融合多源遥感数据的长株潭城市群碳排放时空差异分析_王孟杰.pdf

年第期 王 孟 杰，等：融 合 多 源 遥 感 数 据 的 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 时 空 差 异 分 析引 文 格 式：王 孟 杰，王 艳 军，李 少 春，等融 合 多 源 遥 感 数 据 的 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 时 空 差 异 分 析 测 绘 通 报，（）：-：-融合多源遥感数据的长株潭城市群碳排放时空差异分析王 孟 杰，王 艳 军，李 少 春，林 云 浩，滕菲，蔡 恒 藩，（湖 南 科 技 大 学 测 绘 遥 感 信 息 工 程 湖 南 省 重 点 实 验 室，湖 南 湘 潭；湖 南 科 技 大 学 地 理 空 间 信 息 技 术 国 家 地 方 联 合 工 程 实 验 室，湖 南 湘 潭；湖 南 科 技 大 学 地 球 科 学 与 空 间 信 息 工 程 学 院，湖 南 湘 潭）摘 要：碳 排 放 时 空 分 布 监 测 与 评 估 是 城 市 可 持 续 发 展 的 重 点 研 究 课 题 之 一。面 向 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 的 时 空 分 布 和 差 异 分 析，本 文 基 于-夜 间 灯 光 影 像 和 不 透 水 面 数 据，结 合 县 级 碳 排 放 数 据，构 建 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 估 算 模 型，并 定 量 分 析 了 长株 潭 城 市 群 碳 排 放 时 空 分 布 特 征 及 变 化 趋 势。结 果 表 明：不 透 水 面、夜 间 灯 光 均 值 和 总 值 数 据 能 够 反 映 长 株 潭 城 市 群 区 域 碳 排放 水 平；年 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 具 有 聚 集 性，主 要 分 布 在 长 株 潭 城 市 群 北 部 的 中 间 区 域，碳 排 放 区 域 逐 年 扩 大 但 强度 减 弱；年 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 变 化 趋 势 为 中 心 区 域 呈 现 负 增 长，城 市 扩 张 的 边 缘 区 域 承 接 了 部 分 碳 排 放 量。本 文融 合 多 源 遥 感 数 据 对年 长 株 潭 城 市 群 县 级 碳 排 放 进 行 估 算 与 监 测 分 析，揭 示 了 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 时 空 分 布 变 化 规律，可 为 该 区 域 碳 减 排 和 区 域 可 持 续 发 展 提 供 科 学 参 考。关 键 词：碳 排 放；-夜 间 灯 光 影 像；不 透 水 面 数 据；时 空 分 布 特 征；长 株 潭 城 市 群中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（-，；-，；，）：-，-，-，：-，-，-，-，-，：；-；-；-收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（；）；湖 南 省 自 然 科 学 基 金（；）；湖 南 省 科 技 计 划（；）；湖 南 省 研 究 生 科 研 创 新 项 目（）；湖 南 科 技 大 学 测 绘 遥 感 信 息 工 程 湖 南 省 重 点 实 验 室开 放 基 金（；）作 者 简 介：王 孟 杰（），男，硕 士 生，研 究 方 向 为 遥 感 数 据 处 理 与 地 理 建 模。-：通 信 作 者：王 艳 军。-：测绘通报年第期 近 年 来，由 人 类 社 会 快 速 发 展 导 致 的 大 量 能 源消 耗 碳 排 放 已 逐 渐 成 为 全 球 气 候 变 暖 的 主 要 原因。我 国 在 经 济 高 速 发 展 的 同 时 也 消 耗 了 严 重的 能 源，引 起 碳 排 放 量 急 剧 增 加，在年 已 成 为全 球 第 一 的 碳 排 放 国 家，由 此 导 致 了 严 重 的 生 态环 境 和 气 候 问 题，严 重 制 约 了 我 国 的 区 域 可 持 续 发展。同 时，我 国 也 勇 于 承 担 碳 减 排 责 任，提 出 了“双碳”战 略 目 标，即 碳 排 放 力 争 于年 达 到 峰 值，争 取年 实 现 碳 中 和。因 此 在 此 背 景 下，实 现 碳排 放 精 准 监 测 和 评 估 尤 为 关 键。长 时 序 大 范 围 碳 排 放 的 精 准 监 测 一 直 是 碳 排放 相 关 研 究 的 重 点 内 容 之 一。夜 间 灯 光 影 像 能 够有 效 地 反 映 人 类 社 会 活 动 的 强 度，提 供 人 类 生 产 生活 的 空 间 细 节，已 有 较 多 研 究 将 夜 间 灯 光 影 像 运用 于 社 会 经 济 监 测-、城 市 扩 张 演 化及 生 态 环境 监 测。其 中，在 碳 排 放 估 算 及 空 间 化 方 面 的 相关 研 究 中，夜 间 灯 光 影 像 已 成 为 重 要 的 数 据 源。目前 已 有 较 多 的 研 究 表 明，夜 间 灯 光 影 像 包 含 的 信 息与 碳 排 放 具 有 较 高 的 相 关 性，能 够 反 映 区 域 碳 排 放水 平-，如 文 献 利 用-夜 间 灯 光 影像 与 区 域 碳 排 放 量 进 行 回 归 分 析，反 演 出 栅 格 的 碳 排 放 量，并 分 析 了 其 在 地 级 市 尺 度 上的 时 空 变 化；文 献 基 于-夜 间 灯 光 影像 实 现 了年 以 市 级 为 基 础 单 元 的 中 国碳 排 放 估 算；文 献 利 用-与-两 种 夜 间 灯 光 影 像 数 据 集 估 算 了年 黄 河 流 域 能 源 消 费 碳 排 放，并 分 析 其 时 空 变化 特 征。但 当 前 部 分 研 究 只 提 取 了 夜 间 灯 光 总 值代 表 夜 间 灯 光 影 像，与 碳 排 放 构 建 估 算 模 型，无 法更 全 面 地 反 映 夜 间 灯 光 影 像 信 息。此 外，不 透 水 面是 能 源 消 耗 碳 排 放 的 主 要 空 间 区 域，因 此 不 透 水 面夜 间 灯 光 影 像 应 是 碳 排 放 监 测 重 点 研 究 的 数 据 源，而 且 相 关 研 究 的 碳 排 放 空 间 化 处 理 还 较 粗 略。针 对 上 述 夜 间 灯 光 影 像 用 于 碳 排 放 监 测 存 在的 不 足，本 文 选 择、和年 长 株 潭 城 市群 的 夜 间 灯 光 影 像 和 不 透 水 面 数 据，设 计 并 构 建 长株 潭 城 市 群 碳 排 放 定 量 估 算 模 型，以 分 析 长 株 潭 城市 群 的 碳 排 放 时 空 分 布 差 异 特 征。研 究 区 域 与 数 据.研究区域长 株 潭 城 市 群 位 于 湖 南 省 中 东，包 括 长 沙、株洲、湘 潭 三 市，属 于 中 亚 热 带 季 风 气 候，四 季 分 明，冬 寒 期 短，夏 热 期 长，降 水 丰 沛。作 为 湖 南 省 经 济发 展 的 核 心 增 长 极，长 株 潭 城 市 群 在 实 现 社 会 经 济快 速 发 展 的 同 时，也 存 在 着 较 严 重 的 生 态 环 境 问题，随 着 城 市 群 产 业 的 快 速 发 展，逐 年 增 长 的 城 市群 碳 排 放 量 不 利 于 城 市 群 的 可 持 续 发 展，也 影 响 着人 们 的 日 常 出 行。因 此，本 文 选 择 长 株 潭 城 市 群 基于 夜 间 灯 光 影 像 和 不 透 水 面 数 据 的 碳 排 放 进 行 监测 分 析。.数据源本 文 数 据 包 括 长 株 潭 城 市 群、和年-夜 间 灯 光 影 像、不 透 水 面 数 据、碳 排 放 数 据。（）-夜 间 灯 光 影 像 数 据 集 来 源 于（）。利 用 无 云 的 月度 平 均 辐 射 夜 间 灯 光 影 像 制 作 了 长 时 序 年 度 全 球-夜 间 灯 光 影 像，空 间 分 辨 率 为。该 数 据 集 消 除 了 月 光、云、生 物 质 燃 烧、极 光 及 背景 噪 音 的 影 响，能 够 有 效 监 测 地 面 夜 间 灯 光 情况。年 长 株 潭 城 市 群 夜 间 灯 光 影 像 如图（）所 示。（）不 透 水 面 数 据 来 源 于 文 献 制 作 的 长时 序 年 度 全 球 不 透 水 面 产 品，其 利 用 分 辨 率的影 像 制 作 出年 的 全 球 年 度不 透 水 面 产 品，空 间 分 辨 率 为。该 数 据 能 够有 效 准 确 地 反 映 地 表 不 透 水 面 的 时 空 变 化。年 长 株 潭 城 市 群 不 透 水 面 变 化 情 况 如图（）所 示。（）碳 排 放 数 据 来 源 于 中 国 碳 核 算 数 据 库（），为 县 级 尺 度 的 碳 排 放 数 据，本 文 使 用、和年 长 株 潭 城 市 群个 区 县 的 碳排 放 数 据 作 为 实 际 碳 排 放 量。年第期 王 孟 杰，等：融 合 多 源 遥 感 数 据 的 长 株 潭 城 市 群 碳 排 放 时 空 差 异 分 析图试 验 数 据 源研 究 方 法.碳排放估算模型夜 间 灯 光 能 够 有 效 地 反 映 人 类 社 会 活 动 强 度，提 供 人 类 活 动 细 节。其 中，已 有 较 多 研 究 表 明，夜间 灯 光 与 碳 排 放 具 有 较 高 的 线 性 相 关，能 以 较 高 精度 估 算 区 域 碳 排 放。本 文 利 用 夜 间 灯 光 影 像 数 据估 算 长 株 潭 县 级 碳 排 放，为 了 更 全 面 地 反 映 夜 间 灯光 情 况，分 别 选 取 基 于 行 政 区 县 单 元 和 不 透 水 面 区块 的 夜 间 灯 光 均 值 和 总 值 信 息，在 构 建 夜 间 灯 光 总值 与 长 株 潭 县 级 碳 排 放 线 性 估 算 模 型的 基 础 上，加 入 夜 间 灯 光 均 值 以 构 建 长 株 潭 县 级 碳 排 放 线 性估 算 模 型。两 种 估 算 模 型 分 别 为（）（）（）（）式 中，（）为 区 县的 估 算 碳 排 放 量；为 夜 间 灯 光总 值；为 夜 间 灯 光 均 值；和为 模 型 回 归 系 数；为 模 型 的 常 数 项。在 未 确 定 碳 排 放 估 算 模 型 的 情 况 下，机 器 学 习方 法 能 够 分 析 和 提 取 已 知 数 据 集 中 的 关 键 特 征 信息，启 发 搜 索 数 据 之 间 的 复 杂 相 关 关 系，通 过 大 量样 本 反 复 训 练 和 验 证 以 便 于 精 准 地 模 拟 和 预 测，从而 构 建 碳 排 放 机 器 学 习 估 算 模 型。本 文 基 于 已 有的 长 株 潭 县 级 的 夜 间 灯 光 影 像 数 据 与 碳 排 放 数 据，分 别 构 建 回 归 树 模 型、支 持 向 量 机 模 型、随 机森 林 模 型和 高 斯 过 程 回 归 模 型种 碳 排 放 机 器学 习 估 算 模 型。对种 碳 排 放 机 器 学 习 估 算 模 型 进 行 多 次 样 本训 练，采 用 五 折 交 叉 验 证 方 法 进 行 模 型 精 度 检 验，最 终 确 定 了种 碳 排 放 机 器 学 习 估 算 模 型 具 有 最 高拟 合 优 度 时 的 模 型 参 数。机 器 学 习 估 算 模 型 重 要参 数 见 表。表机 器 学 习 估 算 模 型 重 要 参 数机 器 学 习 模 型 参 数 类 型参 数 值不 透 水 面 区 县回 归 树 模 型最 小 叶大 小支 持 向 量 机 模 型核 函 数三 次 核函 数线 性 核函 数随 机 森 林 模 型核 函 数高 斯 过 程 回 归 模 型最 小 叶大 小指 数 核函 数指 数 核函 数.碳排放空间化根 据 估 算 模 型 计 算 得 到 的 碳 排 放 量 与 实 际碳 排 放 量 存 在 一 定 误 差，结 合 估 算 模 型 结 果 的 空间 化 进 行 县 级 碳 排 放 的 格 网 化 修 正，以 确 保 县 级尺 度 的