基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的環(huán)渤海城市群時(shí)空演變研究

路春燕,許燕婷,林曉晴,鐘連秀,蘇 穎

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,福州 350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)福建省資源環(huán)境空間信息統(tǒng)計(jì)研究中心,福州 350002)

0 引言

城市群是指在特定地域范圍內(nèi)不同性質(zhì)、類(lèi)型和等級(jí)規(guī)模的多個(gè)城市，依靠一定的自然條件，共同構(gòu)成的相對(duì)完整的城市“集合體”[1]。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市群已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要空間形態(tài)和核心動(dòng)力[2]。盡管如此，在城市連片集中發(fā)展的過(guò)程中，仍出現(xiàn)整體協(xié)調(diào)性差、中心城市引力不夠、輻射帶動(dòng)功能欠佳等一系列問(wèn)題，加之生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展矛盾的日益激化，使得城市群的進(jìn)一步發(fā)展受到不同程度的限制和阻礙[3]。因此，準(zhǔn)確理解和把握城市群在時(shí)空尺度上的演變規(guī)律和特征，對(duì)于優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)，有效利用城市群的集聚、輻射和聯(lián)動(dòng)等效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外城市群時(shí)空演變過(guò)程研究已由傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)單一指標(biāo)的空間分析轉(zhuǎn)變?yōu)檫b感數(shù)據(jù)與空間分析技術(shù)相結(jié)合的多維分析[4-7]。在眾多遙感數(shù)據(jù)中，美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星搭載的線(xiàn)性?huà)呙铇I(yè)務(wù)系統(tǒng)(defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS)和可見(jiàn)紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite，VIIRS)所獲取的夜間燈光遙感影像作為一種長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)類(lèi)型，因其數(shù)據(jù)量小、時(shí)間分辨率高、獲取便利以及能夠有效反映多方面城市相關(guān)特征而被廣泛應(yīng)用于城市研究，如Castells-Quintana[8]和李德仁等[9]利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)分別對(duì)撒哈拉沙漠以南非洲國(guó)家和“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家的城市集中度和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明DMSP/OLS數(shù)據(jù)可有效地反映經(jīng)濟(jì)收入的變化以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的變動(dòng)；Amaral等[10]以DMSP/OLS數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源對(duì)亞馬孫河流域的城市人口進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示該數(shù)據(jù)的像元值與人口數(shù)量具有較好的相關(guān)性，并且該數(shù)據(jù)可反映城市空間擴(kuò)展的變化趨勢(shì)；吳健生等[11]和Huang等[12]分別利用該數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)城市體系等級(jí)結(jié)構(gòu)和空間演變格局進(jìn)行評(píng)估。以上研究均證明了利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行城市擴(kuò)展研究的可行性?？傮w而言，目前基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)城市群的研究主要集中于特定區(qū)域的城市空間結(jié)構(gòu)、發(fā)展模式及動(dòng)力機(jī)制等方面[13-15]，在城市空間演變過(guò)程，如重心偏移、收斂集聚、引力趨勢(shì)等客觀(guān)規(guī)律研究上相對(duì)匱乏。需指出的是：在以往的基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行城市相關(guān)問(wèn)題的研究中，多數(shù)學(xué)者未對(duì)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以致研究結(jié)果存在較大的誤差。

環(huán)渤海城市群位于我國(guó)沿太平洋西岸北部，是東北亞經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，被稱(chēng)為繼珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲之后中國(guó)經(jīng)濟(jì)的新“增長(zhǎng)極”[16]。目前，由于自然環(huán)境、行政區(qū)劃、交通要素、文化背景等方面的差異，該城市群經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，城市間規(guī)模差距大，整體性不強(qiáng)[17-19]。鑒于以上原因，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以環(huán)渤海城市群為研究對(duì)象，基于1992—2013年間環(huán)渤海城市群的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，對(duì)該城市群的時(shí)空演變特征進(jìn)行研究，揭示其空間發(fā)展規(guī)律，以期為推進(jìn)環(huán)渤海城市群空間一體化發(fā)展提供參考，為其他城市群時(shí)空演變研究提供方法借鑒和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

環(huán)渤海城市群地處我國(guó)渤海灣西側(cè)，地理位置在E113°47′～125°80′，N34°41′～43°54′之間，總面積約為5.13×105km2，約占我國(guó)國(guó)土面積的5.4%。由北京市、天津市、山東省、遼寧省和河北省的共計(jì)44個(gè)地級(jí)市行政單元組成的遼中南、京津冀和山東半島3個(gè)子城市群構(gòu)成(表1和圖1)。該區(qū)氣候以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年平均降水量?50～950 mm。地貌以平原丘陵為主，地勢(shì)呈西北高、東南低趨勢(shì)。環(huán)渤海城市群作為我國(guó)重要的工業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品基地之一，自然資源類(lèi)型豐富，多深水港口，海陸交通發(fā)達(dá)。2017年全區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)達(dá)17.92萬(wàn)億元，約占全國(guó)的21.67 %。

表1 環(huán)渤海城市群基本構(gòu)成Tab.1 Basic composition of circum-Bohai urban agglomeration

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

收集1992—2013年DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)分別由6個(gè)不同傳感器獲取，依次為F10(1992—1994年)，F(xiàn)12(1994—1999年)，F(xiàn)14(1997—2000年)，F(xiàn)15(2000—2007年)，F(xiàn)16(2004—2009年)和F18(2010—2013年)，其灰度值(digital number，DN)范圍為0～63。每期數(shù)據(jù)共包含3類(lèi)影像，即平均燈光影像、穩(wěn)定燈光影像和無(wú)云觀(guān)測(cè)頻數(shù)影像。其中，穩(wěn)定燈光影像剔除了火災(zāi)、爆炸以及云霧天氣的影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強(qiáng)[20-21]，故本研究選用穩(wěn)定燈光影像作為基本數(shù)據(jù)源。

由于不同傳感器所獲取的數(shù)據(jù)存在不同程度的差異，因此首先需對(duì)不同傳感器獲取的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使其在時(shí)空尺度上具有可比性。本研究借鑒鄒進(jìn)貴等[22]構(gòu)建的DMSP/OLS影像校正模型對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。選取樣本數(shù)據(jù)區(qū)域，以2007年夜間燈光數(shù)據(jù)為標(biāo)定年度，建立樣本數(shù)據(jù)與標(biāo)定年度的一元二次回歸模型，公式為

DNc=jDN2+kDN+l，

(1)

式中：DN和DNc分別為校正前、后像元的DN值；j,k,l為參數(shù)。進(jìn)而，根據(jù)式(1)，參照多傳感器影像DN值回歸模型參數(shù)進(jìn)行回歸計(jì)算，并將校正后DN值大于63的像元賦值為63。應(yīng)用ArcGIS軟件空間分析功能進(jìn)行不同傳感器同年度影像DN值校正，即

(2)

根據(jù)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的變化特征，后一年度影像DN值不應(yīng)小于前一年度DN值。據(jù)此對(duì)不同傳感器多年度影像DN值進(jìn)行校正。公式為

(3)

式中：DN(n-1,i)和DN(n,i)分別為第n-1和n年度影像i像元DN值，n=1993,1994,1995,…,2013。本研究根據(jù)閾值法選取夜間燈光數(shù)據(jù)DN≥40作為城市閾值，即DN≥40的區(qū)域被認(rèn)定為城市[23]，獲得環(huán)渤海城市群城市夜間燈光分布數(shù)據(jù)。

另外，為全面、客觀(guān)地分析城市規(guī)模與城市空間分布的內(nèi)在聯(lián)系，分別收集了1993—2014年間的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》，以獲取研究區(qū)人口規(guī)模統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及國(guó)家統(tǒng)計(jì)局(http://www.stats.gov.cn/)公布的研究區(qū)各省1992—2013年間的GDP數(shù)據(jù)和2000—2013年各年末常住人口數(shù)據(jù)(考慮到統(tǒng)計(jì)口徑變更，為保證數(shù)據(jù)具有可比性，故年末常住人口收集時(shí)間段為2000—2013年)。

2 研究方法

2.1 城市位序-規(guī)模法則

城市規(guī)模變化是城市群發(fā)展的重要特征之一，本研究基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)采用城市位序-規(guī)模法則對(duì)城市規(guī)模進(jìn)行量化。目前該方法已被廣泛應(yīng)用于城市格局等方面的研究[24]。公式為

lgPi=lgP1-qlgRi，

(4)

式中：Pi為第i個(gè)城市的夜間燈光總量；P1為最大城市的夜間燈光總量；lgP1為最大城市的夜光規(guī)模；Ri為按照人口數(shù)量排列的第i個(gè)城市；q為捷夫系數(shù)，表明城市規(guī)模與位序的集中與分散程度。若|q|≈1，表明城市規(guī)模分布差異性較小，相對(duì)均勻；若|q|>1，表明大城市比較發(fā)育且規(guī)模集中，中小城市發(fā)育欠佳，城市規(guī)模首位度較高；若|q|<1，表明城市規(guī)模分布較分散，高位次城市規(guī)模不突出，中小城市較發(fā)育。對(duì)|q|值進(jìn)行時(shí)序動(dòng)態(tài)分析，若|q|增大，說(shuō)明城市規(guī)模分布集中力大于分散力；若|q|減小，說(shuō)明集中力小于分散力。

2.2 城市空間擴(kuò)展速率指數(shù)

城市空間變化的速率可在空間尺度上反映城市群擴(kuò)展的數(shù)量特征。本研究從城市用地面積變化的角度基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市用地面積，通過(guò)擴(kuò)展速率指數(shù)V描述城市擴(kuò)展特征[25]。公式為

(5)

ΔU=Ut+Δm-Ut，

(6)

式中：ΔU為時(shí)間間隔內(nèi)城市用地面積的變化量；Ut+Δm和Ut分別表示第t+Δm年和第t年城市用地面積；Δm為研究時(shí)間間隔；V表示時(shí)間間隔內(nèi)城市平均擴(kuò)展面積，即擴(kuò)展速率指數(shù)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

(7)

(8)

(9)

(10)

3 環(huán)渤海城市群時(shí)空演變過(guò)程分析結(jié)果

3.1 環(huán)渤海城市群總體分布特征

基于1992—2013年間環(huán)渤海城市群夜間燈光數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，探究該城市群發(fā)展變化規(guī)律。環(huán)渤海城市群1992年和2013年夜間燈光分布如圖2所示，對(duì)比可知該城市群各城市夜間燈光總量均呈顯著增長(zhǎng)，整體增長(zhǎng)率為135.89%。結(jié)合行政邊界、地理區(qū)位、自然環(huán)境和交通干道等因素分析，環(huán)渤海城市群的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可由一條核心發(fā)展軸與3條次級(jí)發(fā)展軸組成。其中，以京哈和京滬鐵路沿線(xiàn)城市構(gòu)成的核心發(fā)展軸，帶動(dòng)整個(gè)環(huán)渤海城市群南北向的發(fā)展；次級(jí)發(fā)展軸分別是以沈陽(yáng)市為中心的哈大高速沿線(xiàn)城市、連接天津市和北京市的京津鐵路沿線(xiàn)城市以及連接濟(jì)南市和青島市的膠濟(jì)鐵路沿線(xiàn)城市。由此可知，交通與該城市群的整體發(fā)展格局息息相關(guān)，交通連通度越高對(duì)城市發(fā)展的帶動(dòng)作用越大。

(a)1992年 (b)2013年

圖2 1992和2013年環(huán)渤海城市群夜間燈光分布

Fig.2Night-timelightdistributionofthecircum-Bohaiurbanagglomerationin1992and2013

3.2 環(huán)渤海城市群城市規(guī)模體系

利用位序-規(guī)模法則分析得到城市位序-規(guī)模雙對(duì)數(shù)圖(圖3(a)—(c))以及|q|值時(shí)間序列圖(圖3(d))，利用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明在0.01置信水平下，回歸方程均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

(a)1992年所有城市 (b)2002年所有城市

(c)2013年所有城市 (d)1992—2013年環(huán)渤海城市群|q|時(shí)間序列

圖3 1992—2013年城市夜間燈光總量位序-規(guī)模雙對(duì)數(shù)圖與|q|時(shí)間序列圖

Fig.3Cityrank-sizeplotsofnight-timelightand|q|timeseriesofthecircum-Bohaiurbanagglomerationfrom1992to2013

由圖3可知，1992—2013年|q|值均在1附近變動(dòng)，說(shuō)明環(huán)渤海城市夜間燈光規(guī)模在區(qū)域尺度上符合位序-規(guī)模分布。相比而言，1992—2002年間，|q|值以大于1居多，表明高位序城市規(guī)模較集中，與中小城市差距大，對(duì)周?chē)鞘械膸?dòng)作用不明顯，城市體系發(fā)展存在不平衡和斷層現(xiàn)象；2002—2013年間，|q|值均小于1，表明該階段城市夜光規(guī)模分布總體上較分散，高位序城市規(guī)模不突出，中小城市規(guī)模與其差異不大且數(shù)量較多。總體上，整個(gè)環(huán)渤海城市群城市規(guī)模分布逐漸由“高位序城市獨(dú)大”的不均衡狀態(tài)向“多城市全面共同發(fā)展”的均衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。從|q|長(zhǎng)時(shí)間序列來(lái)看，1992—2013年間|q|值逐漸減小，說(shuō)明該城市群城市規(guī)模分布逐漸由集中向分散狀態(tài)轉(zhuǎn)變，城市規(guī)模分布的分散趨勢(shì)大于集中趨勢(shì)；在前期高位序城市的輻射聚集作用帶動(dòng)下，中小城市快速發(fā)展夜間燈光規(guī)模逐步擴(kuò)增，相比之下，大城市首位度逐漸降低。

3.3 城市群圈層式空間擴(kuò)展模式

由1992—2013年間環(huán)渤海城市群城市范圍時(shí)空演變過(guò)程(圖4)，可知該城市群空間擴(kuò)展模式主要表現(xiàn)為以中心城市為主導(dǎo)的圈層式擴(kuò)展。

圖4 1992—2013年環(huán)渤海城市群時(shí)空演變過(guò)程

Fig.4Spatio-temporalevolutionofthecircum-Bohaiurbanagglomerationfrom1992to2013

1992—1997年、1997—2002年、2002—2007年和2007—2013年環(huán)渤海城市群的城市空間擴(kuò)展速率分別為14.67 %，7.91 %，12.35 %和4.37 %，城市空間處于不斷擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。其中，1992—2013年中心城市空間擴(kuò)展速率指數(shù)由12.28 %降至3.18 %，其他城市的空間擴(kuò)展速率指數(shù)則由16.79 %降至5.14 %，整體環(huán)渤海城市群及各子城市群空間擴(kuò)展速率指數(shù)均呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)(表2)。同時(shí)，需指出的是除遼中南城市群外，整個(gè)環(huán)渤海城市群及京津冀、山東半島子城市群在1992—2013年

表2 1992—2013年環(huán)渤海城市群空間擴(kuò)展速率Tab.2 Spatial expansion rate of the circum-Bohai Urban Agglomeration from 1992 to 2013 (%)

間中心城市的擴(kuò)展速率指數(shù)均小于其他城市。其主要原因?yàn)?，遼中南城市群以發(fā)展工業(yè)為主，在全球重工業(yè)不景氣的背景下其經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到嚴(yán)重限制，同時(shí)人口外流也是制約其發(fā)展的重要因素。對(duì)比整個(gè)環(huán)渤海城市群及各子城市群的GDP與人口發(fā)展可知(圖5)，遼中南城市群較其他子城市群的GDP增長(zhǎng)速率最低，人口數(shù)量處于停滯狀態(tài)，從而使得遼中南城市群發(fā)展力量主要集中于中心城市，而中小城市未得到良好的發(fā)展，城市擴(kuò)增速率較低。

(a)GDP (b)人口

圖5 環(huán)渤海城市群及各子城市群GDP與人口變化圖

Fig.5GDPandpopulationchangeofthecircum-Bohaiurbanagglomerationanditssub-areas

3.4 環(huán)渤海城市群空間演變趨勢(shì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果(表3和圖6)可知，1992—2013年間環(huán)渤海城市群城市空間演變總體呈由西向東，由北向南的趨勢(shì)。橢圓重心坐標(biāo)由(E118°48′，N39°15′)移至(E118°33′，N38°42′)，移動(dòng)距離為63.91 km，說(shuō)明該城市群城市規(guī)模平均每年向西南方向移動(dòng)約3.04 km。橢圓面積由2.84×105km2增至3.13×105km2，空間增長(zhǎng)率為10.18%，城市群規(guī)模整體呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。橢圓短軸由2.23×105m增至2.52×105m，長(zhǎng)軸由4.06×105m降至3.96×105m，表明該城市群表現(xiàn)為東北—西南方向(長(zhǎng)軸方向)空間擴(kuò)張，西北—東南方向(短軸方向)空間收縮。橢圓方位角由43.12°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為38.07°，西北—東南方向變化幅度較大，在該方向上的城市起到了推動(dòng)城市群時(shí)空演變的主要拉力作用。由橢圓變化位置可知，東南沿海等地為橢圓顯著變化區(qū)，說(shuō)明該城市群城市空間范圍擴(kuò)展以東南沿海城市為主。就各子城市群而言，遼中南和京津冀子城市群城市區(qū)域空間分布總體呈向西南方向擴(kuò)張格局，山東半島子城市群呈向東南方向擴(kuò)張格局。遼中南子城市群重心向西南方向偏移，盤(pán)錦市、大連市等沿海城市為橢圓顯著變化區(qū)域，說(shuō)明推動(dòng)該子城市群空間演變的主要拉力集中于沿海城市。京津冀子城市群城市在空間上分布較為集中，城市空間體系在東北—西南方向上收斂，西北—東南方向擴(kuò)增，橢圓伸縮幅度變化不明顯，表明推動(dòng)該子城市群空間演變的主要拉力集中于北京市、天津市2個(gè)中心城市。山東半島子城市群重心向東部沿海偏移，煙臺(tái)市、青島市、日照市為橢圓顯著變化區(qū)，表明推動(dòng)該子城市群空間演變主要拉力為東部沿海城市。

表3 環(huán)渤海城市群及其子區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)變化Tab.3 Parameter change of standard deviation ellipse of night-time light distribution for the circum-Bohai urban agglomeration and sub-areas

(a)環(huán)渤海城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化 (b)遼中南子城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

圖6-1 環(huán)渤海城市群及子城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

Fig.6-1Standarddeviationellipsechangeofnight-timelightforthecircum-Bohaiurbanagglomerationandsub-areas

(c)京津冀子城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化 (d)山東半島子城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

圖6-2 環(huán)渤海城市群及子城市群標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

Fig.6-2Standarddeviationellipsechangeofnight-timelightforthecircum-Bohaiurbanagglomerationandsub-areas

4 結(jié)論與討論

1)1992—2013年間，環(huán)渤海城市群各城市夜間燈光總量均呈顯著增長(zhǎng)，整體增長(zhǎng)率為135.89%。

2)隨時(shí)間推移，環(huán)渤海城市群中心城市對(duì)周邊地區(qū)的輻射帶動(dòng)作用逐漸增強(qiáng)，中小城市規(guī)模不斷增加，城市空間體系差距減小，城市規(guī)模分布由不均衡狀態(tài)向均衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

3)環(huán)渤海城市群空間擴(kuò)展呈中心城市圈層化特征，除遼中南子城市群外，整個(gè)環(huán)渤海城市群和其他子城市群的中心城市空間擴(kuò)展速率指數(shù)均小于其他中小城市；城市群演變格局表現(xiàn)為由西向東，由北向南趨勢(shì)，重心向西南方向偏移，空間范圍呈擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。

本研究基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)在時(shí)空尺度上對(duì)環(huán)渤海城市群的時(shí)空演變過(guò)程進(jìn)行研究，較先前應(yīng)用其他數(shù)據(jù)源提取城市規(guī)模更為快速、精確，該數(shù)據(jù)在研究城市群空間演變過(guò)程方面具有較大潛力，但仍存在以下問(wèn)題需繼續(xù)深入探討：目前可獲得的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1992—2013年，因此對(duì)于近期城市相關(guān)問(wèn)題研究存在數(shù)據(jù)缺失。如何應(yīng)用現(xiàn)有的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，構(gòu)建高可信度的預(yù)測(cè)模型是解決這一問(wèn)題的重要途徑。