基于DMSP/OLS和NDVI數(shù)據(jù)的浙江省城市建成區(qū)擴(kuò)張研究

程 龍，李愛霞*

（1.浙江水利水電學(xué)院 測(cè)繪與市政工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

城市化是我國(guó)當(dāng)前發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要因素之一；而在城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張過程中，土地利用類型的變化將反作用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展造成巨大的影響。因此，需要研究城市建設(shè)用地的擴(kuò)張規(guī)律，為城市規(guī)劃的制定和城市發(fā)展策略提供參考依據(jù)，進(jìn)而提高城市品質(zhì)、推動(dòng)城市高質(zhì)量發(fā)展。

遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)張的研究中[1-2]，然而由于遙感影像數(shù)據(jù)量大、獲取成本較高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，在一定程度上限制了研究的進(jìn)一步深入。DMSP衛(wèi)星搭載的OLS傳感器能探測(cè)居民地和車流發(fā)出的燈光，為城市化發(fā)展研究提供了新的方向，是近年來城市擴(kuò)張研究的熱點(diǎn)。李德仁[3]等利用1993-2012年長(zhǎng)時(shí)間序列夜間燈光數(shù)據(jù)研究了“一帶一路”倡議沿線國(guó)家城市體系的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)空演化趨勢(shì)；王海羽[4]等利用2001-2011年DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取了武漢城市圈的建成區(qū)，并從時(shí)間和空間上對(duì)武漢城市圈城鎮(zhèn)拓展?fàn)顩r進(jìn)行了分析；劉春霞[5]等利用1992-2012年夜間燈光數(shù)據(jù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)城市化區(qū)域變化類型、城市化相關(guān)指數(shù)、燈光指數(shù)等進(jìn)行了分析。由此可以看出，DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量小、長(zhǎng)時(shí)間序列等特征，特別適合大尺度城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

鑒于此，本文以浙江省為研究區(qū)域，基于1998-2013年的夜間燈光數(shù)據(jù)和城市建成區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過NDVI數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以減小夜間燈光數(shù)據(jù)中存在的燈光溢出問題，提取了浙江省各地區(qū)的城市建成區(qū)；并從時(shí)間和空間上對(duì)各市的建成區(qū)擴(kuò)張情況、與城區(qū)人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)性以及城市建設(shè)用地的類型變化進(jìn)行了綜合分析，對(duì)未來浙江省各地區(qū)城市建成區(qū)發(fā)展規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值和意義。

1 研究區(qū)概況

浙江省位于我國(guó)東南沿海，陸域面積為10.55萬 km2，占全國(guó)總面積的1.1%；省內(nèi)以山地和丘陵為主，平坦區(qū)域僅占20.32%。浙江省屬于長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、各城鎮(zhèn)發(fā)展迅速，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大省，經(jīng)濟(jì)水平始終位于全國(guó)各省前列，尤其是杭州和寧波經(jīng)濟(jì)實(shí)力長(zhǎng)期位于我國(guó)前20位。浙江省下轄杭州、寧波、溫州、紹興、湖州、嘉興、金華、衢州、臺(tái)州、麗水、舟山11個(gè)地級(jí)市，90個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，受區(qū)域內(nèi)自然地形地貌的影響，省內(nèi)各城鎮(zhèn)主要分布在杭嘉湖平原、寧紹平原、金麗衢平原和溫臺(tái)平原。浙江省經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化發(fā)展體現(xiàn)出一定的地理空間規(guī)律。

2 燈光數(shù)據(jù)處理與建成區(qū)提取

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)從美國(guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站免費(fèi)獲取，采用穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)；浙江省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于歐空局全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)，土地利用類型采用LCCS地表覆蓋分類系統(tǒng)，包括灌溉農(nóng)田、旱作農(nóng)田、稀疏林地、水體、人工表面和相關(guān)區(qū)域、裸地等22個(gè)土地覆蓋類型；年度NDVI數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載；城區(qū)人口、建成區(qū)面積等社會(huì)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒。本文對(duì)所有影像數(shù)據(jù)進(jìn)行蘭伯特等角圓錐投影，并重采樣為1 km分辨率，由于夜間燈光數(shù)據(jù)存在連續(xù)性差和過飽和現(xiàn)象，利用李惠琴[6]提出的方法進(jìn)行輻射校正和相互校正，得到連續(xù)可比且消除數(shù)據(jù)飽和的浙江省夜間燈光數(shù)據(jù)，如圖1a所示。

2.2 城市建成區(qū)提取

利用處理后的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)。夜間燈光數(shù)據(jù)像元亮度主要來自城市、城鎮(zhèn)以及其他居民點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定光源，灰度值越大表示該區(qū)域燈光亮度越高，DN值最大的像元通常表示城市的中心區(qū)域。浙江省的山地和丘陵占比約為74.63%，植被資源豐富，而NDVI數(shù)據(jù)能反映區(qū)域植被覆蓋度和植被生長(zhǎng)活力。NDVI值越高表示植被覆蓋度越高，而相應(yīng)的城市化程度則越低，因此夜間燈光數(shù)據(jù)中的燈光強(qiáng)度與植被指數(shù)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。本文利用NDVI數(shù)據(jù)校正夜間燈光數(shù)據(jù)得到夜間燈光植被調(diào)整指數(shù)VANUI[7]，即

式中，DNnor為歸一化夜間燈光數(shù)據(jù)，DNnor＝（DNDNmin）/（DNmax-DNmin），DNmax、DNmin分別為夜間燈光數(shù)據(jù)中的最大DN值和最小DN值。

城市中心區(qū)域的植被指數(shù)較低，夜間燈光數(shù)據(jù)DN值較高，VANUI值也較大；反之，則VANUI值較小，處理結(jié)果如圖1b所示。因此，本文為VANUI設(shè)置一定的閾值，進(jìn)而提取建成區(qū)候選區(qū)域，如圖1c所示。

根據(jù)城市化的定義，城區(qū)內(nèi)的自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)和農(nóng)田等非建設(shè)用地、較大寬度或面積的水域應(yīng)予以扣除[8]；而由于燈光溢出的原因，鄰近城市建成區(qū)的水體、農(nóng)田、森林等區(qū)域的DN值接近于建成區(qū)的DN值，因此在建成區(qū)候選區(qū)域中，本文利用土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取人工表面和相關(guān)區(qū)域土地覆蓋類型作為城市建成區(qū)，提取結(jié)果如圖1d所示。

圖1 夜間燈光數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.3 城市建成區(qū)提取可靠性評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證本文方法提取結(jié)果的可靠性，結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒中的建成區(qū)面積，對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度分析，結(jié)果如表1所示，可以看出，提取的建成區(qū)面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差絕對(duì)值均在2.5%以內(nèi)，最大誤差為2.48%，最小誤差為0.14%，平均相對(duì)誤差絕對(duì)值為1.05%，說明本文方法提取的建成區(qū)面積相對(duì)誤差較小，總體差異處于合理水平。

表1 城市建成區(qū)提取結(jié)果

3 城市建成區(qū)擴(kuò)張分析

3.1 浙江省各城市建成區(qū)演化分析

本文從建成區(qū)擴(kuò)張速度和擴(kuò)張強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)浙江省各城市建成區(qū)進(jìn)行演化分析。擴(kuò)張速度為各城市建成區(qū)面積的年增長(zhǎng)率，表示各城市建成區(qū)的總體發(fā)展趨勢(shì)[9]。

式中，V為城市建成區(qū)擴(kuò)張速度；As、Ae分別為研究初期和末期的城市建成區(qū)面積；t為時(shí)間間隔，單位為年。V越大，表示城市擴(kuò)張速度越快。

擴(kuò)張強(qiáng)度為一定時(shí)間內(nèi)各城市建成區(qū)面積占該城市土地總面積的比率[10]。

式中，I為城市建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度；ΔA為t時(shí)間內(nèi)建成區(qū)的擴(kuò)張面積；TA為各地區(qū)土地總面積。

1998-2013 年浙江省各城市建成區(qū)演化情況如圖2、3所示，可以看出，1998年杭州、寧波、溫州的城市建成區(qū)面積相對(duì)較大，嘉興、湖州、衢州、金華、臺(tái)州的城市建成區(qū)面積相對(duì)較小，麗水、舟山的城市建成區(qū)范圍不明顯；1998-2003年除溫州、臺(tái)州、金華、寧波的擴(kuò)張強(qiáng)度達(dá)到20%以上，其他地區(qū)的擴(kuò)張強(qiáng)度均在10%左右，溫州、臺(tái)州的擴(kuò)張速度領(lǐng)先于其他區(qū)域，舟山的擴(kuò)張速度最慢；2003-2008年杭州、金華、溫州、寧波的城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)較快，年均增長(zhǎng)15%以上，其他地區(qū)的年均增長(zhǎng)約為10%；2008年以后杭州、嘉興、紹興、寧波的城市建成區(qū)面積飛速增長(zhǎng)，尤其是杭州和寧波的增長(zhǎng)面積在200 km2以上，城市發(fā)展迅猛，而麗水、湖州、衢州、舟山的城市建成區(qū)面積增長(zhǎng)明顯慢于其他地區(qū)。

圖2 浙江省各地區(qū)的城市擴(kuò)張情況

城市的飛速發(fā)展表明城市建設(shè)用地規(guī)模的不斷增加，由15a的數(shù)據(jù)可知，這些地區(qū)共計(jì)約減少耕地1 072 hm2、林地532 hm2、水域9 hm2（圖4），說明城市的擴(kuò)張不可避免地造成了耕地、林地、水體的減少。

圖3 浙江省各地區(qū)擴(kuò)張演化過程

圖4 1998－2013年建成區(qū)土地利用變化情況/hm2

3.2 與城區(qū)人口增長(zhǎng)協(xié)調(diào)性的分析

城市的發(fā)展應(yīng)與城市人口增長(zhǎng)速度相適應(yīng)，若城市用地增長(zhǎng)過快而城區(qū)人口增長(zhǎng)緩慢，則會(huì)導(dǎo)致土地資源的浪費(fèi)；反之，城市人口增長(zhǎng)過快、城市土地超負(fù)荷利用，則會(huì)導(dǎo)致城市環(huán)境破壞、生活質(zhì)量下降等問題。城市建成區(qū)與城區(qū)人口協(xié)調(diào)性系數(shù)[11]的計(jì)算公式為；

式中，P為城區(qū)人口增長(zhǎng)率；A為城市建成區(qū)增長(zhǎng)率。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，由于數(shù)據(jù)缺失，本文只計(jì)算了2003-2013年的城市建成區(qū)與城區(qū)人口協(xié)調(diào)性系數(shù)，可以看出，這10 a間杭州的城市建成區(qū)擴(kuò)張與城區(qū)人口增長(zhǎng)基本協(xié)調(diào)；衢州的協(xié)調(diào)性系數(shù)較高，基本達(dá)到1.0，但衢州的城市發(fā)展和城區(qū)人口增長(zhǎng)率都很低，基本處于停滯狀態(tài)；麗水、湖州、臺(tái)州等地區(qū)出現(xiàn)了人口增長(zhǎng)率為負(fù)值的情況，說明這些地區(qū)人口流失嚴(yán)重；2008年前嘉興、寧波的城市建成區(qū)增長(zhǎng)與城區(qū)人口增長(zhǎng)速度匹配較好，2008年后城市建設(shè)速度較快，土地城市化超前，城區(qū)人口增長(zhǎng)相對(duì)滯后。

表2 城市建成區(qū)與城區(qū)人口協(xié)調(diào)性系數(shù)

4 結(jié) 語

本文基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)提取了浙江省各地區(qū)的城市建成區(qū)，并根據(jù)提取結(jié)果對(duì)浙江省15 a間各地區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張情況進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明；①浙江省各地區(qū)城市建成區(qū)面積持續(xù)增加，1998-2013年全省共增加城市建成區(qū)面積2 337 km2，其中寧波、杭州保持持續(xù)增長(zhǎng)，金華、湖州、溫州的擴(kuò)張速度和強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，麗水、舟山、衢州的城市建成區(qū)變化不大；②在各地區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張過程中，占用耕地面積最多、其次為林地和水域；③從城市建成區(qū)擴(kuò)張與城區(qū)人口增長(zhǎng)協(xié)調(diào)性來看，杭州、衢州的協(xié)調(diào)性較好，城市建成區(qū)擴(kuò)張與城區(qū)人口增長(zhǎng)基本匹配，寧波、舟山在2008年后城市擴(kuò)張速度較快，但城區(qū)人口增長(zhǎng)相對(duì)滯后，麗水、湖州的擴(kuò)張強(qiáng)度和速度均較小，但由于城區(qū)人口增長(zhǎng)率較低甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，因此在協(xié)調(diào)性上發(fā)展不平衡。

在我國(guó)城市化進(jìn)程建設(shè)初期，城市建成區(qū)擴(kuò)張更多考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，較少關(guān)注對(duì)環(huán)境、耕地面積的影響。目前，我國(guó)城市化發(fā)展到了一定階段，尤其國(guó)家近年來多次強(qiáng)調(diào)要保證農(nóng)用田面積不減少、提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，因此在城市化擴(kuò)張時(shí)要切實(shí)做到科學(xué)規(guī)劃，既要考慮人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)性，以滿足居住要求，又要考慮土地的集約利用，側(cè)重經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展而不是簡(jiǎn)單的外延式擴(kuò)張，并綜合考慮城市的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。