基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的陜西省近20年城市化空間分異特征研究

王 釗

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014)

城市化發(fā)展水平是一個地區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，20世紀(jì)90年代末，中國出現(xiàn)了規(guī)模較大的人口遷移、土地變化、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,引起了眾多學(xué)者關(guān)注[1-3]。當(dāng)前，主要聚焦在城市土地利用變化、城市空間發(fā)展變化監(jiān)測、空間格局分析和擴(kuò)展模型模擬等, 從較大尺度對變化過程的研究較少[4]，難以滿足中國大陸宏觀城市空間格局和變化過程研究的需要。

美國國防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program,DMSP)搭載的OLS(operational linescan system)傳感器為大尺度城市研究提供了一種新的數(shù)據(jù)獲取手段。DMSP/OLS衛(wèi)星有別于對太陽光的反射輻射特征進(jìn)行監(jiān)測的LANDSAT、SPOT和AVHRR 傳感器, 能夠探測到燈光甚至車流等發(fā)出的低強(qiáng)度燈光, 使之區(qū)別于黑暗的鄉(xiāng)村背景，空間和時間分辨率同AVHRR 相當(dāng), 比較適合動態(tài)監(jiān)測[3-6]。目前, 國外許多學(xué)者利用DMSP/OLS 數(shù)據(jù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)擴(kuò)展研究[6-13]。其中以城市空間特征信息等方面的應(yīng)用最為廣泛，在此基礎(chǔ)上部分學(xué)者還討論了快速城市化過程生態(tài)效應(yīng)[3]、城市空間演化過程、城市用地空間擴(kuò)展類型特征[14]、城市GDP空間化[15]等一系列問題。李景剛等[16]以環(huán)渤海為研究區(qū)，分析研究區(qū)域城市空間演化過程。王躍云等[17]利用DMSP數(shù)據(jù)提取了江蘇建設(shè)用地空間分布。何春陽等[14]結(jié)合多種數(shù)據(jù)，研究了城市化發(fā)展過程對不同植被初級生產(chǎn)力所帶來的影響?？傮w上，利用燈光數(shù)據(jù)，在區(qū)域尺度上對城市群空間發(fā)展模式和過程研究還比較薄弱。

近年來，伴隨國家加大對中西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的投入，西北地區(qū)正在進(jìn)行著快速的城市化。作為關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心，陜西省已經(jīng)形成了以西安為中心的關(guān)中大型的城市群，未來5年內(nèi)城市化會進(jìn)入高速發(fā)展階段，即將形成“一核四極、兩軸兩帶”的城鎮(zhèn)體系，省域城鎮(zhèn)體系將呈現(xiàn)新格局。同時伴隨快速城市化發(fā)展，城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境也變得脆弱。因此，提取城市發(fā)展的空間信息，了解城市發(fā)展的空間模式及城市空間演化過程，對于系統(tǒng)認(rèn)識理解城市群的空間發(fā)展過程、優(yōu)化土地格局，降低和防范城市群生態(tài)環(huán)境風(fēng)險有著重要的意義。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

研究區(qū)域是陜西省，位于中國內(nèi)陸腹地，黃河和長江流域中部，地理坐標(biāo)處于東經(jīng)105°29′～111°15′，北緯31°42′～39°35′，面積約21萬km2，下轄西安一副省級市、寶雞等九地級市及農(nóng)業(yè)示范區(qū)楊凌。

采用的數(shù)據(jù)包括兩個方面。(1)遙感數(shù)據(jù)：DMSP/OLS夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)(nighttime lights，NTL )，來自于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)2010年發(fā)布的第四版數(shù)據(jù)，主要利用各年9—11月月光照度在50%以下的多時相OLS數(shù)據(jù)制成，空間分辨率接近1 km，像元灰度(digital number， DN)值范圍為0～63，降噪處理時噪聲點(diǎn)賦值0，數(shù)據(jù)時間跨度從1992—2013年，涵蓋了F10、F12、F14、F15、F16和F18等6顆衛(wèi)星。(2)統(tǒng)計數(shù)據(jù)：所用的人口、經(jīng)濟(jì)等社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于陜西省統(tǒng)計局發(fā)布的2000—2008年《陜西統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 DMSP/OLS數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包含：裁剪、空間校正、定標(biāo)處理幾個步驟，其中定標(biāo)是預(yù)處理的重點(diǎn)，1992—2013年DMSP/OLS NTL數(shù)據(jù)包含了6顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，由于傳感器之間存在差異且隨著時間衰減，使得多顆衛(wèi)星獲取的長時間序列數(shù)據(jù)缺乏可比性，因此首先要進(jìn)行不同衛(wèi)星之間的交叉定標(biāo)[18-19]。由圖1可知，未經(jīng)過定標(biāo)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間存在較大的差異，由于F18衛(wèi)星的數(shù)據(jù)與其余5顆衛(wèi)星差異較大,因此本文在其余5顆衛(wèi)星中選擇了F16的2010年數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),進(jìn)行交叉定標(biāo)。

定標(biāo)方法采用Elvidge[18]提供的方法，首先選擇定標(biāo)區(qū)域，主要考慮兩個條件：(1)所選區(qū)域的空間范圍在1992—2013年擴(kuò)張不明顯；(2)所選區(qū)域DN值涵蓋0～63的數(shù)值。經(jīng)過多次試驗(yàn)，定標(biāo)區(qū)域最終由兩部分組成：DN值變化較為穩(wěn)定的西安城市中心二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，關(guān)中和陜南DN值跨度較大且多年變化值較小的中小縣城區(qū)域作為定標(biāo)點(diǎn)。

圖1 定標(biāo)前不同衛(wèi)星得到的NTL時間序列數(shù)據(jù)

根據(jù)所選區(qū)域2010年像素DN值,利用二階多項(xiàng)式回歸模型

DN訂正值=c+b×(DN值)+a×(DN值)2，

(1)

分別計算了F10、F12、F14、F15、F16和F18衛(wèi)星每年的回歸系數(shù)a、b、c，利用系數(shù)和模型得到訂正后的DN值,遇到相重疊的衛(wèi)星數(shù)據(jù)時選擇相關(guān)系數(shù)R值最大時的數(shù)據(jù)，得到1992—2013年定標(biāo)后的時間序列數(shù)據(jù)。

2.2 陜西NTL數(shù)據(jù)變化特征

圖2給出定標(biāo)后得到的1992—2013年NTL數(shù)據(jù)像元總數(shù)變化時間序列，定標(biāo)后數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的增加趨勢。

圖2 定標(biāo)后陜西省NTL時間序列數(shù)據(jù)

2.3 反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)構(gòu)建

在對燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)后，采用陳晉等[3]給出的方法來定義城市化水平的燈光指數(shù)(NCLI)，區(qū)域j的燈光指數(shù)值為

(NCLI)j值=Ij·W1+Sj·W2。

(2)

其中，Ij和Sj分別為區(qū)域j平均燈光強(qiáng)度指標(biāo)和燈光面積指標(biāo)，W1和W2為其權(quán)重，通過相關(guān)分析得到[14]，本文取W1=0.9，W2=0.1。

區(qū)域平均燈光強(qiáng)度指標(biāo)Ij定義為

(3)

公式(3)中(DN)i值為區(qū)域內(nèi)第i等級的灰度值，ni為區(qū)域內(nèi)第i灰度等級的像元總數(shù)，N為區(qū)域內(nèi)所有燈光像元總數(shù)(63≥DN值≥1)，63為最大灰度等級。Ij表征了相對于最大可能燈光強(qiáng)度的比例關(guān)系。

區(qū)域燈光面積指標(biāo)Sj定義為：區(qū)域內(nèi)所有燈光像元的總面積An(63≥DN值≥1)占整個區(qū)域面積A(63≥DN值≥0像元之面積)的比例，即

Sj=An/A，

(4)

反映了燈光的空間延展特性。

利用上述公式和定標(biāo)后的時間序列數(shù)據(jù)計算NCLI值。

3 結(jié)果分析

3.1 ULI-NCLI相關(guān)關(guān)系的建立

地表夜間燈光的強(qiáng)度及空間分布與人類活動息息相關(guān),人類活動頻繁區(qū)域的城市化發(fā)展水平較高，因此夜間燈光數(shù)據(jù)對城市化水平[20]有較好的代表性。常用的城市化水平指數(shù)單一指標(biāo)有城鎮(zhèn)人口比例、建成區(qū)面積比例、恩格爾系數(shù)等。但是城市化是社會結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)生活方式的根本性轉(zhuǎn)變[20]，單一指標(biāo)不足以表示城市化的深刻內(nèi)涵，學(xué)者們在多年研究中從綜合的角度構(gòu)建了多種城市化水平指數(shù)。

本文主要利用城鎮(zhèn)人口比例、二三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比例和建成區(qū)面積比例分別表征人口城市化水平、經(jīng)濟(jì)城市化水平和土地城市化水平,在此基礎(chǔ)上計算傳統(tǒng)城市化水平指數(shù)ULI值，即

(5)

其中ui為城市化水平評價的三個因子，wi為各因子的權(quán)重，本文認(rèn)為3個因子影響是均等的，因此權(quán)重均取1/3。

利用統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，計算2000—2008年陜西省10個地市的ULI值，得到71個樣本。同時根據(jù)公式(2)、(3)、(4)得到2000—2008年NCLI值。對研究區(qū)域內(nèi)的71個樣本進(jìn)行線性回歸分析，得到城市化水平因子和城市化水平燈光指數(shù)之間的線性統(tǒng)計關(guān)系：

ULI值=0.120 9×NCLI值+

14.376 2。

(R2=0.650 1)

城市化水平因子與城市化水平燈光指數(shù)相關(guān)關(guān)系較好，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.806(見圖3)。因此，近20年燈光數(shù)據(jù)的空間變化特征對城市化具有較好的代表性。

圖3 ULI-NCLI線性回歸分析

3.2 1992—2013年燈光指數(shù)時間變化特征

圖4給出了陜西省關(guān)中、陜南和陜北1992—2013年NCLI時間變化特征，由圖4可以看出：(1)近20年全省城市發(fā)展呈現(xiàn)出不均衡的態(tài)勢。1992—2000年城市化發(fā)展較為緩慢，呈弱增加趨勢；2001年開始城市化發(fā)展開始加速，主要是由于西部大開發(fā)戰(zhàn)略的刺激作用，使陜西省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展加速。(2)陜西省內(nèi)燈光指數(shù)值分布不均。關(guān)中最高，陜北其次，陜南最低，表明關(guān)中地區(qū)城市化水平最高，其次為陜北地區(qū)，陜南地區(qū)城市化水平最低，這與陜西城市化研究結(jié)果一致。(3)陜西省燈光指數(shù)增長率分布不均。關(guān)中地區(qū)平均增長69.7%/a，西安增長最快，增長率為117%/a；陜北平均增長率為57.4%/a；陜南增長率為42.9%/a。表明近20年陜西城市化發(fā)展速度關(guān)中地區(qū)明顯高于陜北和陜南地區(qū)，陜南地區(qū)城市化發(fā)展速度最慢。(4)西安市燈光指數(shù)明顯高于其他9個地市，表明西安市城市化水平在陜西省最高，主要是因?yàn)槲靼布仁顷兾魇〉氖?，又是西北地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的城市，人口規(guī)模龐大，城市基礎(chǔ)公共設(shè)施的建設(shè)等相對陜西其他城市完善，因此其城市化水平明顯高于其他地區(qū)。

圖4 陜西省1992—2013年NCLI值變化趨勢

3.3 1992—2013年燈光指數(shù)空間變化特征

根據(jù)NCLI值和ULI值的相關(guān)關(guān)系，統(tǒng)計燈光面積數(shù)據(jù)，分析陜西省1992—2013年各地市城市燈光面積的變化特征。

由圖5可知：(1)1992年全省燈光面積較小。密集區(qū)主要集中在以西安為中心的關(guān)中中部地區(qū)，關(guān)中西部和東部有少量分布，陜北和陜南數(shù)量極少；陜西境內(nèi)的燈光主要呈點(diǎn)狀分布特征。表明在20世紀(jì)90年代初，陜西的城市化水平并不發(fā)達(dá)，基本上以點(diǎn)狀的城市分布為主，并未形成顯著的城市群落。(2)1992—1998年，陜西省燈光面積開始增加。關(guān)中地區(qū)1998年增加至1992年的1.32倍，并呈現(xiàn)出點(diǎn)狀分布向面狀分布增長的趨勢，關(guān)中東部和西部以及關(guān)中—陜南方向出現(xiàn)了線狀分布區(qū)域；陜北仍呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，1998年增加至1992年的3.67倍。表明20世紀(jì)90年代后期，陜西城市化較90年代初有了進(jìn)一步的發(fā)展，以西安為中心的關(guān)中城市群開始逐漸形成，線狀燈光區(qū)的出現(xiàn)表明以鐵路、公路和一級公路等組成的交通干線有了明顯的發(fā)展，但此時仍局限在關(guān)中地區(qū)。(3)1998—2004年，陜西省境內(nèi)燈光面積增加仍較緩慢。到2004年為止，陜北燈光面積增加到1992年的7.89倍，關(guān)中、陜南燈光面積分別增加到1992年的2.50和3.23倍；關(guān)中、陜南1992年呈點(diǎn)狀分布的燈光分布開始向面狀擴(kuò)大，同時陜北、陜南出現(xiàn)了新的點(diǎn)狀燈光，并呈密集分布趨勢。表明21世紀(jì)初期，以西安為中心的城市群落已經(jīng)基本形成，交通干線已經(jīng)從關(guān)中區(qū)域擴(kuò)展到了陜南和陜北區(qū)域，陜北和陜南出現(xiàn)了大面積新興小城市和小城鎮(zhèn)。(4)2005—2013年，燈光呈現(xiàn)出迅猛增加的趨勢。與1992年相比，2005年陜北地區(qū)燈光面積為1992年的12.20倍，到2013增加至1992年的152.04倍；關(guān)中、陜南2005年燈光面積為1992年的3.13和4.33倍，到2013年增加至1992年的25.58和94.42倍。陜北燈光大面積的增加主要與陜北地區(qū)油井燃燒有關(guān)。2013年關(guān)中城市群的點(diǎn)狀耀斑區(qū)已經(jīng)連接成線并以大中型城市為中心呈現(xiàn)面狀發(fā)展的趨勢，同時出現(xiàn)了新的點(diǎn)狀耀斑，并呈現(xiàn)出向線狀耀斑發(fā)展的趨勢。21世紀(jì)10年代初，陜西關(guān)中地區(qū)以西安為中心的城市群落已經(jīng)形成，并開始呈現(xiàn)擴(kuò)張的趨勢，交通干線已經(jīng)連接陜北、陜南和關(guān)中的主要城市，新興的城市和城鎮(zhèn)開始大面積出現(xiàn)，并開始呈現(xiàn)出擴(kuò)張的趨勢。

總之，陜西省城市化發(fā)展過程較緩慢，且基本以關(guān)中為中心，城市化過程基本上可以從空間上概括為以大城市周圍的面狀城市化過程、沿交通干線周圍的線狀城市化過程和新型小城市或小城鎮(zhèn)出現(xiàn)為特征的點(diǎn)狀城市化過程等三種基本過程。在三種城市化過程中，關(guān)中主要是面狀城市化過程居優(yōu)勢地位，陜北和陜南則以新型小城市或小城鎮(zhèn)為主的點(diǎn)狀城市化過程為主，線狀城市化過程存在于面狀城市化過程和點(diǎn)狀城市化過程形成的過程中。陜西城市群落的形成基本上開始于21世紀(jì)初期，2005—2013年為城市化迅猛發(fā)展階段，關(guān)中城市群已經(jīng)形成并開始向周圍擴(kuò)張，陜北、陜南的點(diǎn)狀城市化過程開始呈現(xiàn)向面狀城市化過程發(fā)展的趨勢。

圖6給出了陜西省1992—2013年NTL數(shù)據(jù)線性傾向率的變化特征。由圖6可知，燈光增加的面狀區(qū)域主要位于關(guān)中中部以及陜北延安，其中西安二環(huán)以外區(qū)域和咸陽交界區(qū)的增加主要為城市發(fā)展的貢獻(xiàn)，延安北部NTL值大幅增加的區(qū)域和榆林北部局部減少區(qū)域主要與地表油田開采夜間燃燒廢氣有關(guān)。

圖5 陜西省1992、1998、2004和2010年NTL值分布特征

圖6 1992—2013陜西省NTL數(shù)據(jù)線性傾向率圖

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)DMSP/OLS數(shù)據(jù)以及陜西省統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了陜西省1992—2013年間燈光指數(shù)的變化特征，建立了燈光指數(shù)和城市化水平指數(shù)的線性模型，并用該模型分析了陜西省城市化分異情況，得出以下結(jié)論。

(1)陜西地區(qū)城市化水平綜合指數(shù)和燈光指數(shù)存在很好的相關(guān)關(guān)系，通過分析NCLI值可以較好的估算區(qū)域城市化水平。

(2)利用城市化水平綜合指數(shù)和燈光指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，分析了近20 a陜西燈光指數(shù)的時空變化特征。得到時間上陜西省城市發(fā)展呈現(xiàn)出不均衡的態(tài)勢，關(guān)中地區(qū)城市化水平最高，其次為陜北地區(qū)，陜南地區(qū)城市化水平最低。

(3)陜西省城市化發(fā)展過程較緩慢，城市化過程基本上可以從空間上概括為在以關(guān)中地區(qū)城市群為中心和大城市周圍的面狀城市化過程、沿交通干線周圍的線狀城市化過程和陜北、陜南廣大區(qū)域內(nèi)新型小城市或小城鎮(zhèn)出現(xiàn)為特征的點(diǎn)狀城市化過程三種基本過程。在三種城市化過程中，關(guān)中地區(qū)主要是面狀城市化過程居優(yōu)勢地位，陜北和陜南則以新型小城市或小城鎮(zhèn)為主的點(diǎn)狀城市化過程為主，線狀城市化過程存在于面狀城市化過程和點(diǎn)狀城市化過程形成的過程中。陜西地區(qū)城市群落的形成基本上開始于21世紀(jì)初期，2005—2013年為陜西省城市化迅猛發(fā)展階段，關(guān)中城市群已經(jīng)形成并開始向周圍擴(kuò)張，陜北、陜南的點(diǎn)狀城市化過程開始呈現(xiàn)向面狀城市化過程發(fā)展的趨勢。

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