CN114612800A - 一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统 - Google Patents

一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了夜间灯光遥感技术领域的一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统，核算城市群建筑物质存量的方法包括采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。本发明能利用夜间灯光遥感数据估算城市群元胞尺度建筑物质存量，真实反映建成区的空间结构特征，反映城市内部形态。

Description

一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统
技术领域
本发明属于夜间灯光遥感技术领域，具体涉及一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统。
背景技术
城市化是一个国家和地区经济发展的标志，是人类社会经济文化发展到一定时期的产物。中国的城市群正经历着快速而大规模的城市化进程，对各种建筑资源的消耗与日俱增，导致了大量的建筑材料库存。伴随着建筑物质存量(城市系统边界内，建筑物中各类建筑材料的积累量)的不断积累，人们认识到如何将这些堆积的资源有效地回收利用，是解决资源短缺问题、实现资源可持续发展、发展循环经济和低碳经济的关键所在。首先，必须了解当前建筑物质存量的规模、组成和位置，只有对存量准确把握，才能正确地分析其资源效益，进而提出合理的资源回收建议。
物质存量是物质代谢过程中在系统内的物质积累量，蕴含着系统中可回收利用的二次资源，其拆除过程也会对生态环境造成影响。故对建筑物质存量的核算是物质流动和资源环境效应等研究的基础。目前研究正在提出各种方法来核算物质存量的规模。传统上，建筑物质存量主要通过“自上而下”或“自下而上”的方法根据统计数据计算。简而言之，“自上而下”方法通过计算库存的流入量和随时间的流出量来量化材料库存。这种方法依赖于高度汇总的统计数据，适用于长时间的大规模核算。然而，该方法无法体现物质存量的一个关键特征——空间分布，因此不适合用于高分辨率的空间制图。此外，该方法计算费时费力、计算复杂，数据获取困难。
因此，对于物质存量的空间制图通常采用空间数据驱动的“自下而上”方法，该方法基于可以计算建筑或基础设施详细物理尺寸(面积和高度)的GIS空间数据，结合材料强度可以准确计算出物质存量，并完成空间制图。此外，为了阐明材料积累随时间的变化情况，基于地籍建筑和基础设施的面积或体积信息的4D-GIS数据库也越来越多地被用于物质存量核算当中。然而，需要指出的是，由于该方法所涉及的4D-GIS数据库的难以获得，并且数据处理的复杂，导致该方法的应用范围往往局限于有限时间内单个城市的规模。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法、系统，能利用夜间灯光遥感数据估算城市群元胞尺度建筑物质存量，真实反映建成区的空间结构特征，反映城市内部形态。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种核算城市群建筑物质存量的方法，包括：采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
进一步地，所述建筑物容积估算模型的构建方法，包括：采集指定区域内的夜间灯光遥感数据，并划分为若干个元胞；统计每个元胞内的夜间灯光总亮度值，以面积与亮度值的比值为依据将元胞进行分类集群；根据已知城市建筑轮廓GIS数据，计算元胞内建筑物容积真实值；根据每个元胞内的夜间灯光总亮度值和建筑物容积真实值构建建筑物容积估算模型并进行训练，获得精度满足要求的建筑物容积估算模型。
进一步地，所述采集指定区域内的夜间灯光遥感数据，并划分为若干个元胞，具体为：采用ArcGIS软件对夜间灯光遥感数据进行独立建成区域形状单元的圈定，通过反转源夜间灯光亮度值，将其视为高程高低不一的“山峰”和“低谷”地形图，使用可以分析局部极小值和极大值的分水岭算法来绘制灯光亮度的“分水岭”，确定人类活动的局部中心，并以此来分割建成区单元，形成若干个元胞。
进一步地，所述建筑物容积估算模型表示为：
VOLi＝ai×NTLi (1)
其中，VOLi表示第i个集群中元胞内的建筑物容积；ai表示第i个集群中元胞内夜间灯光总亮度值与建筑物容积的关系系数；NTLi表示第i个集群中元胞内的夜间灯光总亮度值。
进一步地，通过以下公式，核算指定区域内的建筑物质存量：
Figure BDA0003584058390000031
其中，MSj，k，l表示元胞j中的建筑物质存量，k表示建筑类型，l表示材料类型，VOLj表示元胞j内的建筑物容积，FH表示平均楼层高度，θk表示元胞j内砖混或钢混建筑物容积占建筑物总容积的比例，MIk，l表示材料l的物质使用强度系数。
第二方面，提供一种核算城市群建筑物质存量的系统，包括：数据采集模块，用于采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；建筑物容积获取模块，用于将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；建筑物质存量获取模块，用于根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
第三方面，提供一种核算城市群建筑物质存量时空变化的方法，包括：采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；采用第一方面所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
第四方面，提供一种核算城市群建筑物质存量时空变化的系统，包括：时序数据采集模块，用于采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；建筑物质存量时空变化模块，用于采用权利要求1～5任一项所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明通过将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征，能利用夜间灯光遥感数据估算城市群元胞尺度建筑物质存量，真实反映建成区的空间结构特征，反映城市内部形态；
(2)本发明创新了基于夜间灯光的建成区单元分割方法，通过分水岭分割夜间灯光数据，生成的建成区元胞单元更符合建成区的空间结构特征，能更好地反应城市群的内部形态；
(3)本发明通过分析夜间灯光总亮度值和建筑物容积，通过分析两者之间的经验关系，构建了能够直接利用夜间灯光估算城市群元胞尺度建筑物容积的新模型，该模型简单易操作，比较容易在其他城市推广应用，能够促进城市群建筑物质存量估算的发展；
(4)基于构建的建筑物容积估算模型和物质使用强度系数，将提升对城市群建筑物质存量时空分布规律的科学认知，服务于中国东部沿海城市群发展模式研究。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种核算城市群建筑物质存量及时空变化的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
一种核算城市群建筑物质存量的方法，包括：采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
本实施例利用夜间灯光遥感数据估算城市群元胞尺度建筑物质存量新方法的主要思路是：首先，基于夜间灯光数据识别并提取建成区元胞单元；其次，建立夜间灯光亮度与建筑物容积之间的数学模型；最后，结合物质使用强度系数利用“自下而上”的方法，核算中国东部沿海城市群的建筑物质存量，确定中国东部沿海城市群建筑物质存量规模和分布特征，并探究其时空变化特征。
步骤1：基于夜间灯光数据，使用“分水岭”方法识别并划分建成区元胞。
采用ArcGIS软件对夜间灯光遥感数据(经过相关的预处理的数据)进行独立建成区域形状单元的清晰圈定，而不是使用统一的空间网格；通过反转源夜间灯光亮度值，将其视为高程高低不一的“山峰”和“低谷”地形图，使用可以分析局部极小值和极大值的分水岭算法来绘制灯光亮度的“分水岭”，确定人类活动的局部中心，并以此来分割建成区单元，形成若干个元胞。
步骤2：统计元胞内的夜间灯光总亮度值和建筑物容积真实值，分析两者的内在关系，量化两者之间的关系，构建建筑物容积的估算模型，并检验模型性能。
首先，统计元胞内的夜间灯光总亮度值，以面积与亮度值的比值为依据将元胞进行分类集群，基于已知城市建筑轮廓GIS数据计算元胞内建筑物容积真实值，分析灯光亮度值与建筑物容积的内在关系，量化它们之间的经验关系，构建建筑物容积估算模型，可表示为：
VOLi＝ai×NTLi (1)
其中，VOLi表示第i个集群中元胞内的建筑物容积；ai表示第i个集群中元胞内夜间灯光总亮度值与建筑物容积的关系系数；NTLi表示第i个集群中元胞内的夜间灯光总亮度值。
其次，利用样本城市建筑物容积数据，对所建立的估算模型进行精度验证。
步骤3：基于物质使用强度系数和建筑物容积估算模型核算研究区的建筑物质存量。
首先，获取物质使用强度系数，再根据模型估算的建筑物容积核算建筑物质存量，核算公式可表示为：
Figure BDA0003584058390000051
其中，MSj，k，l表示元胞j中的建筑物质存量；k表示建筑类型(包括砖混结构或钢混结构)；l表示材料类型；VOLj表示元胞j内的建筑物容积，单位是m3；FH表示平均楼层高度，根据中国标准建筑要求，取3m；θk表示元胞j内砖混或钢混建筑体积占建筑总体积的比例；MIk，l表示材料l的物质使用强度系数，单位是kg/m2。
本发明采用现有技术中建立的基于楼层数的建筑类型区分方法：1-6层为砖混结构，7层及以上为钢筋混凝土结构。根据这种建筑物类型分类方法，在给定建筑物体积的情况下，先计算得到元胞中θk的真实值。不同集群的θk值为集群内元胞的θk真实值的平均值。物质使用强度系数，如表1所示。
表1校准后的平均物质使用强度系数(kg/m2)
建筑类型 水泥 钢铁 沙子 砂砾 木材 砖 总量
砖混结构 193.5 24.5 719 561.5 29 623 2150.5
钢混结构 328 77.5 619 815.5 26.5 125 1991.5
步骤4：分析研究区建筑物质存量的规模以及分布特征。
步骤5：利用长时序夜间灯光数据集生成东部沿海城市群建筑物质存量的时空数据集，分析建筑物质存量的年变化情况，揭示建筑物质存量时空变化特征，并提出合理的建筑资源回收建议。
经过实验核算，我国东部沿海三个城市群中，京津冀城市群在2000年的起始建筑物质存量最大，为40.22亿吨，高于长三角城市群和粤港澳大湾区(分别为24.62亿吨和28.47亿吨)；到2020年，长三角城市群的建筑物质存量达到了348.69亿吨，是京津冀城市群(165.39亿吨)和粤港澳大湾区(129.93亿吨)的两倍以上。总体上，2000-2010年，三个城市群的建筑物质存量呈稳定增长趋势，没有明显的差距；然而，2010-2020年，长三角城市群的建筑物质存量增长了3倍以上，与其他两个城市群的差距迅速扩大。
本发明通过将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征，能利用夜间灯光遥感数据估算城市群元胞尺度建筑物质存量，真实反映建成区的空间结构特征，反映城市内部形态。
基于长时序夜间灯光遥感数据(2000-2020)，利用本发明建立的城市元胞尺度建筑物质存量遥感核算方法，构建我国东部沿海城市群建筑物质存量的时空数据集，进而分析建筑物质存量的年变化情况，揭示建筑物质存量时空变化特征。
本发明以东部沿海城市群为对象，创新了基于夜间灯光的建成区单元分割方法，通过分水岭分割夜间灯光数据，生成的建成区元胞单元更符合建成区的空间结构特征，能更好地反应城市群的内部形态。本发明方法基于东部沿海城市群的夜间灯光总亮度值和建筑物容积，通过分析两者之间的经验关系，构建了能够直接利用夜间灯光估算城市元胞尺度建筑物容积的新模型，该模型简单易操作，比较容易在其他城市推广应用，能够促进城市群建筑物质存量估算的发展。
基于构建的建筑物容积估算模型和物质使用强度系数，本发明将构建中国东部沿海城市群建筑物质存量的卫星遥感产品，这些产品将提升对城市群建筑物质存量时空分布规律的科学认知，服务于中国东部沿海城市群发展模式研究。
实施例二：
基于实施例一所述的一种核算城市群建筑物质存量的方法，本实施例提供一种核算城市群建筑物质存量的系统，包括：数据采集模块，用于采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；建筑物容积获取模块，用于将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；建筑物质存量获取模块，用于根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
实施例三：
基于实施例一和实施例二，本实施例提供一种核算城市群建筑物质存量时空变化的方法，包括：采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；采用实施例一所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
实施例四：
基于实施例一～实施例三，本实施例提供一种核算城市群建筑物质存量时空变化的系统，包括：时序数据采集模块，用于采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；建筑物质存量时空变化模块，用于采用权利要求1～5任一项所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种核算城市群建筑物质存量的方法，其特征在于，包括：
采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；
将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；
根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
2.根据权利要求1所述的核算城市群建筑物质存量的方法，其特征在于，所述建筑物容积估算模型的构建方法，包括：
采集指定区域内的夜间灯光遥感数据，并划分为若干个元胞；
统计每个元胞内的夜间灯光总亮度值，以面积与亮度值的比值为依据将元胞进行分类集群；
根据已知城市建筑轮廓GIS数据，计算元胞内建筑物容积真实值；
根据每个元胞内的夜间灯光总亮度值和建筑物容积真实值构建建筑物容积估算模型并进行训练，获得精度满足要求的建筑物容积估算模型。
3.根据权利要求2所述的核算城市群建筑物质存量的方法，其特征在于，所述采集指定区域内的夜间灯光遥感数据，并划分为若干个元胞，具体为：采用ArcGIS软件对夜间灯光遥感数据进行独立建成区域形状单元的圈定，通过反转源夜间灯光亮度值，将其视为高程高低不一的“山峰”和“低谷”地形图，使用可以分析局部极小值和极大值的分水岭算法来绘制灯光亮度的“分水岭”，确定人类活动的局部中心，并以此来分割建成区单元，形成若干个元胞。
4.根据权利要求2所述的核算城市群建筑物质存量的方法，其特征在于，所述建筑物容积估算模型表示为：
VOLi＝ai×NTLi (I)
其中，VOLi表示第i个集群中元胞内的建筑物容积；ai表示第i个集群中元胞内夜间灯光总亮度值与建筑物容积的关系系数；NTLi表示第i个集群中元胞内的夜间灯光总亮度值。
5.根据权利要求1所述的核算城市群建筑物质存量的方法，其特征在于，通过以下公式，核算指定区域内的建筑物质存量：
Figure FDA0003584058380000021
其中，MSj，k，l表示元胞j中的建筑物质存量，k表示建筑类型，l表示材料类型，VOLj表示元胞j内的建筑物容积，FH表示平均楼层高度，θk表示元胞j内砖混或钢混建筑物容积占建筑物总容积的比例，MIk，l表示材料l的物质使用强度系数。
6.一种核算城市群建筑物质存量的系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集指定区域内的夜间灯光遥感数据；
建筑物容积获取模块，用于将采集的夜间灯光遥感数据输入构建的建筑物容积估算模型，输出建筑物容积的测量值；
建筑物质存量获取模块，用于根据物质使用强度系数和建筑物容积的测量值，核算指定区域内的建筑物质存量，用于分析指定区域内的建筑物质存量的规模以及分布特征。
7.一种核算城市群建筑物质存量时空变化的方法，其特征在于，包括：
采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；
采用权利要求1～5任一项所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
8.一种核算城市群建筑物质存量时空变化的系统，其特征在于，包括：
时序数据采集模块，用于采集设定时长的长时序夜间灯光遥感数据；
建筑物质存量时空变化模块，用于采用权利要求1～5任一项所述的核算城市群建筑物质存量的方法，获得设定时长的长时序夜间灯光遥感数据对应的指定区域内的建筑物质存量，生成建筑物质存量的时空数据集，用于分析建筑物质存量的变化情况、揭示建筑物质存量时空变化特征。
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