基于夜光遙感的哈長城市群人口空間分布研究

趙 琦 朱紫琳 矯 健 丁文杰

吉林建筑大學測繪與勘查工程學院 吉林長春 130118

1 概述

衛(wèi)星遙感是現(xiàn)代地球空間信息研究新興的一門對地觀測技術，它可以連續(xù)地獲得宏觀的對地觀測信息，并且具有高效省時省力的優(yōu)點而越來越受到人們的青睞。夜光遙感是近幾年衛(wèi)星遙感新發(fā)展起來的一個技術方向。夜光遙感影像中包含著人用燈光亮度變化、空間變化等信息，而燈光亮度變化能夠客觀地反映出人類活動的強弱以及人口分布狀況等信息，因此，夜光遙感具有反映人類社會活動狀況的能力。國內(nèi)較早關注夜光遙感數(shù)據(jù)的中國科學院院士李德仁曾表示：夜光遙感不同于日間遙感，具有獨特的反映人類社會活動的能力，可以用來估算社會人口和人口數(shù)量與分布等。

人口數(shù)據(jù)是分析評價區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，區(qū)域結(jié)構平衡的一個重要基礎數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)人口數(shù)據(jù)主要是通過人口普查方式獲取，任務量大，統(tǒng)計數(shù)據(jù)間隔長、更新慢，現(xiàn)勢性差，且難以呈現(xiàn)人口空間的分布特點。而通過夜光遙感數(shù)據(jù)則可以實現(xiàn)快速、較高精度的進行大區(qū)域的人口統(tǒng)計并將其空間化。人口數(shù)據(jù)空間化就是將統(tǒng)計人口數(shù)據(jù)量化到具有一定大小分辨率的地理格網(wǎng)上，它能夠清晰地反映出人口數(shù)據(jù)的空間與時間特征，有利于挖掘人口分布特征規(guī)律和模擬預測研究。所以基于夜光遙感結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)將人口信息格網(wǎng)化，有利于發(fā)現(xiàn)人口分布的社會規(guī)律，國內(nèi)已有學者進行了相關方面的研究，如婁格基于夜光遙感數(shù)據(jù)對寧海縣鄉(xiāng)村人口進行了空間化分析。王璇璇等基于NPP-VIIRS數(shù)據(jù)對江蘇省人口數(shù)據(jù)空間化分析，同時分析其人口分布規(guī)律。

本文將基于夜光遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究分析哈長城市群2000年到2018年人口空間分布變化，以哈長城市群城市建成區(qū)夜間燈光強度為自變量，常住人口數(shù)據(jù)為因變量，建立人口與夜光遙感數(shù)據(jù)的空間回歸模型，實現(xiàn)人口分布數(shù)目地理格網(wǎng)化，分析近20年來哈長城市群人口時空變化分布規(guī)律。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

哈長城市群位于我國東北地區(qū)，是東北地區(qū)最大的城市群，是東北老工業(yè)基地振興發(fā)展的重要增長極和北方開放重要門戶。哈長城市群規(guī)劃范圍由黑龍江省、吉林省內(nèi)的十一個城市構成，包括黑龍江省哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市，吉林省長春市、吉林市、四平市、遼源市、松原市、延邊朝鮮族自治州。隨著城市化進程的推進，該區(qū)域的人口數(shù)目和空間分布都發(fā)生了顯著變化。

2.2 數(shù)據(jù)源

本文所使用的研究數(shù)據(jù)包括哈長城市群夜光遙感數(shù)據(jù)和人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

(1)本文所使用的夜光遙感數(shù)據(jù)來自我國學者陳佐旗博士和余柏蒗教授等人發(fā)展生產(chǎn)的跨傳感器校正的2000—2018全球“類NPP-VIIRS9”夜間燈光數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)覆蓋全球，空間分辨率500米、時間范圍從2000年到2018年。相較于其他夜光遙感數(shù)據(jù)(DMSP-OLS和NPP-VIIRS)，“類NPP-VIIRS”夜間燈光數(shù)據(jù)精度高，具有更高的空間分辨率和更長的時間跨度，為本研究提供了可靠的數(shù)據(jù)源。

(2)哈長城市群人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于吉林省統(tǒng)計年鑒和黑龍江省統(tǒng)計年鑒，是本研究的輔助數(shù)據(jù)。

3 研究技術與結(jié)果

3.1 研究技術

人口分布與夜間燈光強度具有較強的空間依賴性，因此在研究中以哈長城市群各個城市人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)為因變量，以體現(xiàn)夜間燈光強度的夜光遙感數(shù)據(jù)為自變量，在空間數(shù)據(jù)分析軟件GeoDA中建立人口與燈光強度的回歸關系模型，以此來研究哈長城市群的人口分布及變化規(guī)律。

首先是基于ArcGIS軟件獲取哈長城市群夜光遙感數(shù)據(jù)和計算夜間燈光強度累計值：利用ArcGIS軟件裁切提取哈長城市群地理范圍的類“NPP-VIIRS”夜間燈光影像數(shù)據(jù)，得到2000—2018年每年的城市群夜光遙感數(shù)據(jù)，圖1為2018年哈長城市群夜光遙感數(shù)據(jù)提取結(jié)果。再基于ArcGIS軟件統(tǒng)計2000—2018年每年各個城市夜間燈光強度(影像中的DN值)累計值。

圖1 2018年哈長城市群夜間燈光亮度空間分布

第二步是基于GeoDA空間數(shù)據(jù)分析軟件構建人口與燈光強度的回歸關系模型：以哈長城市群統(tǒng)計人口為因變量，哈長城市群夜間的燈光累計值為自變量，構建經(jīng)典的線性回歸關系模型，模型形如公式(1)所示：

=+

(1)

其中為人口數(shù)量，為燈光強度，、為回歸系數(shù)。評價模型擬合程度的標準主要通決定系數(shù)來確定，其值越接近1，認為模型擬合程度越好。

最后，將構建的人口與夜間燈光數(shù)據(jù)的回歸關系模型應用到每個夜光遙感影像像元上，得到每個像元上的人口分布數(shù)目，實現(xiàn)哈長城市群人口分布空間化。

3.2 研究結(jié)果

通過上述技術方法，本文得到了哈長城市群人口與夜光強度之間的經(jīng)典回歸模型模擬關系，例如，圖2所展示2018年哈長城市群的人口回歸模型。基于回歸模型進一步將哈長城市群人口分布空間化，得到不同年份的人口空間分布圖，如圖3所示。

圖2 2018年哈長城市群人口回歸模型

圖3 2000年、2005年、2010年和2018年哈長城市群人口空間分布圖

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)：

(1)近20年隨著城市不斷發(fā)展擴張，城市人口分布也越來越廣；(2)哈長城市群人口整體分布不均衡，不同城市之間人口分布差異較大；(3)從哈長城市群內(nèi)部來看，人口重心逐漸向哈爾濱長春大型城市移動，哈爾濱市和長春市的人口最密集，遼源市的人口密度最低，吉林市、大慶市人口密度較高；(4)各城市人口主要聚集在城市的中心，隨著與距城市中心的距離增加，人口數(shù)量也開始逐漸減少。

結(jié)語

本文基于夜光遙感數(shù)據(jù)對哈長城市群2000—2018年的人口分布進行了時空分析。通過夜光遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)了哈長城市群人口分布的空間化、格網(wǎng)化，總結(jié)出哈長城市群人口時空分布具有以下特點：人口空間分布存在差異，哈爾濱市、長春市屬于人口密度相對較高區(qū)；城市中心人口較聚集；近20年來城市人口有向外擴展趨勢等。基于夜光遙感技術可以實現(xiàn)大型城市群的人口空間分布研究，為城市群的可持續(xù)平衡發(fā)展提供政策和決策依據(jù)。