基于夜間燈光數據的城市群蔓延指標

劉 璐

(1.哈爾濱工業大學深圳研究生院城市規劃與管理學院,深圳 518000；2.深圳市房地產評估發展中心,深圳 518000)

0 引言

由于人口的快速增長及在城市地區的集聚，城市蔓延已經成為全世界普遍的現象，在衡量城市地區是否以蔓延的方式進行擴張時，大多數的實證研究都著眼于城市這一尺度，例如對亞特蘭大[1]和北京[2]的研究。然而沒有一個城市是孤立的，隨著城市的快速擴張，多個在社會經濟等方面有著緊密聯系的相鄰城市發展聯結成為城市群。在研究城市群發展時，不能把當代城市現象當成一個固定的、有明確邊界的、普遍可歸納的城市形態來理解； 相反，城市是處于持續變化的、沒有邊界的、不斷城鎮化進程中的。因此，大尺度的城市群是一種重要的表達形式[3]，應作為量化城市蔓延特征的適宜尺度。

城市蔓延現象的定義迄今為止還很模糊，但總體來說，城市蔓延可歸納為5個方面的內容： ①低密度的發展； ②破碎化的土地利用； ③分散的和蛙跳式的發展； ④區域功能單一； ⑤不發達的公共交通[4-7]。城市蔓延對社會、環境和經濟往往會帶來一些負面影響，比如能源利用率低下、農田流失及不良城市環境滋生等[8-9]，因此，對城市蔓延現象的研究顯得十分迫切。

現有文獻中，許多研究使用多種城市蔓延指標量化分析城市蔓延現象[4,7,10-13]。然而，大多數量化指標都是針對某一個國家或某一個城市，這些指標很依賴于社會經濟指數及土地利用情況，但對該地區以外的其他地區適用度并不高。同時，大部分研究針對的是以美國為例的發達國家，很少有研究將目光放在其他發展中國家。現有研究者普遍認為，發達國家由于城市的郊區化，城市蔓延現象十分嚴重，并引起了許多已經證實的社會及環境問題； 相比之下，對于中國、非洲各國等發展中國家來說，城市的密度往往較高，城市蔓延的問題并不突出。然而，隨著城鎮化的不斷推進，發展中國家的城市范圍也在不斷急速擴張，而城市內部的結構卻并沒有及時得到合理地調整。因此，對中國這樣的發展中國家研究城市蔓延現象是非常必要且意義重大的。

隨著大數據技術的不斷發展，各種大尺度的空間數據庫使得對大區域的研究成為可能，而從此類空間數據中提取合適的定量化指標對于研究城市蔓延現象十分重要。因此，本文基于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)發布的全球夜間燈光(night-time light，NTL)數據，設計了一系列可以反映城市群密度、發展分散度、多核心度及向心度的指標，這些指標可以從不同方面描述城市群的蔓延現象。同時，本文將這套指標應用于中國的城市群，并進行相應的比較和分析。基于NTL數據構建多維度指標體系，可為度量城市群的城市蔓延現象提供策略,通過設計的指標可研究中國城市群的蔓延現象，并對不同城市群區域做出對比分析。

1 研究區概況及數據源

本文的NTL數據來源于美國軍事氣象衛星搭載的線性掃描傳感器[14]的輻射定標NTL圖像，像元值的范圍為0～63。輻射定標NTL數據空間分辨率約1 km,可以反映城鎮化地區人類活動強度的分布[15-16]。該數據曾被用于制作世界人口密度圖[17]，而將該數據用于研究城市的發展過程也成為一種新的趨勢。本文的NTL圖像取自Infrastructure of Earth System Science網站上所發布的免費數據。

首先，從NTL圖像中提取出城市群的邊界范圍。NTL數據能間接反映地表人類活動的強度，而利用連續的明亮區域可以勾勒出城市群的范圍。一般情況下，像元值小于12的燈光來自農村區域，因此，本文以12為閾值，將中國劃分為城市與非城市區域，并挑選其中面積大于1 000 km2的特大城市區域為城市群區域。另外，與這些城市群距離10 km以內的城市斑塊將與該城市群合并，并與從TM影像中提取的城市區域進行對比。采用本文方法，可分辨相互連接的城市區域，且得到比城市群的行政邊界更為合理的城市群邊界。以京津冀為例的城市群邊界如圖1所示。

圖1 以京津冀為例的城市群邊界

2 城市群蔓延指標

NTL數據可從以下4方面描述城市蔓延現象： ①城市群周邊存在密度很低的郊區； ②城市群中城市的發展是分散的； ③城市群呈多核心狀態； ④城市群中城市的發展并不是向城市中心集中。這幾個方面可由密度(intensity，I)、發展分散度(coefficient of variation，CV)、多核心度(poly-centers，PC)和向心度(centrality，CT)4個指標描述(表1)。

表1 城市群蔓延指標Tab.1 Urban sprawl metrics

2.1 密度

密度是衡量城市蔓延不可或缺的指標。在以往的研究中，Ewing[18]提出當土地轉變成非農用地或者非自然用地的速度超過了人口增長的速度，蔓延便會發生。換言之，城市蔓延可被認為是低密度的開發，可以是低密度的人口，也可以是低密度的城鎮化地區。在此研究中，城市的密度可以由NTL的平均值來表示。

然而，筆者認為簡單的用區域密度來度量整個區域的密度是不合理的，因為在一些城市群中，城市中心密度非常高，但郊區卻存在著大范圍的低密度發展區，如果對這些城市群計算整體密度，將掩蓋其嚴重的城市蔓延現象。因此在本文中，首先將城市群分為中心城區和郊區，并分別對這2個區域計算密度。低密度的郊區是評判城市蔓延程度的一個標準。計算密度時，首先使用不同的NTL閾值所對應的明亮面積進行分析，發現對于中國的城市，NTL為54是面積大小的突變點[19]，因此，該值被用作區分城市群的中心城區和郊區的閾值。圖1中中心城區和郊區的區分結果如圖2所示。

圖2 中心城區與郊區界線

2.2 發展分散度

發展分散度表示城市發展趨勢是集中的還是分散的。本文中用NTL像元值的變異系數計算發展分散度，即

(1)

式中：CVm為第m個城市群的發展分散度；n為該城市群中的像元個數；DNi為第i個像元的像元值；DNu為該城市群的像元平均值。CV越大，表示該城市群中的城市發展越集中，也代表著城市蔓延程度越低； 相反，CV越小，表示城市發展越分散，也代表著城市蔓延程度越高。

2.3 多核心度

在現有文獻中，多核心化意味著城市蔓延程度更高[7]。為提取這項指標，首先把NTL數據制作成一個三維模型，而這個三維模型的山頂點就是城市群的一個核心。城市核心的數量和該區域面積的比值為這個城市群的多核心度，而多核心度越高，代表著城市的蔓延程度越高。ArcGIS的空間分析工具可用于提取多核心度，局部提取結果如圖3所示。

圖3 城市群的城市核心

用ArcGIS提取的多核心度與用TM提取的城市區域的對比結果表明，這些核心能夠客觀地表示城市中的小中心及大中心所處位置。

2.4 向心度

向心度描述了城市群內的城市在多大程度上向城市的中心地區發展。這個指標可以利用NTL數據的梯度變化來表示，即

(2)

式中Pi為像元值大于i的像元數所占城市群所有像元數的比例。

圖4以更直觀的方式對5個示例城市群的向心度的計算做出了描述，弧線下的面積越大，代表向心度越高，也代表城市蔓延的程度越低； 相反，弧線下的面積越小，代表向心度越低，也代表城市蔓延的程度越高。

圖4 向心度的計算

3 中國城市群的城市蔓延

應用上述方法，對中國城市群的城市蔓延狀況進行了研究。在研究中，共提取了50個城市群區域，包括5個面積超過10 000 km2的特大城市群、8個面積在5 000～10 000 km2之間的大城市群、14個面積在2 000～5 000 km2之間的中等城市群和23個面積在1 000～2 000 km2之間的小城市群，并為每個城市群設定了名稱。利用2010年的NTL數據對城市群情況進行了研究。

首先使用這50個城市群對設計的幾個指標進行相關性分析(表2)，結果顯示這幾個指標的值與該城市群的面積(Area)無明顯的相關關系； 而在描述城市蔓延的4個指標中也不存在很強的相關性，說明這4個指標都是不可互相替代的。

表2 指標間的相關系數①Tab.2 Correlation coefficients of metrics

①顯著性<0.01。

對每個指標正向化(當每個指標值越大時，代表蔓延程度越小)，并采用Z-score進行標準化后，使用相同的權重將其相加，計算出一個整體的城市蔓延指數——綜合蔓延度(CS)。CS越小，代表城市蔓延的程度越大。表3列出了中國的50個城市群各指標的具體計算結果。

表3 城市蔓延指標計算結果Tab.3 Computation results of urban sprawl metrics

上述4個指標有助于了解每個城市群在城市空間中存在的問題,例如蔓延現象嚴重的湛江城市群，其低I表明該城市群在郊區的低密度開發情況十分嚴重； 南寧城市群的低CV表明該城市群的發展非常分散，缺乏集中性； 大連城市群的低PC表明該城市群的多核心化過于嚴重； 而呂梁城市群的低CT則表明該城市群的發展沒有向城市中心集中。

進一步以中國最大的3個城市群——長江三角洲、北京—天津—唐山城市群及珠江三角洲為例，珠江三角洲的CS最高，說明空間發展格局較為緊湊； 北京—天津—唐山城市群的CS最低，說明空間發展格局蔓延程度最高。具體分析3個城市群的各項指標可以看出，就郊區密度而言，北京—天津—唐山城市群十分低，說明該地區的發展主要以低密度的擴張為主，有非常大范圍的稀疏邊緣帶。相比之下，珠江三角洲和長江三角洲的郊區密度較高，說明郊區的土地被合理和有效利用，城市邊緣帶得到了充分發展。

在CV和PC方面，北京—天津—唐山城市群表現出較高的CV和較低程度的PC，而珠江三角洲和長江三角洲表現出較高的CV及較高程度的PC。此結果與現有文獻中反映的3個城市群的發展情況基本吻合。北京—天津—唐山城市群的中心城市優勢較為明顯； 除中心城市外，其他城市的發展程度較低，發展主要集中在幾個大城市中心，小城市中心無法形成與發展。相比之下，珠江三角洲和長江三角洲的中小城市集群在經濟發展及城鎮化過程中得到了很大發展，形成了遍地開花的局面，因此城市的發展并未集中在原有的大城市中心，城市發展較為分散。

在CT方面，與北京—天津—唐山城市群相比，珠江三角洲和長江三角洲的CT較高，說明北京—天津—唐山城市群的城市中心尚未發揮出城市中心的帶動作用，發展沒有向著原有的城市中心集中。

通過以上分析可以看出，本文所設計的城市蔓延指標能夠合理并準確反映出城市群的空間形態信息，并可用于度量城市群的城市蔓延程度。同時，該套指標能夠從4個方面反映城市群的空間格局特點，其結果與實際情況十分吻合。由此可見，這套指標能夠為城市規劃和政策制定部門找出城市群發展所存在的具體問題，并進行有針對性的處理。

4 結論

1)本文通過從夜間燈光(NTL)圖像中提取的4項指標研究城市的擴張現象，這些指標能夠從密度、發展分散度、多核心度和向心度4個方面反映城市群的城市蔓延水平。實驗證明，這些指標總體上相互獨立，易于計算，并可針對大區域進行對比研究。

2)然而，這些指標仍然存在著局限性。首先，NTL數據的像元值范圍僅在0～63之間，且存在著過飽和現象，因此指標值會受到影響； 其次，這些指標尚無法從更深入的城市功能及社會經濟角度去反映城市蔓延現象，例如城市群中的城市混合利用程度及交通交互程度。因此，建議結合此指標集與其他相關指標綜合進行城市蔓延現象的研究。

3)對中國城市群的城市蔓延現象進行研究的結果表明，中國城市群存在不同程度的蔓延現象，并且每個城市群都存在不同的問題。在今后的研究中，可以根據本文的結果對中國各城市群的城市蔓延現象進行深入探討。

4)本文的研究結果可以為城市規劃和政策制定部門提供十分重要的信息，以防止城市蔓延現象的持續發生，并使城市群能以可持續的方式發展。

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