基于夜間燈光數(shù)據(jù)的廣西城鎮(zhèn)人口估算及城鎮(zhèn)化時空演化特征

覃孔韜 蔣瑜

【摘 要】應(yīng)用夜間燈光數(shù)據(jù)，構(gòu)建人口密度-燈光指數(shù)模型對廣西14個城市的每年城鎮(zhèn)人口進行估算，以及構(gòu)建燈光指數(shù)和傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化指數(shù)的線性回歸模型分析廣西14個城市的燈光指數(shù)的時間演化特征和城市夜間燈光空間演化特征。結(jié)果表明：①人口密度-燈光指數(shù)模型能夠有效地估算廣西每年城鎮(zhèn)人口及廣西各地級市的城鎮(zhèn)人口;②2003—2013年，廣西城市夜間燈光區(qū)域面積顯著增加，整體面積增長率為184.45%;③廣西城鎮(zhèn)化重心是南寧和柳州兩大城市，其對周邊城鎮(zhèn)有輻射帶動作用且?guī)幼饔弥饾u加強;④廣西中小城市城鎮(zhèn)化發(fā)展的過程基本是由點狀到帶狀或點狀到帶狀再到面狀，并且城鎮(zhèn)化發(fā)展主要是沿著交通干線擴張;⑤廣西城鎮(zhèn)化演化過程中，桂南相對城鎮(zhèn)化水平高，桂中、桂東、桂北次之，桂西最低。利用夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建城市人口估算模型和分析廣西城鎮(zhèn)化時空演化特征對城市人口增長、人口流動的趨勢、城市空間演變趨勢及未來城鎮(zhèn)化發(fā)展有著一定的參考和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】DMSP/OLS;人口密度-燈光指數(shù)模型;城市人口;城市夜間燈光指數(shù)（CNLI）;城鎮(zhèn)化水平

【中圖分類號】C924.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0033-05

城鎮(zhèn)化發(fā)展水平是一個地區(qū)的經(jīng)濟、政治、文化、教育、科技等指標現(xiàn)代化發(fā)展的綜合體現(xiàn)。隨著遙感技術(shù)的成熟，越來越多的國內(nèi)外學者運用MSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)分析城市化、城市擴張、城市群演變、城市人口問題，夜光數(shù)據(jù)能夠更直觀地觀察一個城市時空格局的改變。從以往的學術(shù)成果來看，利用夜間燈光數(shù)據(jù)對在經(jīng)濟較落后區(qū)域的城鎮(zhèn)化研究及對城市人口估算研究還比較薄弱。在城市人口估算方法上，大多數(shù)學者都是利用夜間燈光數(shù)據(jù)與城市人口建立線性回歸模型進行城市人口預測，忽略了人口自然增長規(guī)律。

廣西屬于我國經(jīng)濟落后地區(qū)，自治區(qū)內(nèi)的各個城市發(fā)展規(guī)模差距也很大，鑒于此原因，本文將夜間燈光數(shù)據(jù)、人口密度結(jié)合馬爾薩斯人口增長模型進行城市人口估算，利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)探討城市時空演變特征，認識目前廣西城市的空間格局，對評估廣西城市的空間演變趨勢及未來城鎮(zhèn)化重心有重大的參考意義。

1 研究區(qū)概況

廣西是我國唯一一個沿海自治區(qū)，位于我國華南的西部，其地理坐標處于東經(jīng)104°28′～112°04′，北緯20°54′～26°24′，面積約23.67萬km2，首府城市是南寧市，下轄14個地級市。在國家許多政策的支持下，廣西城鎮(zhèn)化步伐逐漸加速，城市土地不斷擴建，且擴建的速度明顯增加。2013年廣西被劃入“一帶一路”倡議，成為21世紀海上絲綢之路與絲綢之路經(jīng)濟帶有機銜接的重要門戶。廣西特殊的地理位置，使其成為我國西南部發(fā)展的關(guān)鍵突破口。廣西壯族自治區(qū)還有與東南亞國家相鄰與相望的區(qū)位優(yōu)勢，廣西各個城市的發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)有利于我國與東南亞各國更友好地交易往來。

2 數(shù)據(jù)來源

DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2003—2013年的全球夜間燈光數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km左右，數(shù)據(jù)的像元灰度值（DN）的范圍為0～63，飽和的灰度值為63，黑暗的或者不穩(wěn)定的燈光區(qū)域的灰度值為0。

數(shù)據(jù)預處理：利用ARCGIS對中國區(qū)域夜間燈光數(shù)據(jù)校正的方法，進行數(shù)據(jù)校正。步驟如下：提取亮值像元影像→獲取穩(wěn)定亮值像元影像→穩(wěn)定亮值像元影像DN值校正（多傳感器影像數(shù)據(jù)DN值校正、多傳感器同一年度影像數(shù)據(jù)DN值校正及多傳感器多年度影像數(shù)據(jù)DN值校正）。

所有的城鎮(zhèn)人口、建成區(qū)面積、第二及第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值等社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自廣西統(tǒng)計局發(fā)表的《廣西統(tǒng)計年鑒（2004—2014）》。

3 研究方法

3.1 反映城鎮(zhèn)化水平的夜間燈光指數(shù)模型的構(gòu)建

參考陳晉與楊眉等人提出的方法，采用城鎮(zhèn)化水平的綜合夜間燈光綜合指數(shù)（CNLI）評價廣西沿海城市的城鎮(zhèn)化水平。

CNLI的計算公式如下：

CNLIj=P1×Ij+P2×Sj（1）

公式（1）中，I為城市的平均燈光強度，S為城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例，P1、P2代表的是I與S的權(quán)重，通過相關(guān)分析得到P3=0.8，P2=0.2。

城市的平均燈光強度I的計算公式如下：

公式（2）中，DNi值為第i灰度等級的像元灰度值，Ni為第i灰度等級的所有像元數(shù)，N為63≤DN≤1的所有像元總數(shù)。

城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例S計算公式如下：

公式（3）中，Nt為63≤DN≤1的所有像元個數(shù)，N為區(qū)域內(nèi)總的像元個數(shù)。

3.2 傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化水平復合指數(shù)的構(gòu)建

本文選擇用市鎮(zhèn)人口比例、建成區(qū)面積比例、第二和第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值比例構(gòu)建涵蓋人口、土地、經(jīng)濟3個維度的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化水平復合指數(shù)（ULI）。

ULI的計算公式如下：

公式（4）中，mi為反映各類城鎮(zhèn)化水平的因子，pi為每個因子的權(quán)重。

3.3 城市人口估算模型：人口密度-燈光指數(shù)模型

與以往利用夜間燈光數(shù)據(jù)估算城市人口方法不同，本文采用人口密度與燈光指數(shù)的比值，結(jié)合馬爾薩斯人口增長模型■，模擬城市人口數(shù)量。

公式（5）、公式（6）中，ρi為人口密度，Hi為人口密度-燈光指數(shù)的比值，r為增長率，t為年份。

4 結(jié)果與分析

4.1 基于人口密度-燈光指數(shù)模型的廣西城市人口估算

對于人口基數(shù)龐大的中國來說，統(tǒng)計城市人口需要花費非常多的時間且有一定的難度，本文基于燈光指數(shù)及往年的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)構(gòu)建城市人口密度-燈光指數(shù)模型，為以后的城市人口統(tǒng)計提供決策和參考。

根據(jù)公式（5）、公式（6），分別計算2003年與2013年廣西城市的人口密度，算出近兩年城市人口密度-燈光指數(shù)比值H2003和H2013，并用這兩個比值算出增長率為0.018 369 24，得出Ht=H2003×e0.018 369 242 （t-2003），利用這個人口密度-燈光指數(shù)模型對2004—2013年的廣西城市人口進行精度驗證，得出以下結(jié)果。

對廣西年際間城市人口數(shù)量估算總體來說是良好的，這10年來城市人口估算的平均誤差為2.1%，總體誤差小于10%。其中，基于上述模擬研究表明，從2004—2013年，人口誤差最大的是2004年和2006年，誤差百分比為7.28%和5.91%，其他年份誤差都較小，均低于5%?？傮w上，年際間的人口模擬誤差都在10%以內(nèi)，所以人口密度-燈光指數(shù)模型適用于廣西年際間的城市人口模擬。

基于人口密度-燈光指數(shù)模型模擬2013年廣西各市城市人口也比較良好，其中梧州、防城港、貴港、河池、崇左這幾個城市的誤差超10%，誤差人口為16.07萬、5.33萬、35.52萬、26.46萬、16.20萬，其余城市誤差在10%以內(nèi)，南寧、柳州和玉林3個城市的誤差最小，誤差人口為1.7萬、0.22萬、6.88萬。造成誤差較大的主要原因如下：①防城港市位于廣西沿海地區(qū)，夜間燈光數(shù)據(jù)集中在防城港的沿海地區(qū)，防城港市的人口誤差主要是夜間防城港港口區(qū)存在裝貨卸貨等導致該市的燈光指數(shù)過高;②貴港市和梧州市位于廣西東部，與廣東臨近，并且有參與珠江-西江經(jīng)濟帶的經(jīng)濟政策發(fā)展，西江航運出現(xiàn)燈光指數(shù)過飽和，以及人口流動性高，人們經(jīng)常往返廣東、廣西兩地;③崇左市和河池市位于廣西西部，其經(jīng)濟發(fā)展一直落后于廣西的其他地區(qū)，崇左市和河池市人口流動性比較大，主要是人口輸出大，崇左市為南寧市臨市，人口會向南寧市流動，而河池市人口會向柳州市流動，也有向其他地區(qū)流動。

總體上，人口密度-燈光指數(shù)模型對廣西年際間的城市人口或某年間的廣西各個城市的城市人口進行人口模擬結(jié)果是良好的，此模型也可以估算2013年以后的廣西城市人口，方便快捷地獲取區(qū)域的城市人口數(shù)。

4.2 ULI-CNLI的線性回歸模型

夜間燈光數(shù)據(jù)探討城鎮(zhèn)化問題，必須證明夜間燈光數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化復合指數(shù)具有相關(guān)性，將廣西壯族自治區(qū)內(nèi)所有城市的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化指數(shù)（ULI）與夜間燈光指數(shù)（CNLI）進行最小二乘擬合，構(gòu)建傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化水平復合指數(shù)與城市夜間燈光指數(shù)的一次線性回歸模型，得出擬合曲線表達式如下：

ULI=1.526 25×CNLI-0.001 3（R2=0.766 7）

模型擬合決定系數(shù)為R2=0.766 67，該決定系數(shù)表示廣西的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化水平復合指數(shù)與夜間燈光指數(shù)的線性擬合結(jié)果較好。兩者的相關(guān)關(guān)系也很好，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.888 19，證明廣西所有的城市近11年的城市夜間燈光指數(shù)可很好地反映城鎮(zhèn)化水平的變化特征。

4.3 2003—2013年廣西城鎮(zhèn)化燈光指數(shù)時間演變特征

4.3.1 廣西各市的燈光指數(shù)值地域差異明顯

北海市、南寧市的燈光指數(shù)遠遠高于廣西的其他各市，但在2007年以前，北海市的燈光指數(shù)略高于南寧市，其中一個主要原因是之前國家致力于扶持沿海城市，在有利的政策支持下，北海市第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上，促使北海的經(jīng)濟快速發(fā)展;南寧市為廣西的省會城市，人口基數(shù)大，城市的基礎(chǔ)設(shè)施要比廣西其他城市完善，因此北海市和南寧市的城鎮(zhèn)化遠遠高于其他城市。柳州市的夜間燈光指數(shù)也較高，穩(wěn)居廣西第三，這可能與其是廣西第一大工業(yè)城市及廣西的鐵路樞紐有關(guān)，其工業(yè)和交通都很發(fā)達。賀州市的夜間燈光指數(shù)一直居于末尾。根據(jù)2013年的燈光指數(shù)結(jié)果顯示，廣西14個城市的城鎮(zhèn)化水平可以劃分為4個等級：南寧、北海、柳州是相對高城鎮(zhèn)化的第一等級地區(qū)，桂林、梧州、防城港、欽州是城鎮(zhèn)化較高的第二等級地區(qū)，百色、貴港、崇左、來賓、玉林、河池這6個城市為相對中間城鎮(zhèn)化的第三等級地區(qū)，而賀州的城鎮(zhèn)化發(fā)展最緩慢，處于第四等級。

4.3.2 近11年的廣西各市的城鎮(zhèn)化進程速度不均衡

2003—2008年，廣西14個城市的城鎮(zhèn)化步伐速度加快，呈現(xiàn)快速增長的趨勢。2008—2013年間，防城港市、欽州市、北海市、南寧市的城鎮(zhèn)化進程都保持較快速增長，特別是防城港市如同一匹黑馬，城鎮(zhèn)化進程一直保持較快的速度，而其他城市都進入緩慢持續(xù)平穩(wěn)增長階段，這主要得益于建立廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)政策的出臺，國家開始對廣西桂南地區(qū)的“南北欽防”4市重點開發(fā)，使4市的城鎮(zhèn)化加速發(fā)展。

4.3.3 廣西各個城市燈光指數(shù)增長不均衡

2003—2013年的燈光指數(shù)增長，防城港市最明顯，增長率為52.1%;崇左市次之，增長率為42%;其他城市的燈光指數(shù)增長率都在35%以下。反映出防城港城鎮(zhèn)化進程的速度都大于廣西其他各市，在2003—2013年期間，防城港市城鎮(zhèn)化日益明顯。崇左市自2003年立市以來，城市建設(shè)日益完善，與同年立市的來賓市和賀州市相比，城鎮(zhèn)化進程更加明顯，這主要是崇左位于邊境地區(qū)，位于南寧市旁邊，地勢優(yōu)越，城市發(fā)展條件與其他兩市相比具有優(yōu)勢（如圖1所示）。

4.4 2000—2013年廣西城市燈光空間演變特征

利用ARCGIS軟件及結(jié)合米曉楠[12]等學者所提出的方法對夜間燈光影像的DN值進行重新分類并提取城鎮(zhèn)區(qū)域，本文將DN值大于8的夜間燈光區(qū)域劃為城鎮(zhèn)區(qū)域。分析廣西壯族自治區(qū)2003年、2008年、2013年城鎮(zhèn)夜間燈光擴張圖（如圖2所示）的結(jié)果如下。

2003年夜間燈光區(qū)域主要集中在桂南的南寧市區(qū)、北欽防沿海地區(qū)，桂中的柳州市市區(qū)，桂北的桂林市區(qū)，這些燈光分布非常集中，都是以面狀形式存在的，而其他地區(qū)燈光都是以點狀形式存在，桂西地區(qū)夜間燈光較弱。由此反映了2003年廣西各個城市中，南寧市、柳州市、桂林市這幾個城市發(fā)展比較突出，與其他城市相比，城市建設(shè)較好，城鎮(zhèn)化水平較高。桂西地區(qū)城鎮(zhèn)水平較低。

2003—2008年間，廣西各市夜間燈光面積大量增加，5年間廣西各個城市飛速發(fā)展，廣西的交通越來越完善，各個城市的聯(lián)系更加緊密。其中，桂南地區(qū)燈光面積增加144%，桂西地區(qū)燈光面積增加130.04%，桂東地區(qū)燈光面積增加164.23%，桂中地區(qū)燈光增加216.48%，桂北地區(qū)燈光增加39.3%?！澳媳睔J防”4市的交通干線G75高速公路-南北高速公路段已經(jīng)全面通車，沿著高速公路夜間燈光分布逐漸呈帶狀分布，新城鎮(zhèn)沿著交通干線有逐漸形成的趨勢，來賓市的夜間燈光增加較明顯，隨著交通的完善，來賓市夜間燈光區(qū)域逐漸往柳州市呈帶狀擴張，與柳州市區(qū)的夜間燈光分布形成較大的塊狀分布，城鎮(zhèn)面積大部分增加，城鎮(zhèn)化進程顯著。桂東地區(qū)貴港市和玉林市城鎮(zhèn)也有較大的發(fā)展，擴張區(qū)域明顯，桂西地區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展依舊緩慢。

2008—2013年間，全廣西2013年的夜間燈光面積與2008年相比是增加的，在2008年的基礎(chǔ)上，2013年城鎮(zhèn)區(qū)域增加61.11%。其中最明顯的是桂南、桂西地區(qū)、桂中地區(qū)。桂南以南寧市為核心的“南北欽防”4個城市城鎮(zhèn)化進程好，將形成具有海港、工業(yè)聚集職能的都市圈。桂西地區(qū)的崇左市和百色市夜間燈光往南寧方向形成帶狀，崇左市和百色市城鎮(zhèn)化進程非?？?，而河池市城市建設(shè)及發(fā)展依舊緩慢。來賓市和柳州市城鎮(zhèn)發(fā)展較迅速，特別是來賓市。其他地區(qū)的夜間燈光面積都是在原有的基礎(chǔ)上離心擴張，城鎮(zhèn)化進程持續(xù)增加。從圖2可以看出，桂南地區(qū)、桂中地區(qū)、崇左市的燈光面積增加最多，城鎮(zhèn)的擴展區(qū)域也是最多，而廣西西北部城鎮(zhèn)的發(fā)展還是依舊緩慢。

總體來說，廣西各市的城鎮(zhèn)化進程是比較緩慢的。2003年，其夜間燈光區(qū)域基本形成，之后城市擴張基本是以點狀，或圍繞市轄區(qū)，或慢慢沿著交通干線由帶狀逐漸形成面狀的方式向四周擴散。2003—2013年，總體的燈光空間演變與燈光指數(shù)演化特征是比較相似的，廣西的各個城市的燈光面積一直增加，2003—2008年期間廣西城鎮(zhèn)的面積擴展非常多，且擴展的速度快，而2008—2013年廣西城鎮(zhèn)增加的面積減少，擴展速度也下降。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

利用夜間燈光數(shù)據(jù)估算城市人口及分析2003—2013年的廣西城鎮(zhèn)化燈光指數(shù)時間變化特征及夜間燈光區(qū)域空間上的演變特征，得出以下結(jié)論。

（1）提出的人口密度-燈光指數(shù)模型對廣西的城市人口進行估算，其估算結(jié)果較好，為以后的小區(qū)域內(nèi)的城市人口估算提供了新的思路和方法。本文的城市人口估算模型也可以應(yīng)用于全國其他城市人口估算，但基于廣東省、上海市、北京市都有較大的人口流動，與廣西較緩慢增長的城市人口類型不同，該模型可能不適用。

（2）廣西在2003—2013年沒有出現(xiàn)極端性的人口往城市集中的過程，廣西的城市人口增長還是較緩慢的，特別是受地形影響，經(jīng)濟較落后、城鎮(zhèn)化水平低的廣西西北部城市，廣西大部分人口基本是向外省輸出為主。

（3）廣西14個城市近11年的燈光指數(shù)均為持續(xù)增長狀態(tài)，其中2003—2008年的燈光指數(shù)值增長比較快速，2008—2013年的燈光指數(shù)值增長速度較慢。2003—2013年間，廣西各城市的城鎮(zhèn)區(qū)域面積均呈顯著性增加，其面積整體增長率為184.45%。

（4）廣西城鎮(zhèn)化重心主要是南寧市和柳州市，周圍城市圍繞著這兩個重心發(fā)展。隨著時間的推移，這兩個中心城市對周邊城鎮(zhèn)的輻射帶動作用加強，周邊中小城市不斷發(fā)展，新小城鎮(zhèn)不斷增加，城市的空間體系差距也不斷縮小。

（5）廣西中小城市的城鎮(zhèn)化發(fā)展的過程基本是由點狀到帶狀或點狀到帶狀再到面狀。城鎮(zhèn)化的擴張主要是沿著交通干線，在交通干線附近會有城鎮(zhèn)和城市的興起。

（6）廣西14個城市近11年夜間燈光指數(shù)和夜間燈光空間演變特征顯示，整體上，廣西各城市的發(fā)展都呈不均衡的狀態(tài)，桂南城市的城鎮(zhèn)化水平相對最高，其次是桂中、桂東、桂北，最后為桂西。

5.2 討論

文章基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)建立人口密度-燈光指數(shù)模型對城市人口模擬及燈光指數(shù)-傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)化復合指數(shù)模型，較好地表征了夜間燈光數(shù)據(jù)可模擬城市人口及城鎮(zhèn)化演化特征。本文也發(fā)現(xiàn)有些城市長時間序列的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化水平復合指數(shù)變化趨勢與夜間燈光數(shù)據(jù)的燈光指數(shù)變化趨勢不是很吻合，這可能是夜間燈光數(shù)據(jù)校正所出現(xiàn)的誤差。本文選取的指標具有局限性，在統(tǒng)計年鑒中會看到有些城市的指標數(shù)據(jù)會比往年突然猛增或猛減，這些誤差和數(shù)據(jù)的局限性會導致本文計算出的數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出來的模型并不是很完美，因此在后續(xù)的研究中應(yīng)該收集更多的數(shù)據(jù)，引入更多的變量，以及做好數(shù)據(jù)的誤差矯正，能更深入地分析區(qū)域的城鎮(zhèn)化水平，給區(qū)域規(guī)劃發(fā)展提供更有利的決策和參考。

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