基于夜光遙感的佛山市南海區城市擴張及人地協調關系研究

黃鐵蘭 陳梓聰 羅 婧

（1.廣東工貿職業技術學院，廣東廣州 510510；2.嘉應學院，廣東梅州 514015）

隨著城市化速度加快，城市建成區面積快速增長，成為城市經濟社會發展的重要特征[1]。在經濟發展和城市化進程的雙重推動下，城市建成區的面積和城市人口密度迅速增長。根據中國社科院發布的《2020年社會藍皮書》，按城鎮人口占總人口的比例計算，截至2019年底我國城鎮化水平已經超過60%，正式進入城市社會時代[2]。

GIS和衛星遙感技術快速發展，利用遙感數據和GIS技術進行城市擴張的研究增多。其中，夜光遙感影像覆蓋區域大、時效性強、應用廣泛。劉佳等[3]利用2000—2013年的DMSP/OLS夜光遙感數據，結合Landsat影像數據，通過閾值法進行數據校正和建成區面積提取，對鄂爾多斯市城市擴張及其驅動因子在時間及空間尺度上進行分析。萬意等[4]以河南省為研究區域，利用1992—2012年河南省夜間燈光影像數據和空間信息，采用平均燈光亮度、平均燈光亮度增長速度、歸一化總輻射值、總燈光強度等指標以及城市重心坐標、城市重心偏移距離、城市重心偏移速度等指標對河南省各個城市的空間格局現狀和城市擴張過程進行研究。羅婧等[5]以粵港澳大灣區為研究對象，結合1992—2012年的DMSP/OLS遙感影像和經濟統計數據，研究區內各城市的空間格局現狀和城市擴張過程。

城市擴張與人口增長存在較強的相關性。因此，研究城市擴張與人口增長的協調關系對城市的可持續發展具有重要意義。張勇等[6]基于安徽省的城市建成區面積和人口數據，構建城市土地擴張與人口增長的協調性評價模型，研究土地擴張與人口增長間的協調關系。馮興華等[7]基于江西省2001年、2012年城市人口與建成區面積數據，利用數理統計及GIS空間分析方法對城市人地協調關系進行深入分析。斯日吉模楞[8]基于中國31個?。ㄊ?、自治區）2005—2015年的國民經濟數據，利用固定效應模型，對我國各?。ㄊ?、自治區）以及東、中、西部地區的城市總面積與經濟增長間的關系開展研究，分析影響城市土地擴張的主要因素。

本文以DMSP/OLS夜光影像為主要數據源，通過數據預處理、城市建成區提取、城市擴張重心遷移分析等流程，研究佛山市南海區2008—2013年的城市擴張狀況，并結合人口數據，利用人地協調性系數分析人地協調關系。

1 研究區概括及數據源分析

1.1 研究區概況

佛山市南海區地處粵港澳大灣區腹地，東連廣州市區，南接順德區、鶴山市、新會區，西鄰三水區、高明區，北鄰花都區，環抱佛山禪城區，地處北緯22°48′03″、東經112°49′55″，面積1 073.82 km2，常住人口291萬人。地勢為西北、西南部高，中、東南部低，海拔為0.7～2.5 m。

1.2 數據源及數據預處理

佛山市南海區的行政區劃數據源自中華人民共和國自然資源部網站，比例尺1∶750 000。2008—2013年的DMSP/OLS全球夜光數據源自美國國家地理信息中心網站，空間分辨率約1 km，像元亮度值DN取0～63。社會經濟統計數據包括城市建成區面積、生產總值等，源自《2009年廣東省統計年鑒》《2014年廣東省統計年鑒》《2009年佛山市統計年鑒》《2014年佛山市統計年鑒》。

佛山市南海區行政區劃數據矢量化，投影為WGS-84坐標系統。DMSP/OLS夜光遙感數據，利用佛山市南海區進行裁剪，依次進行飽和校正、相互校正、年內融合和年際間校正[9]。國民經濟與社會發展統計數據，按照類型整理為表格形式。

2 研究方法

2.1 城市建成區提取

統計數據比較法利用城市建成區面積數據，將基于DMSP/OLS夜光遙感影像的建成區提取面積與其進行對比，獲得城市建成區范圍。動態閾值法利用不同年份、不同區域的統計數據作為輔助資料，分別設置不同的閾值（動態閾值），比較此時的燈光面積與統計數據中的建成區面積，將差值最小的閾值作為最佳閾值，實現對城市建成區的提取[10]。

佛山市南海區的城市建成區面積數據獲取困難，本文主要利用佛山市2008年和2013年的城市建成區面積統計數據，通過“動態閾值法”確定提取最佳閾值，將提取得到的2008年和2013年佛山市建成區利用佛山市南海區的行政區裁剪，得到佛山市南海區2008年和2013年的城市建成區。

2.2 城市重心偏移分析

重心是衡量某種空間屬性在區域內總體分布狀況的指標。城市重心模型可以有效表達某區域內城市規模的分布性差異[7]。本研究使用城市重心、城市重心偏移距離、城市重心偏移速度指標[3-5]。

（1）城市重心坐標計算。

式中：X、Y——城市重心的經緯度坐標；Xi、Yi——第i個像元的坐標；Ci——像元i的屬性值，為夜光DN值；n——區域內的夜光像元總量。

（2）城市重心偏移距離。

式中：Xj、Xk——兩個年度城市重心的X坐標；Yj、Yk——兩個年度城市重心的Y坐標。

（3）城市重心偏移速度。

式中：V——城市重心偏移速度；Lmn——第n年的城市重心相對第m年的城市重心的偏移距離。

2.3 城市人地協調關系分析

一般采用城市規模彈性系數分析城市人地協調關系，主要考慮城市用地增長率與城市人口增長率的比值，忽略不同的城市等級規模、地形等因素的影響[7]。本文采用城市人地協調性系數（CPI）衡量城市人地協調關系[6-7]。

式中：CPI(t～t+n)——城市人地協調性系數；LR（t+n）、LRt——目標年和基準年的城市總面積；PR（t+n）、PRt——目標年和基準年的市區人口數量。

結合區域的實際情況，將CPI劃分為4種類型，細分為6個等級，用于評價人地協調關系[6-7]。

城市人地協調性系數分級標準如表1所示。

表1 城市人地協調性系數分級標準

3 結果分析

3.1 佛山市南海區城市建成區面積變化

經過試驗和比較，設置2008年最佳閾值為112，2013年最佳閾值為94。利用ENVI5.3進行密度分割，提取兩個年度的建成區。2008—2013年佛山市南海區的城市建成區面積不斷增長，建成區面積從42 km2擴大至54 km2。

3.2 佛山市南海區城市重心偏移

分析城市重心遷移情況，2008—2013年佛山市南海區城市重心均分布在羅村街道，5年間向西南方向偏移185.73 km，偏移速度為37.15 km/a，總體上向西南方向擴張。

城市重心坐標及偏移距離、偏移速度如表2所示。佛山市南海區城市重心偏移如圖1所示。

表2 城市重心坐標及偏移距離、偏移速度

圖1 佛山市南海區城市重心偏移

3.3 佛山市南海區人地協調關系

2008—2013年，佛山市南海區人口數量和建成區面積均增長，人口由208.02萬人增長至263.90萬人，建成區面積由42 km2增長至54 km2。

佛山市南海區人口與建成區面積變化情況如圖2所示。

圖2 佛山市南海區人口與建成區面積變化情況

2008—2013年建設用地增長率28.57%，人口增長率26.86%，人地協調度0.99，人地基本協調。

4 結語

從城市建成區面積變化角度分析，佛山市南海區2008—2013年城市建成區面積擴大12 km2，年均增長2.4 km2。從城市重心偏移情況分析，佛山市南海區2008—2013年城市重心偏移距離185.73 km，年均偏移量37.15 km。從人地協調度方面分析，2008—2013年建設用地增長率為28.57%，人口增長率為26.86%，城市人地協調性系數為0.99，城市化過程中人地基本協調，城市化進程相對較緩慢。