基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據天山的北坡城市群城市擴展研究

圖爾蓀阿依·如孜，阿里木江·卡斯木,2*，高鵬文，趙禾苗，哈力木拉提·阿布來提

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

城市擴展變化特征在區(qū)域的城市化水平以及人口聚集程度的衡量過程中起指示作用[1-2]。隨著我國經濟的迅速發(fā)展，城市化水平也不斷提高，但是城市空間的快速演變加劇人口與環(huán)境之間的矛盾，限制了區(qū)域的協(xié)調發(fā)展[3-5]。隨著遙感技術的不斷發(fā)展和完善，對于不同視角下的城市空間演變研究所用的數據源不同。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[6-10]。對于研究大尺度下的城市擴展變化特征，Kasim[11]等結合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(qū)域城市擴展中的應用思路。Henderson[12]等利用DMSP夜間燈光數據對研究區(qū)的城市邊界進行了劃分，得出的結果與Landsat遙感影像進行了比較。Bhartendu[13]等結合穩(wěn)定夜間光數據和SPOT數據對印度的城市化進行了動態(tài)監(jiān)測，取得了較好的研究成果。李德仁[14-15]等利用DMSP/OLS夜間燈光數據對城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境進行評估，在此基礎上評估經濟社會發(fā)展質量。在大尺度上對城市擴展演變進行研究，能夠揭示區(qū)域城市化發(fā)展規(guī)律及空間結構演化，有助于制定城鎮(zhèn)空間格局的有效政策。

利用夜間燈光數據有關的城市擴張研究，其中有利用DMSP/OLS夜間燈光數據對地處西北邊陲的天山北坡城市群城市擴展研究，但是目前未見到結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數據對天山北坡城市群城市空間演變研究。天山北坡城市群是連接“絲綢之路經濟帶”、西方和中亞的重要窗口，在“十三五”期間國家推動建設的城市群之一，此區(qū)域作為新疆的城鎮(zhèn)化主體區(qū)，在新疆經濟發(fā)展戰(zhàn)略的核心區(qū)[16]。本文結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數據，對天山北坡城市群城市近26 a的城市擴展變化進行研究。通過研究區(qū)城市擴展增長強度、緊湊度以及重心轉移方法來分析天山北坡城市群城市擴展時空變化規(guī)律。研究結果有助于更好地認識和理解城市化發(fā)展、空間格局變化以及城市時空演變特征，為優(yōu)化天山北坡城市群的城市擴展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數據預處理

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡城市群空間范圍包括烏魯木齊市、昌吉回族自治州、吐魯番市和克拉瑪依市全部、伊犁州奎屯市、塔城地區(qū)烏蘇市及沙灣縣，共計3個地級市、6個縣級市、12個市轄區(qū)、9個縣、兵團5個師、51個團場[17]，如圖1所示。天山北坡城市群的地勢南高北低，南部為天山山區(qū)，中部為沖積平原，北部為古爾班通古特沙漠，屬于大陸性氣候，總面積21.54萬km2，占新疆的13%。天山北坡城市群是絲綢之路經濟帶上的重要支撐點，“一帶一路”戰(zhàn)略不斷促進天山北坡城市群的經濟快速發(fā)展。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數據來源與處理

在美國國家海洋大氣局網站（https://www.ngdc.no?aa.gov）下載2種夜間燈光數據，獲取1992—2013年時間序列的DMSP/OLS夜間燈光數據，空間分辨率為1 km，像元灰度值范圍在0~63之間。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，可彌補MSP/OLS數據在空間、時間以及輻射分辨率等方面的缺陷。本文根據曹子陽[18]對DMSP/OLS數據的校正法來進行數據校正及數據預處理，得到矯正后的2000—2013年研究區(qū)域DMSP/OLS夜間燈光數據。由于影像數據受衛(wèi)星傳感器的不同和地表的非均勻性等影響，NPP/VIIRS數據的灰度值存在負值、極高值及不穩(wěn)定光源等現象。首先對2013和2018年的NPP/VIIRS夜間燈光數據的所有月數據合成后取均值；再把NOAA地理數據中心發(fā)布的2016年的年合成數據為基礎，將該數據大于0的部分作為掩膜圖層，對2013年和2015年數據進行裁剪，消除灰度值的負值；最后以像元值的變化幅度較小的城市區(qū)作為夜間燈光強度不變區(qū)域，對年合成NPP/VIIRS夜間燈光數據進行相對的輻射校正，利用低通濾波來消除極高的灰度值。為了驗證吻合程度，利用2013年的2種夜間燈光數據提取的城市空間信息來進行比較，采用同年份的Landsat-8遙感影像進一步進行精度驗證，如圖2所示。

圖2 2012和2013年兩種夜間燈光數據提取城市夜間燈光結果

2 研究方法

2.1 城市夜間燈光擴展強度

擴展強度指數是研究城市時空變化的重要測度標志之一。城市夜間燈光空間擴展強度指數對其擴張面積的數量特征進行量定，它表征在研究期間內城市擴展面積占擴展前的城市面積的百分比。公式如下：

式中，AGR為城市夜間燈光空間擴展強度指數；UAi和UAn+i分別表示第i年，第n+i年城市夜間燈光擴展強度像元面積值，T為時間間隔。

2.2 緊湊度

緊湊度是反映城市外圍輪廓形態(tài)在空間上集聚程度，以緊湊度數值的變化來分析城市擴展的空間變化特征及規(guī)律[19-20]。緊湊度值的范圍在0~1之間，緊湊度指數越接近0時越松散，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。

式中，C表示城市夜間燈光緊湊度；A表示城市夜間燈光面積；P為城市夜間燈光外圍的周長。

2.3 重心轉移

重心轉移指數是通過不同時期城市分布重心坐標來追蹤空間分布的變化，地區(qū)空間重心的移動方向表現為區(qū)域空間格局的變化方向[21-22]。

式中，Xt和Yt分別為第t年時城市重心的經緯度；Cti為城市i在t年時的面積；Xi和Yi分別為城市i的幾何中心經緯度坐標。

重心轉移計算公式為：

式中，D為轉移距離；Xa和Ya為研究初期的的重心坐標；Xb和Yb為研究后期的重心坐標。

3 結果與分析

3.1 城市夜間燈光擴展強度變化特征

本文提取1992-2018年天山北坡城市群城市夜間燈光信息，利用城市擴展增長強度來分析研究期間的城市夜間燈光擴展變化特征，計算結果如圖3所示。發(fā)育在生態(tài)環(huán)境脆弱的綠洲地區(qū)的城市夜間燈光每年都有顯著變化，城市夜間燈光面積呈增長趨勢，但是面積變化增長量呈波動態(tài)勢，其中2015-2016年期間天山北坡城市群城市夜間燈光面積增長量最高，面積增長量達到613 km2。面積增長量最低的是1998—1999年和2001—2002年期間，面積增長量為3 km2。研究區(qū)每一時期的城市夜間燈光擴展強度隨著面積增長量的變化而變化，增長強度最高的是1992—1993年期間，達到70.37%，1995—2007年之間的擴展強度不明顯。整體來說1992—2018年期間天山北坡城市群城市夜間燈光擴展強度值呈高-低-高變化趨勢。在天山北坡城市群城市的自然條件優(yōu)越、城市密集、交通方便等優(yōu)勢導致天山北坡城市群城市經濟不斷發(fā)展[23]，也是研究區(qū)城市夜間燈光一直保持擴展趨勢的主要原因之一。

圖3 研究區(qū)城市夜間燈光面積增長量和擴展強度變化圖

3.2 緊湊度變化

根據緊湊度指數的公式計算出天山北坡城市群城市的時空變化特征。城市空間的擴展模式是以外部延展型和內部填充型為主，城市空間擴展以內部填充型為主導類型時，城市形態(tài)緊湊度增大，以外部延展型為主導類型時，城市形態(tài)緊湊度減少[24-25]。由圖4可知天山北坡城市群城市的空間形態(tài)處于不同的變化階段。天山北坡城市群城市地處生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北干旱區(qū)，因此，緊湊度值在0.15~0.3之間。1992年的緊湊度最高，而2018年的緊湊度最低。總體來說，近26 a來天山北坡城市群城市緊湊度呈遞減態(tài)勢，在空間上向外部延展型為主導的類型發(fā)展，城區(qū)外廓的破碎程度較高、城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結構呈松散化趨勢。說明隨著天山北坡城市群城市不斷向外擴展，城市的空間形狀越不規(guī)則。

圖4 1992-2018年天山北坡城市群城市緊湊度變化

3.3 城市重心轉移分析

本文利用重心轉移來分析天山北坡城市群城市發(fā)展過程中存在的客觀規(guī)律，根據公式（3~5）來計算天山北坡城市群城市重心點坐標、發(fā)展方向以及重心點轉移距離。從圖5可知，天山北坡城市群城市1992—2018年的城市重心轉移的空間變化，在研究期間不同時期城市重心轉移有明顯的空間分異。其中1992—2002年城市重心移動最明顯，這期間研究區(qū)城市重心點從昌吉回族自治州的呼圖壁縣轉移到烏魯木齊的米東區(qū)。2002—2012年天山北坡城市群城市重心點變化不明顯，城市重心處于烏魯木齊的米東區(qū)；2012—2018年研究區(qū)城市重心點從烏魯木齊的米東區(qū)轉移到昌吉市。整體來說，天山北坡城市群城市重心在城市化高度發(fā)展及社會經濟發(fā)展較快的烏魯木齊和昌吉回族自治州區(qū)域，烏昌一體化戰(zhàn)略的實施促使烏魯木齊和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市發(fā)展過程中呈現出帶頭作用。

圖5 天山北坡城市群城市夜間燈光擴展及重心轉移圖

從天山北坡城市群城市重心坐標、轉移距離及轉移方向來看（如表1所示），1992年的（86°34′20.098″E，44°18′21.766″N）到2018年時（87°19′22.053″E，44°7′40.362″N），總轉移距離為133.177 km。1992—2002年天山北坡城市群城市重心轉移距離最長，轉移距離達到96.536 km，占總轉移距離的72.49%。2002—2012年研究區(qū)城市重心坐標變化不顯著，轉移距離也最短，占總轉移距離的5.46%。總體來說天山北坡城市群城市重心轉移方向是東北-西北-西南。處于天山北坡經濟帶西北的克拉瑪依市、烏蘇市和奎屯市的城市發(fā)展較快，因此天山北坡城市群的重心向西北轉移。

表1 天山北坡城市群城市重心轉移統(tǒng)計表

4 結論與討論

本文結合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數據，彌補DMSP/OLS夜間燈光數據在時間和空間分辨率上的缺陷，提取天山北坡城市群的1992—2018年期間的城市夜間燈光，采用城市擴展強度、緊湊度和城市重心轉移方法對天山北坡城市群的擴展演變進行研究。得出的結論有以下幾點：

1）天山北坡城市群城市夜間燈光都有顯著變化，城市夜間燈光面積呈增長趨勢，但是面積變化增長量呈波動態(tài)勢。每一時期的城市夜間燈光擴展強度隨著面積增長量的變化而變化，增長強度最高的是1992—1993年期間，達到70.37%，1995—2007年之間的擴展強度不明顯。整體來說1992—2018年期間，天山北坡城市群城市夜間燈光擴展強度值呈高-低-高變化趨勢。

2）從緊湊度分析來看，1992—2018年天山北坡城市群的緊湊度值在0.15～0.3之間，緊湊度呈遞減態(tài)勢，在空間上向外部延展型為主導的類型發(fā)展，城區(qū)外廓的破碎程度較高、城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結構呈松散化趨勢。說明隨著天山北坡城市群城市不斷向外擴展，城市的空間形狀越不規(guī)則。

3）1992—2018年天山北坡城市群的城市重心在烏魯木齊和昌吉回族自治州區(qū)域，烏昌一體化戰(zhàn)略的實施促使烏魯木齊和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市發(fā)展過程中呈現出帶頭作用。研究期間天山北坡城市群的總重心轉移距離為133.177 km，重心轉移方向是東北-西北-西南。

本文利用的2種夜間燈光數據雖然能填補研究時間的連續(xù)性，但是空間分辨率以及衛(wèi)星傳感器的不一致導致2個數據灰度值范圍的差異性。通過2012年和2013年的DMSP/OLS和NPP/VIIRS提取城市夜間燈光數據，然后對結果進行對比分析發(fā)現，對比結果擬合狀態(tài)較好，但是2種夜間燈光提取的城市夜間燈光信息存在一些偏差。天山北坡城市群是重點建設的兩個邊疆地區(qū)城市群和絲綢之路經濟帶核心區(qū)建設的城市群，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(fā)展，為促進絲綢之路經濟帶建設提供參考。