基于DMSP／OLS 數(shù)據(jù)的山西省典型城市發(fā)展?fàn)顩r的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

趙尚民，章詩(shī)芳

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024）

城鎮(zhèn)化是由于社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展而引起的城市空間增長(zhǎng)、城市規(guī)模擴(kuò)大和農(nóng)村人口向城市集中的過(guò)程。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)城市建設(shè)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率從1978年的17.9%上升到2012年的52.6%。在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，能否處理好城市建設(shè)與人口、資源、環(huán)境的關(guān)系成為影響城市發(fā)展的重要議題［1-3］。而了解城市發(fā)展進(jìn)程和規(guī)律則是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。美國(guó)國(guó)防部氣象衛(wèi)星（defense meteorological satellite program，DMSP）上搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳感器（operational linescan system，OLS）可以獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的夜間燈光數(shù)據(jù)，并且在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4-9］，特別是在城市化擴(kuò)展領(lǐng)域［10-18］。同時(shí)，由武漢大學(xué)研發(fā)的全球首顆專(zhuān)業(yè)夜光遙感衛(wèi)星于2018年6月在酒泉發(fā)射，這更加大了夜光動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)的應(yīng)用深度和范圍。

因此，本研究以山西省典型城市（太原市、大同市和運(yùn)城市）為研究區(qū)，基于DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度的空間分布變化分析其經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。研究分析并對(duì)比了山西省北、中、南3個(gè)典型城市的長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展軌跡，為了解山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為山西省城市化建設(shè)和科學(xué)發(fā)展提供理論支持，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

山西省典型城市——太原市、大同市和運(yùn)城市的基本情況如下：

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，是山西省的省會(huì)（見(jiàn)圖1）.太原市境總面積約6 988 km2，2012年太原市中心城區(qū)建成區(qū)面積約為310 km2（中國(guó)城市第24名）。2005年太原市GDP達(dá)893.16億元，比2000年增長(zhǎng)了一倍多，到2013年增加到2 219.08億元［19］。

大同市位于山西省最北端，與河北省和內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰（見(jiàn)圖1）.作為山西省第二大城市和省域副中心城市，大同市2016年人口約為342.19萬(wàn)，面積約14 176km2，2012年全市GDP為931.3億元，到2016年超過(guò)1 000億元［19］，經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較迅速。

運(yùn)城市位于山西省南端的運(yùn)城盆地及太行山南部地區(qū)，與陜西省和河南省毗鄰（見(jiàn)圖1）.運(yùn)城市是3個(gè)國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)疊加的地級(jí)市，2016年人口約為530.52萬(wàn)，總面積為14 233km2，2013年GDP約為1 140億元，到2016年達(dá)到1 222億元［19］，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速。

通過(guò)對(duì)山西省3個(gè)典型城市的燈光變化狀況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步了解其經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程，為探索山西省經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和借鑒。

圖1 山西省典型城市位置和地勢(shì)圖Fig.1 Location and relief map of typical cities in Shanxi Province

2 主要數(shù)據(jù)源

本研究所用的數(shù)據(jù)源主要為研究區(qū)域1992-2013年的DMSP／OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，它源自美國(guó)國(guó)家地理信息中心2015年發(fā)布的可免費(fèi)下載的第四版本的穩(wěn)定燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)（http：／／ngdc.noaa.gov／eog／dmsp／downloadV4composites.htm）.該數(shù)據(jù)為全球夜間燈光數(shù)據(jù)，空間分辨率1km.OLS傳感器于1976年首次搭載在DMSP衛(wèi)星上，最初的目的是檢測(cè)氣象，用于探測(cè)月光照射下的云。由于具有較高的增益，OLS不僅能監(jiān)測(cè)云，還能探測(cè)城鎮(zhèn)燈光、火光、漁船燈光等電磁波，因此逐漸被應(yīng)用于監(jiān)測(cè)城市的夜間燈光、火災(zāi)等。監(jiān)測(cè)夜間城市燈光、小規(guī)模居民點(diǎn)、交通道路、車(chē)流等發(fā)出的低強(qiáng)度燈光，可以綜合反映人類(lèi)活動(dòng)信息，從而為城市化和城市擴(kuò)張的長(zhǎng)時(shí)間序列遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于長(zhǎng)時(shí)間序列DMSP／OLS的亮度大小和分布范圍變化可以推測(cè)區(qū)域特別是城市區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r。

3 研究方法

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technical routes

本研究的技術(shù)路線如圖2所示。從圖2可以看出：本研究首先通過(guò)美國(guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站下載第四版本的1992-2013年的DMSP／OLS數(shù)據(jù)，并將其從原始的地理投影轉(zhuǎn)換到Albers等積投影（以計(jì)算面積），然后基于山西省行政界線數(shù)據(jù)提取其典型城市的行政界線，再通過(guò)行政界線裁剪經(jīng)過(guò)投影的DMSP／OLS數(shù)據(jù)獲得典型城市的DMSP／OLS數(shù)據(jù)；最后基于典型城市1992-2013年的DMSP／OLS數(shù)據(jù)，并按照5年的平均亮度變化和不同等級(jí)亮度的面積變化分析，并將其與對(duì)應(yīng)時(shí)期的GDP變化進(jìn)行對(duì)比，獲得典型城市不同時(shí)期的城市發(fā)展?fàn)顩r。

DMSP／OLS數(shù)據(jù)在 城市擴(kuò) 張［12，18］、城市化過(guò)程［6，13］、城市人口估算［5］、GDP 分析和能源消費(fèi)［7，9］等方面的應(yīng)用研究，為本文研究山西省典型城市發(fā)展?fàn)顩r的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有效參考，同時(shí)本研究可為了解山西省不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，山西省典型城市的合理規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 太原市1992-2013年的城市發(fā)展動(dòng)態(tài)

4.1.1 太原市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度變化

利用太原市行政界線對(duì)DMSP／OLS全球1992-2013年間的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，獲得太原市長(zhǎng)時(shí)間序列的DMSP／OLS夜間燈光數(shù)據(jù)。由于不同年份之間的數(shù)據(jù)存在明顯波動(dòng)，為了減小這種波動(dòng)，更容易發(fā)現(xiàn)亮度的變化規(guī)律，研究以5年為1個(gè)時(shí)期進(jìn)行平均，從而獲得太原市1992-2013年不同時(shí)期的亮度均值數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 太原市不同時(shí)期的DMSP／OLS數(shù)據(jù)Fig.3 DMSP／OLS data in different periods in Taiyuan City

從圖3可以看出：太原市東南方的主城區(qū)最亮，且面積不斷擴(kuò)大；其他區(qū)域的亮度也在逐漸提高。對(duì)太原市各時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)的亮度值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：各個(gè)時(shí)期亮度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差持續(xù)增加，且增速越來(lái)越大。這說(shuō)明，太原市1992-2013年一直在持續(xù)發(fā)展，且發(fā)展速度越來(lái)越快。

表1 太原市各個(gè)時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度值數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Taiyuan City

4.1.2 太原市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)各等級(jí)的面積變化

為了更好地了解亮度的變化情況，參考太原市城區(qū)的面積和范圍，將DMSP／OLS數(shù)據(jù)按照亮度值劃分為（0～5）、（5～10）、（10～20）、（20～35）和（＞35）5個(gè)等級(jí)，并對(duì)各個(gè)等級(jí)的空間分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得太原市1992-2013年不同時(shí)期各等級(jí)亮度的分布面積，如表2所示。

從表2可以看出：在各個(gè)時(shí)期的5個(gè)等級(jí)中，（0～5）等級(jí)的亮度分布面積從2007年以后開(kāi)始明顯減小；中間3個(gè)等級(jí)的空間分布面積存在波動(dòng)；（5～10）和（10～20）等級(jí)的亮度分布面積波動(dòng)明顯；（20～35）等級(jí)的亮度分布面積整體增加；（＞35）等級(jí)的亮度分布面積持續(xù)增加，增加了約2.5倍，且增加速度越來(lái)越快。

表2 太原市燈光數(shù)據(jù)1992-2013年不同時(shí)期各等級(jí)分布面積Table 2 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Taiyuan City km2

4.2 大同市1992-2013年的城市發(fā)展動(dòng)態(tài)

4.2.1 大同市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度變化

基于獲取的大同市行政界線對(duì)全球1992-2013年的DMSP／OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，并以5年為1個(gè)時(shí)期進(jìn)行平均，得到大同市1992-2013年不同時(shí)期的亮度均值數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 大同市不同時(shí)期的DMSP／OLS數(shù)據(jù)Fig.4 DMSP／OLS data in different periods in Datong City

從圖4可以看出：大同地區(qū)的主要城鎮(zhèn)亮度持續(xù)增加，主要體現(xiàn)在大同市主城區(qū)范圍擴(kuò)大，亮度更加均勻，同時(shí)幾個(gè)縣城區(qū)的亮度也有明顯增大。

對(duì)圖4中不同時(shí)期的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 大同市各個(gè)時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度值數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Datong City

從表3可以看出：大同市前3個(gè)時(shí)期發(fā)展緩慢，亮度和平均值增長(zhǎng)不大；后2個(gè)時(shí)期發(fā)展迅速，平均亮度值從3.134增加到5.946，標(biāo)準(zhǔn)偏差也很大。

4.2.2 大同市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)各等級(jí)的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大同市不同時(shí)期的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)在不同時(shí)期的分布面積，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：從1992-2013年，大同市（0～5）等級(jí)的亮度分布面積中，前3個(gè)時(shí)期減少不大，而后2個(gè)時(shí)期則快速減少；（5～10）和（10～20）等級(jí)的亮度分布面積持續(xù)增加，特別是后2個(gè)時(shí)期；（20～35）等級(jí)的分布面積整體呈增加趨勢(shì)，但有明顯波動(dòng)，如第3時(shí)期面積有明顯減少；（＞35）等級(jí)的亮度分布面積整體呈增加趨勢(shì)，但前3個(gè)時(shí)期變化不大，甚至呈下降趨勢(shì)，后2個(gè)時(shí)期則快速增加。

表4 大同市燈光數(shù)據(jù)1992-2013年不同時(shí)期各等級(jí)分布面積Table 4 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Datong City km2

4.3 運(yùn)城市1992-2013年的城市發(fā)展動(dòng)態(tài)

4.3.1 運(yùn)城市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度變化

利用運(yùn)城市行政界線裁剪全球1992-2013年間的DMSP／OLS亮度數(shù)據(jù)，并對(duì)裁剪結(jié)果以5年為1個(gè)時(shí)期進(jìn)行平均，得到運(yùn)城市不同時(shí)期的亮度均值數(shù)據(jù)，如圖5所示。

從圖5可以看出：從第1個(gè)時(shí)期到第5個(gè)時(shí)期，不僅亮度區(qū)的范圍明顯增大，亮度數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍也明顯變大，從第1時(shí)期的0～50增加到第5時(shí)期的0～62.這說(shuō)明運(yùn)城市這20多年來(lái)發(fā)展顯著。

對(duì)運(yùn)城市各時(shí)期不同等級(jí)的DMSP／OLS數(shù)據(jù)的亮度值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5所示。

圖5 運(yùn)城市不同時(shí)期的DMSP／OLS數(shù)據(jù)Fig.5 DMSP／OLS data in different periods in Yuncheng City

從表5可以看出：從第1時(shí)期到第5時(shí)期，數(shù)值范圍持續(xù)增大；平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差也持續(xù)增大，特別是平均值，增速越來(lái)越快；另外，最后2個(gè)時(shí)期的增速明顯加快。

表5 運(yùn)城市各個(gè)時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度值數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Yuncheng City

4.3.2 運(yùn)城市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)各等級(jí)的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)運(yùn)城市DMSP／OLS數(shù)據(jù)的亮度等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期各個(gè)等級(jí)的分布面積，結(jié)果如表6所示。

表6 運(yùn)城市燈光數(shù)據(jù)1992-2013年不同時(shí)期各等級(jí)分布面積Table 6 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Yuncheng City km2

從表6可以看出：運(yùn)城市（0～5）等級(jí)的亮度分布面積持續(xù)減少，且呈加速減少趨勢(shì)；（5～10）等級(jí)的分布面積略有波動(dòng)，但整體呈加速增長(zhǎng)趨勢(shì)；其他3個(gè)等級(jí)均呈現(xiàn)快速增加的發(fā)展過(guò)程，這也體現(xiàn)出運(yùn)城市這20多年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

4.4 典型城市間發(fā)展動(dòng)態(tài)對(duì)比

4.4.1 典型城市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度變化對(duì)比

在對(duì)典型城市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度統(tǒng)計(jì)和分析時(shí)，平均值是重要的一項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)比3個(gè)典型城市不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度的平均值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 典型城市不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度的平均值對(duì)比Fig.6 Mean value comparison to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖6可以看出：3個(gè)城市均呈發(fā)展?fàn)顟B(tài)，其中太原市整體發(fā)展程度最高，發(fā)展速度也最快，運(yùn)城市和大同市起點(diǎn)相近，但運(yùn)城市發(fā)展速度要快于大同市，大同市發(fā)展速度最慢，特別是在前3個(gè)時(shí)期。

4.4.2 典型城市1992-2013年不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)重要等級(jí)的面積變化對(duì)比

在DMSP／OLS亮度數(shù)據(jù)的幾個(gè)等級(jí)中，（＞35）是最重要的等級(jí)，它代表城市最發(fā)達(dá)區(qū)域的空間分布。把典型城市的DMSP／OLS數(shù)據(jù)中（＞35）等級(jí)的分布面積進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 典型城市不同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)亮度的重要等級(jí)面積對(duì)比Fig.7 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖7可以看出：太原市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)最好，發(fā)展速度最快，整體呈最優(yōu)發(fā)展態(tài)勢(shì)；大同市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)次之，但前3個(gè)時(shí)期發(fā)展不太好，甚至呈降低趨勢(shì)，后面2個(gè)時(shí)期發(fā)展速度極快；運(yùn)城市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)最差，但發(fā)展速度一直非常快，甚至一度超過(guò)了大同市，最終經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與大同市相近。

4.4.3 典型城市2000-2013年不同年份GDP對(duì)比

GDP是反映城市發(fā)展?fàn)顩r最重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。通過(guò)山西省統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)年鑒，獲得了太原市、大同市和運(yùn)城市2000-2013年之間各年份的GDP數(shù)據(jù)［19］，其對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 典型城市對(duì)比Fig.8 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

由于統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站只給出了2000年以后的GDP數(shù)據(jù)，本研究中的DMSP／OLS數(shù)據(jù)截止到2013年，因此選取2000-2013年的GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。從圖8可以看出：2000-2013年，太原市GDP持續(xù)快速增長(zhǎng)；運(yùn)城市和大同市2000年的GDP接近，但運(yùn)城市發(fā)展速度整體快于大同市，大同市發(fā)展速度最慢。由此可見(jiàn)，典型城市2000—2013年GDP的對(duì)比情況與同時(shí)期DMSP／OLS數(shù)據(jù)的亮度變化對(duì)比情況基本一致。

5 結(jié)論

基于DMSP／OLS全球數(shù)據(jù)分析了山西省典型城市1992-2013年的城市發(fā)展過(guò)程，并對(duì)典型城市的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)論如下：

1）太原市城市發(fā)展速度很快，城市夜間亮度持續(xù)變大，且變大的速度越來(lái)越快。亮度平均值從第1個(gè)時(shí)期的6.936增加到第5個(gè)時(shí)期的11.514，（＞35）這個(gè)等級(jí)的面積也從第1時(shí)期的313.37 km2迅速增加到第5時(shí)期的768.42km2，增加了約2.5倍，這說(shuō)明太原市這段時(shí)期一直呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2）大同市前3個(gè)時(shí)期發(fā)展緩慢，后2個(gè)時(shí)期發(fā)展迅速，平均亮度值從第1時(shí)期的2.949增加到第3時(shí)期的3.134，第5時(shí)期迅速增加到5.946；對(duì)于（＞35）等級(jí)的面積變化，前3個(gè)時(shí)期甚至略有下降，從第1時(shí)期的210.15km2降到第3時(shí)期的181.52 km2，到第5時(shí)期則迅速增加到569.71km2，這說(shuō)明大同市前期發(fā)展緩慢、后期發(fā)展極為迅速。

3）運(yùn)城市呈現(xiàn)快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。夜間燈光亮度的平均值從第1時(shí)期的2.870迅速增加到第5時(shí)期的6.864；（0～5）等級(jí)的亮度分布面積快速減少，（5～10）等級(jí)的面積稍有波動(dòng)，其他3個(gè)等級(jí)的面積則呈迅速增加趨勢(shì)，特別是（＞35）等級(jí)的面積，從第1時(shí)期的36.90km2增加到第5時(shí)期的526.52km2，增加了近15倍，由此說(shuō)明運(yùn)城市的整體發(fā)展迅速。

4）山西省3個(gè)典型城市的夜間燈光亮度變化狀況與同時(shí)期GDP的變化規(guī)律基本一致，由此獲得各城市發(fā)展?fàn)顩r：太原市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)最強(qiáng)，發(fā)展速度也呈現(xiàn)持續(xù)快速發(fā)展趨勢(shì)，是整體實(shí)力最強(qiáng)和發(fā)展態(tài)勢(shì)最好的城市；大同市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)次之，前期發(fā)展速度緩慢，后2個(gè)時(shí)期發(fā)展極其迅速；運(yùn)城市經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)最差，但是一直在持續(xù)快速發(fā)展，甚至一度超過(guò)大同市，是整體發(fā)展速度最快的城市。