基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS数据天山的北坡城市群城市扩展研究

图尔荪阿依·如孜，阿里木江·卡斯木,2*，高鹏文，赵禾苗，哈力木拉提·阿布来提

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆师范大学 丝绸之路经济带城镇化发展研究中心，新疆 乌鲁木齐 830054）

城市扩展变化特征在区域的城市化水平以及人口聚集程度的衡量过程中起指示作用[1-2]。随着我国经济的迅速发展，城市化水平也不断提高，但是城市空间的快速演变加剧人口与环境之间的矛盾，限制了区域的协调发展[3-5]。随着遥感技术的不断发展和完善，对于不同视角下的城市空间演变研究所用的数据源不同。低分辨率夜间灯光影像数据是记录人类聚集活动在地表上灯光强度信息的反演，因此在城市化扩展研究中夜间灯光数据被广泛应用[6-10]。对于研究大尺度下的城市扩展变化特征，Kasim[11]等结合DMSP/OLS夜间灯光数据、人口密度数据和MODIS数据对全球的城市化时空变化特征进行研究，得到了较好的评价精度，提供了低分辨率数据在大范围区域城市扩展中的应用思路。Henderson[12]等利用DMSP夜间灯光数据对研究区的城市边界进行了划分，得出的结果与Landsat遥感影像进行了比较。Bhartendu[13]等结合稳定夜间光数据和SPOT数据对印度的城市化进行了动态监测，取得了较好的研究成果。李德仁[14-15]等利用DMSP/OLS夜间灯光数据对城市化发展和生态环境进行评估，在此基础上评估经济社会发展质量。在大尺度上对城市扩展演变进行研究，能够揭示区域城市化发展规律及空间结构演化，有助于制定城镇空间格局的有效政策。

利用夜间灯光数据有关的城市扩张研究，其中有利用DMSP/OLS夜间灯光数据对地处西北边陲的天山北坡城市群城市扩展研究，但是目前未见到结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据对天山北坡城市群城市空间演变研究。天山北坡城市群是连接“丝绸之路经济带”、西方和中亚的重要窗口，在“十三五”期间国家推动建设的城市群之一，此区域作为新疆的城镇化主体区，在新疆经济发展战略的核心区[16]。本文结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据，对天山北坡城市群城市近26 a的城市扩展变化进行研究。通过研究区城市扩展增长强度、紧凑度以及重心转移方法来分析天山北坡城市群城市扩展时空变化规律。研究结果有助于更好地认识和理解城市化发展、空间格局变化以及城市时空演变特征，为优化天山北坡城市群的城市扩展提供参考。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

天山北坡城市群空间范围包括乌鲁木齐市、昌吉回族自治州、吐鲁番市和克拉玛依市全部、伊犁州奎屯市、塔城地区乌苏市及沙湾县，共计3个地级市、6个县级市、12个市辖区、9个县、兵团5个师、51个团场[17]，如图1所示。天山北坡城市群的地势南高北低，南部为天山山区，中部为冲积平原，北部为古尔班通古特沙漠，属于大陆性气候，总面积21.54万km2，占新疆的13%。天山北坡城市群是丝绸之路经济带上的重要支撑点，“一带一路”战略不断促进天山北坡城市群的经济快速发展。

图1 研究区示意图

1.2 数据来源与处理

在美国国家海洋大气局网站（https://www.ngdc.no⁃aa.gov）下载2种夜间灯光数据，获取1992—2013年时间序列的DMSP/OLS夜间灯光数据，空间分辨率为1 km，像元灰度值范围在0~63之间。NPP/VIIRS数据记录夜间灯光强度，继承了DMSP/OLS数据的基本特征，空间分辨率为0.5 km，可弥补MSP/OLS数据在空间、时间以及辐射分辨率等方面的缺陷。本文根据曹子阳[18]对DMSP/OLS数据的校正法来进行数据校正及数据预处理，得到矫正后的2000—2013年研究区域DMSP/OLS夜间灯光数据。由于影像数据受卫星传感器的不同和地表的非均匀性等影响，NPP/VIIRS数据的灰度值存在负值、极高值及不稳定光源等现象。首先对2013和2018年的NPP/VIIRS夜间灯光数据的所有月数据合成后取均值；再把NOAA地理数据中心发布的2016年的年合成数据为基础，将该数据大于0的部分作为掩膜图层，对2013年和2015年数据进行裁剪，消除灰度值的负值；最后以像元值的变化幅度较小的城市区作为夜间灯光强度不变区域，对年合成NPP/VIIRS夜间灯光数据进行相对的辐射校正，利用低通滤波来消除极高的灰度值。为了验证吻合程度，利用2013年的2种夜间灯光数据提取的城市空间信息来进行比较，采用同年份的Landsat-8遥感影像进一步进行精度验证，如图2所示。

图2 2012和2013年两种夜间灯光数据提取城市夜间灯光结果

2 研究方法

2.1 城市夜间灯光扩展强度

扩展强度指数是研究城市时空变化的重要测度标志之一。城市夜间灯光空间扩展强度指数对其扩张面积的数量特征进行量定，它表征在研究期间内城市扩展面积占扩展前的城市面积的百分比。公式如下：

式中，AGR为城市夜间灯光空间扩展强度指数；UAi和UAn+i分别表示第i年，第n+i年城市夜间灯光扩展强度像元面积值，T为时间间隔。

2.2 紧凑度

紧凑度是反映城市外围轮廓形态在空间上集聚程度，以紧凑度数值的变化来分析城市扩展的空间变化特征及规律[19-20]。紧凑度值的范围在0~1之间，紧凑度指数越接近0时越松散，越接近1时城市形状越接近圆形，说明城市空间形状越紧凑。

式中，C表示城市夜间灯光紧凑度；A表示城市夜间灯光面积；P为城市夜间灯光外围的周长。

2.3 重心转移

重心转移指数是通过不同时期城市分布重心坐标来追踪空间分布的变化，地区空间重心的移动方向表现为区域空间格局的变化方向[21-22]。

式中，Xt和Yt分别为第t年时城市重心的经纬度；Cti为城市i在t年时的面积；Xi和Yi分别为城市i的几何中心经纬度坐标。

重心转移计算公式为：

式中，D为转移距离；Xa和Ya为研究初期的的重心坐标；Xb和Yb为研究后期的重心坐标。

3 结果与分析

3.1 城市夜间灯光扩展强度变化特征

本文提取1992-2018年天山北坡城市群城市夜间灯光信息，利用城市扩展增长强度来分析研究期间的城市夜间灯光扩展变化特征，计算结果如图3所示。发育在生态环境脆弱的绿洲地区的城市夜间灯光每年都有显著变化，城市夜间灯光面积呈增长趋势，但是面积变化增长量呈波动态势，其中2015-2016年期间天山北坡城市群城市夜间灯光面积增长量最高，面积增长量达到613 km2。面积增长量最低的是1998—1999年和2001—2002年期间，面积增长量为3 km2。研究区每一时期的城市夜间灯光扩展强度随着面积增长量的变化而变化，增长强度最高的是1992—1993年期间，达到70.37%，1995—2007年之间的扩展强度不明显。整体来说1992—2018年期间天山北坡城市群城市夜间灯光扩展强度值呈高-低-高变化趋势。在天山北坡城市群城市的自然条件优越、城市密集、交通方便等优势导致天山北坡城市群城市经济不断发展[23]，也是研究区城市夜间灯光一直保持扩展趋势的主要原因之一。

图3 研究区城市夜间灯光面积增长量和扩展强度变化图

3.2 紧凑度变化

根据紧凑度指数的公式计算出天山北坡城市群城市的时空变化特征。城市空间的扩展模式是以外部延展型和内部填充型为主，城市空间扩展以内部填充型为主导类型时，城市形态紧凑度增大，以外部延展型为主导类型时，城市形态紧凑度减少[24-25]。由图4可知天山北坡城市群城市的空间形态处于不同的变化阶段。天山北坡城市群城市地处生态环境极为脆弱的西北干旱区，因此，紧凑度值在0.15~0.3之间。1992年的紧凑度最高，而2018年的紧凑度最低。总体来说，近26 a来天山北坡城市群城市紧凑度呈递减态势，在空间上向外部延展型为主导的类型发展，城区外廓的破碎程度较高、城市外围轮廓的紧凑性差，城市结构呈松散化趋势。说明随着天山北坡城市群城市不断向外扩展，城市的空间形状越不规则。

图4 1992-2018年天山北坡城市群城市紧凑度变化

3.3 城市重心转移分析

本文利用重心转移来分析天山北坡城市群城市发展过程中存在的客观规律，根据公式（3~5）来计算天山北坡城市群城市重心点坐标、发展方向以及重心点转移距离。从图5可知，天山北坡城市群城市1992—2018年的城市重心转移的空间变化，在研究期间不同时期城市重心转移有明显的空间分异。其中1992—2002年城市重心移动最明显，这期间研究区城市重心点从昌吉回族自治州的呼图壁县转移到乌鲁木齐的米东区。2002—2012年天山北坡城市群城市重心点变化不明显，城市重心处于乌鲁木齐的米东区；2012—2018年研究区城市重心点从乌鲁木齐的米东区转移到昌吉市。整体来说，天山北坡城市群城市重心在城市化高度发展及社会经济发展较快的乌鲁木齐和昌吉回族自治州区域，乌昌一体化战略的实施促使乌鲁木齐和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市发展过程中呈现出带头作用。

图5 天山北坡城市群城市夜间灯光扩展及重心转移图

从天山北坡城市群城市重心坐标、转移距离及转移方向来看（如表1所示），1992年的（86°34′20.098″E，44°18′21.766″N）到2018年时（87°19′22.053″E，44°7′40.362″N），总转移距离为133.177 km。1992—2002年天山北坡城市群城市重心转移距离最长，转移距离达到96.536 km，占总转移距离的72.49%。2002—2012年研究区城市重心坐标变化不显著，转移距离也最短，占总转移距离的5.46%。总体来说天山北坡城市群城市重心转移方向是东北-西北-西南。处于天山北坡经济带西北的克拉玛依市、乌苏市和奎屯市的城市发展较快，因此天山北坡城市群的重心向西北转移。

表1 天山北坡城市群城市重心转移统计表

4 结论与讨论

本文结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据，弥补DMSP/OLS夜间灯光数据在时间和空间分辨率上的缺陷，提取天山北坡城市群的1992—2018年期间的城市夜间灯光，采用城市扩展强度、紧凑度和城市重心转移方法对天山北坡城市群的扩展演变进行研究。得出的结论有以下几点：

1）天山北坡城市群城市夜间灯光都有显著变化，城市夜间灯光面积呈增长趋势，但是面积变化增长量呈波动态势。每一时期的城市夜间灯光扩展强度随着面积增长量的变化而变化，增长强度最高的是1992—1993年期间，达到70.37%，1995—2007年之间的扩展强度不明显。整体来说1992—2018年期间，天山北坡城市群城市夜间灯光扩展强度值呈高-低-高变化趋势。

2）从紧凑度分析来看，1992—2018年天山北坡城市群的紧凑度值在0.15～0.3之间，紧凑度呈递减态势，在空间上向外部延展型为主导的类型发展，城区外廓的破碎程度较高、城市外围轮廓的紧凑性差，城市结构呈松散化趋势。说明随着天山北坡城市群城市不断向外扩展，城市的空间形状越不规则。

3）1992—2018年天山北坡城市群的城市重心在乌鲁木齐和昌吉回族自治州区域，乌昌一体化战略的实施促使乌鲁木齐和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市发展过程中呈现出带头作用。研究期间天山北坡城市群的总重心转移距离为133.177 km，重心转移方向是东北-西北-西南。

本文利用的2种夜间灯光数据虽然能填补研究时间的连续性，但是空间分辨率以及卫星传感器的不一致导致2个数据灰度值范围的差异性。通过2012年和2013年的DMSP/OLS和NPP/VIIRS提取城市夜间灯光数据，然后对结果进行对比分析发现，对比结果拟合状态较好，但是2种夜间灯光提取的城市夜间灯光信息存在一些偏差。天山北坡城市群是重点建设的两个边疆地区城市群和丝绸之路经济带核心区建设的城市群，因此，研究结果有助于更好地认识和理解城市空间格局变化及发展，为促进丝绸之路经济带建设提供参考。