基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局研究
——以杭州市為例

金平斌， 徐鵬飛

(浙江大學(xué)城市與區(qū)域發(fā)展研究所,杭州 310027)

基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局研究
——以杭州市為例

金平斌， 徐鵬飛

(浙江大學(xué)城市與區(qū)域發(fā)展研究所,杭州 310027)

利用1992—2013年間覆蓋杭州市的DMSP/OLS夜間燈光(nighttime light,NTL)數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料，采用分區(qū)閾值提取等方法提取杭州市各縣、市的城鎮(zhèn)區(qū)域面積，分析NTL數(shù)據(jù)與城鎮(zhèn)化進(jìn)程的關(guān)系及杭州市城鎮(zhèn)化擴(kuò)張模式； 選取景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)研究方法，引入景觀格局與斑塊概念，結(jié)合主要交通線分布，對(duì)杭州市城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，利用NTL數(shù)據(jù)進(jìn)行城鎮(zhèn)化研究具有一定可行性。杭州市城鎮(zhèn)化擴(kuò)張表現(xiàn)為后期加速型，城鎮(zhèn)化發(fā)展在2000年以前主要集中在主城區(qū)； 2000年以后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化開始沿主要交通線呈面狀分散發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度及水平全面提升，發(fā)展方式及發(fā)展重心都呈現(xiàn)出一定的轉(zhuǎn)變。運(yùn)用DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)從市域?qū)用嬲归_城鎮(zhèn)化相關(guān)研究，并引入景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)概念，對(duì)城鎮(zhèn)化研究以及城市規(guī)劃有一定的借鑒意義。

DMSP/OLS夜間燈光(NTL)數(shù)據(jù)； 城鎮(zhèn)化； 景觀格局； 杭州市

0 引言

城鎮(zhèn)化是指由以農(nóng)業(yè)為主的傳統(tǒng)鄉(xiāng)村社會(huì)轉(zhuǎn)向以工業(yè)和服務(wù)業(yè)為主的現(xiàn)代都市社會(huì)的歷史過程，主要表現(xiàn)在勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移、人口比重的轉(zhuǎn)變以及城市空間結(jié)構(gòu)的調(diào)整[1]。中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)資料，截至2014年底，中國(guó)大陸地區(qū)城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋戎匾延?978年的17.9%增加到54.77%。對(duì)城鎮(zhèn)化的研究涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和空間等多個(gè)層面，城鎮(zhèn)化水平的提高會(huì)導(dǎo)致城市規(guī)模擴(kuò)張、城市空間形態(tài)轉(zhuǎn)變等變化，城市的發(fā)展不僅體現(xiàn)在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)上，也會(huì)在地理空間格局上呈現(xiàn)新的態(tài)勢(shì)[2-3]。

現(xiàn)有城鎮(zhèn)化研究主要從定性及定量角度展開，然而受統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的滯后性以及統(tǒng)計(jì)工作中的不確定性影響，研究的及時(shí)性及可信度都存在一定不足； 同時(shí)，地理空間信息的缺失，使得研究很難從宏觀角度展開，因而缺乏對(duì)城鎮(zhèn)化時(shí)空格局的分析[4-5]。為了從地理空間角度實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局的有效監(jiān)測(cè)，本文選用DMSP/OLS的夜間燈光(nighttime light,NTL)數(shù)據(jù)展開了相關(guān)研究。

美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(defense meteorological satellite program,DMSP)是美國(guó)國(guó)防部極軌衛(wèi)星項(xiàng)目，搭載有線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳感器(operational linescan system，OLS)。與其他衛(wèi)星傳感器主要獲取太陽(yáng)輻射地表后反射信號(hào)不同，DMSP/OLS傳感器主要采集夜間燈光、火光等產(chǎn)生的輻射信號(hào)，可探測(cè)到城市燈光、零散居民地以及車流、油井等發(fā)出的微弱燈光，并區(qū)別于其他黑暗區(qū)域，在監(jiān)測(cè)人類夜間活動(dòng)方面具有一定的優(yōu)越性。自20世紀(jì)80年代以來，DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究主要集中于空間信息提取技術(shù)方法探索[6-7]、人口密度估算[8-9]、電力能源消耗[10-11]、城市建設(shè)用地提取及城鎮(zhèn)擴(kuò)張監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。Croft[12]于1978年首次利用NTL數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市建設(shè)用地的提取。隨后，相關(guān)學(xué)者分別從全球與區(qū)域尺度展開了大量研究，但因數(shù)據(jù)受到非穩(wěn)定光源、像元飽和及溢出等現(xiàn)象限制，研究具有一定的局限性； Henderson等[13]采用閾值法提取了北京和舊金山等不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平城市的建設(shè)用地邊界，并用Landsat TM圖像提取的城市邊界作為精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明DMSP/OLS的穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)和輻射定標(biāo)圖像均可作為城鎮(zhèn)范圍提取和城鎮(zhèn)化水平檢測(cè)的有效數(shù)據(jù)源； 何春陽(yáng)等[14]以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及NTL數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重建了中國(guó)大陸地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，表明DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)基本上能夠反映中國(guó)大陸地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程； Liu等[15]通過對(duì)NTL數(shù)據(jù)的系統(tǒng)校正，實(shí)現(xiàn)了NTL數(shù)據(jù)的逐年對(duì)比，模擬了1992—2008年間中國(guó)城鎮(zhèn)化的擴(kuò)張進(jìn)程，并利用閾值法提取了城市區(qū)域； Yi等[16]構(gòu)建了環(huán)形模型，并運(yùn)用城市燈光指數(shù)(urban light index,ULI)對(duì)中國(guó)東北部地區(qū)城市用地進(jìn)行了時(shí)空研究，發(fā)現(xiàn)ULI與城市用地類型、人口和經(jīng)濟(jì)等因子有極高的相關(guān)性； Ma等[17]則采取亮度梯度(brightness gradient)與鄰域分析法對(duì)中國(guó)271個(gè)城市1992—2012年間城市用地變化情況進(jìn)行了分析，研究表明大型城市與中小型城市在城市土地利用類型轉(zhuǎn)變方面存在一定的差異?，F(xiàn)有研究通過將DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)與其他遙感數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)校準(zhǔn)處理模型，在一定程度上克服了像元的飽和與溢出帶來的影響，并應(yīng)用于社會(huì)、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)和安全等多個(gè)領(lǐng)域，具有一定的實(shí)踐意義。

本文從市域?qū)用嫒胧?，選擇杭州市為研究對(duì)象，利用1992—2013年間獲取的DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)處理及閾值分析，提取杭州市各縣、市的城鎮(zhèn)區(qū)域面積； 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)生態(tài)學(xué)指標(biāo)，探索DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)與城鎮(zhèn)化的關(guān)系，并對(duì)杭州市城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局變化特征進(jìn)行初步探討。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

杭州市位于杭州灣西端、長(zhǎng)江三角洲南翼，是浙江省政治、經(jīng)濟(jì)、文化和科教中心，有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，城鎮(zhèn)化水平亦居全國(guó)前列。全市丘陵山地占總面積的65.6%，集中分布在西部、中部和南部； 平原占26.4%，主要分布在東北部。杭州市轄上城、下城、江干、拱墅、西湖、濱江、蕭山和余杭8區(qū)，建德、臨安和富陽(yáng)3市，桐廬和淳安2縣(2014年12月13日，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，撤銷富陽(yáng)市，設(shè)立杭州市富陽(yáng)區(qū)，本研究以2013年現(xiàn)狀為準(zhǔn))。出于對(duì)圖像精度及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可獲取性的考慮，本文將研究對(duì)象分為主城區(qū)、建德、臨安、富陽(yáng)、桐廬和淳安6大區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)主要有DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù)。

1)DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的國(guó)家地理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center, NGDC)直接下載，空間分辨率約為1 km，亮度值范圍為0～63(63為其飽和亮度值)。本文選取Version 4 Global DMSP/OLS Nighttime Lights Series穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品(nighttime stable light)進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)包含有多個(gè)不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，即F10(1992—1994年)、F12(1994—1999年)、F14(1997—2003年)、F15(2000—2007年)、F16(2004—2009年)和F18(2010—2013年)，共34景。為了提高不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性及可比性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)處理(數(shù)據(jù)來源： http: //www.ngdc.noaa.gov/dmsp/downloadV4composites.html)。

2)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。杭州市人口、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來源于《杭州市統(tǒng)計(jì)年鑒1993―2014》及《城市統(tǒng)計(jì)年鑒1993―2014》。

3)輔助數(shù)據(jù)。中國(guó)基礎(chǔ)地理信息矢量圖，包括中國(guó)國(guó)界矢量數(shù)據(jù)，杭州市及其市縣界矢量數(shù)據(jù)，杭州市主要高速公路、國(guó)道、省道和河流矢量數(shù)據(jù)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

由于研究區(qū)內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)是不同傳感器在不同時(shí)期獲取的，且每一年的數(shù)據(jù)都由多個(gè)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)之間缺乏連續(xù)性與可比性，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)處理。NTL數(shù)據(jù)DN統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 NTL數(shù)據(jù)DN統(tǒng)計(jì)Fig.1 DN values of NTL data

Elvidge等[18]通過選取參考影像，并對(duì)參考影像與其他影像進(jìn)行回歸分析實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)期NTL圖像間的相互校準(zhǔn)； Wu等[19]則提出一種不變目標(biāo)區(qū)域法的NTL圖像校正方法，并對(duì)全球范圍圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，取得了較為理想的結(jié)果。本文采用Wu等[19]提出的不變目標(biāo)區(qū)域法，以實(shí)現(xiàn)不同年份圖像之間的相互校準(zhǔn)。運(yùn)用矢量數(shù)據(jù)疊置選取感興趣區(qū)(region of interest,ROI)的方法，生成假彩色圖像； 根據(jù)假彩色圖像中白色部分處于飽和及城市區(qū)域的特征，選定參考區(qū)域； 采用式(1)的二次回歸模型，以F12(1997)NTL圖像為參考圖像，結(jié)合回歸系數(shù)分布表對(duì)初始DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始圖像的相互校準(zhǔn)。

DNcal=a+b·DN+c·DN2,

(1)

式中：DN為待校準(zhǔn)圖像中的像元亮度值；DNcal為校準(zhǔn)后圖像的像元亮度值；a,b和c分別為標(biāo)準(zhǔn)圖像與其他圖像參考區(qū)域回歸分析得到的系數(shù)?；貧w系數(shù)的分布情況如表1所示。

表1 回歸系數(shù)分布Tab.1 Distribution of regression coefficients

相互校準(zhǔn)處理在一定程度上提高了NTL數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可比性。然而，由于同年數(shù)據(jù)具有多個(gè)衛(wèi)星來源，為了充分利用NTL數(shù)據(jù)，提高研究的精確度，本文采用

(2)

同時(shí)，為便于數(shù)據(jù)的比較分析與研究，對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即

(3)

式中：DNI為經(jīng)過歸一化處理的像元亮度值，其范圍為[0，1]，其中1表示像元亮度值達(dá)到飽和；DNmax與DNmin分別為像元亮度最大值與像元亮度最小值。

校準(zhǔn)后NTL數(shù)據(jù)的DN統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)后NTL數(shù)據(jù)DN統(tǒng)計(jì)Fig.2 DN values of calibrated NTL data

2.2 城鎮(zhèn)分區(qū)閾值提取

利用DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)進(jìn)行城鎮(zhèn)化研究，需要確定提取城鎮(zhèn)區(qū)域的閾值，從而對(duì)城鎮(zhèn)區(qū)域進(jìn)行提取。現(xiàn)有閾值確定方法主要有經(jīng)驗(yàn)閾值法、突變檢測(cè)法、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法以及較高空間分辨率圖像空間比較法等[20]。本文采用提取準(zhǔn)確度相對(duì)較高的突變檢測(cè)法確定城鎮(zhèn)區(qū)域邊界閾值。突變檢測(cè)法由Imhoff等[21]提出，基于城鎮(zhèn)邊界應(yīng)為完整多邊形的假設(shè)，以多邊形發(fā)生突變的點(diǎn)作為閾值點(diǎn)，提取城鎮(zhèn)信息。該方法認(rèn)為，在NTL圖像中，城鎮(zhèn)區(qū)域應(yīng)該保持其幾何形狀的完整性； 逐漸增加分割閾值，代表城鎮(zhèn)邊界的多邊形將會(huì)沿著邊緣逐步縮??； 當(dāng)閾值達(dá)到某一值時(shí)，斑塊開始從內(nèi)部出現(xiàn)破碎，斑塊破碎閾值即為城鎮(zhèn)邊界的分割閾值。

為了提高研究的科學(xué)性及精確度，本文針對(duì)不同研究區(qū)域提取不同的分割閾值，同時(shí)選取主城區(qū)提取的城鎮(zhèn)區(qū)域面積進(jìn)行誤差估算[22-23](表2)。

表2 不同年份DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)分區(qū)閾值Tab.2 Thresholds of DMSP/OLS NTL data in different years

不同區(qū)域的分割閾值不同，主城區(qū)分割閾值明顯高于其他地區(qū)； 同一地區(qū)不同年份的閾值不同，并且隨著時(shí)間的向后推移，閾值逐漸增大。采用上述方法提取的城市區(qū)域邊界與實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)誤差較小，因此上述方法可用來進(jìn)行城鎮(zhèn)區(qū)域邊界提取。本文根據(jù)表2閾值，提取了杭州市各縣、市的城鎮(zhèn)區(qū)域。

2.3 空間格局評(píng)價(jià)

城鎮(zhèn)化的發(fā)展使城鎮(zhèn)在空間規(guī)模以及空間形態(tài)上出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)變，而這一現(xiàn)象在DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)為亮度面積的變化以及亮度區(qū)域形狀的改變。基于這一特征，本文引入景觀生態(tài)學(xué)中景觀格局及斑塊的概念，并依據(jù)城鎮(zhèn)區(qū)域圖像空間非連續(xù)性及內(nèi)部均質(zhì)性的特征，將提取出的城鎮(zhèn)區(qū)域歸納為城鎮(zhèn)斑塊，在此基礎(chǔ)上選取典型景觀指數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)城鎮(zhèn)景觀空間格局及城鎮(zhèn)斑塊的評(píng)價(jià)。

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)，可用來定量描述和監(jiān)測(cè)景觀結(jié)構(gòu)特征隨時(shí)間的變化[24]。本文選取斑塊周長(zhǎng)(patch perimeter,PERIM)、斑塊形狀指數(shù)(shape index,SHAPE)、最大斑塊指數(shù)(largest patch index,LPI)、邊緣總長(zhǎng)度(total edge,TE)、邊緣密度(edge density,ED)和景觀形狀指數(shù)(landscape shape index,LSI)等6個(gè)常用景觀指數(shù)，運(yùn)用Fragstats 4.2軟件計(jì)算杭州市1992—2013年間的城鎮(zhèn)空間格局特征。

3 杭州市城鎮(zhèn)化及空間格局分析

3.1 燈光強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化水平

目前常用的城鎮(zhèn)化指標(biāo)及測(cè)度方法分為主要指標(biāo)法和復(fù)合指標(biāo)法。為了能夠綜合探索NTL強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化之間的關(guān)系，本文采用復(fù)合指標(biāo)法，選取非農(nóng)人口比重、人口密度、人均GDP及第二、三產(chǎn)業(yè)占比等反映城鎮(zhèn)化水平的指標(biāo)展開研究。基于1992—2013年間杭州市DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)杭州市NTL總強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖3所示。

(a) 非農(nóng)人口比重 (b) 人口密度

(c) 人均GDP(d) 第二、三產(chǎn)業(yè)占比

圖3杭州市NTL總強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化指標(biāo)回歸分析

Fig.3CorrelationsbetweenNTLoverallstrengthandurbanizationindicatorsinHangzhouCity

由圖3可以看出，杭州市NTL總強(qiáng)度(DN總和)與城鎮(zhèn)化各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)較高，表明兩者之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，即DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)可以在市域?qū)用嫔虾芎梅从澈贾菔械某擎?zhèn)化水平。

3.2 區(qū)域城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式

城鎮(zhèn)化伴隨著城市范圍的擴(kuò)張，城鎮(zhèn)擴(kuò)張是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。本文根據(jù)城鎮(zhèn)化過程中城鎮(zhèn)面積的變化特征及相關(guān)研究成果[25]，將城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式分為早期擴(kuò)張型、穩(wěn)步增長(zhǎng)型和后期加速型3類。其中，早期擴(kuò)張型城鎮(zhèn)在發(fā)展初期由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)良好，城鎮(zhèn)化發(fā)展速度較快，伴隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市發(fā)展的制約因素作用凸顯，區(qū)域城鎮(zhèn)化速度逐步放緩，呈對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)； 穩(wěn)步增長(zhǎng)型城鎮(zhèn)區(qū)域擴(kuò)張呈線性，城鎮(zhèn)化增長(zhǎng)速率較為穩(wěn)定； 后期加速型城鎮(zhèn)擴(kuò)張呈指數(shù)狀態(tài)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程主要集中在后期，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的增長(zhǎng)后續(xù)力。本文利用城鎮(zhèn)區(qū)域閾值提取出杭州市主城區(qū)及其轄區(qū)各縣、市的城鎮(zhèn)面積，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)(圖4)。

(a) 主城區(qū)(b) 富陽(yáng)

(c) 淳安 (d) 建德

(e) 桐廬 (f) 臨安

圖4城鎮(zhèn)化擴(kuò)張模式分區(qū)估計(jì)

Fig.4Estimationsforpartitionsofurbanexpansionmodel

本文對(duì)杭州市主城區(qū)、富陽(yáng)、淳安、建德、桐廬及臨安共6大區(qū)域進(jìn)行城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式研究。通過對(duì)其城鎮(zhèn)面積變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，杭州市僅主城區(qū)為穩(wěn)步增長(zhǎng)型城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式，其他縣、市皆為后期加速型。杭州市主城區(qū)為整個(gè)杭州市城鎮(zhèn)化發(fā)展起步最早、水平最高、增長(zhǎng)最穩(wěn)定的區(qū)域，是杭州市經(jīng)濟(jì)、政治和文化中心，具有較好的城鎮(zhèn)化發(fā)展基礎(chǔ)。富陽(yáng)、建德、臨安、桐廬和淳安等地受地形、區(qū)位條件等限制，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，城鎮(zhèn)化發(fā)展基礎(chǔ)差、起步晚、增速緩； 2000年后，隨著全省城鎮(zhèn)化進(jìn)程的全面推進(jìn)，這些地區(qū)的城市擴(kuò)張速度飛速提升，城鎮(zhèn)化水平逐步提高。

3.3 城市空間格局變化分析

研究引入景觀生態(tài)學(xué)中景觀格局及斑塊的概念，選取6個(gè)典型景觀指數(shù)，結(jié)合DMSP/OLS NTL影像數(shù)據(jù)，對(duì)杭州市1992—2013年間城市空間格局進(jìn)行分析，并對(duì)其景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到各指數(shù)在1992—2013年間變化趨勢(shì)(圖5)。

(a) PERIM(b) SHAPE

(c) LSI(d) LPI

(e) TE(f) ED

圖5杭州市1992—2013年間景觀指數(shù)變化趨勢(shì)

Fig.5TrendoflandscapeindexeschangesinHangzhouCityfrom1992to2013

在斑塊層面上，PERIM與SHAPE代表了研究區(qū)域內(nèi)斑塊的大小、復(fù)雜程度以及不規(guī)則程度。研究發(fā)現(xiàn)，杭州市1992—2013年間城市區(qū)域斑塊規(guī)模、復(fù)雜程度以及不規(guī)則程度都有了一定程度的提升，城市斑塊面積逐步擴(kuò)大，且年均增長(zhǎng)速度由2000年以前的1.735%提升到了2000年后的2.855%，表明杭州市整體城鎮(zhèn)化水平逐步上升，且2000年后上升速度明顯提高。

在景觀層面上，TE，ED以及LSI也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明1992—2013年間杭州市城市規(guī)模逐步提升，復(fù)雜性加大，一方面是現(xiàn)有城市的自生發(fā)展，使得城市區(qū)域在空間范圍內(nèi)擴(kuò)展； 另一方面新興中小城市以及衛(wèi)星城鎮(zhèn)的崛起，使大量的非城鎮(zhèn)斑塊轉(zhuǎn)變成城鎮(zhèn)斑塊，也導(dǎo)致了城鎮(zhèn)規(guī)模以及內(nèi)部復(fù)雜性的增大。

LPI是指景觀中最大斑塊面積占景觀總面積的比例，該指數(shù)在一定程度上反映了城鎮(zhèn)擴(kuò)張的集中程度。在研究范圍內(nèi)，杭州市主城區(qū)為NTL圖像中最大斑塊，但因受到土地資源、區(qū)位條件等客觀因素的制約，城市的進(jìn)一步擴(kuò)張受到限制，主城區(qū)的擴(kuò)張速度逐漸變緩，城鎮(zhèn)化的發(fā)展逐步擴(kuò)散到其他區(qū)域，最終導(dǎo)致研究區(qū)域LPI降低； 同時(shí)也反映了杭州市范圍內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展集中程度降低，其他縣、市城鎮(zhèn)化水平逐漸提升，城鎮(zhèn)化發(fā)展重心正在由主城區(qū)向全市其他范圍擴(kuò)散。

3.4 城市空間擴(kuò)展與區(qū)域綜合交通

交通是城市的基本骨架，是城市空間擴(kuò)展的主要內(nèi)在適應(yīng)性因素[26]。交通通過多種作用機(jī)制促進(jìn)城市形態(tài)的發(fā)展變化，直接引導(dǎo)城市空間擴(kuò)展方向，決定城市形態(tài)的發(fā)展，促使城市區(qū)域結(jié)構(gòu)的空間演化和城市形態(tài)的發(fā)展。

本文利用DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)探討城市空間擴(kuò)展與區(qū)域交通之間的關(guān)系，選取杭州市主要河流、高速公路、省道及國(guó)道等主要交通線，從城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展方向與城鎮(zhèn)化水平2個(gè)方面探討區(qū)域綜合交通與城鎮(zhèn)化的關(guān)系。

將通過DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)提取出的1992—2013年間城鎮(zhèn)區(qū)域變化影像與杭州市主要河流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，杭州市城鎮(zhèn)擴(kuò)張范圍主要集中在錢塘江、富春江和天目溪等河流流域，同時(shí)，城鎮(zhèn)擴(kuò)張方向也與主要河流走向一致，主要河流交匯處更易成為區(qū)域城鎮(zhèn)中心。由此可知，主要河流的分布對(duì)于杭州市城鎮(zhèn)化發(fā)展的走向與規(guī)模具有一定的限制與引導(dǎo)作用。

圖6 1992—2013年間杭州市城鎮(zhèn)擴(kuò)張情況Fig.6 Urban expansion in Hangzhou City from 1992 to 2013

城鎮(zhèn)化的外在直接表現(xiàn)是人流、物流和信息流在空間上的集聚和擴(kuò)散，公路交通作為最重要的交通方式是城鎮(zhèn)化的必要條件和有效催化劑，對(duì)城鎮(zhèn)化的發(fā)展具有重大意義。本文選取高速公路、國(guó)道和省道等主要道路指標(biāo)對(duì)杭州市2013年主要公路交通與城鎮(zhèn)化的關(guān)系進(jìn)行探討。分別對(duì)杭州市主城區(qū)、建德、桐廬、臨安、富陽(yáng)和淳安等縣、市內(nèi)高速公路、國(guó)道和省道的長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖7)。

圖7 杭州市交通分布Fig.7 Traffic map of Hangzhou City

計(jì)算公路綜合里程及路網(wǎng)密度[27]，并對(duì)其與相應(yīng)縣、市NTL統(tǒng)計(jì)相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3 公路交通與城鎮(zhèn)化相關(guān)性Tab.3 Correlation between road traffic and urbanization

①*表示顯著相關(guān)(置信度5%)。

表3反映了杭州市各縣、市2013年公路綜合里程和路網(wǎng)密度與提取的城鎮(zhèn)區(qū)域面積、DN總和和區(qū)域DN平均值的關(guān)系?？梢钥闯觯贾菔泄方煌芰εc城鎮(zhèn)區(qū)域面積以及區(qū)域燈光亮度指標(biāo)的相關(guān)性較高，即公路交通能力與城鎮(zhèn)化水平呈正相關(guān)，公路交通能力較強(qiáng)的縣、市也具有相對(duì)較高的城鎮(zhèn)化水平。結(jié)合圖7可見，與其他縣、市相比，DMSP/OLS NTL亮度值高的杭州市主城區(qū)，公路交通網(wǎng)絡(luò)較為密集，同時(shí)也有著較高的城鎮(zhèn)化水平； 而中西部其他縣、市因受到區(qū)位條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和地形地貌等因素影響，公路交通能力及城鎮(zhèn)化發(fā)展相對(duì)較弱。

4 結(jié)論

城鎮(zhèn)化是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，包含了社會(huì)、人口、空間及經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換等多方面的內(nèi)容。本文采用DMSP/OLS的夜間燈光數(shù)據(jù)(NTL)，從地理空間格局角度展開了杭州市城鎮(zhèn)化研究，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)定量分析與定性研究方法在數(shù)據(jù)時(shí)效性、空間分析和數(shù)據(jù)處理等方面的不足。主要結(jié)論如下：

1)通過對(duì)城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式的分析發(fā)現(xiàn)，杭州市僅有主城區(qū)為穩(wěn)步增長(zhǎng)型城鎮(zhèn)擴(kuò)張模式，其他縣、市皆為后期加速型模式； 其城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展都集中在21世紀(jì)初，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。杭州市整體城鎮(zhèn)化發(fā)展格局已經(jīng)由“一點(diǎn)集中”的單核模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭嫱黄啤钡娜虺擎?zhèn)化發(fā)展模式，城鎮(zhèn)化發(fā)展方式及發(fā)展重心都呈現(xiàn)出一定的轉(zhuǎn)變。城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致了城市空間格局的變化，同時(shí)也在城鎮(zhèn)化方向和水平方面與區(qū)域交通表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性。杭州市正處在一個(gè)快速城鎮(zhèn)化和變革的重要階段，要抓住杭州市主城區(qū)的核心帶動(dòng)作用以及輻射作用，依托公路、水路等交通干線，整合資源，通力合作，鞏固歷史城鎮(zhèn)化成果，加快全市城鎮(zhèn)化水平的提升。

2)利用DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)從空間分析角度對(duì)市域城鎮(zhèn)化進(jìn)行研究是一種新的方法嘗試。本文引入景觀生態(tài)學(xué)中的景觀格局及斑塊的概念，并將其應(yīng)用于城鎮(zhèn)化研究，取得了較好的結(jié)果； 同時(shí)，本文創(chuàng)造性的探討了DMSP/OLS NTL強(qiáng)度與區(qū)域綜合交通的關(guān)聯(lián)，對(duì)城市規(guī)劃以及城市研究具有一定的借鑒意義。

本文主要著眼于對(duì)城鎮(zhèn)化趨勢(shì)與現(xiàn)狀的研究，缺乏對(duì)城鎮(zhèn)化過程演變的具體分析，今后應(yīng)從省域乃至國(guó)家尺度開展更為全面深入的城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局研究。

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AstudyofurbanizationprogressandspatialpatternusingDMSP/OLSnighttimelightdata：AcasestudyofHangzhouCity

JIN Pingbin， XU Pengfei

(InstituteofUrbanandRegionalDevelopment，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China)

The DMSP/OLS nighttime light(NTL)data provide an effective approach to characterizing the urbanization progress of cities, especially its spatial-temporal changes. In this paper，the authors combined the DMSP/OLS NTL data with the social economic statistics to examine the urban expansion of Hangzhou City, the capital of Zhejiang Province in eastern coastal region of China, during the period of 1992―2013. The relationship between urban expansion and traffic lines were also detected with the concept of landscape pattern and patches. The results show that the urbanization in Hangzhou City before 2000 was quite slow, and there existed an accelerated process since 2000 due to the development of economy, with the urbanization region also converted from central downtown to other areas along with the process. Further research indicates that the urbanization process in Hangzhou City has a great relevance with transportation in terms of direction and pattern, which might be attributed to the terrain and local condition. It is a novel attempt to investigate the urbanization of Hangzhou City on the basis of the DMSP/OLS NTL data and concepts of landscape, which would provide a significant guideline for the urban planning and development.

DMSP/OLS nighttime light(NTL)data； urbanization； landscape； Hangzhou City

10.6046/gtzyyg.2017.04.31

金平斌,徐鵬飛.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程及格局研究——以杭州市為例[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(4)：205-213.(Jin P B,Xu P F.A study of urbanization progress and spatial pattern using DMSP/OLS nighttime light data：A case study of Hangzhou City[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4)：205-213.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0205-09

2016-06-30；

2016-08-19

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“不同發(fā)展階段下國(guó)家公園管理模式與規(guī)則導(dǎo)則研究”(編號(hào)： LY15G030004)和教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目“基于空間差異的大城市邊緣區(qū)空間識(shí)別方法研究”(編號(hào)： 12YJAZH042)共同資助。

金平斌(1968-)，男，教授,主要從事地理空間與城鎮(zhèn)化方面的研究。Email： chshs@zju.edu.cn。

徐鵬飛(1992-),男,博士研究生,主要從事人文環(huán)境、地理空間與城鎮(zhèn)化方面的研究。Email： crocodile_felix@163.com。

(責(zé)任編輯：張仙)