基于夜光遙感的遼寧省城鎮化動態特征

李鵬飛, 楊光福, 任天智, 王蒙

(遼寧省城鄉建設規劃設計院有限責任公司信息中心, 沈陽 110006)

城鎮化進程往往伴隨著人口增長、社會經濟活動加劇、相關基礎設施增長完善[1]。與此同時,城鎮化快速發展帶來了許多相關問題,諸如空氣污染、城市熱島效應、自然資源退化、溫室氣體排放等。為減輕上述問題帶來的影響,有必要對城鎮化進程和其發展特征進行研究,進一步監測城鎮化動態[2]。社會經濟與人口普查數據是相當有效可靠的統計數據,在城鎮化研究中發揮了重要作用,然而其宏觀且滯后的特征為城鎮化進一步研究帶來了障礙。衛星夜間燈光遙感影像作為動態更新的新型數據源,能夠有效反映人口動態、社會經濟增長和城鎮化帶來的人類活動強度信息,因此被廣泛用于研究更加全面細致的城鎮化動態時空特征[3]。

近年來,已有學者將夜間燈光(nighttime light, NTL)遙感影像與城鎮化研究方法相結合,為感知人類活動與環境變化等提供了新的思路[4]。NPP/VIIRS(national polar-orbiting partnership/visible infrared imaging radiometer suite)夜間燈光遙感數據具有長時間序列儲存、便于獲得的特點,借助閾值法、監督分類模型或者與其他數據結合的方式,可對人類活動密集的城市建成區進行提取與可視化[5]。夜間燈光數據也是研究人口、國內生產總值(gross domestic product,GDP)和其他經濟數據的重要途徑[6-7],能夠有效反映社會經濟活動的動態變化。除此之外在漁業、能源、環境與碳排放等領域也有廣泛的應用[8]。在諸多研究領域中,使用夜間燈光分析城鎮化水平與時空特征是一個重要的分支,并產生了許多研究成果。吳健生等[9]證明了通過夜間燈光遙感數據對城市體系與空間結構進行研究的可行性,孫陽等[10]在多種尺度下對社會經濟活動與夜間光照情況的相關關系進行研究,分析了人口、經濟、社會生活等城鎮化指標,揭示了夜間燈光分析城鎮化進程的合理性。夜間燈光遙感數據具有時間和空間兩層屬性,王慧娟等[11]使用空間引力模型在內的多種分析方法,分析了長江中游城市的城鎮空間演化特征,陳夢根等[12]借助夜間燈光研究了1992—2016年中國經濟發展演化,并分析了產業、教育、交通等因素的影響。更多的研究趨向于從時空角度綜合分析,徐濤等[13]使用NPP/VIIRS夜間燈光數據,從緊湊度與分形維度等方面探討了川渝地區城市建成區擴展的時空分布;奧勇等[14]通過對粵港澳大灣區城市建成區時空動態特征的研究,揭示了區域城市擴張的速度與空間方位;布自強等[15]分析了城市建成區的形態、規模和結構,得出寧夏沿黃城市群的時空演變特征。除了對城市現狀的分析研判之外,夜間燈光數據也被用于預測未來的城鎮化指標[16]。

現基于遼寧省夜間燈光遙感數據,通過相關性分析與地理探測器驗證夜間燈光監測城市建成區的合理性,采用Thei-Sen Median法與Mann-Kendall檢驗評估2012—2020年城鎮建成區的變化特征,Hurst指數用以預測城鎮燈光所暗示的城鎮未來發展趨勢,為遼寧省城鎮未來高質量發展提供支撐。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

遼寧省位于東北地區南部,地理坐標為東經118°53′～125°46′,北緯38°43′～43°26′,屬溫帶大陸性季風氣候。全省面積14.8萬km2,大陸海岸線長2 292 km,近海水域面積6.8萬km2。遼寧省是東北地區唯一的既沿海又沿邊的省份,也是東北及內蒙古自治區東部地區對外開放的門戶。為打破空間枷鎖,推動產業協作與經濟合作,遼寧省在“十四五”規劃期間力爭構建沈陽、大連“雙核”牽引的“一圈一帶兩區”區域發展格局,“一圈”即沈陽現代化都市圈,“一帶”即遼寧沿海經濟帶,“兩區”即遼西融入京津冀協同發展戰略先導區和遼東綠色經濟區。

1.2 數據來源

NPP-VIIRS傳感器是高分辨率輻射儀AVHRR和地球觀測系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進,用于收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像。研究使用了2012—2020年的年度夜間燈光數據,數據來源于地球觀測組織網站(https://eogdata.mines.edu),該數據已經去除了雜散光、月光和云層覆蓋等的影響。在研究前,使用遼寧省行政邊界數據裁取到遼寧省2012—2020年夜間燈光數據。

為確定夜間燈光強度對城鎮化發展演變研究的支撐作用,選擇GDP數據、道路密度和人口密度等城鎮化評價指標[17-18]進行相關性分析。GDP網格數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn),道路數據來源于Openstreetmap(https://www.openstreetmap.org),并提取繪制與夜間燈光尺度一致的道路密度柵格,人口密度數據取自WorldPop(https://www.worldpop.org)。上述數據最終統一為分辨率為1 km×1 km的柵格。此外,其他相關數據均來自遼寧省統計年鑒。

2 研究方法

2.1 相關性分析

計算夜間燈光與GDP數據、道路密度與人口密度的皮爾遜相關系數,用以揭示夜間燈光與城鎮化之間的關系[19]。皮爾遜相關系數可以用P來表示,P為正表明夜間燈光與城鎮化指標是正相關關系,反之亦然,P的絕對值越大代表著相關性越強,具體計算公式為

(1)

2.2 地理探測器

地理探測器是一種度量要素空間分層異質性,探討其潛在驅動因素的統計學方法。地理探測器包含因子探測與交互探測等,因子探測用以揭示空間層面城鎮化指標對夜間燈光影響程度的強弱,交互探測檢驗不同城鎮化指標共同作用時對夜間燈光影響的交互作用[20]。因子探測通過計算驅動力q,度量某個城鎮化指標會在多大程度上影響夜間燈光的空間分異性,q的計算公式為

(2)

交互探測的原理是先分別計算兩個城鎮化指標的q,后將兩個城鎮化指標圖層疊加在一起計算q,對比疊加后的q與原始兩個指標的q之間的關系判斷因子交互的類型。

2.3 變異系數

變異系數是一種無量綱的數據離散程度衡量指標,能夠很好反映空間數據的時間差異和變化程度,用以評價夜間燈光數據的穩定性[21]。變異系數值越大,夜間燈光亮度值分布越分散,人類活動程度變化越劇烈;變異系數值越小,夜間燈光亮度值分布越集中,人類活動程度保持穩定。以像元為單位計算夜間燈光值的變異系數,公式為

(3)

2.4 趨勢分析與顯著性檢驗

Thei-Sen Median分析是一種非參數趨勢計算模型,常與Mann-Kendall檢驗結合評估時間序列數據的變化趨勢與顯著性[22],可用于夜間燈光影像亮度長時間序列數據的趨勢分析中。Thei-Sen Median法計算公式為

(4)

式(4)中:βa為夜間燈光影像像元亮度變化趨勢。βa>0時,像元亮度呈增長趨勢;βa=0時,像元亮度保持不變;βa<0時,像元亮度呈下降趨勢。像元亮度趨勢結果可分為顯著降低、輕微降低、保持不變、輕微提升和顯著提升五類。

使用Mann-Kendall檢驗趨勢分析的顯著性,計算公式如下。

(5)

(6)

(7)

式中:ai和aj分別為夜間燈光影像像元在研究年份i和j的亮度值;sgn()為符號函數;Z為標準化后的檢驗統計值。在雙邊檢驗中,對于給定的顯著性水平α,若|Z|>Zα/2,則在α的顯著性水平下夜間燈光序列亮度值存在顯著的變化趨勢。研究中,顯著性水平取0.05。

2.5 Hurst指數

Hurst指數是一種基于分形理論的時間序列分析方法,在氣候變化與城鎮化擴張分析等領域具有廣泛的應用[17]。該方法可以用來預測夜間燈光亮度時間序列的未來變化趨勢。計算Hurst指數需要定義夜間燈光像元亮度時間序列{at},t=1,2,…,n,同時利用式(8)計算出其像元序列平均亮度值,即

(8)

在此基礎上,計算其累計高差、極差以及標準差,公式如下。

(9)

R(τ)=max1≤t≤τX(t,τ)-min1≤t≤τX(t,τ),τ=1,2,…,n

(10)

(11)

故可求出Hurst指數,公式為

(12)

式(12)中:H為Hurst指數,通過最小二乘法計算;c為常數。當0.5

3 城鎮化驅動因子相關性與異質性

3.1 夜間燈光格局

遼寧省夜間燈光的空間結構以省內城市為核心,呈散點狀分布,大致形成以沈陽—大連為軸線的集中連片區域,如圖1所示。亮度高值分布在城市和部分城鎮,以及將它們相互連接的重要道路,反映了遼寧省域城鎮的空間分布特征。

圖1 遼寧省夜間燈光分布

為初步判斷遼寧省夜間燈光與城鎮發展的關系,繪制了全省年均夜間燈光亮度值與城鎮建成區面積變化趨勢圖,如圖2所示。遼寧省年均夜間燈光亮度值在0.8～1.2變化,2012—2015年呈明顯的波動態勢,自2015年起,全省夜間燈光亮度均值持續增長。城鎮建成區面積由2 329.1 km2增長至3 105.5 km2,與夜間燈光保持較為同步的增長趨勢。

圖2 夜間燈光與城鎮建成區年際變化趨勢

3.2 相關性分析

2012—2020年,遼寧省總人口保持在4 200萬人左右,GDP總量從1.7萬億元上升至2.5萬億元,GDP年均增速約為4.2%,道路長度從1.55萬km增加至2.15萬km。人口的變化趨勢與GDP、道路長度不同,經濟不斷發展,總人口卻處于流失減少狀態,與此同時,60歲以上人口由771萬人上升到1 116.8萬人,老齡化率較高。從城鎮化角度來看,城鎮人口自2 872萬人增長至3 064萬人,人口不斷向城市集中,城鎮化水平不斷提升。

GDP、道路密度和人口密度與夜間燈光強度呈正相關,相關系數分別為0.58、0.66、0.65(P<0.05)。結果表明,GDP值與道路密度對夜間燈光強度具有顯著影響,雖然人口總體發展趨勢與夜間燈光發展趨勢不一致,城鎮化人口卻保持穩定增長,人口密度也是城鎮夜間燈光強度變化的重要驅動因素。

3.3 空間異質性

為了進一步探索夜間燈光與多個城鎮化指標之間的關系,了解夜間燈光強度的空間分布特征,使用地理探測器對夜間燈光強度與城鎮化指標進行因子探測與交互探測,結果見表1。可以看出,經濟水平和道路密度對燈光強度具有較高的解釋力,驅動力值分別為0.48和0.40,表明經濟活動水平與道路密度的差異是夜間燈光強度呈現空間差異性的重要因素;人口密度的解釋力相對較低,這是由于高密度人口并非是產生強燈光的必要條件,如夜間人口稀疏的一些路口、工廠、廣場等區域,同樣會展現出較高的夜間燈光強度。

表1 因子探測與交互探測結果

夜間燈光強度同樣是多重影響因素共同作用的結果。交互探測的結果表明,經濟水平、人口密度和道路密度都存在雙因子增強的交互關系,即雙因子共同作用明顯比單因子驅動力更高。與單個驅動因子相比,任意兩個驅動因子之間共同交互的驅動力值都有不同程度的升高,其中GDP與道路密度之間的交互提升效果較為明顯,表明在經濟活動較強的區域改善交通條件,或者提升道路附近的經濟活動強度均能對夜間燈光的提升產生促進效應,更有助于提升城鎮化水平。

綜上,城鎮化發展指標與夜間燈光具有較高的匹配度,夜間燈光的分布特征一定程度上反映了城鎮發展與空間布局特征,因此使用夜間燈光研究城鎮化特征是合理的。

4 城鎮格局演化

4.1 城鎮化時空變化

為體現遼寧省城鎮化發展的活躍程度,對夜間燈光強度的變異系數進行像元計算與可視化,結果如圖3所示。全省夜間燈光強度變異系數均值為0.36,表現出較高波動程度的像元數占總像元數的81.7%。空間位置上靠近城市核心區的像元,其變異系數值相對較低,像元夜間燈光亮度較為穩定;空間上位于城鄉交界處的像元,夜間燈光亮度變化較為顯著,表示在2012—2020年,這些區域的社會經濟增長和城鎮化發展較為明顯;遠離城市的廣大鄉村區域,變異系數保持在較低的水平。

圖3 變異系數的省域分布

從區域層面來看,不同區域燈光亮度變異系數的均值差異較大,側面反映了城鎮發展速度與活力的地區差異性。沈陽現代化都市圈與遼寧沿海經濟帶的變異系數均值低于遼西融入京津冀協同發展戰略先導區和遼東綠色經濟區,如圖4所示。在沈陽和大連的帶動下,“一圈一帶”范圍內經濟活躍程度與城鎮化已經處于較高水平,因此燈光強度變異系數整體偏小。“兩區”范圍內由于地理位置相對不利,基礎設施建設水平較低,較高的變異系數體現了較高的城鎮化發展潛力。

圖4 變異系數的區域分布

4.2 城鎮化趨勢分析

遼寧省夜間燈光趨勢揭示了空間分布的區域差異。從全省層面看,90%以上的像元都呈現增長趨勢,且多分布在廣袤的鄉村區域,如圖5所示,這佐證了2012—2020年鄉鎮人民生活水平的提升。然而呈現亮度降低趨勢的像元總占比不到10%,卻多分布于城市建成區范圍內,這些區域集中了多數的夜間燈光亮度高值,人類活動強度已基本飽和,夜間燈光值很難進一步提升,面臨城鎮化轉型與發展的雙重困局。

圖5 變化趨勢的省域分布

從區域層面來看,遼東綠色經濟區的城鎮發展水平與其他地區的差距較為明顯,如圖6所示。遼東綠色經濟區城鎮區域范圍內,燈光亮度降低趨勢的像元占比接近50%,相較于其他區域內的該數據約為25%,該區域在過去近10年中城鎮發展面臨較大挑戰。遼東地區多山且為重要的林業生態區域,限制性開發政策阻礙了當地的經濟發展,城鎮化重點在于協調區域發展與保護的矛盾。

4.3 城鎮化發展的可持續性

將夜間燈光亮度趨勢與Hurst指數分析結果疊加耦合,得到遼寧省夜間燈光像元亮度變化趨勢及其持久性,如圖7所示。從全省范圍來看,遼寧省夜間燈光的平均Hurst指數為0.71,整體發展呈現一定的可持續性。全省90%的像元夜間燈光亮度在未來保持增長,而建成區范圍內僅有68%的像元保持增長,已城鎮化區域的發展可持續性不足,這與現狀的高城鎮化率、高老齡化率密切相關。

圖7 可持續性的省域分布

將夜間燈光亮度可持續輕微減小的像元與可持續顯著減小的像元合并為可持續減小的像元,并在此基礎上進行統計,并與過去9年的發展態勢進行對比,如圖8所示。從區域層面看,遼東綠色經濟區城鎮范圍在2012—2020年有49%的像元數保持降低趨勢,耦合后的數據顯示僅有41%的像元存在亮度降低態勢,說明遼東城鎮發展狀態有所改善,不過未來夜間燈光亮度降低的像元數占比依舊高于其他3個區域。沈陽現代化都市圈、遼寧沿海經濟帶和遼西融入京津冀協同發展戰略先導區燈光亮度降低區域占比在未來均有所增加,城鎮化速度會有所放緩,甚至不乏逆城鎮化的情況出現。

圖8 可持續性的區域分布

5 結論

(1)經濟水平、人口密度與道路密度作為城鎮化指標,是夜間燈光亮度變化的重要影響因素,可以使用夜間燈光對城鎮化變化進行時空分析。

(2)在2012—2020年,遼寧省的夜間燈光均值有所增長,省域層面城鎮化發展不斷向前。然而城鎮區域發展面臨壓力,核心區的燈光變異系數不高,增長驅動力缺失,部分區域燈光亮度保持下降的趨勢,城鎮化發展缺乏活力。

(3)從區域層面來看,遼東綠色經濟區城鎮燈光亮度降低的像元占比接近50%,整體城鎮化發展水平不及其他區域,由于以綠色低碳發展為主,城鎮化率偏低,因此其未來城鎮化發展具有相對較大的空間;沈陽現代化都市圈、遼寧沿海經濟帶和遼西融入京津冀協同發展戰略先導區城鎮化發展保持相對穩定,但在也面臨燈光亮度增長區域面積下降等問題,“一圈一帶”是遼寧省高度發達地區,目前城鎮化發展進入中后期,未來應以城市更新高質量、精細化發展為主;遼西資源枯竭型城市較多,部分城市在收縮,面臨著轉型發展的巨大壓力,如何借助地理與交通優勢融入京津冀一體化發展,成為未來城鎮化發展的關鍵。

因此,遼寧省還需進一步優化城市空間布局,兼顧區域化和差異化發展的同時,提升城市功能品級,激發內生活力,為城鎮化高質量發展提供新的動力。