基于夜間燈光數(shù)據(jù)的南京城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率研究

徐剛　潘文輝　趙勇　韓學(xué)敏

摘 要：為了探索夜間燈光數(shù)據(jù)在城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率研究中的應(yīng)用本文構(gòu)建了城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長模型，基于異速生長系數(shù)判斷城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率變化。研究區(qū)2012—2016年冪函數(shù)形式的異速生長系數(shù)分別為0.818 8、0.796 7、0.846 9、0.812 2和0.916 2，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率呈現(xiàn)波動上升的趨勢。鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、棲霞區(qū)和六合區(qū)線性函數(shù)形式的異速生長系數(shù)存在明顯梯度差異，分別是2.719 5、1.698 4、0.812 5和0.404 0，沿中心城區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)逐漸下降。結(jié)果表明，夜間燈光作為新型數(shù)據(jù)源可應(yīng)用于對城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率的測度與評價(jià)。

關(guān)鍵詞：土地利用;城市化;夜間燈光數(shù)據(jù);異速生長

中圖分類號：F299.23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0090-06

Study on the Expansion Efficiency of Urban Construction Land

in Nanjing Based on Night Light Data

XU Gang1 PAN Wenhui2 ZHAO Yong2 HAN Xuemin2

（1.Nanjing Guotu Information Industry Co.， Ltd.，Nanjing Jiangsu 210042;

2.Nanjing Planning and Natural Resources Bureau，Nanjing Jiangsu 210029）

Abstract： In order to explore the application of night light data in the study of urban construction land expansion efficiency， this paper constructed an urban all-speed growth model of urban light intensity-land urbanization level， and judged the expansion efficiency of urban construction land based on the allometric growth coefficient. The allometric growth coefficients of the power function form in the study area from 2012 to 2016 were 0.818 8， 0.796 7， 0.846 9， 0.812 2 and 0.916 2 respectively， and the expansion efficiency of construction land showed a fluctuating trend. The allometric growth coefficients of the linear function forms in Gulou District， Xuanwu District， Qixia District and Liuhe District had obvious gradient differences， which were 2.719 5， 1.698 4， 0.812 5 and 0.404 0， respectively， and gradually decreased along the central city to the remote suburbs.The results show that night light as a new data source can be applied to measure and evaluate the expansion efficiency of urban construction land.

Keywords： land use;urbanization;night light data;iallometric? growth

1 研究背景

城市建設(shè)用地過快擴(kuò)張是當(dāng)前城市化進(jìn)程面臨的重要問題。21世紀(jì)以來，隨著城市化不斷推進(jìn)，我國城市人口規(guī)模大量增加，極大地刺激了對城市建設(shè)用地的需求，也造成了城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度逐漸加快。國內(nèi)外學(xué)者圍繞城市擴(kuò)張開展了大量研究，主要包括城市擴(kuò)張的模式[1]、特征[2]、區(qū)域差異[3]、動力機(jī)制[4]等方面。《國家新型城鎮(zhèn)規(guī)劃（2014—2020）》指出，城鎮(zhèn)化發(fā)展必須以提升質(zhì)量為主，防止城市呈“攤大餅”式繼續(xù)擴(kuò)張。隨著快速城鎮(zhèn)化帶來的人口、資源、環(huán)境矛盾升級，城市建設(shè)用地集約利用成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，人們利用經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和土地利用和覆被變化數(shù)據(jù)（LUCC）等形成許多成果[5，6]。近年來，夜間燈光數(shù)據(jù)逐漸成為反映人類社會活動的新型數(shù)據(jù)源，其時(shí)空連續(xù)性能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存在的缺點(diǎn)，目前已經(jīng)在人口規(guī)模估算[7]、城市經(jīng)濟(jì)效率評估[8]、城市能源消費(fèi)[9]等城市空間數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文以南京市為例，借助夜間燈光數(shù)據(jù)和土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，嘗試?yán)卯愃偕L模型分析單位夜間燈光強(qiáng)度和土地城市化水平之間的關(guān)聯(lián)，以探討將夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市土地集約利用研究的可行性。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

南京市位于江蘇省西南部，是江蘇省的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，同時(shí)也是長三角重要的中心城市之一。截至2016年，全市土地總面積為6 587km2，其中建成區(qū)面積為1 125.78km2。2013年，南京市由之前的11區(qū)2縣精簡為11個(gè)區(qū)。研究區(qū)位置與范圍如圖1所示。本文研究范圍包括除高淳區(qū)、溧水區(qū)以外的其他9個(gè)區(qū)（縣），即鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺區(qū)、棲霞區(qū)、江寧區(qū)、六合區(qū)和浦口區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

DMSP/OLS數(shù)據(jù)是當(dāng)前較為常用的夜光遙感數(shù)據(jù)源，但該數(shù)據(jù)存在分辨率過低、在城市中心存在過飽和現(xiàn)象、城鎮(zhèn)邊界存在光暈現(xiàn)象等缺點(diǎn)[10]。因此，本文采用NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)，其來源于NOAA/NGDC網(wǎng)站（http：//ngdc.Noaa.gov/eog/viirs/download monthly.html）。與DMSP相比，該數(shù)據(jù)大幅度提高了清晰度和敏感度，消除了過飽和現(xiàn)象，光暈現(xiàn)象明顯減少，影像的空間分辨率為0.5km。本研究范圍內(nèi)2012年和2016年夜間燈光強(qiáng)度變化如圖2所示。

筆者以行政區(qū)為單元疊加研究區(qū)各區(qū)燈光數(shù)據(jù)，依照單位夜間燈光強(qiáng)度（行政區(qū)內(nèi)燈光強(qiáng)度總值與行政區(qū)面積的比值）計(jì)算各區(qū)夜間燈光強(qiáng)度。研究范圍內(nèi)各區(qū)（縣）單位燈光強(qiáng)度變化如表1所示。總體上，南京市各區(qū)單位燈光強(qiáng)度隨時(shí)間演化呈逐年增強(qiáng)的趨勢。其中，主城區(qū)（秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)和建鄴區(qū)）單位燈光強(qiáng)度較高，而玄武區(qū)因具有玄武湖和紫金山等自然山體、水體，因此，相對秦淮、鼓樓和建鄴，單位燈光強(qiáng)度有所下降，其他區(qū)（縣）位于南京市郊區(qū)，單位夜間燈光強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2.3 研究方法

2.3.1 異速生長系數(shù)。異速生長指系統(tǒng)中某個(gè)局部和整體或者另一個(gè)局部的幾何測度關(guān)系，即系統(tǒng)中的某個(gè)局部的相對增長率和系統(tǒng)或者另一個(gè)局部的相對增長率的比值[11]。異速生長定律最初是由Naroll和系統(tǒng)理論創(chuàng)始人Bertalanffy合作從生物學(xué)領(lǐng)域引入人文地理學(xué)領(lǐng)域的，Gould將其解釋為“與整個(gè)機(jī)體的絕對尺寸的變化相關(guān)的比例的差異”[12]。之后，Beckmann提出了城市體系異速生長方程，用于刻畫城市系統(tǒng)中最大城市人口與所有城市總?cè)丝诘南鄬Ρ嚷省．愃偕L關(guān)系不僅僅局限于研究系統(tǒng)局部與整體的關(guān)系，也適用于研究系統(tǒng)中兩個(gè)變量之間的關(guān)系，如Naroll—Bertalanffy提出的城市-鄉(xiāng)村人口關(guān)系、Nordbeck-Dutton提出的城市人口-城區(qū)面積關(guān)系也滿足異速生長方程。其一般形式為[13]：

[xi=βjxαijj]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[αij]為標(biāo)度指數(shù)，即異速生長系數(shù)。該方程具有廣義的分形性質(zhì)，因?yàn)闃?biāo)度指數(shù)隱含有維數(shù)意義。

2.3.2 城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長模型。理論上，如果系統(tǒng)中兩個(gè)要素滿足幾何測度關(guān)系，其要素間就一定具有異速生長特征[14]，說明該系統(tǒng)服從異速生長定律，式（1）可轉(zhuǎn)化為冪函數(shù)形式，即

[y=axb]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[b]為標(biāo)度指數(shù)，具有維數(shù)性質(zhì)（異速生長系數(shù)）;[x]為城市土地城市化水平（城市建設(shè)用地占轄區(qū)面積的比重）;[y]為城市燈光強(qiáng)度。當(dāng)[b]>1時(shí)，該函數(shù)呈正異速生長，即燈光強(qiáng)度的增加速度大于城市用地?cái)U(kuò)張速度，說明建設(shè)用地趨于集約利用;當(dāng)[b]=1時(shí)，該函數(shù)呈同速生長，即燈光增長速度和城市用地?cái)U(kuò)張速度相當(dāng);當(dāng)[b]<1時(shí)，該函數(shù)呈負(fù)異速生長，即燈光強(qiáng)度增長速度小于城市用地?cái)U(kuò)張速度，則說明建設(shè)用地趨于粗放利用[15]。

雖然異速生長的原始定義表現(xiàn)為冪函數(shù)形式，但現(xiàn)實(shí)中的地理現(xiàn)象存在半退化為指數(shù)或者對數(shù)形式的可能，甚至完全退化為線性關(guān)系。由于線性關(guān)系是一種可加和關(guān)系，而整體性公理意味著優(yōu)化的系統(tǒng)局部是不可加和的，因此，越接近線性關(guān)系，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越退化或者越不進(jìn)化[16]。

3 南京市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率分析

3.1 擴(kuò)張效率的時(shí)序演化

3.1.1 2012—2016年研究區(qū)模型擬合情況。從時(shí)間維度考察城市的生長過程時(shí)，可以得到關(guān)于單位燈光強(qiáng)度和土地城市化水平時(shí)序演化的[xt]和[yt]，這種方法可用于刻畫城市演化的相空間（P-空間），即式（2）可描述縱向異速生長過程，揭示研究區(qū)作為一個(gè)整體，異速生長系數(shù)在各個(gè)年度的時(shí)序演化情況。以土地城市化水平為橫坐標(biāo)，各區(qū)（縣）單位燈光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，2012—2016年研究區(qū)冪函數(shù)形式的異速生長模型擬合結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，2016—2016年的[R2]都大于0.8，說明模擬擬合結(jié)果較好。

3.1.2 擴(kuò)張效率逐年波動上升。表2為研究區(qū)2012—2016年異速生長系數(shù)變化情況。從表2可知，2012—2016年研究區(qū)冪函數(shù)形式的異速生長系數(shù)分別為0.818 8、0.796 7、0.846 9、0.812 2和0.916 2，呈現(xiàn)波動上升的趨勢。由于該異速生長系數(shù)反映了燈光增長速度和城市用地?cái)U(kuò)張速度之間的關(guān)系，異速生長系數(shù)小于1表現(xiàn)為負(fù)異速生長，因此，盡管呈現(xiàn)上升態(tài)勢，但仍舊表現(xiàn)為粗放利用。這與研究區(qū)尺度有關(guān)，由于研究區(qū)覆蓋了城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)多個(gè)區(qū)（縣）的全部轄區(qū)范圍，較之于土地城市化水平較高、燈光強(qiáng)度較高的城區(qū)，遠(yuǎn)郊區(qū)范圍大、整體燈光強(qiáng)度弱，因此影響整個(gè)研究區(qū)的燈光增長速度和城市用地?cái)U(kuò)張速度結(jié)果。但從異速生長系數(shù)呈波動上升趨勢來看，研究區(qū)的建設(shè)用地利用正沿著愈加集約的方向發(fā)展。同時(shí)，也有必要對處于不同位置的區(qū)（縣）分別進(jìn)行測算。

3.2 擴(kuò)張效率的空間分異

3.2.1 典型區(qū)（縣）模型擬合情況。依據(jù)從城區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)的地理位置，本文選取了鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、棲霞區(qū)和六合區(qū)作為典型區(qū)（縣），通過考察各個(gè)區(qū)域的序空間（O-空間），橫向比較不同區(qū)（縣）的異速生長系數(shù)。由于每個(gè)區(qū)（縣）僅有2012—2016年5個(gè)觀測值，進(jìn)行擬合時(shí)難免產(chǎn)生數(shù)據(jù)上的齟齬，導(dǎo)致異速生長關(guān)系發(fā)生退化，因此，本文考慮采用線性函數(shù)形式的異速生長模型。此外，盡管鼓樓區(qū)和玄武區(qū)都位于中心城區(qū)，但玄武區(qū)轄區(qū)內(nèi)還有紫金山和玄武湖，理論上燈光強(qiáng)度低于以建設(shè)用地為主的鼓樓區(qū)。鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、棲霞區(qū)和六合區(qū)4個(gè)典型區(qū)（縣）的線性函數(shù)擬合結(jié)果如圖4所示，其中擬合結(jié)果最好的是玄武區(qū)，[R2]達(dá)到0.938 8。

3.2.2 擴(kuò)張效率沿城區(qū)-郊區(qū)逐漸下降。如圖5所示，沿城區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)，鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、棲霞區(qū)和六合區(qū)的城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長系數(shù)存在明顯梯度差異。其中，位于中心城區(qū)的鼓樓區(qū)和玄武區(qū)異速生長系數(shù)分別高達(dá)2.719 5和1.698 4，表現(xiàn)為顯著的正異速生長態(tài)勢;而位于近郊區(qū)的新城區(qū)棲霞區(qū)這一系數(shù)為0.812 5，略低于1，表現(xiàn)為負(fù)異速生長;處于遠(yuǎn)郊區(qū)以廣大農(nóng)村腹地為主的六合區(qū)異速生長系數(shù)僅為0.404? 0。整體來看，城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長系數(shù)沿城區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢，反映出城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率從城市中心到外圍由高到低變化，符合城市發(fā)展的一般規(guī)律和南京市的實(shí)際情況。

4 結(jié)論

本文借助長時(shí)間序列的夜間燈光數(shù)據(jù)對城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率進(jìn)行探討，基于單位燈光強(qiáng)度和土地城市化水平構(gòu)建了異速生長模型，用于分析南京市除高淳和溧水外其他9區(qū)（縣）組成的研究區(qū)2012—2016年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率，主要結(jié)論如下。

第一，2012—2016年研究區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率呈現(xiàn)波動上升的趨勢。根據(jù)冪函數(shù)形式的城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長模型可知，各個(gè)年份異速生長系數(shù)分別為0.818 8、0.796 7、0.846 9、0.812 2和0.916 2，呈現(xiàn)波動上升的趨勢。由于研究區(qū)覆蓋了包括中心城區(qū)、近郊區(qū)、遠(yuǎn)郊區(qū)在內(nèi)的廣大區(qū)域，因此，燈光強(qiáng)度與土地城市化水平的異速生長關(guān)系整體表現(xiàn)為負(fù)異速生長，但明顯的上升趨勢反映出研究區(qū)范圍內(nèi)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率不斷增強(qiáng)。

第二，從中心城區(qū)到遠(yuǎn)郊區(qū)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率逐漸下降。根據(jù)線性函數(shù)形式的城市燈光強(qiáng)度-土地城市化水平異速生長模型可知，鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、棲霞區(qū)和六合區(qū)的異速生長系數(shù)存在明顯梯度差異，分別是2.719 5、1.698 4、0.812 5和0.404 0。位于中心城區(qū)的鼓樓區(qū)和玄武區(qū)表現(xiàn)為顯著的正異速生長（玄武區(qū)存在山體和水體影響燈光強(qiáng)度），處于近郊區(qū)棲霞區(qū)略低于1，而遠(yuǎn)郊區(qū)的六合區(qū)存在廣泛鄉(xiāng)村腹地，異速生長系數(shù)更低。從整體來看，研究區(qū)范圍內(nèi)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率沿城區(qū)到郊區(qū)逐漸下降。

異速生長模型表明，夜間燈光作為新型數(shù)據(jù)源可以用于對城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張效率的測度和評價(jià)，是傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之外研究土地利用效率的新手段。然而，夜間燈光數(shù)據(jù)一定程度上也受分辨率影響，更加適用于宏觀尺度，今后研究應(yīng)進(jìn)一步探討其在微觀尺度的應(yīng)用。

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