基于夜光遥感的佛山市南海区城市扩张及人地协调关系研究

黄铁兰 陈梓聪 罗 婧

（1.广东工贸职业技术学院，广东广州 510510；2.嘉应学院，广东梅州 514015）

随着城市化速度加快，城市建成区面积快速增长，成为城市经济社会发展的重要特征[1]。在经济发展和城市化进程的双重推动下，城市建成区的面积和城市人口密度迅速增长。根据中国社科院发布的《2020年社会蓝皮书》，按城镇人口占总人口的比例计算，截至2019年底我国城镇化水平已经超过60%，正式进入城市社会时代[2]。

GIS和卫星遥感技术快速发展，利用遥感数据和GIS技术进行城市扩张的研究增多。其中，夜光遥感影像覆盖区域大、时效性强、应用广泛。刘佳等[3]利用2000—2013年的DMSP/OLS夜光遥感数据，结合Landsat影像数据，通过阈值法进行数据校正和建成区面积提取，对鄂尔多斯市城市扩张及其驱动因子在时间及空间尺度上进行分析。万意等[4]以河南省为研究区域，利用1992—2012年河南省夜间灯光影像数据和空间信息，采用平均灯光亮度、平均灯光亮度增长速度、归一化总辐射值、总灯光强度等指标以及城市重心坐标、城市重心偏移距离、城市重心偏移速度等指标对河南省各个城市的空间格局现状和城市扩张过程进行研究。罗婧等[5]以粤港澳大湾区为研究对象，结合1992—2012年的DMSP/OLS遥感影像和经济统计数据，研究区内各城市的空间格局现状和城市扩张过程。

城市扩张与人口增长存在较强的相关性。因此，研究城市扩张与人口增长的协调关系对城市的可持续发展具有重要意义。张勇等[6]基于安徽省的城市建成区面积和人口数据，构建城市土地扩张与人口增长的协调性评价模型，研究土地扩张与人口增长间的协调关系。冯兴华等[7]基于江西省2001年、2012年城市人口与建成区面积数据，利用数理统计及GIS空间分析方法对城市人地协调关系进行深入分析。斯日吉模楞[8]基于中国31个省（市、自治区）2005—2015年的国民经济数据，利用固定效应模型，对我国各省（市、自治区）以及东、中、西部地区的城市总面积与经济增长间的关系开展研究，分析影响城市土地扩张的主要因素。

本文以DMSP/OLS夜光影像为主要数据源，通过数据预处理、城市建成区提取、城市扩张重心迁移分析等流程，研究佛山市南海区2008—2013年的城市扩张状况，并结合人口数据，利用人地协调性系数分析人地协调关系。

1 研究区概括及数据源分析

1.1 研究区概况

佛山市南海区地处粤港澳大湾区腹地，东连广州市区，南接顺德区、鹤山市、新会区，西邻三水区、高明区，北邻花都区，环抱佛山禅城区，地处北纬22°48′03″、东经112°49′55″，面积1 073.82 km2，常住人口291万人。地势为西北、西南部高，中、东南部低，海拔为0.7～2.5 m。

1.2 数据源及数据预处理

佛山市南海区的行政区划数据源自中华人民共和国自然资源部网站，比例尺1∶750 000。2008—2013年的DMSP/OLS全球夜光数据源自美国国家地理信息中心网站，空间分辨率约1 km，像元亮度值DN取0～63。社会经济统计数据包括城市建成区面积、生产总值等，源自《2009年广东省统计年鉴》《2014年广东省统计年鉴》《2009年佛山市统计年鉴》《2014年佛山市统计年鉴》。

佛山市南海区行政区划数据矢量化，投影为WGS-84坐标系统。DMSP/OLS夜光遥感数据，利用佛山市南海区进行裁剪，依次进行饱和校正、相互校正、年内融合和年际间校正[9]。国民经济与社会发展统计数据，按照类型整理为表格形式。

2 研究方法

2.1 城市建成区提取

统计数据比较法利用城市建成区面积数据，将基于DMSP/OLS夜光遥感影像的建成区提取面积与其进行对比，获得城市建成区范围。动态阈值法利用不同年份、不同区域的统计数据作为辅助资料，分别设置不同的阈值（动态阈值），比较此时的灯光面积与统计数据中的建成区面积，将差值最小的阈值作为最佳阈值，实现对城市建成区的提取[10]。

佛山市南海区的城市建成区面积数据获取困难，本文主要利用佛山市2008年和2013年的城市建成区面积统计数据，通过“动态阈值法”确定提取最佳阈值，将提取得到的2008年和2013年佛山市建成区利用佛山市南海区的行政区裁剪，得到佛山市南海区2008年和2013年的城市建成区。

2.2 城市重心偏移分析

重心是衡量某种空间属性在区域内总体分布状况的指标。城市重心模型可以有效表达某区域内城市规模的分布性差异[7]。本研究使用城市重心、城市重心偏移距离、城市重心偏移速度指标[3-5]。

（1）城市重心坐标计算。

式中：X、Y——城市重心的经纬度坐标；Xi、Yi——第i个像元的坐标；Ci——像元i的属性值，为夜光DN值；n——区域内的夜光像元总量。

（2）城市重心偏移距离。

式中：Xj、Xk——两个年度城市重心的X坐标；Yj、Yk——两个年度城市重心的Y坐标。

（3）城市重心偏移速度。

式中：V——城市重心偏移速度；Lmn——第n年的城市重心相对第m年的城市重心的偏移距离。

2.3 城市人地协调关系分析

一般采用城市规模弹性系数分析城市人地协调关系，主要考虑城市用地增长率与城市人口增长率的比值，忽略不同的城市等级规模、地形等因素的影响[7]。本文采用城市人地协调性系数（CPI）衡量城市人地协调关系[6-7]。

式中：CPI(t～t+n)——城市人地协调性系数；LR（t+n）、LRt——目标年和基准年的城市总面积；PR（t+n）、PRt——目标年和基准年的市区人口数量。

结合区域的实际情况，将CPI划分为4种类型，细分为6个等级，用于评价人地协调关系[6-7]。

城市人地协调性系数分级标准如表1所示。

表1 城市人地协调性系数分级标准

3 结果分析

3.1 佛山市南海区城市建成区面积变化

经过试验和比较，设置2008年最佳阈值为112，2013年最佳阈值为94。利用ENVI5.3进行密度分割，提取两个年度的建成区。2008—2013年佛山市南海区的城市建成区面积不断增长，建成区面积从42 km2扩大至54 km2。

3.2 佛山市南海区城市重心偏移

分析城市重心迁移情况，2008—2013年佛山市南海区城市重心均分布在罗村街道，5年间向西南方向偏移185.73 km，偏移速度为37.15 km/a，总体上向西南方向扩张。

城市重心坐标及偏移距离、偏移速度如表2所示。佛山市南海区城市重心偏移如图1所示。

表2 城市重心坐标及偏移距离、偏移速度

图1 佛山市南海区城市重心偏移

3.3 佛山市南海区人地协调关系

2008—2013年，佛山市南海区人口数量和建成区面积均增长，人口由208.02万人增长至263.90万人，建成区面积由42 km2增长至54 km2。

佛山市南海区人口与建成区面积变化情况如图2所示。

图2 佛山市南海区人口与建成区面积变化情况

2008—2013年建设用地增长率28.57%，人口增长率26.86%，人地协调度0.99，人地基本协调。

4 结语

从城市建成区面积变化角度分析，佛山市南海区2008—2013年城市建成区面积扩大12 km2，年均增长2.4 km2。从城市重心偏移情况分析，佛山市南海区2008—2013年城市重心偏移距离185.73 km，年均偏移量37.15 km。从人地协调度方面分析，2008—2013年建设用地增长率为28.57%，人口增长率为26.86%，城市人地协调性系数为0.99，城市化过程中人地基本协调，城市化进程相对较缓慢。