基于DMSP/OLS夜間燈光數據的陜西省城鎮用地擴展研究

羅佳麗,楊海娟,徐納,李夢,李姣姣

西北大學城市與環境學院,陜西西安710127

基于DMSP/OLS夜間燈光數據的陜西省城鎮用地擴展研究

羅佳麗,楊海娟*,徐納,李夢,李姣姣

西北大學城市與環境學院,陜西西安710127

本文以陜西省10個地市和楊凌示范區為研究對象，選擇2000～2013年DMSP/OLS夜間燈光數據，利用ArcGIS軟件，從時空尺度、空間格局和擴張類型3個方面的統計數據，分析近14年陜西省城鎮14個時期城鎮用地情況。結果表明，從2000～2013年陜西省城鎮用地面積持續增長，且表現出隨時間的推移加速增長的態勢；2000～2013年間陜西省在城鎮化過程中出現眾多新興小城鎮，但是原有城鎮面積的擴張是該時期的城鎮用地面積增加的主導因素；各市（區）提取閾值的變化具有一定的規律性，可以反映出城鎮擴張的類型。

DMSP/OLS數據;城鎮擴展;陜西

城市是人類文明發展的重要標志，改革開放以來中國各地掀起了城鎮化熱潮。有學者預測中國城鎮化水平在2020年可能會達到55～58%，2035～2040年有可能超過70%。可見，在未來很長一段時期，中國城鎮化將保持持續快速發展的勢頭[1,2]。伴隨著城鎮化進程的不斷推進，城鎮用地在不斷增加，耕地資源減少、環境惡化、交通擁堵等問題也日漸突出，因此研究城鎮用地的時空演變規律，對于確定城鎮用地的合理分布，避免城鎮用地的盲目擴張，實現區域的可持續發展具有重要意義[3]。

20世紀90年代開始，美國軍事氣象衛星(DMSP)搭載的傳感器(OLS)獲取的夜間燈光數據在國內外學術界得到了廣泛使用，成為了一種監測城市化過程的一種新的有效的數據源。目前利用DMSP/OLS夜間燈光數據提取城鎮用地信息的方法主要有以下4種：①統計數據法[4]，即以國家發布的統計數據作為參考，設定不同的閾值直到閾值范圍內的城鎮用地面積與統計數據充分接近為止，此方法操作簡便易行，目前使用最為廣泛；②經驗閾值法[5]，根據歷史經驗人為主觀地設定一個提取閾值，以此閾值提取城鎮用地，該方法的提取效果隨研究區的不同差異較大。③突變檢測法[6]，該種方法適用于只有一個中心城區的區域城鎮用地信息的提取，基于城鎮的邊界為完整的多邊形這一假設，以在改變閾值過程中城鎮用地面積出現突變的值作為提取閾值。④高分辨率影像數據比較法[7]，一般有與Landsat TM/ETM+圖像比較和與Google Earth高分辨率影像比較兩種方法，通過與高分辨率的影像對比提取城鎮用地可以有效提高提取精度，并能夠反映真實的城鎮用地信息，但是對于大尺度的研究來講，此方法處理效率較低，數據成本太大。

本文以DMSP/OLS夜間燈光數據為數據源，利用統計數據法提取2000～2013年城鎮用地信息，從時空尺度、空間格局和擴張類型3方面實證分析2000～2013年間陜西省10個地市和1個農業示范區城鎮用地擴展的時空演變規律和形態演變過程，以期揭示全省及各市城鎮用地的擴展規律，更準確地把握各個城市未來發展趨勢，為優化城市用地分布，提高城鎮用地效率等相關決策的制定及實施提供借鑒。

1 研究區及數據預處理

1.1 研究區概況

陜西省地處我國內陸腹地黃河中游，位于105°29′～111°15′E、31°42′～39°35′N之間，全省總面積20.56萬km2。從北至南分為陜北高原、關中平原、秦巴山地三大自然區，全省有10個地級市，3個縣級市，81個縣，23個市轄區。2014年末，全省常住人口3775.12萬人，城鎮常住人口1984.58萬人，城鎮化率52.57%。

1.2 數據來源

1.2.1 遙感數據數據來源于美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）網站提供的14個年份的DMSP/OLS非輻射定標的夜間平均燈光強度數據，空間分辨率為1 km，灰度（DN）值范圍為0～63。該數據有以下優勢：①DMSP/OLS影像分辨率通常在1 km左右，影像數據量遠小于TM數據，因此尤其適用于中、大尺度的城鎮擴展研究；②DMSP/OLS傳感器能探測到城鎮燈光發出的電磁波，能清晰識別有人類活動的地方，這在城鎮用地信息提取中具有極大的優勢。

1.2.2 統計數據所有人口、經濟、城鎮用地面積等數據來源于《中國城市統計年鑒》、《陜西省統計年鑒》和《陜西省土地利用現狀數據集》。

1.2.3 輔助數據陜西省各市（區）行政邊界及主要道路矢量圖。

2.3 數據預處理

采用2000～2013年14個年份的全球DMSP/OLS非輻射定標夜間燈光平均強度數據。首先將數據從原始的地理經緯度坐標轉為Lambert Conformal Conic（WGS84基準面），重采樣為1 km，其次用陜西省矢量地圖對各年份數據進行裁剪，得到陜西省各年份DMSP/OLS夜間燈光數據。根據夜間燈光影像的變化特點及規律，參考鄒進貴等人的研究成果，對夜間燈光影像進行多年度之間的校正[8]。

3 研究方法

3.1 燈光閾值的確定與城鎮用地提取

根據DMSP/OLS夜間燈光數據的特點，燈光強度（DN值）越高的地方，城鎮用地的可能性就越大。借鑒基于統計數據提取城市用地的方法[9,10]，以獨立地市行政邊界為單位提取城鎮用地，以改進統計數據提取法在提取小尺度區域的空間信息時誤差較大的不足。分別對各市設定不同的閾值，利用ArcGIS 10軟件的重分類功能提取各市的城鎮用地，對比統計數據中的城鎮用地面積數據直到與其接近為止(圖1)。圖1中DNT為夜間燈光數據的閾值；S(DNT)為大于閾值的燈光斑塊面積；?S(DNT)為提取數據與統計數據（Area）差值的絕對值；DNmax為閾值的最大值，DNmin為最小值。

圖1 燈光閾值確定流程Fig.1 The flow chart for determining the threshold value

3.2 時空尺度

3.2.1 擴展速度擴展速度是單位時間內城鎮用地擴展面積與基期城鎮用地面積的比值，表征城鎮用地的年增長速度，反映城鎮用地擴展的快慢。計算公式為：

式(1)中，W為擴展速度；A為初期城鎮用地總面積；ΔA為城鎮用地擴展面積；Δt為時間間隔。

3.2.2 擴展強度擴展強度是單位面積土地和單位時間內的城鎮用地擴展面積，反映城鎮用地擴展的強弱，其計算公式為：

式(2)中，I為城市擴展強度指數；TA為土地總面積。

3.2.3 擴展形態指數擴展形態指數指一定時期內城鎮用地面積的年增長率與上一個時期年增長率的比值，本文利用擴展速度表征城鎮用地的擴展模式。計算公式為：

式(3)中，Wt2～t3表示t2～t3時期內的擴展速度，Wt1～t2表示t1～t2時期內的擴展速度，當U＞1時，為加速型城鎮用地擴展模式，0＜U＜1時為減速型城鎮用地擴展模式，U=1時為勻速型城鎮用地擴展模式。

3.3 空間格局

利用景觀分析軟件Fragstats4.1，對通過DMSP/OLS夜間燈光數據提取的陜西省2000～2013年城鎮建設用地的景觀形態進行定量研究。由于現有的景觀格局指數數量多且大部分空間指數相關性強[11,12]，為了既能反映陜西省城鎮建設用地的景觀格局特征，又不使冗余度過大，選取包括斑塊數量(Number of Patches,NP)、景觀總面積(Total Area,TA)、平均斑塊大小(Mean Patch Size，MPS)、景觀形狀指數(Landscape Shape Index，LSI)、連接度指數(Patch Cohesion Index，COHESION)、聚合度指數(Aggregation Index，AI)、最大斑塊指數(Largest Patch Index，LPI)7個典型景觀格局指標。

4 結果與分析

4.1 城鎮用地提取結果及精度評價

4.1.1 定性分析相較中國特別是東部沿海地區來說，2000～2013年陜西省的燈光影像均表現出斑塊數量少且亮度低，但從年際變化來看，陜西省的燈光亮度值逐年增加且不斷向外蔓延。由圖2可以看出，DMSP/OLS數據能夠較好地表達城鎮的形態和輪廓信息，城市中心燈光的亮度值較大，外圍區域亮度值較小。對于單個地市而言，表現為以主城區為中心的面狀擴展形態，對于全省整體而言，表現為沿交通干線線性擴張。總體來說，陜西省燈光斑塊以西安市為中心、以國道主干線和西部大通道為骨架、省內連接11個市（區）、省外貫通東西的“米”字型高速公路網延展，縣級區域亦可清晰判讀，隨時間推移燈光覆蓋區域向外擴展現象明顯。

圖2 2000、2007、2013年陜西省夜間燈光影像Fig.2 The night light images in Shaanxi Province in the year 2000,2007 and 2013

4.1.2 定量分析選擇2000年、2004年、2008年和2013年4個年度的城鎮用地提取結果進行驗證（如表1），結果顯示，利用4個年份的燈光影像提取到的各市（區）城鎮用地面積與其統計值之間的相對誤差絕對值，除2000年安康市以外，基本都控制在10%以內，說明利用DMSP/OLS燈光圖像提取的陜西省各市（區）的城鎮空間信息具有一定的可信性，可以在此基礎上進一步進行區域城鎮擴展空間過程的研究。

表1 不同年份DMSP/OLS數據最佳閾值與城鎮用地面積估算值及對比Table 1 The optimal threshold of DMSP/OLS data in different years and the estimation of the urban area

4.2 城鎮用地擴張的時空特征

表2 2000～2013年陜西省11個地市（區）城鎮擴展情況Table 2 The urban expansion of 11 cities in Shannxi from the year 2000 to 2013

分別提取2000、2004、2008和2013年4個年度陜西省11個地市（區）的城鎮用地空間分布的柵格數據，并將用地擴展結果疊加（圖3），結合表2分析各分區城鎮用地的時空變化情況。

隨著西部大開發、關中-天水經濟區、“一帶一路”戰略的實施，陜西省被賦予了關鍵性角色，“兩環三縱七橫六輻射”高速公路網、西安咸陽國際機場等都成為陜西發展的硬件支撐，憑借得天獨厚的區位和資源優勢，近年來陜西省城鎮化進程逐步加快，這些都直接促使建設投入的增加和城鎮用地的擴展。從全省城鎮用地變化來看，陜西省的城鎮用地面積從2000年的659 km2增加到2013年的2306 km2，增長了約1.5倍。從三個區域城鎮用地變化來看，2000～2013年關中地區的城鎮擴展最明顯，城鎮用地面積增長量占到了全省的66%，陜北地區的城鎮用地面積增長幅度最大，14年間增長了約2.6倍，而陜南地區的城鎮用地面積無論是增長幅度還是增長量均為最低，14年間僅增長了197 km2。

統計數據顯示2008～2009年僅1年時間全省城鎮用地面積增長了近1倍，查閱相關資料分析可能是由于2009年進行了第二次全國土地調查，這一年城鎮用地面積的變化既有當年實際增加所致，也有兩次土地調查數據的差異，所以該時期的城鎮用地擴展將不予分析。

分析年際變化，第1個時段（2000～2004年）陜西省的城鎮用地擴展主要集中在以西安為中心的關中城市群，到第2（2005～2008年）、3（2009～2013年）兩個時段陜北地區城鎮擴展速度明顯加快甚至超過關中地區。結合該地區的實際發展狀況可知，2005～2013年是陜北地區的石油和煤炭工業快速發展期，建設項目數量增加的同時城市設施也在不斷完善，引起了該地區城鎮用地面積的大幅度增加；“十一五”期間，關中城市群經歷了一個快速發展期，相比2000年前后，該時期西安的帶動和輻射作用明顯增強，基礎設施尤其是交通的改善有力地推動了區域經濟的發展，因此在2、3兩個時段關中地區新增建設用地量出現井噴式增長，表2結果顯示，關中地區在第2、3兩個時段的擴展強度分別是第1個時段的2.1和13.7倍；陜南地區在1、2兩個時段均呈低強度擴展的態勢，但到第3個時段，城鎮擴展速度迅速加快，這主要是由于該時期陜南地區的移民搬遷工程及重點示范鎮建設所引起的城鎮用地需求的增加。

圖3 2000～2013年陜西省城鎮用地空間擴張示意圖Fig.3 Map of urban land expansion in Shaanxi from 2000 to 2013

4.3 城鎮用地擴張的景觀形態特征

城市斑塊數目NP和景觀形狀指數LSI表征城鎮擴展的程度。NP值可反映整個景觀的異質性，NP值越大景觀破碎度越高，反之破碎度低，LSI表征城鎮用地形態的復雜度。2000～2008年斑塊數量和景觀形狀指數均有所波動但總體持平，表明這一時段陜西省的城鎮斑塊趨于成片連通，城鎮用地趨于緊湊。2009年之后NP值和LSI值緩慢增長，表明該時期出現了一些新興城鎮。2000～2013年城鎮總面積TA和平均斑塊面積MPS值持續增加，14年間陜西省城鎮用地面積的年均增長速率約為17.22%，該數值要快于新興城鎮斑塊的增長速率（9.17%），以上結果表明2000～2013年間的陜西省的城鎮化過程總體處于快速發展狀態，出現眾多新興小城鎮，但是原有城鎮面積的擴張是該時期的城鎮用地面積增加的主導因素。最大斑塊指數（LPI）是最大斑塊面積占斑塊總面積的比例，能表征區域城鎮首位度。14年間陜西省的LPI值呈波動上升趨勢，而西安市是本區域面積最大的城市，這也充分說明近年來西安市的經濟地位的日趨重要以及輻射周邊城鎮的能力日益凸顯。連通性指數（COHESION）和聚集度指數（AI）表征城鎮的一體化程度，2000～2013年間這兩個指數總體上呈上升趨勢，表明城鎮用地斑塊在逐漸積聚，景觀連接度在提高，城鎮分布更集中。

4.4 城鎮用地擴張類型

基于DMSP/OLS數據特點，像元燈光強度隨時間的變化在一定程度上可以反映其所在區域開發利用強度的變化過程，因此可以根據城市像元燈光強度的時間變化來識別不同的城鎮用地主導擴展類型[13]。基本思路是：當提取閾值隨時間推移不斷增加時，為填充增強主導擴展類型，反之為外延主導擴展類型。

根據閾值提取結果，2000～2004年間陜西省各市（區）的城鎮用地提取閾值基本上都呈不同程度的上升趨勢，表明該時期為填充增強主導型擴展；2005年關中地區率先轉向外延性擴展，陜北陜南仍以填充型擴展為主；2009～2013年，11個地市（區）的DNT值變化趨于一致，表現為DNT值的上升和下降交替出現，2009、2011年以外延主導型擴展為主，其余年份以填充增強型擴展為主。

5 結論

本文在傳統的利用DMSP/OLS遙感影像提取城鎮信息時使用統一閾值的基礎上，采用了統計數據法提取陜西省11個地市（區）14年城鎮化信息，結果表明陜西省近14年來城鎮用地面積在逐步增加，關中地區城鎮用地面積增長量最大，陜北地區城鎮用地擴展幅度最大，陜南地區的城鎮擴展相對緩慢；景觀格局指標測度表明，2000～2013年全省城鎮斑塊的連接度和一體化程度在提高，西安市在全省的中心作用也在不斷提升，全省城鎮斑塊數量和面積基本上呈上升趨勢，斑塊破碎度在加強，出現眾多新興小城鎮，但是原有城鎮面積的擴張是城鎮用地面積增加的主導因素；利用各市（區）提取閾值DNT來判斷城鎮擴展的類型得出：2000～2008年關中地區擴展由填充增強型轉向外延性擴展，陜北陜南地區保持填充增強型擴展類型不變，2009～2013年各市（區）DNT值變化基本一致，城鎮擴展類型在外延式擴展與填充式擴展之間交替變化。

[1]王夢奎.中國中長期發展的重要問題(2006-2020)[M].北京:中國發展出版社,2005

[2]周一星.健康城鎮化與城市土地增長[C].北京:健康城市化與城市土地利用研討會,2005

[3]王琳,徐涵秋,李勝.福州城市擴展的遙感動態監測[J].地球信息科學,2006,8(4):129-135

[4]He CY,Shi PJ,Li JG,et al.Restoring urbanization process in China in the 1990s by using non-radiance-calibrated DMSP/OLS nighttime light imagery and statistical data[J].Chinese Science Bulletin,2006,51(13):1614-1620

[5]Cristina M,Christopher DE,Ramakrishna RN,et al.Assessing the impact of urban land development on net primary productivity in the southeastern United States[J].Remote Sensing of Environment,2003,86(3):401-410

[6]楊洋,何春陽,趙媛媛,等.利用DMSP/OLS穩定夜間燈光數據提取城鎮用地信息的分層閾值法研究[J].中國圖象圖形學報,2011,16(4):666-673

[7]王曉慧,肖鵬峰,馮學智,等.基于DMSP/OLS數據的中國大尺度城鎮用地信息提取[J].國土資源遙感,2013,25(3):159-164

[8]鄒進貴,陳艷華,田徑,等.基于ArcGIS的DMSP/OLS夜間燈光影像校正模型的構建[J].測繪地理信息,2014,39(4):33-37

[9]何春陽,史培軍,李景剛,等.基于DMSP/OLS夜間燈光數據和統計數據的中國大陸20世紀90年代城市化空間過程重建研究[J].科學通報,2006,51(7):856-861

[10]舒松,余柏蒗,吳健平,等.基于夜間燈光數據的城市建成區提取方法評價與應用[J].遙感技術與應用,2011,26(2):169-176

[11]布仁倉,胡遠滿,常禹,等.景觀指數之間的相關分析[J].生態學報,2005,25(10):2764-2775

[12]Riitters KH,O'Neill RV,Hunsaker CT,et al.A factor analysis of landscape pattern and structure metrics[J].Landscape Ecology,1995,10(1):23-39

[13]卓莉,李強,史培軍,等.基于夜間燈光數據的中國城市用地擴展類型[J].地理學報,2006,61(2):169-178

The Research on Urban Land Expansion in Shaanxi Province Based on DMSP/OLS Nighttime Light Data

LUO Jia-li,YANG Hai-juan*,XU Na,LI Meng,LI Jiao-jiao
Northwest University,Xi’an710127,China

This paper took the 10 cities and Yangling demonstration area in Shaanxi Province as subject investigated,it was applied the ArcGIS software and the statistics-assisted threshold to extract 14 periods urban land based on the DMSP/OLS night light data of from the year 2000 to 2013.From the perspective of spatial scales,spatial patterns and expansion types,it analyzed the Shaanxi province urban expansion in the recent 14 years.The study showed that the urban land area in Shaanxi experienced a continuing growth from the year 2000 to 2013 and demonstrated a trend of accelerating growth over time. Besides,the results signified that many emerging small towns appeared from the year 2000 to 2013 in the process of urbanization,whereas the expansion of the original urban area was the dominant factor of the urban land area increased in this period.The change of extraction threshold value of each city had certain regularity,which could reflect the types of urban expansion.

DMSP/OLS;urban expansion;Shaanxi

F301.23

:A

:1000-2324(2017)01-0064-06

2016-04-14

:2016-08-31

羅佳麗(1992-),女,碩士研究生,主要從事土地利用規劃與城鄉協調發展研究.E-mail:1352153354@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xayhj@163.com