基于GDP數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)的鄭州市人口估算模型對比分析

何克福+李娟

摘要：城市的人口數(shù)據(jù)對一個城市的研究有著重要意義。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)研究城市人口的技術(shù)也越來越成熟。城市的人口增長與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系密切，經(jīng)濟的增長促使人口增長。

關(guān)鍵詞：GDP；夜間燈光數(shù)據(jù)；估算模型；對比分析；

1.引言

到目前，國內(nèi)外已有很多學者研究城市問題時使用了DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)。近年來我國的城市發(fā)展水平較快，經(jīng)濟發(fā)展相應加快，經(jīng)濟的發(fā)展影響城市的人口數(shù)量。

本文以鄭州市為例，利用統(tǒng)計年鑒上的GDP數(shù)據(jù)和GIS平臺提取的DMSP/OLS鄭州夜間燈光數(shù)據(jù)，結(jié)合鄭州市往年的人口社會統(tǒng)計資料，估算鄭州市2011年，2012年，2013年的人口數(shù)量，同時將2011年、2012年、2013年的估算人口進行人口空間化，并進行對比分析，得到相應的結(jié)論。

2.研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

（1）研究區(qū)域

鄭州市是河南省省會，國家重要的交通樞紐，中原經(jīng)濟區(qū)的核心城市。地處于黃河的下游、華北平原的南部

（2）數(shù)據(jù)來源

本文采用源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心的DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，該衛(wèi)星以一天14軌的速度飛行，每天都能獲取覆蓋全球黑夜和白天的圖像，整個衛(wèi)星系統(tǒng)一天能提供全球黎明、白天、黃昏和夜晚4個時間段的觀測數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)處理

燈光數(shù)據(jù)處理。首先是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的投影格式，將投影格式轉(zhuǎn)換為高斯克呂格投影，與行政區(qū)劃矢量圖保持一致。其二是夜間燈光數(shù)據(jù)亮度值的提取。首先，在GIS平臺ARCGIS的支持下，利用1：500萬全國市縣域圖提取鄭州市2000年到2010年間偶數(shù)年的夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，以及2011年到2013年的燈光遙感數(shù)據(jù)。

3.研究方法

（1）鄭州市DMSP與鄭州市人口的關(guān)系模型

在本次分析中，我們利用了鄭州市6年的人口數(shù)據(jù)和夜間燈光亮度值數(shù)據(jù)建立了線性模型?；貧w方程的形式為：yi=axi+b，其中xi代表2000年到2010年間偶數(shù)年大于等于最佳閾值的鄭州市夜間燈光灰度值總值，yi代表對應年份鄭州市的人口數(shù)，線性關(guān)系及參數(shù)如圖1所示。

可決系數(shù)R2表示鄭州市2000年到2010年間偶數(shù)年的DMSP亮度值總和與人口兩者之間的線性相關(guān)性，R2越接近1，說明實際觀測點離樣本線越近，擬合優(yōu)度越高。由圖1可以看出，鄭州市2000年到2010年間偶數(shù)年的夜間燈光亮度值和人口的可決系數(shù)為0.8722，說明兩者之間有較強的相關(guān)性，擬合優(yōu)度較高。

（2）鄭州市GDP與鄭州市人口的關(guān)系模型

利用鄭州市6年的GDP數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)建立了線性模型?；貧w方程的形式也為：yi=axi+b，在這里，xi代表鄭州市2000年到2010年間偶數(shù)年的GDP數(shù)據(jù)值，同樣，yi代表對應年份鄭州市的人口數(shù)，線性關(guān)系及參數(shù)如圖2所示。

同樣，我們由圖2可以看出，鄭州市2000年到2010年間偶數(shù)年的GDP值和人口的可決系數(shù)為0.9533，則兩者的相關(guān)性強，擬合優(yōu)度很高。

4.結(jié)果驗證及兩種模型對比分析

本文采用預測值的絕對誤差和相對誤差作為預測精度的衡量指標[3]，絕對誤差的計算公式如下：G絕=；相對誤差的計算公式：G相=（G絕/p）*100%。式中，P表示預測的人口數(shù)，p表示真實的人口數(shù)。從絕對誤差計算公式和相對誤差計算公式可以知道，預測值的絕對誤差與預測值的擬合度成反比關(guān)系；同樣，預測值的相對誤差與預測值的擬合度成反比關(guān)系。即預測值的相對誤差或絕對誤差越小，預測值的擬合度就越高，預測精度就越高。

4.1結(jié)果驗證

4.1.1基于夜間燈光數(shù)據(jù)的人口預測結(jié)果分析

將鄭州市2011年、2012年和2013年最佳閾值下的夜間燈光灰度總值分別帶入燈光數(shù)據(jù)與人口的線性方程y=21.838x+6E+06R2=0.8722中，得到鄭州市2011年、2012年和2013年的人口預測值，如表1。

由表1可以看出鄭州市的人口估算結(jié)果相對誤差和絕對誤差最大值都在12年，且相對誤差最大值為4.70%，絕對誤差最大值為431904人。由表我們就能直觀的得出為什么2012年的預測誤差會最大，原因在于2012年的燈光數(shù)據(jù)總值在減少，2013年的燈光數(shù)據(jù)總值高于前兩年的燈光數(shù)據(jù)總值，這可能是因為衛(wèi)星發(fā)生了改變導致獲取的數(shù)據(jù)有較大的誤差，從而使預測值產(chǎn)生最大誤差。

4.1.2基于GDP數(shù)據(jù)的人口預測結(jié)果分析

與4.1.1節(jié)相似，將鄭州市2011年、2012年和2013年的GDP數(shù)據(jù)分別帶入GDP數(shù)據(jù)與人口的線性方程y = 515.93x + 6E+06 R2 = 0.9533中，得到鄭州市2011年、2012年和2013年的人口預測值，如表2。

由表2可以看出，基于GDP值的鄭州市人口的估計較為精確，相對誤差最大值為1.85%，絕對誤差最大值為166697人。而2012年的絕對誤差和相對誤差達到了最小值，預測值基本和統(tǒng)計值接近，預測精度非常高。

4.2兩種模型對比分析

由上述一系列的對比說明我們可以得出，不管是在線性擬合上還是在預測精度方面，基于夜間燈光數(shù)據(jù)的擬合度和預測值的精確度都比不上基于GDP值的擬合度和預測值精確度。在擬合度方面，基于夜間燈光數(shù)據(jù)的可決系數(shù)R2=0.8722，而基于GDP值的可決系數(shù)R2=0.9533。在預測值精確度方面，由2011年到2013年，基于GDP值模型預測值的相對誤差都比基于夜間燈光數(shù)據(jù)模型預測值的相對誤差要小，基于GDP值的預測值比較穩(wěn)定，最大相對誤差為1.85%，而基于夜間燈光數(shù)據(jù)值的預測值相對不太穩(wěn)定，最大相對誤差為4.70%?？傮w而言，兩個模型的精確度都相對較高，基于夜間燈光數(shù)據(jù)的模型相對而言穩(wěn)定性低，產(chǎn)生的原因可能是因為衛(wèi)星本身的不穩(wěn)定性，導致獲取的燈光數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，從而使該模型產(chǎn)生的誤差相對較大。

5.結(jié)束語

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)在監(jiān)測人口等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)方面有較強的優(yōu)勢。但在人口監(jiān)測方面不止有燈光數(shù)據(jù)，GDP數(shù)據(jù)也是很好的數(shù)據(jù)選擇。在本文中，就是利用DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)分別建立一元線性關(guān)系，由線性回歸方程再預測鄭州市其他年份的人口。總體而言，基于燈光數(shù)據(jù)的模型和基于GDP數(shù)據(jù)的模型精度都較高，但基于GDP數(shù)據(jù)的模型精度要高于基于燈光數(shù)據(jù)的模型，表明在城市人口估算時，采用不同數(shù)據(jù)建立預測模型會得到更為精確的預測結(jié)果。河南省科技攻關(guān)項目（162102410066）。

參考文獻

[1]高倩，阿里木江·卡斯木.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的天山北坡城市群人口分布空間模擬，新疆師范大學a，地理科學與旅游學院，絲綢之路經(jīng)濟帶城市發(fā)展研究中心，烏魯木齊830054

[2]曹麗琴，李平湘，張良培.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的城市人口估算——以湖北省各縣市為例.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢430079

[3]雷能忠，王心源，蔣錦剛，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡插值的土壤全氮空間變異[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（11）：130-134