基于DMSP/OLS夜间灯光数据的东三省城市人口估算及精度分析
郭晓莹，唐雨竹
（辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连116029）
摘要： 我国是人口大国，随着经济的快速发展，人口问题也逐渐显著。人口的研究对于生态环境的可持续发展、城市的未来发展规划具有重要意义。鉴于此，本文以东三省为例，基于DMSP/OLS夜间灯光数据和2010年六普人口数据，通过构建一种对人口进行空间化模拟的数学模型来模拟东三省各市人口，并进行精度分析。结果表明，本文所采用的数学模型能够较为精确的模拟出东三省大部分城市人口数，但对于个别特殊城市人口模拟误差略大，因此，在进行模拟时针对结果准确的城市可直接使用本文模型，对于特殊城市应相应进行参数调整。
关键词： 夜间灯光数据；城市人口；精度
引言
人口与经济是我国发展的两个重要因素，作为人口大国与经济强国，在发展经济的同时不可忽视人口对我国发展带来的负面影响。近年来，人口发展与生态环境保护之间的矛盾随着我国人口数量的逐年增长变得愈发显著[1]。我国人口统计的主要方式是人口普查，其目的是查清我国人口在数量、结构与空间分布、居住环境等方面特征。然而，人口普查存在耗时较长、工作量大、效率较低等缺点[2]。并且，人口普查数据终为一串抽象数字，无法更加直观的体现出人口的空间分布等空间信息。因此，找到更加便捷、高效的人口数量与分布的获取方法成为亟待解决的问题之一。近年来，包括RS与GIS在内的3S技术迅速发展，已经被应用到我们生活的各个领域。其中夜间灯光数据因时间分辨率高，获取方法便捷等优点得到广泛关注，为城市人口的研究提供了有效途径。因此，利用夜间灯光数据对我国人口在空间与时间尺度上进行科学准确的模拟分析以及对研究和解决我国发展中遇到的问题具有重要意义。
Song[3]等人提出了Monte Carlo Simulation（VANUIMCS）支持的动态模型VANUI，结合辽宁省的乡县人口数据，绘制了辽宁省人口分布图，提高了人口分布图绘制的准确性。Bagan[4]等人通过调查人口密度，夜间灯光数据和城市面积数据发现城市面积与人口密度成极其显著的正相关，并结合土地利用数据和夜间灯光数据对北海道地区的人口密度进行预测。李欣欣、王利[5]等人以大连市金普新区为例，对比基于土地利用数据和NPP/VIIRS夜间灯光数据对人口进行模拟的误差，研究发现，NPP/VIIRS夜间灯光数据对人口的模拟较准确。高义、王辉[6]等人使用人口普查数据和夜间灯光数据通过反演得到了两个空间尺度的人口格网数据并进行精度评价，发现NPP/VIIRS夜间灯光数据的反演精度高于DMSP/OLS数据。
以上研究多是对夜间灯光数据与人口的相关关系进行研究，鲜有研究模拟出具体的人口数值。本文以东三省为研究区，基于DMSP/OLS夜间灯光数据与2010年第六次人口普查结果数据，通过构建空间化人口数量模拟模型，对东三省各市县人口进行空间化模拟估算。结果表明，本文空间化人口数量模拟模型可以对城市及各区县人口数量以及人口空间化分布进行有效模拟，可为今后人口普查数据结果与人口数量空间化模拟提供科学依据，对人口管理和城市发展规划具有重要的理论和实践意义。
1 研究区概况
东三省包括辽宁省、吉林省和黑龙江省，大体属于温带季风性气候，东三省土地肥沃，有丰富的矿产资源，总面积约78.73万平方公里。第六次人口普查数据显示，2010年东三省总人口约1.095亿人，占全国总人口的8.22%。其中辽宁省4374.6万人，吉林省2745.3万人，黑龙江省3831.4万人。在第七次人口普查结果公布之际，研究东三省的人口空间分布对未来对比东三省十年来的发展和未来规划具有重要意义。
喷混植生技术在当前岩石边坡生态治理中起着无以替代的作用，但是现在国内所掌握的喷混植生技术还不完善，有许多技术难题需要攻关。主要是：
2 数据及预处理
2.1 数据源
ε为人口模拟的误差，pops为模拟人口，popr为真实人口。
以六普数据为基准，对模拟得到的人口进行精度检验（式 2）：
表1 数据来源与说明
2.2 数据预处理
pops为某市模拟人口，popp为全省总人口，DNI*AreaI为全省的夜间灯光数据与对应面积的乘积，DNi*Areai为某市夜间灯光数据与对应面积的乘积。
按照夜间灯光值越大，人口越多的原则，利用六普人口数据与夜间灯光数据对东三省各市的人口进行模拟（式1），得到按像元大小分配的模拟人口数量：
3 研究方法
3.1 基于夜间灯光数据的人口模拟
2.2.2 建立市级数据空间数据库。利用ArcGIS中的ModelBuilder工具提取省级数据与市级数据后，对市级数据批量添加字段区域面积（AREA），真实人口（POP），模拟人口数（STIU），DN 值（DN），和像元数（COUNT）。其中模拟人口数为DN值、像元数和区域面积按数学模型计算分配生成。
2.2.1 对影像进行裁剪。对DMSP/OLS数据按照东北三省进行掩膜提取，分别提取省级数据（3个）与市级数据（36个）。
总之，网络民主的兴起很大程度上源于一种对现实政治生活的补偿效应。高唱凯歌的网络参与不仅使得我国网络民主呈现出一派风生水起的热闹景象，同时也在悄无声息地改变着我国的政治生态。在这个过程中，如何对网络民主加以妥善的引导和积极地运用，同时防止诸如多数人暴政和个别政治投机者别有用心的幕后操纵，使之更好地与现有政治体系有效对接，需要我国政府和学者们进一步的实践和研究来作出回答。
3.2 模拟人口的精度检验
如图3所示，与对照组比较，TGF组OD值显著升高，差异有统计学意义(P＜0.01);与TGF组比较，Tβ4中剂量组及高剂量组HLFs细胞OD值显著降低，差异有统计学意义(P＜0.01)。
本文所用到的数据包括第六次人口普查数据、2010年DMSP/OLS夜间灯光数据和东三省的市级行政区划数据（表1）。
4 结果分析
4.1 东三省的人口空间分布特征
东三省2010年真实人口和模拟人口分布如图所示（图1、图2），图中每个点代表一万人，点数密集的区域人口密度就越大。从图1可以看出，东三省人口主要集中在辽宁省的沈阳市、大连市和营口市，吉林省的长春市和黑龙江省的哈尔滨市。对比两图可以发现，基于DMSP/OLS夜间灯光数据模拟东三省人口的结果大体能够反映真实人口分布特征。
在劳动号子的引领之下，钢琴的左手是一个强而有力的固定节奏，右手部分有一个二声部的旋律，都是劳动节律的呈现。
图1 真实人口
图2 模拟人口
4.2 人口模拟模型的精度分析
人口模拟结果如图3和表2所示，结果表明，模拟人口绝对误差最大的三个城市分别为：长春、吉林、哈尔滨，误差分别为487.73万人、343.66万人、313万人。模拟人口误差最小的三个城市为抚顺、白山、辽源，误差分别为0.53万人、3.64万人、6.07万人。相对误差最大的四个城市分别为盘锦、双鸭山、吉林和大庆，最小的四个城市为抚顺、白山、松原和四平。结合绝对误差与相对误差较大的几个城市进行分析，发现盘锦与大庆在利用灯光指数模拟人口数时，由于盘锦与大庆存在油田或采矿区域，获取到的DMSP/OLS夜间灯光数据较大，因此在分配人口时产生了模拟值与实际值不符合的情况。结合模型与结果分析发现，若模拟区域中某些城市存在除人口外其他影响灯光指数的因子，将会对整个研究区的结果精度造成较大影响。因此，在进行模拟时针对结果准确的城市可直接使用本文模型，对于特殊城市应相应进行参数调整。
表2 东三省市级真实人口与模拟人口对比
图3 东三省人口模拟分级误差
5 结论
本文基于DMSP/OLS夜间灯光数据，通过构建数学模型，整体实现了对东三省的人口进行空间化模拟的目标。并以第六次人口普查数据为参考标准，确定各市的人口模拟误差，结合东三省的自然、人文因素对误差进行分析，得到了本文人口模拟模型的适用区，为未来对相应区域进行人口研究和数据分析提供了新的思路和方法，降低了获取区域人口数的困难程度。然而，本文研究使用的是DMSP/OLS夜间灯光数据，该数据的过饱和现象可能会对模拟结果产生影响。此外，本文研究没有考虑地理因子的影响，未来可以结合土地利用数据等影响因子进行人口模拟，进一步提高人口空间化的精度。
参考文献：
[1]曹丽琴，李平湘，张良培.基于DMSP/OLS夜间灯光数据的城市人口估算——以湖北省各县市为例.GIS技术.
[2]胡云峰，赵冠华，张千力.基于夜间灯光与LUC数据的川渝地区人口空间化研究.地球信息科学.
[3]GuobaoSong,MeiqiYu,Suling Liu,et al.A dynamic model for population mapping:a methodology integrating a Monte Carlo simulation with vegetation-adjusted night-time lightimages[J].International Journal of Remote Sensing,2015,36(15):4054-4068.
[4]Bagan,Hasi,Yamagata,et al.Analysis of urban growth and estimating population density using satellite images of nighttime lights and land-use and population data[J].GIScience&remote sensing,2015,52(6):765-780.
[5]李欣欣，王利，何飞.基于NPP/VIIRS夜间灯光数据和土地利用数据的人口分布图绘制——以大连金普新区为例[J].遥感信息，2018，33（04）：35-41.
[6]高义，王辉，王培涛，等.基于人口普查与多源夜间灯光数据的海岸带人口空间化分析 [J].资源科学，2013，35（12）：2517-2523.
Urban population estimation and accuracy analysis of Three Northeastern Provinces based on DMSP/OLS night light data
GUO Xiao-ying et al
(School of Urban and Environment,Liaoning Normal University,Liaoning Dalian 116029,China)
Abstract: Chinais a country with a large population.With the rapid paceof the economy development,the population problem has also become more prominent.The study of population is of great significance to the sustainable development of the ecological environment and the future development of the city.In view of this,taking the Three Northeastern Provinces as an example,based on the DMSP/OLS nighttime lighting data and the 6th population data in 2010,the population of each city in thethree northeastern provinces is simulated by constructing a mathematical model for spatial simulation of the population,and the accuracy analysis is carried out.The results show that the mathematical model used in this paper can accurately simulate the population of most of cities in the Three Northeastern Provinces,but the simulation error is slightly larger for individual special cities.Therefore,the model can be directly used for the cities with accurate results when conducting simulations.For special cities,the parameters should be adjusted its accordingly.
Key words: Nighttime lighting data;Urban population;Accuracy
中图分类号： TP79；P208
文献标识码： A
文章编号： 1003-7853（2019）04-0044-03
作者简介： 郭晓莹，辽宁师范大学城市与环境学院。
（2019-05-29收稿 刘晓佳编辑）
标签：夜间灯光数据论文; 城市人口论文; 精度论文; 辽宁师范大学城市与环境学院论文;