基于DMSP/OLS夜间灯光数据的城市建成区时空演化特性及驱动力研究

葛天弘,何 悦,李 璐

(浙江工商大学旅游与城乡规划学院,浙江 杭州 310016)

1 概 述

城市建成区是指市行政区范围内经过征收的土地和实际建设发展起来的非农业生产建设，包括市区集中连片的部分以及分散在近郊区与市区有着密切联系具有基本完善的市政公用设施的城市建成区。城市建成区是衡量城市发展规模和趋势的重要指标,社会经济尺度上包括常住人口、人口密度、地区生产总值等,空间尺度上包括扩张速度、扩张方向、扩张形态及扩张动力等指标。

由于城市规划学科研究及其实践在我国的起步较晚,我国大量城市在追求高速城市化的过程中出现了城市建设用地无序扩张带来的城市空间无序蔓延,以及用地扩张与人口、经济增长不平衡等不利于区域可持续发展的城市问题。在我国新型城镇化进程中,通过遥感数据实现对城市化过程的有效监测,在较长时间序列上把握城市扩张的空间形态及内在驱动力,并为城市有序扩张提供数据分析及理论支持,对我国新型城镇化发展具有较大的研究前景和应用价值。

本文采用美国军事气象卫星DMSP(Defense Meteorological Satellite Program) 搭载的 OLS(Operational Linescan System)传感器所获取的全球夜间灯光数据作为数据源。相较于Landsat TM、SPOT和IKONOS等高、中分辨率遥感数据而言,DMSP/OLS夜间灯光数据获取成本低、覆盖范围大,适用于区域城市群或更大范围的城市化动态研究,已被证明是获取城市空间动态信息、进行人类活动监测的有效数据源。通过遥感数据提取城市建设用地空间信息,完成用地信息的空间化呈现,并进行城市空间形态扩张的定性分析。

相较于国外学者对于夜间灯光数据的较早应用实践,近些年国内也陆续有研究人员开展了基于夜间灯光数据的应用研究。钟鑫等[1]基于2010—2013年DMSP/OLS夜间灯光数据和社会经济统计数据,构建灯光指数,并采用探索性空间数据分析方法,从不同时间、空间角度对经济发展水平的空间集聚程度进行相关分析。王旭等[2]将夜间灯光空间分布信息作为研究数据,将市级GDP统计数据空间展布到栅格单元,以绝对误差、相对误差和均方根误差为指标对经济发展趋势作了相关分析。

本文借鉴国内外城市空间扩张评价中较为成熟的经验,从浙江省下辖11个地级市城市建成区信息中提取数据并构建城市扩张速度、城市扩张强度指数、城市紧凑度指数三项指标定量评价浙江省城市空间扩张情况。为探求城市扩张过程中的内在驱动机制,本文采用主成分分析法、逐步回归分析法,对涵盖人口、经济、居民生活水平、产业结构、市政建设等方面的12项城市扩张驱动因子进行主成分筛选,归纳总结浙江省城市建成区扩张的主要驱动力,最终完成基于夜间灯光数据的城市扩张监测与分析在浙江省省域范围内的实践应用,为浙江省的城市化研究及其他地区的夜间灯光数据同类型应用研究提供借鉴。

2 研究区与数据来源

2.1 研究区概况

浙江省界于东经118°01′—123°10′,北纬27°02′—31°11′之间,地处中国东南沿海长江三角洲南翼,东临东海,南接福建,西与江西、安徽相连,北与上海、江苏接壤,浙江省总面积为10.55万km2,占中国土地总面积的1.1%。浙江地处长江经济带,下辖11个市区,常住人口5 737万人, 地区生产总值56 197亿元,人均地区生产总值98 643元。在城市化进程上,截至2018年年末,中国的城市化率达到了59.58%,浙江省作为我国沿海发达地区的同期城市化率高达68.9%,位列全国各省份第6位。受限于DMSP/OLS夜间灯光数据空间分辨率,本文以浙江省下辖11个地级市城市建成区为研究对象,探寻其空间演化进程与内在驱动机制。

2.2 数据来源

本文采用数据源主要为夜间灯光数据,浙江省各地级市行政区划矢量边界,各地级市市辖区社会经济发展统计数据。

本文选取由NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)发布1993—2013年DMSP/OLS非辐射定标的夜间稳定灯光数据,数据源自美国国家地球物理数据中心网站,分辨率为30",且消除了云、火光等偶然噪声影响,具有时效性和经济性。

浙江各地级市矢量边界取自地理国情检测云平台(http://www.dsac.cn)发布的《2016年全国各省市电子地图矢量数据》,数据基于WGS-84地理坐标系。

本文选用的浙江省各地级市社会经济发展统计数据取自《中国城市统计年鉴》,包括反映社会经济发展、居民生活水平、政府政策等方面的共12项社会经济评价指标。

3 数据与方法

3.1 遥感影像校正

DMSP/OLS夜间灯光影像数据存在一些影响长时序研究的问题：多传感器获取的不同年度的影像间不连续和影像中表征灯光强度的像元DN值存在饱和现象,因此在进行数据预处理之前需要对夜间灯光影像数据进行几何校正。

本文选取了像元尺度的饱和校正方法对影像数据进行去饱和处理,方法见曹子阳等[3]的研究。对去饱和的稳定夜间灯光影像进行掩膜裁剪、重投影、重采样等预处理,最终得到分辨率为1 km×1 km且基于Lambert等角圆锥投影的去饱和稳定夜间灯光影像。

3.2 经济、人口因素与夜间灯光数据关联性回归分析

地区城镇化程度的重要经济、人口指标分别由地区生产总值与城镇常住人口反映。通过SPSS软件进行线性回归分析,探究夜间灯光数据与地区经济、人口之间的关联性,明确夜间灯光数据是否在一定程度上可以反映一个地区的经济与人口的发展水平,并建立地区生产总值、城镇常住人口与夜间灯光数据之间的回归方程。方程形式如下：

Y=aX+b

(1)

式中：Y为夜间灯光强度总值；

X为地区生产总值或城镇常住人口。

3.3 城市建成区提取

夜间灯光影像由城市建成区的亮值像元和农村或其他背景区域的零值像元构成。徐梦洁等[4]在基于DMSP/OLS夜间数据的长江三角洲地区城市化格局与过程研究中,利用DMSP/OLS夜间数据结合相关统计数据,构建基于灯光数据的城市化水平指数分析城市化进程和空间模式,证实DMSP/OLS夜间数据和社会经济统计数据之间存在较高的一致性。本文综合基于二分法夜间灯光阈值提取方法与经验阈值法,通过假设潜在阈值,采用二分法不断修正阈值使之与统计年鉴中建成区面积误差足够小,最后将根据修正阈值提取的建成区影像进行目视解译验证其提取区块的合理性[5-7]。具体方法见徐梦洁等的研究结论。

3.4 城市建成区扩张指数

分别构建扩张速度、扩张强度指数以及紧凑度指数三个测度指标,其中采用扩张速度与扩张强度指数的数据来衡量城市扩张的发展状况[8-9]，选择紧凑度指数来分析城市开发过程中外部空间形态的变化[10]。

3.4.1 扩张速度

扩张速度是指在特定时间段内城市建设用地面积变化的快慢,其表达式如下：

V=(An+i-Ai)/n

(2)

式中：V为城市的扩张速度,km2/a；

Ai为第i年城市斑块面积,km2；

An+i为第n+i年的城市斑块面积,km2；

n为时间跨度,a。

3.4.2 扩张强度指数

扩张强度指数主要用来反映城市群体土地利用扩张面积的强度,主要采用城市空间扩展面积、研究时段和目标空间单元总面积来界定,其表达式如下：

(3)

式中：ΔUi为研究时段目标空间单元的城市空间扩展面积,km2；

Δt为研究时段的时间间隔,a；

TLA为目标空间单元土地总面积,km2。

3.4.3 紧凑度指数

紧凑度作为表征城市空间扩展的形态特征指数,包括外部形态紧凑度和内部功能紧凑度两大范畴,而城市外部空间紧凑度的量化模型更能展示城市在扩展进程中形态特征的发展变化[11],其表达式如下：

(4)

式中：C为紧凑度指数；

Ai为第i年城市斑块的面积,km2；

Pi为第i年城市斑块外轮廓的周长,km。

紧凑指数越大,说明城市面积扩张越有序且外部形态十分紧凑;反之,则说明城市外部形态的紧凑度差,城市面积扩张杂乱无序。

3.5 驱动力分析模型

城市空间扩张是工业化、城镇化、全球化以及政府宏观调控等复杂的多因素综合作用的结果[12-13]。基于以往研究经验及对浙江省各地级市发展模式的理解,本文从人口、经济、政策3个维度选取以下12项评价指标作为研究城市建成区扩张驱动力的因子,包括年末总人口(X1)、人口自然增长率(X2)、从业人员期末人数(X3)、第三产业人员比重(X4)、人口密度(X5)、地区生产总值(X6)、财政收入(X7)、科学技术支出(X8)、固定资产投资(X9)、社会消费品零售总额(X10)、年末实有城市道路面积(X11)、全社会用电量(X12)。运用SPSS软件进行主成分分析、回归分析,进而确定浙江省城市建成区扩张的驱动力。

4 浙江省城市建设用地时空演变特征

4.1 经济、人口因素与夜间灯光数据回归分析

地区生产总值和常住人口分别是反映地区城市化程度的重要经济、人口指标,为探究夜间灯光数据与地区经济、人口之间的相关性[14]，本文基于ArcGIS10.2的空间分析功能,统计各地级市城市建成区内的夜间灯光亮度总值,作为关联性研究中的自变量x。在1993—2013年内,对浙江省各地级市的地区生产总值、常住人口与建成区夜间灯光亮度总值作线性回归分析[15]。

分析结果见表1,在浙江省空间尺度范围内,夜间灯光亮度与经济、人口之间存在关联性,拟合度、显著性测试结果支持构建回归模型。但在部分地区,如嘉兴、衢州、舟山、台州、丽水等地,其回归分析结果显示显著性(Sig)大于界定标准(0.05),拟合优度不足,显著性不明显。

因此,DMSP/OLS夜间灯光亮度在一定程度上可以反映一个地区的经济、人口发展水平,可用于估计大尺度地区范围的经济、人口城镇化演进阶段。

4.2 城市扩张的时空演变

4.2.1 城市建成区提取

由提取得到的浙江省夜间灯光数据影像可知,浙江省域内各地级市城市建成区空间扩张均较为剧烈且不同时期扩展特征明显,见图1。

表1 经济、人口因素与夜间灯光数据关联性分析

图1 浙江省城市建成区提取结果

1993年,省域内只有位于长三角地区的杭州市和宁波市以及位于浙南的温州市拥有较大城市建成区面积,位于浙江中部、西部、南部的各地级市发展相对落后。同时影像图表明各地级市城市建成区分布零散,缺乏联系通道,呈现出较为松散的状态。

1998年夜间灯光监测数据显示,各地级市城市建成区面积均显现不同程度的扩张,其中台州市出现了由三个增长点构成的较为明显的三角形城市建成区域,温州市城市建成区主要沿海岸线扩张。随着绍兴、台州、嘉兴、湖州等城市的发展,杭州、宁波、温州等发展相对较早且相对独立的城市之间的联系通道初步建立。

到2003年,各地级市城市建成区持续扩张,杭州、宁波两市的夜间灯光呈现集聚态势,向外辐射式扩张明显,其中杭州有显著的城市东扩倾向，宁波市向东北沿海地区扩张,与舟山市西南部联系的趋势明显增强；湖州市、嘉兴市和金华市均出现了较为明显的夜间灯光斑块,各城市之间的联系继续加强[16]。

根据2008年的夜间灯光影像,各地级市城市建成区扩张均发生显著变化,浙北的杭州市、浙东北的宁波市、浙东南的温州市和浙中的金华市成为四个拥有较大城市建成区面积的主要都市[17]。杭州市城市建设用地向东北、东部和东南三个方向扩展,呈现显著的星状放射式扩张,同时与湖州市、嘉兴市、绍兴市联系逐渐加强。宁波市呈现团块扩张式发展,由于西北部县级市的发展,宁波市与环杭州湾其他地级市的联系也进一步增强。温州市城市建成区持续沿海岸线向南北扩张,与台州市构成“浙东南沿海都市带”。以金华市为中心,浙江省中部、西部、南部的地级市逐步打通市际联系,依稀可看到金丽衢三城联动发展的迹象。

2013年,各地级市城市建成区持续扩张,市际联系继续加强。至此,以湖州市、嘉兴市、杭州市、绍兴市、宁波市和舟山市为核心的环杭州湾都市圈初步形成；温州市、台州市成为浙东南沿海重要都市带；金华市、丽水市、衢州市则发展相对缓慢,但以金华市为区域中心的城市联系通道建设已开始布局。

4.2.2 城市建成区扩张时空演变分析

基于多时像浙江省夜间灯光数据提取的各年份各地级市城市建成区面积信息见图2。为避免个别年份城市建成区信息监测统计误差对城市建设用地扩张分析的影响[18]，本文等时间间隔选取1993年、1998年、2003年、2008年和2013年五个节点年份,通过城市扩张速度、扩张强度指数、紧凑度指数定量评价浙江省各地级市在1993—2013年城市建成区扩张情况。

城市扩张速度分析结果显示在研究年限的四个时期内,省会城市杭州市城市扩张速度均高于15 km2/a,维持在较为稳定水平；宁波市城市扩张速度从1993—1998年的0.2 km2/a高速增长至2003—2008年的26.4 km2/a,该扩张速度达到研究年限内的最高值，在2008—2013年降低至10.6 km2/a；绍兴市城市扩张速度在2008—2013年存在较大增幅,达到了21.4 km2/a；其他地级市在四个时期内的城市扩张速度变化相对较小,除温州市外,其余地级市的城市扩张速度均未能突破5 km2/a。浙江省相对发达的地区在城市扩张速度上普遍要高于欠发达地区。

不同于城市扩张速度所反映的城市扩张绝对速度,空间扩张强度指数可以有效反映不同城市扩张的相对速度。

如图3所示,舟山市在1993—1998年的空间扩张强度指数高达32.94%,在各地级市的各时期内为最高值；绍兴市空间扩张强度在1998—2003年及2008—2013年两个时期呈现较高态势,分别达到30.00%和23.78%；宁波市空间扩张强度指数在2003—2008年时期达到峰值24.00%；其余地级市的空间扩张强度指数在各时期均突破20%,但相较于后两个时期,空间扩张强度指数在1993—1998年和1998—2003年这两个较早时期更高。总体来说,各地级市的空间扩张强度变化趋势与城市扩张速度的变化趋势保持基本一致,城市扩张速度较慢的地区却有更高的城市空间扩展强度指数。

图3 浙江省地级市城市空间扩张强度指数

紧凑度指数可以在一定程度上定量反映城市扩张过程中的离散程度,以圆的紧凑度“1”为最佳形态,城市建成区的紧凑度指数越接近“1”,其空间形态越紧凑；反之其空间形态区域离散。

如表2所示,1993年衢州、舟山、台州三市的城市建成区紧凑度指数低于0.5,其他地级市的紧凑度指数都在0.6以上,由此可见，浙江省城市建成区的空间形态集聚程度较好；2013年嘉兴市、衢州市、丽水市和金华市的城市建成区紧凑度指数高于0.6,其余地级市的城市建成区紧凑度指数均低于0.5,浙江省城市建成区的空间形态总体上趋于离散。

表2 浙江省地级市城市建成区紧凑度指数

5 浙江省城市建成区时空演变驱动力分析

5.1 基于主成分分析的浙江省城市扩张驱动力

本文首先对12项城市扩张驱动力因子进行数据标准化处理,避免数据之间量纲、数量的不同对分析结果产生的影响。为判断选取的指标是否适用于主成分分析,本文对12项指标进行KMO和Bartlett球形检验,检验结果见表3。

表3 KMO与Bartlett检验结果

结果显示KMO值=0.673大于0.5,偏相关系数较大,因子适合采用主成分分析方法；Bartlett的球形度检验的相伴概率Sig.= 0.000小于0.05显著水平；Bartlett的球形度检验结果也显示所选的12个指标适合作主成分分析。

完成因子适用性检验后,利用SPSS软件对12项城市扩张驱动力指标进行主成分分析,得到各主成分特征值及其贡献率,选取特征值大于1的主成分,其累计贡献率可以反映主成分是否较好地解释12个评价因子,结果见表4。

表4 主成分特征值与累计贡献率

结果显示第一主成分F1的特征值为9.056,贡献率为75.464%,第二主成分F2的特征值为1.796,贡献率为14.970%,选取的2个主成分累计贡献率达到90.434%,可以表征12个变量的大部分信息。

对主成分因子采用具有Kaiser标准化的四分旋转法进行旋转,在3次迭代后收敛,得到旋转后载荷矩阵,见表5。

结果显示,年末总人口(X1)、从业人员期末人数(X3)、第三产业人员比重(X4)、地区生产总值(X6)、财政收入(X7)、科学技术支出(X8)、固定资产投资(X9)、社会消费品零售总额(X10)、年末实有城市道路面积(X11)、全社会用电量(X12)在第一主成分F1中有较高的载荷；人口自然增长率(X2)和人口密度(X5)在第二主成分F2中具有较高的载荷。

表5 旋转成分矩阵

最后,为确定2个主成分对城市建成区扩张的影响力大小,本文将城市建成区面积(Y)与2个主成分(F1、F2)作回归分析,结果见表6。

表6 城市建成区与主成分回归结果

结果显示,回归模型R2=0.986,接近于“1”,线性拟合结果较好；显著性水平检验结果Sig.=0.000小于0.05,回归关系显著性较好,回归关系成立。

由回归模型可知,浙江省城市建成区扩张受主成分F1,即 “社会经济发展”(包括年末总人口、从业人员期末人数、地区生产总值、财政收入、全社会用电量)、“产业升级”(包括第三产业人员比重)、“收入水平”(包括固定资产投资、社会消费品零售总额)、“政府政策”(包括科学技术支出、年末实有城市道路面积)等因素的影响较大。其中“社会经济发展”“收入水平”“政府政策”因素与城市建成区扩张呈正相关,社会经济快速发展,人民生活、消费水平提高,政府政策推动基础设施建设和鼓励创业创新均能促进城市建成区的扩张；而“产业升级”,尤其是第三产业比重的增加对城市建成区扩张起负作用。

浙江省城市建成区扩张也受主成分F2,即 “人口增长”因素的影响,且两者呈负相关,表明城镇人口数量与密度的增长会阻碍城市建成区的扩张。虽然城市人口增长需要更大城市建成区容纳增加的人口,但由于在过去城市化进程中浙江省的土地城市化速度远超人口城市化,而近年来随着城市土地挖潜,现有城市土地利用率提高,紧凑型城市的建成区扩张与人口增长不再呈现正相关。

因此,推动浙江省城市建成区扩张的驱动力因素为社会经济快速发展,人民生活、消费水平提高与政府政策推动基础设施建设、鼓励创业创新[19-20]；而产业升级与城镇人口数量、密度的增长则会阻碍城市建成区的扩张。

5.2 讨 论

浙江省城市建成区扩张受社会经济、人口、产业结构、政府政策、居民收入消费水平等多因素共同影响,各因素对城市扩张的影响方式、影响力大小不同。

主成分分析结果显示社会经济发展,人民生活水平提高与政府政策干预推动浙江省城市建成区的扩张,而产业升级与城镇人口数量、密度的增长则阻碍城市建成区的扩张。

社会经济的发展需要同步扩张的城市建成区为经济活动提供生产场所；人民生活水平消费水平和物质文化需求的增长对商业设施、休闲娱乐场所以及满足人民固定资产投资的用地产生了更大的需求,也直接推动着城市建成区的扩张。产业升级本文中更多指向第三产业的发展,第三产业是集约型产业,在有限土地上产生更大经济效益,其相比第一、二产业对大面积土地的依赖程度更低；而城镇人口数量的增长与密度的增加虽然表征城市需要更大建成区容纳增加的人口,但由于在过去城镇化进程中浙江省的土地城镇化速度远超人口城镇化,而近年来随着城镇土地挖潜及现有城镇土地利用率提高,使紧凑型城市的建成区扩张与人口增长不再呈现正相关。

6 结 语

本文基于DMSP/OLS夜间灯光数据,运用二分法、阈值法、主成分分析、回归分析等方法研究浙江省各地级市在1993—2013年间城市建设用地的演化进程及其扩张驱动机制；对于对城市扩张有较大影响的经济、人口因素,本文利用回归分析法探究其与城市夜间灯光亮度之间的数学关系,得出结论如下：

1)1993—2013年间,浙江省11个地级市城市建设用地空间扩张较为剧烈,各时期扩张特征明显,以浙北杭州市、浙东北宁波市、浙东南温州市和浙中金华市四个重要节点核心城市为增长极,呈现围绕原核心区同心圆圈层扩展的态势；与此同时,各城市沿对外交通线呈现星状扩张,城市之间联系的轴带被不断填充,城市之间联系区域紧密[21]。2013年浙江省的城市初步形成三个都市区：由湖州、嘉兴、杭州、绍兴、宁波、舟山6市构成的环杭州湾都市圈,由温州市、台州市连接形成的浙东南沿海都市带,以及以金华市为区域中心囊括金华市、丽水市、衢州市3市形成的都市区雏形[22]。

2)浙江省的城市建设用地扩张的速度存在内部的步调不一,其中发展程度相对较好的地级市普遍呈现出较高的绝对扩张速度,相对落后的地区在扩张速度上也相对较慢。

3)在城市扩张强度上,各地级市保持着与其自身扩张速度一致的变化趋势,舟山市、绍兴市、宁波市具有较大的城市扩张强度,其余地级市相对较小。

4)1993—2013年间,浙江省各地级市城市空间形态紧凑度总体趋于离散,至2013年,仅有嘉兴市、衢州市、丽水市和金华市的紧凑度指数在0.6以上。

5)运用主成分分析、回归分析对驱动城市扩张的动力机制进行定量分析。研究发现浙江省城市建成区扩张主要受社会经济发展,和人民生活水平提高与政府政策干预的正向推动；以及受产业升级与城镇人口数量、密度的增长的抑制。