基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據的新疆城市擴展時空變化研究

圖爾蓀阿依·如孜 阿里木江·卡斯木,2* 高鵬文 趙孟辰

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院,烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學 絲綢之路經濟帶城鎮化發展研究中心,烏魯木齊 830054)

城市擴展的空間形態變化是城市化發展的顯著標志[1-3]。改革開放以來，我國城市擴展變化呈快速增長趨勢，但同時城市地域空間分布也變得極不均衡,限制了區域的協調發展[4-5]。城市空間擴展作為衡量區域城市化發展水平高低的重要指標之一[6]，而城市空間的擴展及形態的變化也是城市形成和發展過程中的必經階段[7]。促進區域協調發展，要了解和比較新疆城市擴展演變過程、區域城市擴展的空間格局以及變化特征進行研究。新疆城市空間變化的動態變化研究能為構建科學合理的新疆城市體系結構建設中提供一定的參考，在此基礎上優化新疆城市擴展空間格局。

低分辨率夜間燈光影像數據是記錄人類聚集活動在地表上燈光強度信息的反演，因此在城市化擴展研究中夜間燈光數據被廣泛應用[8-12]。在夜間燈光遙感影像數據中，像元的輻射亮度值的大小是受到所對應地表上夜間各類型人造光源亮度強弱的直接反映，人類活動的強度越大時像元灰度值越大[13]。對于研究大尺度下的城市擴展變化特征， Kasimu等[14]結合DMSP/OLS夜間燈光數據、人口密度數據和 MODIS 數據對全球的城市化時空變化特征進行研究，得到了較好的評價精度，提供了低分辨率數據在大范圍區域城市擴展中的應用思路。Zhang[15]利用夜間燈光數據對全球的城市擴展在時空動態演變特征進行了研究，在大尺度上的城市擴展演變分析中應用低分辨率的遙感影像數據，體現出低分辨率影像數據在空間和時間上的優勢。李德仁等[16-17]利用DMSP/OLS數據對 “一帶一路”沿線國家的城市體系進行了時空演化和空間結構趨勢研究，通過對城市化發展和生態環境的評估, 分析了1993—2012年 “一帶一路”沿線區域的發展規律以及擴展特征，在此基礎上評估經濟社會發展質量。在大尺度上對城市擴展演變進行研究，能夠揭示區域城市化發展規律及空間結構演化，有助于制定城鎮空間格局的有效政策。對于城市化和城市擴展相關的研究來說，夜間燈光輻射信號是城市具體活動的綜合測量，在城市時空演化研究中具有可比性。

我國西北干旱區的新疆具有獨特的自然環境。新疆正處于構建全方位的開放格局階段，正在加快“絲綢之路”經濟帶核心區建設。已有研究受夜間燈光數據DMSP/OLS數據獲取時間限制的影響，研究時間限定為1992—2013年。本研究為了彌補DMSP/OLS數據在空間、時間以及輻射分辨率等方面的缺陷，更好揭示絲綢之路經濟帶核心區之一的新疆城市在1993—2018年的城市擴展演變，結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數據，以期更好，基于2 種夜間燈光數據提取人們生活聚集、活動頻繁的城市在空間上的擴展變化信息，開展對研究區城市擴展在1 km×1 km格網的空間格局變化；同時借助城市擴展動態度、標準差橢圓方法以及城市空間形態變化指標來分析研究區城市時空擴展演變規律，以期深入了解和闡釋城市擴展在空間上的變化以及發展，為促進“一帶一路”建設提供參考。

1 研究區概況與數據預處理

1.1 研究區概況

新疆位于亞歐大陸的中部，地處在我國的西北邊陲，現有14 個地、州、市，89個縣(市)，其中33個為邊境縣(市)。新疆由高山阻擋、暖濕氣流難以到達、呈現出典型的溫帶大陸性氣候。天山橫亙中部把新疆分成南北兩半,南部是塔里木盆地、北部是準噶爾盆地。由于自然條件惡劣，人群聚落主要分布在環繞準噶爾盆地和塔里木盆地的綠洲上。新疆綠洲的規模較小而且不集中，在荒漠中形成孤島狀分布。新疆以其獨特的自然和人文條件，是絲綢之路經濟帶上重要的交通樞紐，作為連接中亞、西亞、南亞乃至通往歐洲的重要商貿通道，是我國實施西部大開發戰略的重點區域之一。

1.2 數據來源

夜間燈光數據：為確保研究時間序列的延續性，在美國國家海洋大氣局網站(https:∥www.ngdc.noaa.gov)下載DMSP/OLS和NPP/VIIRS 2種夜間燈光數據作為基礎資料。DMSP/OLS夜間燈光影像能獲取1992—2013年時間序列的年合成數據，空間分辨率為1 km，像元灰度值范圍為0～63。NPP/VIIRS數據記錄夜間燈光強度，繼承了DMSP/OLS數據的基本特征，空間分辨率為0.5 km，彌補了 DMSP/OLS數據在空間、時間以及輻射分辨率等方面的缺陷，極大地拓展了夜間燈光數據的研究方向和應用領域[18-19]。

Landsat-8影像：Landsat-8衛星是美國航天局在2013年2月發射，成像寬幅為185 km×185 km，空間分辨率為30 m。本研究在地理空間數據云(https:∥www.gscloud.cn)上下載烏魯木齊市、伊寧市、庫爾勒市和和田市等4個城市2013年6—9月的Landsat-8遙感影像。

縣級行政矢量數據:本研究采用1∶25萬的行政矢量數為基礎，裁剪其他研究區范圍的數據。矢量數據來源于中國基礎地理信息中心網站(http:∥gts.shsm.gov.cn)。

2 研究方法

2.1 夜間燈光指數

由于2種夜間燈光數據像元灰度值范圍存在差異，為統一值域范圍，利用城市區域平均燈光強度指數和城市區域有效夜間燈光面積指數來構建夜間燈光指數ANLI用以反映城市擴展水平[22-23]。計算2種數據的平均燈光灰度值，對DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間光數據進行值域范圍的統一[5]。

(1)

(2)

式(1)中：ANLI為平均燈光指數；DNi為研究區內的i級像元灰度值；ni為研究區內i級灰度值的像元總數；N為研究區的像元總數；Nmax為最大灰度值。

式(2)中：(ANLIcorr)i,t為NPP/VIIRS數據的研究區t年份統一后的平均燈光強度；ANLIdmsp2013表示2013年DMSP/OLS數據的平均燈光強度總值；ANLInpp2013表示2013年NPP/VIIRS數據平均燈光強度的總值；(ANLInpp)i,t表示校正前的NPP/VIIRS數據平均燈光強度。

2.1 城市空間擴展度量

城市空間擴展的度量方式可以研究對象從時間和空間兩方面來考慮[24]。在一定時間段內，城市區域的位置、面積、范圍以及分布等城市信息的變化特征。本研究利用常用的城市建成區面積增長量(AΔ)、變化率(M)、城市空間擴展速率(V)以及城市擴展動態度(R)等指標(表1)來分析新疆城市擴展時空變化。

表1 城市空間擴展時空特征測度指標Table 1 Spatial and temporal characteristic measurement index of urban spatial expansion

2.3 標準差橢圓方法

(3)

(4)

標準差橢圓的3 個要素為轉角θ、沿長軸的標準差以及短軸的標準差。轉角θ是正北方向順時針旋轉到長軸形成的夾角，計算公式如下：

(5)

x軸標準差δx和y軸標準差δy分別為：

(6)

(7)

2.4 城市空間形態變化指標

城市空間形態變化指標是城市規劃和建設過程中的重要依據之一。本研究由緊湊度和分形維數指數來研究新疆城市在空間上的形態變化以及特征。緊湊度(C)是反映城市空間形態中的各部分空間集聚程度的指標，以緊湊度數值的大小變化來分析城市用地的空間擴展規律。分形維數(E)通過城市邊界的分形特性分析，揭示不同規模城市產生和擴展的隱性特征[7]。分維系數范圍為1～2，分形維數值越大時城市形態越復雜，反而越小時城市形態越接近簡單的正方形。當分維系數等于1.5時，空間布局最不穩定。計算公式為：

(8)

(9)

式中：C和E分別為緊湊度和分形維數指數；A和P為城市斑塊面積和周長。緊湊度(C)值是在0～1之間，緊湊度指數越接近1時城市形狀越接近圓形，說明城市空間形狀越緊湊。

3 結果與分析

3.1 新疆城市夜間燈光指數變化特征

本研究根據曹子陽等[18]的方法對DMSP/OLS數據進行預處理，包括裁剪、重投影、重采樣和輻射校正，最終得到消除飽和的1993—2013年新疆區域DMSP/OLS夜間燈光數據；因衛星傳感器及地表非均勻特性等影響，NPP/VIIRS數據存在少數像元值為負值、極高值、不穩定光源現象。因此，對2013年和2018年所有月數據均值合成為年數據，為消除負值，利用NOAA國家地理數據中心發布的2016年NPP/VIIRS合成數據灰度值大于0的部分對2013年和2018年數據掩膜提取，以像元分布較均衡且灰度值的變化幅度較小城市區為不變區域，通過不變區域法對年合成NPP/VIIRS數據進行相對輻射校正，利用ArcGIS低通濾波工具消除極高的灰度值。為驗證2種夜間燈光數據擬合情況，對2013年的2 種夜間燈光數據進行冪函數擬合(圖1)，校正后的2 種夜間燈光數據相關系數(R2)為0.79，有較好的擬合關系。

圖1 DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據的擬合關系Fig.1 Fitting relationship between DMSP/OLS and NPP/VIIRS data

對統一后的2013年DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據利用最佳閾值法進行新疆城市空間信息的提取，以烏魯木齊市、庫爾勒市、伊寧市和和田市等4個城市為例，提取的城市夜間燈光跟2013年的Landsat-8影像進行精度驗證，結果見圖2。

根據式(1)和(2)計算出新疆城市在各年的夜間燈光指數(ANLI)。從1993—2018年(以5年為時間間隔)新疆城市ANLI指數分別為0.809、0.826、0,829、0.831、0.855和0.982。總體上看，1993—2018年的新疆城市化水平持續升高，平均夜間燈光指數由1993年的0.809上升至2018年的0.982，且2013—2018年的平均夜間燈光指數明顯高于其他時期平均夜間燈光指數，說明1993—2013年新疆城市化水平較慢，2013—2018年城市化水平高。“一帶一路”倡議給絲綢之路核心區的新疆帶來了新的發展機遇，推進了新疆新型城市化發展。

(a)烏魯木齊市 Urumqi; (b)伊寧市 Yining; (c)庫爾勒市 Korla; (d)和田市 Hotan。圖2 提取的2013年城市夜間燈光與Landsat-8影像精度驗證Fig.2 Extracted city night lights and Landsat-8 image accuracy verification in 2013

3.2 新疆城市擴展時空變化

對預處理后的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數據進行閾值分割，得到1993—2018年新疆城市夜間燈光的時空演變信息(表2)。從城市擴展指標獲取的新疆城市擴展統計結果表明，新疆城市夜間燈光面積從1993年的571 km2增長到2018年的9 865 km2，面積擴張了17.28倍。由表2可見：新疆城市夜間燈光在近25年來總體上一直保持擴張趨勢，1998—2003年新疆城市夜間燈光面積增長量最低、動態度最小，此增長率比1993—1998年的低11倍，屬于低速擴展；2003—2008年的增長量比1993—2003年的高460 km2，增長率比1993—1998年的低66.84%，屬于緩慢擴展；2008—2013年和2013—2018年的增長量比前期高，尤其是2013—2018年增長量最高，擴展速率達到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的高9.7倍.在“一帶一路”倡議的背景下，2015年新疆與中亞五國之間的雙邊貿易總額達到110億美元，占到中國與這五國貿易總量的33.7%[26]。在新疆與中亞五國之間的貿易不斷加快的情況下，2013—2018年新疆城市的動態變化最明顯，表明新疆城市在2013—2018年擴展最快。整體的城市擴展指標計算結果表明，新疆2013—2018年的城市變化呈現中速-低速-緩慢-快速的擴展趨勢。

3.3 標準差橢圓分析

構建標準差橢圓度量新疆城市夜間燈光在空間范圍內擴展方向以及規模分布，結果見圖3。

從圖中可知新疆地、州、市的5個時期的標準差橢圓范圍大小與標準差橢圓重心遷移的空間變化。其中：1993—1998年標準差橢圓范圍以及重心移動最明顯；1993年的標準差橢圓重心從昌吉回族自治州遷移到巴音郭楞自治州，而2003—2008和2008—2013年沒有顯著性變化；從整個標準差橢圓長軸的方向來看，每個時期的標準差橢圓長軸方向是從東北-西南方向發展，說明5個時期的長軸方向都是一致的。從標準差橢圓法的參數來計算，可得新疆城市擴展的標準差橢圓的變化，結果見表3。可見：1993年的標準差橢圓范圍為18.33×104km2到1998年時增加了13.9×104km2，重心遷移方向是從東北向西南方向轉移，這個時間段內標準差橢圓重心的移動距離最遠；1998—2003年標準差橢圓的面積增加了2.75×104km2，重心坐標由(85°52′ E， 42°58′ N)移至(84°55′ E， 42°46′ N)，重心移動距離為80.31 km；其中2008—2013年標準差橢圓的重心移動距離最短，標準差橢圓范圍比前一段時間段的大2.422.75×104km2，重心移動距離比2003—2008年短11.96 km，移動方向為東北方向；1993—2018年來新疆城市擴展的標準差橢圓范圍一直保持增加，呈現出重心移動距離先縮短后增長趨勢。

表2 城市空間擴展統計分析Table 2 Statistical analysis of urban spatial expansion

圖3 新疆5個時期的城市擴展標準差橢圓及其重心變動Fig.3 Urban extension standard deviation ellipse and its center of gravity change in five periods in Xinjiang

表3 新疆城市擴展的標準差橢圓變化Table 3 Standard deviation elliptic variation of Xinjiang urban expansion

隨著我國城市的迅速發展，新疆城市規模也呈現出快速發展趨勢，1993—2018年來新疆城市標準差橢圓的面積與中心轉移方向變化顯著(圖4)，標準差橢圓面積從1993—2018年時增加了25.31×104km2，增長率為138.05%。標準差橢圓的方位角變大，標準差橢圓長軸的伸縮幅度較大。表明推動新疆城市體系夜間燈光演化的主要拉動力量為西南向。2017年“雙西公路”全稱為“歐洲西部—中國西部”公路的建成加快我國向西開放，標志著新疆東聯西出的通道運輸能力進一步增強，促進新疆城市發展。

圖4 1993—2018年新疆城市規模標準差橢圓及其中心變化Fig.4 Xinjiang city size standard deviation ellipse and its center change from 1993 to 2018

3.4 城市空間形態變化特征

根據分形維數指數和緊湊度指數的公式計算出新疆城市的時空變化特征。由圖5可知新疆城市的空間形態都處于不同的變化階段。新疆的生態環境極為脆弱，城市之間的距離較遠，相互聯系較脆弱。因此，在研究期間內新疆城市外圍輪廓形態緊湊度值持續下降，從1993年的緊湊度值0.17到2018年時降到0.05，新疆城市緊湊度值接近于0，城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結構呈松散化趨勢。新疆城市的分形維數值大于1.5，范圍1.52～1.64，從1993—2018年新疆城市的分形維數有略微增長的趨勢，1993—2018年來新疆城市處于既不穩定且復雜的狀態。

整體來說，新疆城市外延式擴展較明顯，城區外廓的破碎程度較高、城市空間形狀的不規則性強，相應的穩定性越來越弱，新疆城市的空間形狀為日益復雜的發展趨勢。

圖5 新疆城市各時段分形維數和緊湊度變化Fig.5 Changes in fractal dimension and compactness of Xinjiang cities at different time periods

4 結 論

本研究為了數據的連續性基于DMSP/OLS夜間燈光數據(空間分辨率1km)和NPP/VIIRS夜間燈光數據(空間分辨率1km)等2種夜間燈光數據相結合，提取新疆城市建成區的空間信息，利用平均夜間燈光指數、4種類型的城市擴展指標、標準差橢圓法和城市空間形態變化指數，對1993—2018年新疆城市擴展時空演變進行研究。得出的結論有以下幾點：

1)通過燈光指數對2種夜間燈光數據進行冪函數擬合，校正后的2種夜間燈光數據相關系數(R2)為0.79，有較好的擬合關系。1993—2018年來，新疆城市的平均夜間燈光指數保持遞增趨勢，新疆城市化水平不斷上升。城市的建成區面積一直保持增長趨勢，尤其是2013年提出“一帶一路”建設以后，比起前些年的新疆城市建成區面積增長量最高，到2018年時增長量為6 111 km2，擴展速率達到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的9.7倍，動態變化最明顯。1998—2003年新疆城市增長量最少，發展速率緩慢，動態度最小。1993—2018年新疆城市擴展是從中速-低速-緩慢-快速的擴展趨勢。

2)構建標準差橢圓，度量新疆城市空間的擴展方向以及空間分布趨勢。2003—2013年新疆城市標準差橢圓范圍和標準差橢圓重心轉移方向不明顯變化，為了更進一步分析新疆城市1993—2018年的整體擴展，構建1993—2018年的標準差橢圓。結果表明1993—2018年新疆城市規模標準差橢圓的范圍與重心轉移方向有顯著變化，標準差橢圓面積從1993—2018年時增加了25.31×104km2，這期間標準差橢圓的面積增長率為138.05%。標準差橢圓的重心轉移方向是從1993—2018年由東北向西南。說明新疆城市1993—2018年來一直保持擴展趨勢。

3)1993—2018年新疆城市的緊湊度指數保持下降趨勢，分形維數指數隨著時間的變化呈遞增趨勢。新疆城市的緊湊度指數接近于0、空間形態不緊湊。分形維數指數都在1.5以上，新疆城市空間形態處于既不穩定且復雜的狀態，外延式擴展較明顯，城市空間形狀的不規則性強，破碎程度較高，新疆城市的空間形狀為日益復雜的發展趨勢。

本研究為了彌補DMSP/OLS夜間燈光數據的空間分辨率和獲取數據時間限制性的缺點，利用NPP/VIIRS數據。這2種夜間燈光數據雖然解決利用夜間燈光數據進行研究時時間的更新性和延長性，但是空間分辨率以及衛星傳感器的不一致導致2種數據灰度值范圍的差異性。本研究利用同年份的2種數據重采樣、歸一化等預處理以及平均燈光指數進行統一，得到2種夜間燈光數據本研究較好的擬合性(R2=0.79),但是沒有完全解決這2種夜間燈光數據的差異性。2013年“一帶一路”倡議的提出以及東西雙向互濟的開放格局，為新疆經濟發展創造了良好機遇，對新疆的城市發展帶來巨大變化。因此，研究結果有助于更好地認識和理解城市空間格局變化及發展，為促進“一帶一路”建設提供參考。