基于夜間燈光數(shù)據(jù)的中國(guó)城市擴(kuò)展研究

鄭雅昕　李苗　劉玉琴　滿浩然

摘 ?要：利用夜間燈光數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，通過提取1995年、2000年、2005年、2010年和2015年建成區(qū)范圍，對(duì)中國(guó)城市擴(kuò)展進(jìn)行研究。結(jié)果表明：中國(guó)近20年來(lái)城市建成區(qū)面積呈指數(shù)增長(zhǎng)，各地區(qū)擴(kuò)展速度差異不大，擴(kuò)展強(qiáng)度變大和變小交替存在。

關(guān)鍵詞：城市擴(kuò)張;夜間燈光數(shù)據(jù);DMSP/OLS;NPP/VIIRS

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0066-03

Abstract： Night light data was selected as a data source， by extracting the built-up areas in 1995， 2000， 2005， 2010 and 2015， this paper studies the urban expansion. The results show that the area of urban built-up areas in China has grown exponentially in the past 20 years， and there is little difference in the expansion speed of each region. The expansion intensity has been increasing and decreasing alternately.

Keywords： Urban expansion; Nighttime lighting data; DMSP/OLS; NPP/VIIRS

1 概述

自1978年改革開放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的增加，中國(guó)城市進(jìn)入高速擴(kuò)張階段。高速的城市擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致城市交通擁堵、農(nóng)業(yè)耕地減少、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題[1]，因此研究中國(guó)近年來(lái)城市擴(kuò)張規(guī)律對(duì)科學(xué)建設(shè)和城市規(guī)劃、促進(jìn)各地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義。DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)是美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星計(jì)劃（defense meteorological satellite program， DMSP）衛(wèi)星搭載的OLS（operational linescan system， OLS）獲取，相比其它遙感數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量小、時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)、獲取更為容易的優(yōu)點(diǎn)，為城市擴(kuò)展分析研究提供了更好的方法[2]。Croft最早將DMSP/OLS數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市研究，指出該數(shù)據(jù)有助于確定人類的活動(dòng)強(qiáng)度[3]。Henderson等通過對(duì)比DMSP/OLS數(shù)據(jù)和TM數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了夜間燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)面積的精確性和可行性[4]。Zhang等將DMSP/OLS數(shù)據(jù)與人口、土地利用數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析了1992～2000年中國(guó)、美國(guó)、印度和日本的城市擴(kuò)張[5]。DMSP/OLS數(shù)據(jù)可獲取年份為1992～2013年，2013之后NPP/VIIRS（nation polar-orbiting partnership/ visible infrared imaging radiometer suite， NPP/VIIRS）燈光數(shù)據(jù)被研究者們廣泛的用于城市信息提取。Jiang等采用NPP/VIIRS分析了2013～2017年福建省廈門、泉州、漳州市的城市擴(kuò)張，認(rèn)為夜間燈光亮度值和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有較強(qiáng)的相關(guān)性[6]，Wang等使用NPP/VIIRS建立新型HVR模型對(duì)中國(guó)城市的房屋空置率進(jìn)行估算[7]。Shi等將NPP/VIIRS和DMSP/OLS數(shù)據(jù)在GDP和電力消費(fèi)空間化的提取精度進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果表明NPP/VIIRS數(shù)據(jù)因分辨率高因而具有更高的提取精度[8]。

本研究選取中國(guó)為研究區(qū)，選取1995年、2000年、2005年、2010年的DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)和2015年的NPP/VIIRS燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，對(duì)5個(gè)時(shí)期中國(guó)城市建成區(qū)進(jìn)行提取，從城市擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度、城市外部形態(tài)緊湊度等方面分析了1995～2015年中國(guó)各地區(qū)的空間格局變化，從宏觀上解釋各區(qū)域發(fā)展的時(shí)空變化特征，以期為城市的合理規(guī)劃提供參考。

2 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站，DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)空間分辨率為1km，NPP/VIIRS燈光數(shù)據(jù)空間分辨率500m。研究區(qū)各城市面積數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]，城市行政邊界數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1：400萬(wàn)數(shù)據(jù)集。將夜間燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為蘭伯特等角圓錐投影并進(jìn)行重采樣，采不變目標(biāo)區(qū)域法對(duì)DMSP/OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正、飽和校正和連續(xù)性校正[10]，利用2013年重合年份的數(shù)據(jù)對(duì)兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合校正[11]，應(yīng)用所得的校正參數(shù)對(duì)2015年數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正后穩(wěn)定的夜間燈光影像。

3 研究方法

3.1 建成區(qū)提取

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法是指將夜間燈光數(shù)據(jù)所提取的建成區(qū)面積與政府發(fā)布的建成區(qū)面積作比較，直到二者充分接近從而提取建成區(qū)的方法，該方法因權(quán)威性較強(qiáng)被廣泛應(yīng)用于夜間燈光數(shù)據(jù)提取中[12-13]，故本研究采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法進(jìn)行建成區(qū)提取。

3.2 城市擴(kuò)張

擴(kuò)展速度表示城鎮(zhèn)用地的年增長(zhǎng)速度，反映城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展的快慢，計(jì)算公式為：

UES=（1）

式中，UES為城市平均擴(kuò)張速度，Ui和Ui+n分別是第i年和第i+n年的城市建成區(qū)面積，其中i為起始時(shí)間，n為時(shí)間間隔。

擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)表示單位時(shí)間單位土地內(nèi)城鎮(zhèn)擴(kuò)展用地?cái)U(kuò)展的強(qiáng)弱，使不同時(shí)期的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展速度具有可比性，計(jì)算公式為：

UEI=? ? ? ? ?（2）

式中，UEI為城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，USA為研究區(qū)總面積，C為常數(shù)。

3.3 城市外部形態(tài)緊湊度計(jì)算

城市外部形態(tài)緊湊度是衡量和評(píng)價(jià)城市發(fā)展的重要指標(biāo)，城市形態(tài)緊湊度反應(yīng)了城市用地及外部形態(tài)的緊湊程度。計(jì)算公式為[14]：

UCI=2/P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中UCI為城市外部形態(tài)緊湊度，A為建成區(qū)面積，P為建成區(qū)外圍輪廓的周長(zhǎng)，UCI值一般為0～1之間，當(dāng)緊湊度值趨于1時(shí)，說(shuō)明城市空間結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，趨于圓形，當(dāng)該值趨于0時(shí)，城市緊湊度最差，城市形狀比較狹長(zhǎng)。

4 城市擴(kuò)展分析

4.1 建成區(qū)提取結(jié)果分析

隨著年份的增加，建成區(qū)面積不斷增大，建成區(qū)斑塊數(shù)目和斑塊密度逐漸增加，從1995年建成區(qū)斑塊的零星分布發(fā)展為2015年斑塊分布相對(duì)密集。從建成區(qū)面積變化看，我國(guó)城市在近20年間經(jīng)歷了城市擴(kuò)張的高速階段，各階段所提取的建成區(qū)面積較前一階段分別增長(zhǎng)了13.2%、44.6%、26.6%和22.9%，年均建成區(qū)面積增加1529km2，建成區(qū)面積總共增加30581km2。

4.2 城市擴(kuò)展速度及擴(kuò)展強(qiáng)度分析

城市擴(kuò)展速度和強(qiáng)度如圖1和圖2所示?？傮w上，西北地區(qū)擴(kuò)展速度從1995年～2015年一直呈上升趨勢(shì)，其他六個(gè)區(qū)的擴(kuò)展速度都有不同程度的波動(dòng)。東北地區(qū)前三個(gè)階段的擴(kuò)展速度一直上升，第四個(gè)階段的擴(kuò)展速度與第二階段和第三階段相比有所下降;華北地區(qū)、華東地區(qū)、華南地區(qū)和西南地區(qū)在第二階段城市擴(kuò)展速度均出現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì);華中地區(qū)的擴(kuò)展速度一直相對(duì)比較平穩(wěn)。從擴(kuò)展強(qiáng)度來(lái)看，2000～2005年各地區(qū)的擴(kuò)展強(qiáng)度較前一個(gè)階段有所增強(qiáng)，其他三個(gè)階段擴(kuò)展強(qiáng)度存在不同程度的波動(dòng)。其中西北地區(qū)、華中地區(qū)和西南地區(qū)四個(gè)階段擴(kuò)展強(qiáng)度一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì);華北地區(qū)、華東地區(qū)和華南地區(qū)第二階段的擴(kuò)展速度在四個(gè)階段中最強(qiáng);只有東北地區(qū)出現(xiàn)了第四階段的擴(kuò)張強(qiáng)度較第三階段有所下滑的現(xiàn)象。

4.3 城市外部形態(tài)緊湊度分析

緊湊度數(shù)值增加表示城市內(nèi)部以小幅度組團(tuán)模式擴(kuò)張，緊湊度下降表示城市從中心像四周以點(diǎn)狀模式擴(kuò)張為主[15]。從圖3中可以得知，西南地區(qū)2000年緊湊度值最大，達(dá)到0.131，2015華東地區(qū)緊湊度值最小為0.032。各地區(qū)緊湊度均降低，說(shuō)明各地區(qū)的發(fā)展均為從中心向四周點(diǎn)狀擴(kuò)張，城市建設(shè)趨于離散。西南地區(qū)整體緊湊度值相對(duì)較高，說(shuō)明西南地區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)較為單一。在2010～2015年，因NPP/VIIRS數(shù)據(jù)空間分辨率較高，對(duì)零星點(diǎn)狀燈光識(shí)別較為敏感，所以該時(shí)間段內(nèi)各地區(qū)緊湊度下降幅度較大，各地區(qū)城市內(nèi)部相對(duì)較為飽和，城市發(fā)展逐漸以外部擴(kuò)張為主。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取全國(guó)1995、2000、2005、2010年和2015年的城市建成區(qū)面積，通過計(jì)算各地區(qū)擴(kuò)展速度、擴(kuò)展強(qiáng)度和城市外部形態(tài)緊湊度來(lái)分析中國(guó)近20年來(lái)的城市擴(kuò)張情況。近20年來(lái)我國(guó)城市建成區(qū)面積呈指數(shù)型增長(zhǎng)，各地區(qū)擴(kuò)展速度差異不大，擴(kuò)展強(qiáng)度變大和變小交替存在。

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