描述与下面附图相结合将变得明显和容易理解,其中:
图1为一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法的流程图;
图2为本发明具体实施方式中预处理后的沈阳市NPP/VIIRS夜间灯光影像图;
图3为本发明具体实施方式中分组分区所依据的统计数据人口密度图;
图4为本发明具体实施方式中分区后得到的分组图;
图5为本发明具体实施方式中分区前后人口空间化结果图。
具体实施方式
按图1所示步骤,对本发明一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法进行详细说明。
步骤1:原始数据获取。包括以下具体步骤:
(1)土地利用数据下载、NPP/VIIRS数据下载、DEM数据下载、POI数据下载;
(2)对NPP/VIIRS影像进行年数据合成、背景噪声消除、异常值处理(如图2所示),并计算各乡镇(街道)的平均灯光亮度值以及总灯光亮度值;
(3)对DEM影像进行相关处理得到各乡镇(街道)归一化的平均DEM、坡度、坡向和地形起伏度数据;
(4)对土地利用数据进行重分类,并计算各乡镇(街道)的每种地类面积占比;
(5)对POI数据进行分区统计,统计每类POI落入各乡镇(街道)的总数量。
步骤2:研究区域分组。包括以下具体步骤:
为提高模型精度,在ArcGIS软件中,以人口密度为依据(如图3所示),将研究区域分为两组(如图4所示),一组为城市中心人口密集地区,另一组为人口较分散的城郊地区,以便后续分别建立人口空间化模型。
步骤3:最佳建模因子筛选。包括以下具体步骤:
(1)将数学统计规律应用到人口空间化的定量可视化展示的过程中,探究人口空间分布规律的影响因子,采用斯皮尔曼(Spearman)相关系数针对各个自变量与因变量的关系进行探索,公式如下:
式中,r为Spearman相关系数;x,y是给定样本X和Y各自的样本平均值xi,yi分别为两个样本的变量值;n为样本个数。r绝对值越大,表示因变量与自变量的相关性越高;
(2)对分乡镇样本人口数量与分乡镇每类POI数量做Spearman相关分析,选择出POI与人口数量在0.01水平(双侧)显著相关的种类,并将这些相关POI合并,统计每个乡镇的POI总和,同时计算POI密度;
(3)对分乡镇样本人口与分乡镇的土地利用类型面积占比、归一化的平均DEM、坡度、坡向和地形起伏度数据、和POI密度进行Spearman相关分析,得到各因子与人口的相关系数。
步骤4:人口空间化。包括以下具体步骤:
(1)确定建模因子系数,选取步骤3中在0.01水平(双侧)显著相关的因子作为建模因子,在SPSS软件中将人口作为因变量,其余因子作为自变量进行多元线性回归,得到各自变量的回归系数;
(2)人口空间化建模(模型结果如图5所示),模型公式为:
式中Yi和Xi为第i(i=1,2,3,...,n)个样本点处的因变量和自变量;β0为模型常数项;βk为第k个回归变量的系数;p为回归变量的个数;μi为第i个样本处的误差项。
步骤5:人口空间格网化。包括以下具体步骤:
(1)地理对象是尺度依存的,合适的格网能够表现出特有的时间、空间乃至时空尺度的特征,根据研究区面积大小以及人口密度分布,分别设置2km×2km、1km×1km、0.5km×0.5km三种尺度的格网;
(2)利用步骤S4中的结果,分别将分区前后的人口数据分布至不同尺度的格网,开展网格尺度上的人口估算,公式为:
式中Pij为第i个乡镇(街道)内第j个格网的人口数;β0为模型常数项;Ni为第i个乡镇(街道)内网格个数;βk为第k个回归变量的系数;p为回归变量的个数;Xijk为第i量个乡镇(街道)内第j个网格的第k个自变量;
(3)多元线性回归分析是在每一类土地利用和POI对每个乡镇(街道)人口分布的影响都相同的前提下进行,然而事实上同一类土地利用或POI对不同乡镇(街道)人口分布的影响也可能存在差异,为确保乡镇(街道)人口估算值与统计值保持一致,需要对格网尺度的人口进行修正,使得空间化的结果与现实相符。公式为:
(4)将校正后的系数迁移至不同尺度的网格中得到不同网格的人口模型,把先前通过格网统计好的结果带入人口模型中得到每个网格的人口数量,最终实现沈阳市建成区不同格网尺度下的人口数据空间化。
步骤6:精度分析。包括以下具体步骤:
分别对分区前后的乡镇尺度、格网尺度的人口空间化结果进行精度分析,选取相关系数(R)、均方根误差(RootMean Square Error,RMSE)、平均绝对误差(MeanAbsoluteError,MAE)、平均相对误差(MeanRelative Error,MRE)来进行评价;
(1)相关系数分析,公式如下:
(2)均方根误差分析,公式如下:
(3)平均绝对误差分析,公式如下:
(4)平均相对误差分析,公式如下:
本发明一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,针对以往人口空间化数据源单一、尺度单一、精度较低的问题,提出采用多种数据共同参与、将人口数据反演至适合尺度格网上的人口空间化建模的方法,实现人口空间化精度的提高。
以上所述仅为本发明的最佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:原始数据获取:土地利用数据下载,NPP/VIIRS数据下载,DEM数据下载,POI数据下载,数据预处理;
S2:研究区域分组:根据土地利用类别及人口密度对研究区域进行分区分组;
S3:最佳建模因子筛选:采用数学统计规律分析人口与各辅助数据的相关程度,选择最优数据组作为后续建模因子;
S4:人口空间化:根据步骤S3获取的各相关因子,通过多元线性回归,分别求得S2中分组前后各因子的建模系数,构建人口空间化模型;
S5:人口分布格网化:将空间化得到的结果汇总到乡镇单元与统计人口对比,并分析合适的网格尺度,将人口重新分配至格网尺度;
S6:精度分析:对模拟得到的人口数进行精度评价和误差分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,其特征在于,所述步骤S1包括以下步骤:
(1)土地利用数据下载、NPP/VIIRS数据下载、DEM数据下载、POI数据下载;
(2)对NPP/VIIRS影像、土地利用数据、DEM、POI数据进行数据合成、分类等预处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,其特征在于,所述S2包括以下步骤:
通过ArcGIS软件,以土地利用类别及人口密度为依据,将研究区域分组,以便提高人口空间化模型的准确性。
4.根据权利要求1所述的一种基于夜光遥感的多源数据人口空间化方法,其特征在于,所述S3包括以下步骤:
(1)采用斯皮尔曼(Spearman)相关系数针对各个自变量与因变量的关系进行探索,计算出人口与辅助因子之间的线性关系;
(2)选择相关系数在0.01水平显著相关的因子作为后续建模因子。
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