基于夜間燈光數(shù)據(jù)的粵東地區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張時(shí)空特征分析

摘 要：【目的】了解粵東地區(qū)城市擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)廣東省對(duì)接國(guó)家“兩橫三縱”城鎮(zhèn)化布局，推進(jìn)“一軸、多中心、集群式”城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)具有重要意義。【方法】采用局部閾值二分法提取2013—2020年粵東地區(qū)的建成區(qū)，并從擴(kuò)張規(guī)模特征、結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征等3方面深入分析粵東地區(qū)城市擴(kuò)張的時(shí)空演變特征。【結(jié)果】城市建成區(qū)年均面積相對(duì)誤差為3.94%，空間年均精度可達(dá)91.27%；粵東地區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，城市規(guī)模較為均勻，中小城市發(fā)展相對(duì)較好，但這也揭示了粵東地區(qū)缺少“龍頭城市”來帶動(dòng)粵東城鎮(zhèn)群的發(fā)展。【結(jié)論】本研究可在豐富粵東地區(qū)城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展研究案例的同時(shí)，為推動(dòng)粵東地區(qū)構(gòu)建更合理的城市空間結(jié)構(gòu)及響應(yīng)新一輪的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：夜間燈光數(shù)據(jù)；城市擴(kuò)張；粵東地區(qū)；時(shí)空演變格局

中圖分類號(hào)：F299.27" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2025）05-0109-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.021

Spatio-temporal Characterization of Urban Built-up Area Expansion in Eastern Guangdong Based on Nighttime Lighting Data

XU Yunshan1 LIU Xiaojie2

（1. College of Landscape Architecture and Horticulture， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China; 2. Faculty of Land Resource Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093， China）

Abstract： [Purposes] Understanding the dynamic changes in urban expansion in eastern Guangdong is of great significance for aligning Guangdong Province with the national \"Two Horizontal and Three Vertical\" urbanization layout and promoting a \"one axis， multi-center， cluster-style\" urban spatial structure. [Methods] The local thresholding method was used to extract built-up areas in eastern Guangdong from 2013 to 2020. The study then explored the spatiotemporal evolution of urban expansion in the region by analyzing the characteristics of expansion in terms of scale， structure， and morphology. [Findings] The built-up areas had an average annual relative error of 3.94%， with an average spatial accuracy of 91.27%. The built-up areas in eastern Guangdong exhibit a trend of complex morphological growth， with relatively balanced city sizes. Small and medium-sized cities have developed relatively well; however， this also reveals the lack of a \"leading city\" to drive the development of the urban cluster in eastern Guangdong. [Conclusions] This study not only enriches the research cases on coordinated urban development in eastern Guangdong but also provides a reference for promoting a more rational urban spatial structure and responding to the new round of new-type urbanization in the region.

Keywords： nighttime light data; urban expansion; eastern Guangdong; spatiotemporal evolution pattern

0 引言

城市建成區(qū)可以直觀反映區(qū)域城市化進(jìn)程，深入研究城市建成區(qū)的時(shí)空演變過程，對(duì)指導(dǎo)城市進(jìn)行合理、有效的規(guī)劃具有重要意義［1］。目前提取城市建成區(qū)的方法主要有兩類：一類是依賴統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和中高分辨率遙感數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法［2］，另一類是利用夜間燈光遙感影像數(shù)據(jù)的新型方法［3］。基于夜間燈光數(shù)據(jù)的新型方法因易獲取、時(shí)效快且更能直觀反映夜間人類活動(dòng)差異的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)張、城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度等研究。Croft［3］首次驗(yàn)證了夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)的有效性，打破了統(tǒng)計(jì)年鑒無法獲得城市擴(kuò)張空間范圍的限制。楊洋等［4］提出一種結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒和夜間燈光數(shù)據(jù)的建成區(qū)提取方法，相較于中分辨率Landsat TM提取的城市建成區(qū)，城市空間格局相似度達(dá)到80%。高寧等［5］結(jié)合有理函數(shù)和閾值二分法構(gòu)建了一種提取城市建成區(qū)的方法，同時(shí)采用擴(kuò)展速率、重心遷移等指數(shù)分析西安市的擴(kuò)張?zhí)卣鳌Ｄ壳埃谝归g燈光的城市化研究主要集中在中國(guó)北部地區(qū)［5］、中部地區(qū)［6］，以及發(fā)展較好的沿海城市群［7］，而對(duì)東南沿海，尤其是粵東地區(qū)城市化的研究相對(duì)較少。

粵東地區(qū)作為廣東省認(rèn)定的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移園的前沿陣地，是《廣東省沿海經(jīng)濟(jì)帶綜合發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）》中的重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)域 ［8］，研究粵東地區(qū)長(zhǎng)時(shí)序城市擴(kuò)張的時(shí)空演變過程，對(duì)廣東省對(duì)接國(guó)家“雙橫三縱”城鎮(zhèn)化布局，推進(jìn)“一軸、多中心、集群式”城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)具有重要意義。因此，本研究結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)與NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)提取2013—2020年粵東地區(qū)的城市建成區(qū)，并從擴(kuò)張規(guī)模特征、結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)特征等3方面深入探討其時(shí)空演變特征，以期為推動(dòng)粵東地區(qū)構(gòu)建更合理的城市空間結(jié)構(gòu)及響應(yīng)新一輪的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

粵東地區(qū)下轄汕頭、潮州、揭陽(yáng)和汕尾4個(gè)城市，2020年城鎮(zhèn)化率為60.4%［8］。在地理位置上，粵東地區(qū)南臨南海，北依蓮花山脈，西接珠三角與港澳地區(qū)，是環(huán)珠三角地區(qū)的第一梯度圈層；東鄰福建西部地區(qū)和臺(tái)灣地區(qū)，是廣東及大西南地區(qū)對(duì)接臺(tái)灣的交通要道。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要使用的地理空間數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)見表1。

2 研究方法

2.1 采用局部閾值二分法提取城市建成區(qū)

2.1.1 夜間燈光數(shù)據(jù)預(yù)處理。采取胡為安等［9］方法對(duì)月度夜間燈光影像進(jìn)行校正，以消除原始影像中的負(fù)值和異常噪聲等問題。計(jì)算公式為式（1）至式（3）。

[DNi=DNi， DNi≥0DN2015， DNilt;0] （1）

式中：[DNj]為2015年夜間燈光數(shù)值；[DN2015]為2015年標(biāo)準(zhǔn)夜間燈光數(shù)值。

[DN=0，DNa=0或DNa+1=01， DNa=1且DNa+1=1] （2）

[DN=0，DNa=0且DNa?1=01， DNa=1或DNa?1=1] （3）

式中：[DN]為待校正年份均值影像內(nèi)的穩(wěn)定光源；[DNa]為待校正年份二值影像內(nèi)的穩(wěn)定光源；[DNa?1]和[DNa+1]分別為校正年份前一年或后一年二值影像中的穩(wěn)定可靠光源。

2.1.2 城市建成區(qū)提取。閾值法是基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)最常用的方法［9］。為了更精確地提取粵東地區(qū)的城市建成區(qū)，本研究采用局部閾值二分法提取粵東地區(qū)建成區(qū)范圍。具體流程如圖1所示。

2.2 城市擴(kuò)張?zhí)卣髦笜?biāo)

2.2.1 基尼系數(shù)。基尼系數(shù)是一種衡量和比較區(qū)域收入或財(cái)富分配公平性的重要指標(biāo)［10］。計(jì)算公式為式（4）。

[G=T2SN?1] （4）

式中：[G]為基尼系數(shù)；[T]為各城市人口差值絕對(duì)值之和；[S]為區(qū)域常居住人口數(shù)量，[N]為區(qū)域城市數(shù)量。

2.2.2 位序規(guī)模。位序-規(guī)模法是分析和預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)城市規(guī)模及分布規(guī)律，評(píng)估城市發(fā)展均衡性的一種方法［11-12］。計(jì)算公式見式（5）。

[Ti=T1×R?qi] （5）

式中：[Ti]和[T1]分別為第i個(gè)城市的城市面積和區(qū)域內(nèi)首位城市面積；[Ri]為第i個(gè)城市在區(qū)域城市體系中的位序，可以通過最大城市的規(guī)模與其城市規(guī)模的比值確定；q為Ziqf指數(shù)。

2.3 緊湊度

城市緊湊度是一種衡量城市空間利用效率和土地開發(fā)程度的綜合性指標(biāo)［13］。計(jì)算公式為式（6）。

[C=2×πAP] （6）

式中：C為城市緊湊度，范圍為［0，1］；A為建成區(qū)面積；P為建成區(qū)周長(zhǎng)。

2.4 分形維數(shù)

分形維數(shù)是一種描述城市擴(kuò)張和空間形態(tài)演變過程的方法［14］。計(jì)算公式為式（7）。

[Si=2×lnPi4lnAi] （7）

式中：[Si]為分形維數(shù)，理論范圍為［1，2］；[Pi]和[Ai]分別為城市群建成區(qū)的周長(zhǎng)和面積。

分形維數(shù)所衍生的穩(wěn)定性指數(shù)，可反映城市建成區(qū)的穩(wěn)定程度［14］，計(jì)算公式為式（8）。

[SI=1.5?Si] （8）

式中：[SI]理論值范圍為［0，0.5］，值越大表明城市形態(tài)越穩(wěn)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 建成區(qū)面積提取與驗(yàn)證

本研究結(jié)合預(yù)處理后的夜間燈光數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，采用局部閾值二分法提取粵東地區(qū)4個(gè)城市的建成區(qū)面積。整體上，粵東地區(qū)城市建成區(qū)年均面積相對(duì)誤差為3.94%（見表2）。

此外，參考肖建華［15］方法驗(yàn)證建成區(qū)的空間精度。以2020年為例，在汕頭、潮州、揭陽(yáng)和汕尾分別生成200、200、200、100個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，參考國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)上2020年12月份衛(wèi)星遙感影像，目視判斷隨機(jī)點(diǎn)與高分辨率遙感影像上的地物。結(jié)果表明，城市建成區(qū)空間年均精度可達(dá)91.27%（見表3）。

3.2 城市擴(kuò)張時(shí)空分布特征

3.2.1 規(guī)模動(dòng)態(tài)變化。粵東地區(qū)建成區(qū)在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)（見表4、圖2）。2013年建成區(qū)面積為419 km2，2020年達(dá)到582.75 km2，擴(kuò)張了1.39倍且前期快于后期。其中，潮州市在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)增長(zhǎng)速度最快，汕頭市增長(zhǎng)速度最為緩慢。然而，汕頭市經(jīng)濟(jì)基數(shù)較大，以及廣東省政府于2017年12月發(fā)布《廣東省沿海經(jīng)濟(jì)帶綜合發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）》中提出要強(qiáng)化汕頭市作為粵東地區(qū)中心城市的地位等優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來粵東地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍將以汕頭經(jīng)濟(jì)特區(qū)為核心，進(jìn)而帶動(dòng)潮汕地區(qū)的整體發(fā)展。

本研究使用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓工具和重心工具進(jìn)一步探索粵東地區(qū)建成區(qū)的擴(kuò)張?zhí)卣鳌Ｕw上，粵東地區(qū)的重心遷移方向總體呈現(xiàn)先西南后東北的趨勢(shì)，建成區(qū)在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)均呈現(xiàn)擴(kuò)張?zhí)卣鳎瑯?biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸和短軸均表現(xiàn)出“增長(zhǎng)—減少”的趨勢(shì)。2013—2017年粵東地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)軸和短軸增大，表明粵東地區(qū)城市全面擴(kuò)張，揭陽(yáng)市重心向西偏南遷移了10 378.94 m，為粵東地區(qū)遷移距離最大的城市；2017—2020年中，粵東地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸和短軸變化較少，表明粵東地區(qū)在各方向上擴(kuò)張不明顯，城市分布重心遷移距離最大的是汕頭市，往東偏南遷移了3 180.53 m（見表5、表6和圖3）。

3.2.2 城市擴(kuò)張結(jié)構(gòu)特征。粵東地區(qū)經(jīng)濟(jì)基尼系數(shù)高于人口基尼系數(shù)且均小于0.2，城市位序規(guī)模系數(shù)整體低于1，表明粵東地區(qū)的城市發(fā)展相對(duì)均衡，中小城市的發(fā)展相對(duì)較好（見表7、表8）。整體而言，粵東地區(qū)的城市發(fā)展仍顯不足，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為緩慢，汕頭市作為中心城市，缺乏足夠的帶動(dòng)力，這與林楚陽(yáng)等［8］的研究結(jié)果一致。近年來，建立以汕頭為中心的“汕潮揭城市群”政策的提出，將有助于強(qiáng)化汕頭市的中心地位，吸收人才，進(jìn)而使其成為粵東地區(qū)的“龍頭”城市，帶動(dòng)粵東地區(qū)整體發(fā)展。

3.2.3 城市擴(kuò)張形態(tài)特征。粵東地區(qū)各城市緊湊度指數(shù)持續(xù)下降，均小于0.2；分形維數(shù)則均大

于1.5（見表9、表10）。這表明，在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，粵東地區(qū)的城市擴(kuò)張以外部擴(kuò)張為主，城市形態(tài)愈加復(fù)雜，空間結(jié)構(gòu)趨于離散化。其中，汕頭市主要表現(xiàn)為外部擴(kuò)張，汕尾市和揭陽(yáng)市則經(jīng)歷了先內(nèi)部填充后外部擴(kuò)張的過程，潮州市則表現(xiàn)出以內(nèi)部發(fā)展為主的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，采用局部閾值二分法提取粵東地區(qū)2013—2020年城市建成區(qū)信息，并從城市擴(kuò)張規(guī)模、結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征等3方面分析粵東地區(qū)城市時(shí)空變化特征，結(jié)論如下。

①粵東地區(qū)城市建成區(qū)年均面積相對(duì)誤差為3.94%，空間年均精度可達(dá)91.27%。

②2013—2020年粵東地區(qū)城市建成區(qū)面積總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，重心遷移方向呈現(xiàn)先西南后東北的趨勢(shì)，2020年粵東地區(qū)建成區(qū)面積是2013年的1.39倍。

③粵東地區(qū)城市擴(kuò)張規(guī)模較為均勻，中小城市發(fā)展相對(duì)較好，外部形態(tài)日趨復(fù)雜，離散化程度加深， 但也揭示了粵東地區(qū)缺少“龍頭城市”來帶動(dòng)粵東城鎮(zhèn)群的發(fā)展。

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