基于DMSP／OLS 数据的山西省典型城市发展状况的遥感动态监测

赵尚民，章诗芳

（太原理工大学 矿业工程学院，太原030024）

城镇化是由于社会生产力的发展而引起的城市空间增长、城市规模扩大和农村人口向城市集中的过程。改革开放以来，我国城市建设快速发展，城镇化率从1978年的17.9%上升到2012年的52.6%。在快速城镇化进程中，能否处理好城市建设与人口、资源、环境的关系成为影响城市发展的重要议题［1-3］。而了解城市发展进程和规律则是城市可持续发展的基础和关键。美国国防部气象卫星（defense meteorological satellite program，DMSP）上搭载的线性扫描业务系统传感器（operational linescan system，OLS）可以获取长时间序列的夜间灯光数据，并且在多个领域得到广泛应用［4-9］，特别是在城市化扩展领域［10-18］。同时，由武汉大学研发的全球首颗专业夜光遥感卫星于2018年6月在酒泉发射，这更加大了夜光动态变化遥感监测的应用深度和范围。

因此，本研究以山西省典型城市（太原市、大同市和运城市）为研究区，基于DMSP／OLS数据亮度的空间分布变化分析其经济发展过程，并对其经济发展状态进行对比分析。研究分析并对比了山西省北、中、南3个典型城市的长时间发展轨迹，为了解山西省经济发展进程和动态变化规律提供了科学依据，同时也为山西省城市化建设和科学发展提供理论支持，具有重要的科学意义和实践价值。

1 研究区概况

山西省典型城市——太原市、大同市和运城市的基本情况如下：

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，是山西省的省会（见图1）.太原市境总面积约6 988 km2，2012年太原市中心城区建成区面积约为310 km2（中国城市第24名）。2005年太原市GDP达893.16亿元，比2000年增长了一倍多，到2013年增加到2 219.08亿元［19］。

大同市位于山西省最北端，与河北省和内蒙古自治区毗邻（见图1）.作为山西省第二大城市和省域副中心城市，大同市2016年人口约为342.19万，面积约14 176km2，2012年全市GDP为931.3亿元，到2016年超过1 000亿元［19］，经济发展比较迅速。

运城市位于山西省南端的运城盆地及太行山南部地区，与陕西省和河南省毗邻（见图1）.运城市是3个国家级经济示范区叠加的地级市，2016年人口约为530.52万，总面积为14 233km2，2013年GDP约为1 140亿元，到2016年达到1 222亿元［19］，经济增长迅速。

通过对山西省3个典型城市的灯光变化状况进行对比，进一步了解其经济发展过程，为探索山西省经济发展规律提供基础数据和借鉴。

图1 山西省典型城市位置和地势图Fig.1 Location and relief map of typical cities in Shanxi Province

2 主要数据源

本研究所用的数据源主要为研究区域1992-2013年的DMSP／OLS夜间灯光数据，它源自美国国家地理信息中心2015年发布的可免费下载的第四版本的稳定灯光强度数据（http：／／ngdc.noaa.gov／eog／dmsp／downloadV4composites.htm）.该数据为全球夜间灯光数据，空间分辨率1km.OLS传感器于1976年首次搭载在DMSP卫星上，最初的目的是检测气象，用于探测月光照射下的云。由于具有较高的增益，OLS不仅能监测云，还能探测城镇灯光、火光、渔船灯光等电磁波，因此逐渐被应用于监测城市的夜间灯光、火灾等。监测夜间城市灯光、小规模居民点、交通道路、车流等发出的低强度灯光，可以综合反映人类活动信息，从而为城市化和城市扩张的长时间序列遥感动态监测提供基础数据。基于长时间序列DMSP／OLS的亮度大小和分布范围变化可以推测区域特别是城市区的发展状况。

3 研究方法

图2 技术路线Fig.2 Technical routes

本研究的技术路线如图2所示。从图2可以看出：本研究首先通过美国国家地理信息中心网站下载第四版本的1992-2013年的DMSP／OLS数据，并将其从原始的地理投影转换到Albers等积投影（以计算面积），然后基于山西省行政界线数据提取其典型城市的行政界线，再通过行政界线裁剪经过投影的DMSP／OLS数据获得典型城市的DMSP／OLS数据；最后基于典型城市1992-2013年的DMSP／OLS数据，并按照5年的平均亮度变化和不同等级亮度的面积变化分析，并将其与对应时期的GDP变化进行对比，获得典型城市不同时期的城市发展状况。

DMSP／OLS数据在 城市扩 张［12，18］、城市化过程［6，13］、城市人口估算［5］、GDP 分析和能源消费［7，9］等方面的应用研究，为本文研究山西省典型城市发展状况的遥感动态监测提供了有效参考，同时本研究可为了解山西省不同区域经济发展规律，山西省典型城市的合理规划和可持续发展提供一定的科学依据。

4 研究结果与分析

4.1 太原市1992-2013年的城市发展动态

4.1.1 太原市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据亮度变化

利用太原市行政界线对DMSP／OLS全球1992-2013年间的数据进行裁剪，获得太原市长时间序列的DMSP／OLS夜间灯光数据。由于不同年份之间的数据存在明显波动，为了减小这种波动，更容易发现亮度的变化规律，研究以5年为1个时期进行平均，从而获得太原市1992-2013年不同时期的亮度均值数据，如图3所示。

图3 太原市不同时期的DMSP／OLS数据Fig.3 DMSP／OLS data in different periods in Taiyuan City

从图3可以看出：太原市东南方的主城区最亮，且面积不断扩大；其他区域的亮度也在逐渐提高。对太原市各时期DMSP／OLS数据的亮度值进行数理统计，结果如表1所示。

从表1可以看出：各个时期亮度的平均值和标准偏差持续增加，且增速越来越大。这说明，太原市1992-2013年一直在持续发展，且发展速度越来越快。

表1 太原市各个时期DMSP／OLS数据亮度值数理统计结果Table 1 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Taiyuan City

4.1.2 太原市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据各等级的面积变化

为了更好地了解亮度的变化情况，参考太原市城区的面积和范围，将DMSP／OLS数据按照亮度值划分为（0～5）、（5～10）、（10～20）、（20～35）和（＞35）5个等级，并对各个等级的空间分布面积进行统计，获得太原市1992-2013年不同时期各等级亮度的分布面积，如表2所示。

从表2可以看出：在各个时期的5个等级中，（0～5）等级的亮度分布面积从2007年以后开始明显减小；中间3个等级的空间分布面积存在波动；（5～10）和（10～20）等级的亮度分布面积波动明显；（20～35）等级的亮度分布面积整体增加；（＞35）等级的亮度分布面积持续增加，增加了约2.5倍，且增加速度越来越快。

表2 太原市灯光数据1992-2013年不同时期各等级分布面积Table 2 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Taiyuan City km2

4.2 大同市1992-2013年的城市发展动态

4.2.1 大同市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据亮度变化

基于获取的大同市行政界线对全球1992-2013年的DMSP／OLS数据进行裁剪，并以5年为1个时期进行平均，得到大同市1992-2013年不同时期的亮度均值数据，如图4所示。

图4 大同市不同时期的DMSP／OLS数据Fig.4 DMSP／OLS data in different periods in Datong City

从图4可以看出：大同地区的主要城镇亮度持续增加，主要体现在大同市主城区范围扩大，亮度更加均匀，同时几个县城区的亮度也有明显增大。

对图4中不同时期的亮度数据进行数理统计，结果如表3所示。

表3 大同市各个时期DMSP／OLS数据亮度值数理统计结果Table 3 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Datong City

从表3可以看出：大同市前3个时期发展缓慢，亮度和平均值增长不大；后2个时期发展迅速，平均亮度值从3.134增加到5.946，标准偏差也很大。

4.2.2 大同市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据各等级的面积变化

按照太原市DMSP／OLS亮度数据分级标准，对大同市不同时期的亮度数据进行分级，并统计各个等级在不同时期的分布面积，结果如表4所示。

从表4可以看出：从1992-2013年，大同市（0～5）等级的亮度分布面积中，前3个时期减少不大，而后2个时期则快速减少；（5～10）和（10～20）等级的亮度分布面积持续增加，特别是后2个时期；（20～35）等级的分布面积整体呈增加趋势，但有明显波动，如第3时期面积有明显减少；（＞35）等级的亮度分布面积整体呈增加趋势，但前3个时期变化不大，甚至呈下降趋势，后2个时期则快速增加。

表4 大同市灯光数据1992-2013年不同时期各等级分布面积Table 4 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Datong City km2

4.3 运城市1992-2013年的城市发展动态

4.3.1 运城市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据亮度变化

利用运城市行政界线裁剪全球1992-2013年间的DMSP／OLS亮度数据，并对裁剪结果以5年为1个时期进行平均，得到运城市不同时期的亮度均值数据，如图5所示。

从图5可以看出：从第1个时期到第5个时期，不仅亮度区的范围明显增大，亮度数据的数值范围也明显变大，从第1时期的0～50增加到第5时期的0～62.这说明运城市这20多年来发展显著。

对运城市各时期不同等级的DMSP／OLS数据的亮度值进行数理统计，结果如表5所示。

图5 运城市不同时期的DMSP／OLS数据Fig.5 DMSP／OLS data in different periods in Yuncheng City

从表5可以看出：从第1时期到第5时期，数值范围持续增大；平均值和标准偏差也持续增大，特别是平均值，增速越来越快；另外，最后2个时期的增速明显加快。

表5 运城市各个时期DMSP／OLS数据亮度值数理统计结果Table 5 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Yuncheng City

4.3.2 运城市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据各等级的面积变化

按照太原市DMSP／OLS亮度数据分级标准，对运城市DMSP／OLS数据的亮度等级进行分级，并统计不同时期各个等级的分布面积，结果如表6所示。

表6 运城市灯光数据1992-2013年不同时期各等级分布面积Table 6 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Yuncheng City km2

从表6可以看出：运城市（0～5）等级的亮度分布面积持续减少，且呈加速减少趋势；（5～10）等级的分布面积略有波动，但整体呈加速增长趋势；其他3个等级均呈现快速增加的发展过程，这也体现出运城市这20多年来经济的快速发展。

4.4 典型城市间发展动态对比

4.4.1 典型城市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据亮度变化对比

在对典型城市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据亮度统计和分析时，平均值是重要的一项指标，对比3个典型城市不同时期DMSP／OLS数据亮度的平均值，结果如图6所示。

图6 典型城市不同时期DMSP／OLS数据亮度的平均值对比Fig.6 Mean value comparison to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

从图6可以看出：3个城市均呈发展状态，其中太原市整体发展程度最高，发展速度也最快，运城市和大同市起点相近，但运城市发展速度要快于大同市，大同市发展速度最慢，特别是在前3个时期。

4.4.2 典型城市1992-2013年不同时期DMSP／OLS数据重要等级的面积变化对比

在DMSP／OLS亮度数据的几个等级中，（＞35）是最重要的等级，它代表城市最发达区域的空间分布。把典型城市的DMSP／OLS数据中（＞35）等级的分布面积进行对比，结果如图7所示。

图7 典型城市不同时期DMSP／OLS数据亮度的重要等级面积对比Fig.7 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

从图7可以看出：太原市经济基础最好，发展速度最快，整体呈最优发展态势；大同市经济基础次之，但前3个时期发展不太好，甚至呈降低趋势，后面2个时期发展速度极快；运城市经济基础最差，但发展速度一直非常快，甚至一度超过了大同市，最终经济发展水平与大同市相近。

4.4.3 典型城市2000-2013年不同年份GDP对比

GDP是反映城市发展状况最重要的经济指标之一。通过山西省统计局的统计年鉴，获得了太原市、大同市和运城市2000-2013年之间各年份的GDP数据［19］，其对比情况如图8所示。

图8 典型城市对比Fig.8 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

由于统计局网站只给出了2000年以后的GDP数据，本研究中的DMSP／OLS数据截止到2013年，因此选取2000-2013年的GDP数据进行对比分析。从图8可以看出：2000-2013年，太原市GDP持续快速增长；运城市和大同市2000年的GDP接近，但运城市发展速度整体快于大同市，大同市发展速度最慢。由此可见，典型城市2000—2013年GDP的对比情况与同时期DMSP／OLS数据的亮度变化对比情况基本一致。

5 结论

基于DMSP／OLS全球数据分析了山西省典型城市1992-2013年的城市发展过程，并对典型城市的发展状况进行了对比，结论如下：

1）太原市城市发展速度很快，城市夜间亮度持续变大，且变大的速度越来越快。亮度平均值从第1个时期的6.936增加到第5个时期的11.514，（＞35）这个等级的面积也从第1时期的313.37 km2迅速增加到第5时期的768.42km2，增加了约2.5倍，这说明太原市这段时期一直呈加速发展态势。

2）大同市前3个时期发展缓慢，后2个时期发展迅速，平均亮度值从第1时期的2.949增加到第3时期的3.134，第5时期迅速增加到5.946；对于（＞35）等级的面积变化，前3个时期甚至略有下降，从第1时期的210.15km2降到第3时期的181.52 km2，到第5时期则迅速增加到569.71km2，这说明大同市前期发展缓慢、后期发展极为迅速。

3）运城市呈现快速发展状态。夜间灯光亮度的平均值从第1时期的2.870迅速增加到第5时期的6.864；（0～5）等级的亮度分布面积快速减少，（5～10）等级的面积稍有波动，其他3个等级的面积则呈迅速增加趋势，特别是（＞35）等级的面积，从第1时期的36.90km2增加到第5时期的526.52km2，增加了近15倍，由此说明运城市的整体发展迅速。

4）山西省3个典型城市的夜间灯光亮度变化状况与同时期GDP的变化规律基本一致，由此获得各城市发展状况：太原市经济基础最强，发展速度也呈现持续快速发展趋势，是整体实力最强和发展态势最好的城市；大同市经济基础次之，前期发展速度缓慢，后2个时期发展极其迅速；运城市经济基础最差，但是一直在持续快速发展，甚至一度超过大同市，是整体发展速度最快的城市。