基于DMSP/OLS長江中游城市群城區空間擴展與驅動力分析

張高華 譚 力 鐘 鑫

1.湖南省地質環境監測總站，湖南長沙 410000；2.中國地質大學（武漢)公共管理學院，湖北武漢 430074

研究長江中游城市群的城區空間變化，準確獲取城區面積的變化對于指導區域發展規劃以及優化城鎮化的空間格局具有重要意義。目前，基于遙感技術的城鎮化研究被廣泛應用于城市土地利用變化監測和城市空間格局分析等方面，然而從大尺度上研究城區空間擴展變化時，遙感數據存在獲取成本高、處理過程耗費時間與人力等缺點[1]。美國軍事氣象衛星（DMSP）搭載的線掃描系統（OLS）傳感器具有光電放大特性，該傳感器對夜間低可見度的光源非常敏感，非常適合于利用夜間城市燈光來提取城市建成區和非建成區，具有數據量小并且數據容易獲取、數據時間連續、適合大尺度城市動態監測的特點。Elvidge等[2-3]利用 DMSP/OLS 數據進行城市建成區的研究，說明了DMSP/OLS數據在社會、環境、經濟等各方面的應用價值。曹偉超等[4]以三年的DMSP/OLS夜間燈光數據為例，利用二分法提取了西南地區城市空間信息，分析了其城市化發展的過程和趨勢。楊洋等[5]利用DMSP/OLS 數據提取了環渤海地區1992～2010年城鎮用地信息，從而分析了環渤海地區的城鎮化水平和區域城鎮化的空間特征。但是，在利用長時間序列DMSP/OLS數據對城市群空間格局變化驅動力的分析較少。在目前經濟快速發展的趨勢下，利用燈光數據對城市群空間格局的變化特征進行研究，從而揭示城市的發展趨勢，具有一定的現實意義。

選取長江中游城市群1995～2013年的DMSP/OLS夜間燈光數據，從較大的時空尺度上分析長江中游城市群發展的空間格局變化。采用二次多項式校正模型對1995～2013年的DMSP/OLS穩定夜間燈光數據進行校正，利用Landsat-TM影像數據得到較為精確的城鎮面積，再使用二分比較法提取長江中游城市群各城市的建成區，對城區空間拓展狀況進行綜合分析。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區分布特征

長江中游城市群是以武漢城市圈、環長株潭城市群、環鄱陽湖城市群這三個為主體而形成的特大型城市群，土地面積約31.7萬km2，長江中游城市群中各個城市的經濟聯系日趨緊密，其發展規劃在我國中部區域經濟發展中占有重要地位。該區域擁有優越的區位條件，是連接我國東部和西部經濟發展的樞紐，交通發達，科技教育資源豐富，高科技產業發展迅速，與周邊城市貿易往來密切。在我國經濟快速發展的背景下，長江中游城市群是繼長三角、珠三角、京津冀之后經濟發展最迅速的城市群，該區域的城鎮化進程迅速，了解區域空間格局的變化特征，對于今后發展規劃和區域內城市產業結構調整、轉型具有重要意義。

1.2 數據源

選用的遙感影像是1995～2013年中4年的DMSP/OLS非輻射定標的夜間穩定燈光數據，其下載自美國國家地球物理數據中心網站。非輻射定標的夜間穩定燈光數據的地面分辨率為0.0083333°，影像網格單元的DN值范圍是0～63[6]。使用的數據來自4個不同的衛星 ：F12（1994～1999）、F15（2000～2007）、F16（2004～2009）和F18（2010～2013），由于不同衛星傳感器之間靈敏度的差異，沒有經過輻射定標的不同年份圖像之間的DN值不具有可比性。采用公式（1）所示的二次多項式校正模型，選取F16（2007）數據集雞西市的數據，分別對F12（1995）、F15（2001）、F18（2013）數據集的相同區域數據進行二次回歸分析（見圖1），得到校正參數（見表1）。本研究利用表 1，對1995、2001、2013長江中游城市群區域夜間穩定燈光數據進行校正，得到校正后的燈光數據。

DNL＝aDN2+bDN+c （1）

DN、DNL分別為校正前后像元灰度值，a、b、c為回歸參數。

圖1 雞西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)數據相對F16（2007）的回歸分析結果

表1 雞西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)數據相對F16(2007)的校正參數

2 研究方法

2.1 長江中游城市群城區面積提取

城市建成區的面積提取一般采用閾值分割法，對于夜間燈光數據DN閾值的確定是利用夜間燈光數據研究建成區的關鍵[7]。利用同期Landsat衛星數據確定長江中游城市群城鎮燈光DN閾值，提取城市建成區的面積。采用空間比較法中的二分法來確定燈光閾值，從而確定長江中游城市群的邊界。圖2中D Nmax和D Nmin分別是夜間燈光數據的最大亮度值和最小亮度值，S（DNT）是在閾值DNT下得到的城鎮建設面積；S（TM）為使用TM 圖像提取的城鎮建設面積；△S（DNT）表示在閾值DNT條件下，計算夜間燈光數據提取的城鎮建設面積與TM圖像提取的城鎮建設面積的差值。

圖2 夜間燈光數據閾值確定流程

△S（DNT）min表示△S（DNT）與△S（DNT-1）和△S（DNT+1）的差值絕對值相比是否為最小值，如果是最小，DNT便是閾值；如果不是，再比較△S（DNT）與S（TM）的關系，如果大于S（TM），便用DNT值代替DNmin，相反則用DNT代替DNmax，重新比較，直到得出最佳閾值，大于最佳閾值DNT的值也就是通過 DMSP/OLS 夜間燈光數據提取的建成區面積。從長江中游城市群中選取襄陽市、長沙市和南昌市三個城市作為訓練區，根據各自確定的閾值來確定最佳閾值DNT。1995年和2001年的最佳閾值都是50，2007年最佳閾值為54，2013年最佳閾值為60，根據最佳閾值最終得到1995年、2001年、2007年和2013年的城市群城區面積。

2.2 長江中游城市群城區擴展變化

由圖3可見，長江中游城市群城區空間擴展比較劇烈，各時期擴展特征明顯。1995年城區建設面積較大的主要是武漢、長沙和南昌等中心城市，從宏觀上來看，城市分布零散，相互之間處于比較松散的狀態，缺乏聯系。而根據2001年監測到的夜間燈光數據，中心城區面積擴大，并且咸寧市、岳陽市、黃石市、九江市和宜春市等城市的發展將原來的武漢市、長沙市和南昌市等獨立的點連接了起來。在城市發展的過程中，圍繞武漢、長沙和南昌這三個省會城市，夜間穩定燈光呈現明顯的聚集，并向外進行輻射式發展。2007年武漢市、長沙市和南昌市已經和中間發展的城區共同構成了一個三角形的發展形態，附近燈光迅速增長。之前已經監測到的燈光城市面積到2013年逐漸增大，圍繞著武漢城市圈、環長株潭城市群、環鄱陽湖城市群這三個城市群向外進行放射狀發展。其中，湖北省內城市的發展主要圍繞長江這條軸線，湖南省和江西省的發展分別圍繞主要交通要道和贛江發展，從湖北到湖南沿著“襄陽-荊州-常德-婁底”二廣發展軸發展，形成了軸線推動區域的發展的趨勢。

從1995～2013年，長江中游城市群各個城區空間擴展變化具有不同特點。武漢市和長沙市擴展變化最快的是從2001～2007年，從長沙市、株洲市和湘潭市發展變化可以看出，株洲市在2007年城區擴展面積增大明顯，到2013年城區空間隨時間推移不斷向西北方向擴展，湘潭市城區也在2013年快速向外擴展，這主要是因為2005年長株潭城市群區域規劃的批準，長株潭面積擴展迅速。

圖3 長江中游城市群四年夜間燈光數據

3 長江中游城市群城區變化驅動力分析

通過DMSP/OLS夜間燈光數據提取了中游城市各個城區空間擴展的信息，在對長江中游城市群時空變化分析的基礎上，運用當前較為普遍的主成分分析法并結合SPSS工具的數據分析功能[8]，以武漢市為例分析研究影響城市擴展變化的驅動力因素。

3.1 武漢市城區變化驅動力分析

3.1.1 指標選取

以武漢市為例，從社會人口、社會經濟和生活水平等方面綜合考慮，參考前人相關研究成果構建指標體系[9-10]，選取指標包括：戶籍人口、農業人口、非農業人口、地區生產總值、第一產業增加值占GDP比重、第二產業增加值占GDP比重、第三產業增加值占GDP比重、地方公共財政收入、城鎮固定資產投資、農村居民人均純收入、城市人均可支配收入、社會消費品零售總額、房地產開發投資、旅客周轉量、城市人均住房建筑面積和貨物周轉量16個指標。

3.1.2 主成分分析結果

利用SPSS對選取的16項指標進行了主成分分析，得到特征值及主成分貢獻率（見表2）。選取特征值大于1的2個主成分，2個主成分累積貢獻率比例達到95%，說明了選取的2個主成分可以解釋16個因子的95%，影響城區擴展的因素包括F1和F2兩個主成分。

表2 特征值及主成分貢獻率

表3 因子載荷矩陣

從因子載荷矩陣可以看出，戶籍人口（X1）、非農業人口（X3）、地區生產總值（X4）、第二產業增加值占GDP比重（X6）、地方公共財政收入（X8）、城鎮固定資產投資（X9）、農村居民人均純收入（X10）、城市人均可支配收入（X11）、社會消費品零售總額（X12）、房地產開發投資（X13）、旅客周轉量（X14）、城市人均住房建筑面積（X15）和貨物周轉量（X16）在第一主成分具有較大的載荷，主要反映了武漢市經濟發展水平。農業人口（X2）、第一產業增加值占GDP比重（X5）和第三產業增加值占GDP比重（X7）在第二主成分具有較大的載荷，主要反映了城鎮化水平。由此可見，每一個主成分都代表了特定的實質意義，2個主要成分從2個角度反映了城區的變化，因此，城區變化的驅動力主要是受經濟發展水平和城鎮化水平這2個因素的影響。

3.2 長江中游城市群空間擴展驅動力分析

3.2.1 經濟發展是長江中游城市群空間擴展的主要原因

湖北省2003年生產總值5395.91億元，2013年生產總值24668.49億元，增長了446.13%；湖南省2003年生產總值4633.73億元，2013年生產總值24501.7億元，增長了428.77%；江西省2003年生產總值2830億元，2013年生產總值14338.5億元，增長了406.67%。經濟的快速發展使人們的生活水平、基礎設施建設和工業用地等改變，以前的城區空間已經滿足不了經濟發展的要求，那么城市必然需要對城市空間進行擴展。隨著經濟的發展，非農業人口增多，城市基礎設施就會不斷完善，需要修建道路、廣場以及公園來滿足人們的需求。經濟的發展促使城市進行新的規劃，長沙市、株洲市和湘潭市經濟發展越來越緊密，實現經濟一體化，直接影響了三個城市的擴展方向。

3.2.2 城鎮化是長江中游城市群空間擴展的動力

城鎮化使非農業人口集中、第一產業向處于城鎮的第二產業和第三產業方向集中。湖北省第一產業比重從2003年的14.7%減少到2013年的12.6%；湖南省第一產業比重從2003年的19.1%減少到2013年的12.7%；江西省第一產業比重從2003年的19.8%減少到2013年的11.4%，農業占國內生產總值的比重減少，工業比重增加，農業用地轉換成建設用地，是造成主城區擴展的動力。城鎮化促使城市開發擴展，優化配置利用空間資源，推動城市的發展。

4 結語

以長江中游城市群為研究區，利用二分法對1995 、2001、2007年及2013年4個時期的夜間燈光數據進行城區面積提取，分析了1995～2013年長江中游城市群城區的擴張特征以及原因，主要結論如下：

（1） 基于1995～2013年夜間燈光數據，利用夜間燈光數據提取的城區建設面積與TM圖像提取的城區建設面積最接近來確定閾值，運用二分法提取長江中游城市群城區建設面積。

（2）1995～2010年，長江中游城市群城區用地面積處于擴張狀態。在城市發展的過程中，主要是圍繞武漢、長沙和南昌這三個省會城市呈現明顯的聚集，湖北省城市的發展主要圍繞長江這條軸線，湖南省和江西省的發展分別圍繞主要交通要道和贛江發展，從北往南沿著二廣發展軸發展，形成了軸線推動區域的發展。

（3） 運用因子分析的方法進行定量研究，將影響長江中游城市群城區擴展的驅動力歸納為經濟發展和城鎮化等因素。經濟發展是城區空間擴展的主要原因，工業的發展帶來工業用地需求增加，城區周邊的土地轉變成建設用地來滿足經濟發展的需求。城鎮化是造成主城區擴展的動力，農業人口遷入城鎮，推動城區的空間擴展。

在這個研究基礎上，應進一步研究城市空間擴展影響因素，政府的政策制度、科技發展和自然地理環境等因素難以量化研究，這些對城市空間擴展也有影響，需要研究這些因素的量化指標，進一步完善研究。

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