基于DMSP/OLS夜間燈光數據的廣西沿海地區GDP預測分析

□ 賈艷紅 覃孔韜

1 引言

美國軍事氣象衛星DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）能夠探測到城市燈光、居民點以及車流發出的燈光，從而獲取人類夜間活動狀況。DMSP衛星作為較前衛的數據信息獲取來源，受到了越來越多的國內外學者的青睞。DMSP/OLS夜間燈光數據主要運用在獲取城市建成區[1-3]、城市化[4-5]、城市擴張[6-7]以及社會經濟活動[8-9]等方面。目前利用夜間燈光數據應用于GDP方面研究也非常成熟，Elvidge等[10]發現夜間燈光與GDP存在較強的相關性；韓向娣等[11]利用夜間燈光數據對GDP進行建模和空間化分析；王琪等[12]利用夜間燈光數據對中國GDP總量進行了分析；楊妮等[13]利用夜間燈光數據對廣西省域GDP進行了統計和分析?；谇叭搜芯拷Y果，夜間燈光數據能更好地將GDP這一社會經濟指標空間化，其影像提取結果有助于直觀進行GDP可視化分析。

本研究以廣西沿海地區—北海、防城港、欽州3個沿海城市為研究區域。隨著全國城市發展進程的加快及沿海經濟區的快速發展，北海、防城港、欽州（簡稱為“北防欽”）3個沿海城市逐漸形成城市群，北部灣城市群的發展使北防欽3市逐漸成為廣西壯族自治區乃至我國西南沿海區域的核心經濟地區。目前，北防欽3市在我國的經濟政策部署下已成為重點開發區域之一。因此，對廣西沿海城市的GDP進行估算研究，分析廣西沿海城市GDP在時間和空間上的差異，系統認識廣西沿海城市的城市化水平，對未來的土地規劃、區域規劃等區域發展決策和廣西沿海城市可持續發展及我國經濟發展都有著重要意義。

2 研究區概況

廣西沿海城市主要位于廣西壯族自治區的最南端，包括北海、防城港、欽州3市，其中北海下轄合浦縣、海城區、銀海區、鐵山港區；防城港下轄東興市、上思縣、防城區、港口區；欽州市下轄欽北區、欽南區、靈山縣、浦北縣。上述3市面積約為2.22×104km2，港口眾多，水陸交通便利，城市化水平及經濟發展水平均位于廣西14個地級市前列。

2008年國家批準并實施了《廣西北部灣經濟區發展規劃》，北防欽3市的發展也成為廣西經濟發展的熱點對象。此后，該區域城市土地需求不斷增加，城市擴張速度不斷加快。2003年至2013年，北防欽3市經濟總量逐年增長，北海市和防城港市經濟發展主要以第二產業和第三產業為主，北海市2013年的第二產業、第三產業生產總值分別為2003年的7.7倍、2.8倍，防城港市2013年的第二產業、第三產業生產總值分別為2003年的11.3倍、4.7倍，欽州市在2003年至2006年經濟發展主要以第一產業為主，2007年之后第二、第三產業地位逐漸提升，2010年之后經濟發展主要以第二產業和第三產業為主。

3 數據來源與預處理

DMSP/OLS夜光遙感數據來源于美國國家地球物理數據中心（http://www.noaa.gov/web.html）發布的2003—2013年的全球夜間燈光數據。該數據的空間分辨率為1km左右，數據像元灰度值（DN）在0～63，飽和的灰度值為63，黑暗的或者不穩定的燈光區域的灰度值為0。數據預處理是結合鄒進貴等人[14]的方法對夜間燈光數據進行校正，步驟為提取夜間燈光影像亮值像元，再提取穩定亮值像元影像，對穩定亮值影像DN值進行校正。廣西沿海地區各市GDP數據來源于《廣西統計年鑒（2001—2014）》。

4 研究方法

4.1 夜間燈光綜合指數的構建

陳晉與楊眉[15]等提出了利用夜間燈光綜合指數（CNLI）的方法評價城市化水平，本文將利用夜間燈光綜合指數對GDP值進行研究。

CNLI的計算公式為：

式中I為城市的平均燈光強度，S為城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例，P1、P2代表的是I與S的權重，通過相關分析得到P1=0.8，P2=0.2。

城市的平均燈光強度I的計算公式為：

式中DNi值是第i灰度等級的像元灰度值，Ni是第i灰度等級的所有像元數，Nt是63≤DN≤1的所有像元總數。

城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例S計算公式：

式中Nt是63≤DN≤1的所有像元個數。N為區域內總的像元個數。

4.2 GDP預測模型構建

利用SPSS軟件對3市總的CNLI與GDP進行相關分析，利用回歸分析模型分析北防欽3市夜間燈光數據與其GDP之間的關系，并建設北防欽3市的GDP預測模型，計算公式如下：

式中每個城市GDPi表示預測值，GDP真為實際GDP值，CNLIi代表每個城市的夜間燈光綜合指數。

式中λ 為GDP預測值與真實的誤差。

5 結果與分析

5.1 北防欽3市GDP-CNLI預測模型

根據公式（1）（2）（3）計算2003年至2012年廣西沿海城市的夜間燈光指數（CNLI），得到30個樣本值，并將查閱廣西統計年鑒得出的北防欽3市GDP與CNLI 進行回歸分析，結果如圖1所示。廣西沿海城市GDP與夜間燈光數據呈正相關關系，相關系數為0.6804，R2為0.606，說明夜間燈光數據可以預測廣西沿海城市的GDP，但其相關性一般，擬合度較低，北防欽3市GDP總體預測模型如下：

圖1 北防欽3市總體GDP樣本與CNLI線性擬合圖

針對北防欽3市30個樣本值總體擬合較低的情況，將分別建立北海、防城港、欽州的GDP預測模型，結果如圖2所示。根據模型得出的北防欽3市GDP個體預測模型如下：

北海：

防城港：

欽州：

對比回歸模型的冪函數、一元一次函數、指數函數、多項式結果，其中多項式的擬合結果最好，因此GDP與CNLI的預測模型以y=ax2+bx+c的形式，x為夜間燈光的綜合指數，y 為各市的GDP 總量。經過計算發現，北防欽3市與GDP的線性相關系數分別為0.9243、0.9589、0.9317，北防欽各市總GDP與夜間燈光數據具有較大的相關性，其擬合優度也非常高，說明夜間燈光綜合指數可以較好地表征北防欽3市的經濟發展情況。因此，可利用夜間燈光數據預測北防欽3市的GDP。

圖2 北防欽3市GDP與CNLI線性擬合圖

5.2 基于夜間燈光數據的北防欽3市GDP預測模型驗證

圖3 為2013年廣西沿海城市—北海、防城港、欽州3個城市GDP預測值與真實值的誤差比較。從圖3可以看出：個體預測模型比總體預測模型效果好，總體預測模型得出北海市GDP預測值與真實值誤差為26%、防城港誤差為23%、欽州誤差為51%，北防欽3市的誤差都大于10%，說明北防欽3市GDP估計不適合運用其3市綜合的預測模型。

相對比總體預測模型，個體預測模型誤差更小，北海市GDP預測值與真實值誤差為17%，防城港誤差為1%，欽州市誤差為6.5%，北海市GDP預測的誤差低于20%，防城港市和欽州市的誤差低于10%。總體上，個體預測模型的誤差較小，特別是防城港市，說明個體預測模型對北防欽3市GDP預測有效，且效果較好。

圖3 總體預測模型與個體預測模型精度對比圖

5.3 2003年至2013年北防欽3市GDP值時間變化特征

由圖4可知，2003—2013年欽州市的GDP總量一直居于首位，北海市次之，最后為防城港市。經過計算3個城市的GDP絕對增長率［（GDP2013-GDP2003）/10］，其中絕對增長率最高也為欽州市，北海市次之，防城港市最低。但總體上北防欽3市的經濟發展速度較快。欽州市與北海市第二、第三產業的發展差別不大，由于欽州市面積比北海市大得多，耕地林地面積多，其第一產業生產總值比北海市高得多，因此欽州市總生產總值領先于北海市。防城港市面積是3市中最小，其耕地林地面積也是3市最少，其第一、第二、第三產業的發展不及欽州、北海兩市。

北防欽3市的夜間燈光綜合指數變化與GDP值變化不同，北海燈光綜合指數居于首位，欽州市次之，防城港市最低，且2012年防城港市的夜間燈光指數高于欽州市；而防城港市燈光指數增長率最高，欽州市次之，北海市最低。夜間燈光數據反映人類夜間活動的活躍程度，也反映了社會經濟活動程度。欽州市的GDP值比北海市高，而夜間燈光指數卻比北海市低，說明欽州市GDP對第一產業依賴性較強，農業、林業、漁業的生產總值占據其總GDP的1/3以上，與人類夜間活動關聯不大，而北海主要是服務業、商貿業等現代化產業，能夠促進人類夜間活動。也說明北防欽3市GDP總值與夜間燈光綜合指數整體性關聯度不高，燈光指數不能整體反應北防欽3市GDP總值變化，且僅有本市夜間燈光指數才能預測本市的GDP總值變化。

圖4 2003—2013年北防欽3市GDP值及燈光指數變化圖

5.4 基于2夜間燈光數據的北防欽3市GDP值空間化

由圖5可知，2003年北防欽3市北海市的夜間燈光分布最為廣泛，基本覆蓋了北海市區域的半壁江山，主要是集中于北海市的西側，以面狀形式存在，大致位于北海市市中心以及合浦縣縣城。而北海市東側夜間燈光以點狀形式存在。防城港市的夜間燈光分布最少，只有零星的幾個燈光區域，燈光點狀分布，最集中于防城港的防城區內的主城區、港口沿海、上思縣城區還有東興市與越南交界的邊境地區。欽州市的面積在北防欽3市中最大，但是夜間燈光分布區域較少，也是只有零星的燈光區域，除了欽州市的市中心燈光區域以小面狀形式分布，其他區域燈光點狀分布，夜間燈光最集中的是在欽州市的市中心和靈山縣的縣城。2013年北防欽3市夜間燈光變化區域較小，但欽州市沿海地區以及北防欽3市的市中心的DN值都有較大幅度增長。

從夜間燈光空間分布來看，北海市GDP密度分布格局為西部高于東部，并且以北海市中心海城區和銀海區以及合浦縣縣城為聚集中心向四周離心擴張。北海市海城區和銀海區經濟相對發達，銀海區和海城區現代化服務業（旅游業）、商貿業最能帶動北海市經濟的發展。防城港市GDP密度分布格局為東南部高于西北部，并以東興市邊境和防城港市防城區和港口區為聚集中心向四周擴散，主要擴展方向為西北向。西北區上思縣經濟發展較弱，東興市與越南芒街相鄰，其旅游業、商貿業帶動了東興市乃至防城港市經濟發展，防城港防城區和港口區現代化服務業、商貿業也為該市帶動經濟發展的主要力量。欽州市GDP密度分布格局為西南部高于東北部，主要集中于欽州市市中心并離心向四周擴散，合浦縣縣城經濟發展帶動了欽州市西北部經濟的發展。此外，北防欽3市沿海港口進出口貿易、物流業等服務業都帶動了3市經濟的發展，其中北防欽連接南寧的高速公路G75也逐漸將北防欽3市的沿海區域經濟連接起來，并逐漸發展融入各市的經濟體系，從而帶動各市經濟發展。

圖5 2003年和2013年北防欽3市夜間燈光分布圖

6 結論

本文基于夜間燈光遙感數據及廣西統計年鑒數據建立了廣西沿海地區GDP預測模型，并分析了廣西沿海北防欽3市的GDP空間化特征，得出以下結論：

（1）研究區內北海市、防城港市、欽州市的GDP值與夜間燈光指數呈較強的相關性，各市的相關系數都達到0.9以上，說明夜間燈光數據可以對各市未來GDP值進行預測，且具有一定的科學性和參考性。

（2）北防欽3市所有GDP值與燈光指數總體上呈正相關，但其總體預測模型的估算值相對誤差較大，因此，總體預測模型并不適用北防欽3市。每個城市夜間燈光指數與其GDP值相關系數大，且預測模型相對誤差較小，因此個體預測模型可以用來預測各市的GDP值，其中防城港市、欽州市的GDP預測模型精度高，其誤差均少于10%，而北海市的GDP預測模型精度相對較低。

（3）根據各市GDP值及夜間燈光分布圖來看，2003年至2013年北防欽3市總體綜合實力不斷增強，欽州市經濟實力最強，北海市經濟發展最均勻，各市經濟發展均以城市經濟中心帶動周邊區縣經濟模式展開。雖然北防欽3市縣域經濟不斷升高，但北防欽3市的縣域經濟實力仍不夠強，第二產業和第三產業對經濟發展的整體支撐力度仍需加強。

夜間燈光數據顯示，欽州市和防城港市的縣城經濟輻射能力較差，其經濟發展區域主要集中在城市中心，縣域經濟主要以第一產業為主。因此發展廣西沿海地區經濟，需要合理調節好縣域產業結構，縣域經濟中應加大力度發展第二產業和第三產業，完善縣城與周邊城鎮以及城市中心的交通網絡，增強縣域經濟輻射能力，以促進其城鎮化建設。北防欽3市應團結協作，并結合南寧市發展城市群，各市之間形成良性競爭，加強產業協作，創造共贏經濟發展環境。