基于DMSP/OLS夜间灯光数据的中原城市群建成区时空扩张与驱动因子分析（1992—2012年）

张词谦，洪 亮※

1.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500

2.西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心,云南 昆明 650500

0 引言

城市化是乡村聚落转化为城镇聚落的过程，是涉及经济、社会、人口和地域空间等多方面的复杂过程[1]。“中部崛起”战略构建了位于中国中东部的中原城市群，近年来发展势头迅猛[2]。遥感作为一种时效性高的大范围对地观测技术，在土地利用的研究中发挥着重要作用，但在中观和宏观尺度上的城市化研究中的应用相对较少[3]。DMSP/OLS夜间灯光数据为获取城市建成区信息提供了可能，被广泛地用于城市空间的扩张研究。1978年，Croft等[4]首次提出DMSP/OLS影像具有城市建成区提取的潜力；Henderson等[5]选取旧金山、北京、拉萨3个城市案例，根据高分辨率遥感影像数据提取的城市空间边界，发现城镇阈值高低与城市经济发达程度呈明显正相关关系；Small等[6]研究了城市的扩张空间格局。但目前国内对城市化空间扩展的研究较少。文章的研究以提取的中原城市群的城市建成区范围为基础，分析了中原城市群的扩张模式与动力因子，以及中原城市群的发展模式，并提出相应的合理建议。

1 研究区与数据源

中原城市群位于中国中东部，以河南省为主体、河南省省会郑州为中心，包括山西省、山东省、安徽省、河北省的部分城市，涵盖5省和30座地级市，总面积达28.7×104km2，总人口为1.58亿人，生产总值为5.56×1012元，其生产总值仅次于长三角、珠三角、京津冀城市群，位居全国第四位。

此次研究的数据主要包含遥感数据、统计数据和矢量数据，其数据来源如下。

（1）遥感数据。来源于美国国家地球物理数据中心（NGDC）的美国军事气象卫星搭载的传感器获取的DMSP-OLS夜间灯光数据，包括1992—2012年的11期数据。数据的预处理包括云及火光等偶然噪声影响的消除，对全年VNIR通道的灰度值的平均化处理（灰度值范围为0～63°）、重投影与重采样等。

（2）统计数据。来源于中原城市群内的5个省份的统计年鉴及《中国城市统计年鉴》，主要使用中原城市群中市辖区范围和城市建成区中与研究相关的经济统计数据。

（3）矢量数据。来源于国家基础地理信息网站的中国县级以上行政区的矢量数据。

2 研究方法

2.1 建成区范围提取方法

建成区范围提取的关键是确定灯光阈值。目前，在相关研究领域有4种主流的确定灯光阈值的方法。

（1）经验阈值法。结合实际经验人为给定一个阈值，此方法操作简单，但科学依据不足。

（2）突变检测法。当灯光阈值达某一值时，城市建成区的多边形周长会突然增加，这个值就是要提取的研究区域的灯光阈值。此方法忽略了区域间的差异性，不能作为阈值设定的通用标准。

（3）影像空间比较法。用分辨率较高的影像作为辅助，提取城市建成区的夜间灯光数据。此方法受影像质量影响较大，具有不稳定性。

（4）参考比较法。比较灯光值对应的面积数据总和与政府发布的城市建成区面积，误差最小的数值对应的灯光值即为灯光阈值。此方法从定量角度通过数学计算得到灯光阈值，具有可靠性。

此次研究采用参考比较法提取中原城市群的城市建成区。

2.2 扩张模式分析方法

城市空间扩张模式是基于城市空间扩张演变过程的类型总结[7]。当前，城市扩张模式的研究主要集中在城市重心的变迁上。文章研究涉及重心位置与重心偏移距离两个指标，可以分别从城市建设中心与发展方向两个方面分析城市扩张模式。重心的经纬度坐标的计算式如下：

式中：X、Y为区域重心的经、纬度坐标；为第i个像元的灰度值；Xi、Yi为第i个像元的经、纬度坐标；n为区域内像元总量。

重心偏移距离的计算式如下：

2.3 城市格局演变分析方法

在城市格局演变可以中引入景观指数，其是反映城市的结构组成和空间配置的某些方面特征的定量指标。文章研究主要借助斑块规模变化方法进行分析，涉及斑块规模、最大和最小斑块面积、斑块面积标准差三个指标，可以分别从斑块的平均水平、极端情况与变异程度来反映城市格局的演变，具体的计算公式如下：

2.4 扩张动力因子分析方法

城市的空间扩张是城镇化、工业化、全球化等多重因素共同作用的结果。文章研究以中原城市群建成区面积（Y）为因变量，选取固定资产投资总额（A）、社会消费品零售总额（B）、实际利用外资（C）、工业总产值（D）为自变量，分别代表行政因素、市场因素、外部因素和内部因素，构建城市扩张动力模型。

式中：c为常数项；ai为回归系数；e为误差项。

可以将1992—2012年划分为两个阶段：1992—2002年为第一阶段，2002—2012年为第二阶段。自变量数据均来源于1993—2013年的《中国城市统计年鉴》。

3 结果与分析

文章运用DMSP/OLS夜间灯光数据，提取中原城市群建成区，并在此基础上分析城市群扩张演变过程，分析其动力机制。根据研究结果，1992—2012年，建成区灯光阈值从38逐渐增大到56（见表1）。进入21世纪后，中原城市群快速发展，城市发展进入了高水平阶段，建成区范围分布较集中，扩张主要围绕中原城市群内承担经济中心功能的地级市[8]，如郑州市、邯郸市、蚌埠市等。建成区主要分布在以郑州为核心的，在郑州东北方向的中原城市群核心发展区；南部的高效生态经济示范区的城市，如驻马店市、信阳市、南阳市的建成区区域很小。重心偏移距离均值为24 km，偏移距离相对于整个城市群的空间格局非常小，位置变化不明显；城市空间格局变化不大，但在空间结构上呈紧凑趋势。

表1 1992—2012年中原城市群城市建成区夜间灯光阈值

因城市建成区面积可综合表征人类活动的广度与强度，又与各类城市规模评估指标（生产总值、扩张面积、人口规模、能源消费、城市化水平等）存在显著正相关关系[9]，因此，在中原城市群内，中、北部发展势头良好，而南部发展较弱，需要引起重视，加快经济建设步伐。

经分析，行政因素（A）、市场因素（B）、外部因素（C）和内部因素（D）与中原城市群建成区面积之间的拟合优度R2分别为0.92、0.91、0.79、0.91；行政因素、市场因素和内部因素与城市建成区面积之间显著相关，对城市群的扩张起了推动作用。

第一阶段与第二阶段的回归模型的拟合优度R2分别为0.84、0.99（见表2）。

表2 中原城市群多维驱动力回归方程

在第一阶段中，行政因素对建成区的空间扩张起主要动力作用，这个阶段我国城市化进程主要由政府政策引导，因中原地区是重要粮食产区，因此工业并不发达。到了第二阶段，市场因素、外部因素与内部因素对城市扩张的动力逐渐增强，中原地区开始推进工业化进程，而且我国的对外开放格局已经形成，各个动力因子数据都同步增长，与城市发展的拟合达到最佳状态。

4 结论

自我国实行改革开放，经济发展速度较快，城市发展空前，1992—2012年的20年间，我国的城市化进程不断加快。中原城市群的城市化的初期主导力量是国家政策与地方政府，由于政策与地域的差异，中原城市群扩张的“集中”趋势与国内其他成熟的城市群发展的“扩散”模式不同。中原城市群在建设工业园产业聚集区时，城市群建城区的空间扩张十分集中。

郑州市作为中原城市群的中心、经济发展的增长极，其环境污染十分严重。应促进郑州的经济发展转向循环经济模式，吸引更多的高新企业入驻，加快城市群发展重点区域“先富带动后富”，作为增长极带动中原城市群内的其他城市的进步。除此之外，中原城市群的发展应由以地级市中心城市为发展核心转向在一个地区内建设多个核心的发展模式，强化城市内部协作发展，因地制宜发展优势产业，激发市场活力，加快产业结构升级，提高城市群内所有地区的竞争力，促进整个区域的快速、健康发展。