基于夜間燈光數據的中國城市擴展研究

鄭雅昕　李苗　劉玉琴　滿浩然

摘 ?要：利用夜間燈光數據作為數據源，通過提取1995年、2000年、2005年、2010年和2015年建成區范圍，對中國城市擴展進行研究。結果表明：中國近20年來城市建成區面積呈指數增長，各地區擴展速度差異不大，擴展強度變大和變小交替存在。

關鍵詞：城市擴張;夜間燈光數據;DMSP/OLS;NPP/VIIRS

中圖分類號：P237 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0066-03

Abstract： Night light data was selected as a data source， by extracting the built-up areas in 1995， 2000， 2005， 2010 and 2015， this paper studies the urban expansion. The results show that the area of urban built-up areas in China has grown exponentially in the past 20 years， and there is little difference in the expansion speed of each region. The expansion intensity has been increasing and decreasing alternately.

Keywords： Urban expansion; Nighttime lighting data; DMSP/OLS; NPP/VIIRS

1 概述

自1978年改革開放以來，隨著經濟的飛速發展和人口的增加，中國城市進入高速擴張階段。高速的城市擴張會導致城市交通擁堵、農業耕地減少、生態環境惡化等一系列問題[1]，因此研究中國近年來城市擴張規律對科學建設和城市規劃、促進各地區協調發展具有重大意義。DMSP/OLS夜間燈光數據是美國軍事氣象衛星計劃（defense meteorological satellite program， DMSP）衛星搭載的OLS（operational linescan system， OLS）獲取，相比其它遙感數據，具有數據量小、時間連續性強、獲取更為容易的優點，為城市擴展分析研究提供了更好的方法[2]。Croft最早將DMSP/OLS數據應用于城市研究，指出該數據有助于確定人類的活動強度[3]。Henderson等通過對比DMSP/OLS數據和TM數據，驗證了夜間燈光數據提取建成區面積的精確性和可行性[4]。Zhang等將DMSP/OLS數據與人口、土地利用數據相結合，分析了1992～2000年中國、美國、印度和日本的城市擴張[5]。DMSP/OLS數據可獲取年份為1992～2013年，2013之后NPP/VIIRS（nation polar-orbiting partnership/ visible infrared imaging radiometer suite， NPP/VIIRS）燈光數據被研究者們廣泛的用于城市信息提取。Jiang等采用NPP/VIIRS分析了2013～2017年福建省廈門、泉州、漳州市的城市擴張，認為夜間燈光亮度值和人類社會經濟活動具有較強的相關性[6]，Wang等使用NPP/VIIRS建立新型HVR模型對中國城市的房屋空置率進行估算[7]。Shi等將NPP/VIIRS和DMSP/OLS數據在GDP和電力消費空間化的提取精度進行對比，研究結果表明NPP/VIIRS數據因分辨率高因而具有更高的提取精度[8]。

本研究選取中國為研究區，選取1995年、2000年、2005年、2010年的DMSP/OLS燈光數據和2015年的NPP/VIIRS燈光數據為基礎數據源，對5個時期中國城市建成區進行提取，從城市擴展速度、擴展強度、城市外部形態緊湊度等方面分析了1995～2015年中國各地區的空間格局變化，從宏觀上解釋各區域發展的時空變化特征，以期為城市的合理規劃提供參考。

2 數據與預處理

DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據來源于美國國家地理信息中心網站，DMSP/OLS燈光數據空間分辨率為1km，NPP/VIIRS燈光數據空間分辨率500m。研究區各城市面積數據來源于《中國城市統計年鑒》[9]，城市行政邊界數據來源于國家基礎地理信息系統1：400萬數據集。將夜間燈光數據轉換為蘭伯特等角圓錐投影并進行重采樣，采不變目標區域法對DMSP/OLS數據進行相互校正、飽和校正和連續性校正[10]，利用2013年重合年份的數據對兩類數據進行擬合校正[11]，應用所得的校正參數對2015年數據進行校正，得到校正后穩定的夜間燈光影像。

3 研究方法

3.1 建成區提取

統計數據比較法是指將夜間燈光數據所提取的建成區面積與政府發布的建成區面積作比較，直到二者充分接近從而提取建成區的方法，該方法因權威性較強被廣泛應用于夜間燈光數據提取中[12-13]，故本研究采用統計數據比較法進行建成區提取。

3.2 城市擴張

擴展速度表示城鎮用地的年增長速度，反映城鎮用地擴展的快慢，計算公式為：

UES=（1）

式中，UES為城市平均擴張速度，Ui和Ui+n分別是第i年和第i+n年的城市建成區面積，其中i為起始時間，n為時間間隔。

擴展強度指數表示單位時間單位土地內城鎮擴展用地擴展的強弱，使不同時期的城鎮用地擴展速度具有可比性，計算公式為：

UEI=? ? ? ? ?（2）

式中，UEI為城市擴展強度指數，USA為研究區總面積，C為常數。

3.3 城市外部形態緊湊度計算

城市外部形態緊湊度是衡量和評價城市發展的重要指標，城市形態緊湊度反應了城市用地及外部形態的緊湊程度。計算公式為[14]：

UCI=2/P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中UCI為城市外部形態緊湊度，A為建成區面積，P為建成區外圍輪廓的周長，UCI值一般為0～1之間，當緊湊度值趨于1時，說明城市空間結構相對緊湊，趨于圓形，當該值趨于0時，城市緊湊度最差，城市形狀比較狹長。

4 城市擴展分析

4.1 建成區提取結果分析

隨著年份的增加，建成區面積不斷增大，建成區斑塊數目和斑塊密度逐漸增加，從1995年建成區斑塊的零星分布發展為2015年斑塊分布相對密集。從建成區面積變化看，我國城市在近20年間經歷了城市擴張的高速階段，各階段所提取的建成區面積較前一階段分別增長了13.2%、44.6%、26.6%和22.9%，年均建成區面積增加1529km2，建成區面積總共增加30581km2。

4.2 城市擴展速度及擴展強度分析

城市擴展速度和強度如圖1和圖2所示。總體上，西北地區擴展速度從1995年～2015年一直呈上升趨勢，其他六個區的擴展速度都有不同程度的波動。東北地區前三個階段的擴展速度一直上升，第四個階段的擴展速度與第二階段和第三階段相比有所下降;華北地區、華東地區、華南地區和西南地區在第二階段城市擴展速度均出現急劇上升的趨勢;華中地區的擴展速度一直相對比較平穩。從擴展強度來看，2000～2005年各地區的擴展強度較前一個階段有所增強，其他三個階段擴展強度存在不同程度的波動。其中西北地區、華中地區和西南地區四個階段擴展強度一直呈現增加趨勢;華北地區、華東地區和華南地區第二階段的擴展速度在四個階段中最強;只有東北地區出現了第四階段的擴張強度較第三階段有所下滑的現象。

4.3 城市外部形態緊湊度分析

緊湊度數值增加表示城市內部以小幅度組團模式擴張，緊湊度下降表示城市從中心像四周以點狀模式擴張為主[15]。從圖3中可以得知，西南地區2000年緊湊度值最大，達到0.131，2015華東地區緊湊度值最小為0.032。各地區緊湊度均降低，說明各地區的發展均為從中心向四周點狀擴張，城市建設趨于離散。西南地區整體緊湊度值相對較高，說明西南地區城市空間結構較為單一。在2010～2015年，因NPP/VIIRS數據空間分辨率較高，對零星點狀燈光識別較為敏感，所以該時間段內各地區緊湊度下降幅度較大，各地區城市內部相對較為飽和，城市發展逐漸以外部擴張為主。

5 結束語

利用夜間燈光數據提取全國1995、2000、2005、2010年和2015年的城市建成區面積，通過計算各地區擴展速度、擴展強度和城市外部形態緊湊度來分析中國近20年來的城市擴張情況。近20年來我國城市建成區面積呈指數型增長，各地區擴展速度差異不大，擴展強度變大和變小交替存在。

參考文獻：

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