基于夜間燈光遙感數(shù)據(jù)的開發(fā)區(qū)空間擴(kuò)張研究

張?jiān)酪欢?/p>

(武漢大學(xué) 城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

城市開發(fā)區(qū)以其優(yōu)惠的產(chǎn)業(yè)政策與強(qiáng)大的招商引資力度，成為各個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“主戰(zhàn)場”，也是其所依托的主城在城市空間擴(kuò)張上的主要方向。以往對于城市空間擴(kuò)張的研究多使用統(tǒng)計(jì)、日間遙感等數(shù)據(jù)，主要反映的是城市建成環(huán)境方面的變化，但無法直接反映真實(shí)有效的空間發(fā)展，已有研究中對于這類信息的補(bǔ)充往往多通過小規(guī)模的問卷及訪談進(jìn)行。隨著技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的數(shù)據(jù)可以用來增強(qiáng)人們對城市中人類活動(dòng)的觀測。夜間燈光遙感數(shù)據(jù)自發(fā)布以來一直作為城市經(jīng)濟(jì)及人口的代理變量，利用夜間燈光數(shù)據(jù)對城市進(jìn)行研究，可以多層次揭示空間擴(kuò)張的進(jìn)程。武漢東湖高新區(qū)、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)和鄭州航空港區(qū)作為中部地區(qū)開發(fā)區(qū)的典型案例，在發(fā)展上處于不同的階段，對其進(jìn)行研究和對比分析可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同階段各地區(qū)的城市空間擴(kuò)張?zhí)卣鳌?/p>

1 文獻(xiàn)綜述

早在1978年，Croft,T A[1]就從美國軍方衛(wèi)星對夜間云層觀測的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了其在無云的時(shí)段研究人類活動(dòng)的潛力。1992年，美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)的國家地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心(NGDC)制作了第一個(gè)公開的DMSP/OLS數(shù)據(jù)的數(shù)字文件，利用夜間燈光數(shù)據(jù)的研究才開始逐漸增多。已有的研究證明了夜間燈光與經(jīng)濟(jì)、人口等要素的強(qiáng)相關(guān)性[2-4]，以此進(jìn)行城市空間研究，更能代表真實(shí)有效的空間變化情況。

從最初夜間燈光數(shù)據(jù)被發(fā)掘出來用于研究地面人類活動(dòng)開始，研究者就致力于從中提取出城市區(qū)域[5]。識(shí)別城市空間的方法大致可以分為三種：一是利用統(tǒng)計(jì)技巧，對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行分段[6]，該方法適合對目標(biāo)地點(diǎn)缺乏調(diào)研信息的情況下使用，但統(tǒng)計(jì)區(qū)域的不同對結(jié)果有很大影響；二是基于主觀判斷的劃分方法，這種方法對小范圍單一地區(qū)適用，但在跨區(qū)比較時(shí)，較難得出統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7-10]；三是利用人口普查、遙感解譯等數(shù)據(jù)輔助確定劃分標(biāo)準(zhǔn)，該方法在輔助數(shù)據(jù)可靠的情況下能顯著提高識(shí)別的精度[11-12]。

綜上，對于開發(fā)區(qū)這類具有很多產(chǎn)業(yè)及人口活力的地區(qū)，夜間燈光遙感能夠較好地反映人類活動(dòng)在空間上的分布，使用夜間燈光識(shí)別出的空間擴(kuò)張也更具真實(shí)性。對本研究案例所選的三個(gè)開發(fā)區(qū)，使用輔助數(shù)據(jù)幫助確定空間劃分標(biāo)準(zhǔn)更加可行且可靠。

2 數(shù)據(jù)及研究地點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究使用的NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)是由NOAA及NASA于2011年10月聯(lián)合發(fā)射的衛(wèi)星，星上搭載的VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer)有一個(gè)專門用于探測低照度光線的DNB(Day/Night Band)通道，相較于以往在夜間燈光遙感領(lǐng)域常用的DMSP/OLS，大大提高了數(shù)據(jù)在空間和精度上的分辨率。在NOAA官方網(wǎng)站(https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html)下載得到月度平均合成數(shù)據(jù)，之后對月度數(shù)據(jù)進(jìn)行合并計(jì)算平均值得到年平均數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

在本研究中，輔助使用2017年武漢市東湖高新區(qū)的土地利用圖斑數(shù)據(jù)，對夜間燈光數(shù)據(jù)從低到高分為低活力地區(qū)(“農(nóng)村地區(qū)”)、中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)、高活力地區(qū)(“城市地區(qū)”)三類。通過統(tǒng)計(jì)武漢幾個(gè)核心城區(qū)(武昌、漢陽、洪山等)除水域以外，其夜間燈光亮度最小值的范圍普遍在4～20，平均數(shù)與中位數(shù)普遍在13左右，結(jié)合最終分類效果，將高活力地區(qū)(“城市地區(qū)”)的閾值設(shè)置為10。根據(jù)2017年武漢市東湖高新區(qū)的土地利用圖斑數(shù)據(jù)，當(dāng)將中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)的閾值設(shè)置為2時(shí)，其當(dāng)年的夜間燈光影像中，中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)可以較好地覆蓋土地利用中的城市建設(shè)類用地。因此，對于武漢、鄭州兩地，將夜間燈光照明區(qū)域的閾值統(tǒng)一設(shè)定為2和10，分別作為低活力地區(qū)(“農(nóng)村地區(qū)”)與中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)和中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)與高活力地區(qū)(“城市地區(qū)”)之間活力水平的分界點(diǎn)。

2.3 研究地點(diǎn)概述

武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)(以下簡稱東湖高新區(qū))位于湖北省武漢市中心城區(qū)東部，北臨長江與東湖，東臨鄂州，南至湯遜湖。1992年3月被國務(wù)院批準(zhǔn)成為國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，劃定第一批23 km2管轄區(qū)域，2009年底，東湖高新區(qū)獲批成為繼北京中關(guān)村之后第二個(gè)國家自主創(chuàng)新示范區(qū)。歷經(jīng)多次擴(kuò)張，目前總面積518 km2。東湖高新區(qū)現(xiàn)已形成以光電子、生物醫(yī)藥、芯片制造等高科技領(lǐng)域?yàn)橹鞯漠a(chǎn)業(yè)體系。

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的建立始于20世紀(jì)80年代二汽的30萬輛轎車項(xiàng)目。1988年，國務(wù)院批準(zhǔn)二汽轎車總裝廠落戶武漢，為做好前期準(zhǔn)備工作，市委市政府成立了沌口開發(fā)區(qū)籌建工作領(lǐng)導(dǎo)小組。1992年，神龍汽車有限公司在武漢掛牌成立，此時(shí)的開發(fā)區(qū)也更名為武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)。1993年獲國務(wù)院批準(zhǔn)成為國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，1991年一期工程開工建設(shè)時(shí)，開發(fā)區(qū)用地面積約為10 km2，之后經(jīng)過了多次托管，面積達(dá)到489.7 km2。經(jīng)過30多年的發(fā)展，武漢經(jīng)開區(qū)已形成以汽車整車制造以及相關(guān)零配件、電子電器、食品工業(yè)等為核心的產(chǎn)業(yè)集群。

鄭州航空港區(qū)設(shè)立始于2007年，市政府牽頭成立了“富士康科技集團(tuán)鄭州投資項(xiàng)目協(xié)調(diào)推進(jìn)領(lǐng)導(dǎo)小組”，同年河南省委省政府批準(zhǔn)設(shè)立鄭州航空港區(qū)。2010年富士康開工建設(shè)，同年10月國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立鄭州新鄭綜合保稅區(qū)。2013年，國務(wù)院批準(zhǔn)《鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)發(fā)展規(guī)劃(2013-2025年)》，鄭州航空港區(qū)的發(fā)展從此走上正軌。鄭州航空港區(qū)設(shè)立之初的轄區(qū)面積有138 km2，經(jīng)過多次擴(kuò)張，目前轄區(qū)面積達(dá)到了415 km2。現(xiàn)在，鄭州航空港區(qū)已發(fā)展成為全國重要的國際航空物流中心，憑借港區(qū)優(yōu)勢，區(qū)內(nèi)形成以高端制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等為核心的成熟產(chǎn)業(yè)基地。

3 開發(fā)區(qū)空間擴(kuò)張過程

3.1 空間擴(kuò)張整體趨勢

依據(jù)兩個(gè)閾值將三個(gè)開發(fā)區(qū)的夜間燈光影像在空間上劃分為三類，分別為低活力地區(qū)(“農(nóng)村地區(qū)”)、中活力地區(qū)(“城郊地區(qū)”)、高活力地區(qū)(“城市地區(qū)”)(圖1)。

圖1 2012-2019年三個(gè)開發(fā)區(qū)空間擴(kuò)張整體趨勢

從歷年活力強(qiáng)度在空間上的變化可以看出：

(1)鄭州航空港區(qū)明顯呈現(xiàn)出以新鄭國際機(jī)場為核心的圈層式發(fā)展方式，在2016年，中等活力空間有一次較大規(guī)模的擴(kuò)張，在統(tǒng)計(jì)期末，中等及以上活力地區(qū)基本占據(jù)了開發(fā)區(qū)規(guī)劃范圍的大部分面積，但總體上，高活力地區(qū)的占比較小、增長較為緩慢。

(2)武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)在2012至2015年，發(fā)展主要集中在神龍汽車和東風(fēng)汽車廠等所在的漢陽、沌口地區(qū)，并以東風(fēng)大道沿線為軸線分布。2016年開始，之前被整體托管的漢南區(qū)發(fā)展速度開始加快，逐漸形成了以軍山、紗帽為核心的開發(fā)區(qū)次中心。2017年，漢陽、沌口部分的空間開發(fā)趨于飽和，剩余的低活力地區(qū)主要為湖泊、山地等不適宜建設(shè)的用地。在統(tǒng)計(jì)期末，高活力地區(qū)占比較大，與初期相比增長明顯。

(3)武漢東湖高新區(qū)整體發(fā)展趨勢為從西向東推進(jìn)，以發(fā)展較為成熟的光谷、關(guān)山片區(qū)為核心，沿高新大道向東發(fā)展，逐步把中、高活力區(qū)域推進(jìn)到轄區(qū)東界，但中等及以上活力地區(qū)集中在開發(fā)區(qū)規(guī)劃范圍北部，以滬渝高速為界，南部發(fā)展水平較低。總體上，高活力地區(qū)占比較高，發(fā)展也比較穩(wěn)定。

3.2 空間擴(kuò)張重心變化

基于上述空間劃分的發(fā)展對比，三個(gè)開發(fā)區(qū)在空間擴(kuò)張上的區(qū)別較為明顯，進(jìn)一步分析其空間結(jié)構(gòu)上的發(fā)展變化情況。通過對三個(gè)開發(fā)區(qū)的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 三個(gè)開發(fā)區(qū)四部分2012-2019年夜間燈光核密度分析圖

鄭州航空港區(qū)在2012至2019年明顯以新鄭國際機(jī)場區(qū)域?yàn)楹诵模渲性?012至2015年期間，富士康廠區(qū)(圖像上方)與機(jī)場(圖像下方)形成相鄰的雙核，但富士康核心一直在減弱。2016年之后，富士康不再成為核心，開發(fā)區(qū)呈現(xiàn)以新鄭國際機(jī)場為單核心的形態(tài)。對公積金數(shù)據(jù)的分析顯示，富士康的用工人數(shù)從2015年開始大幅度減少，因此航空港區(qū)在區(qū)域核心上的變化可能與此有關(guān)。

武漢東湖高新區(qū)是典型的多核心空間形態(tài)。第一核心在開發(fā)區(qū)西北部的光谷、關(guān)山片區(qū)，2012至2019年間都較為穩(wěn)定，該片區(qū)的功能主要為商業(yè)、商務(wù)及居住，推測可能該類型活動(dòng)不易受到經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等外部影響。第二核心位于光谷、關(guān)山片區(qū)東南部，整體也較為穩(wěn)定，但2012至2019年，在空間上有緩慢移動(dòng)。2012至2015年期間，該核心主要位于光谷電子工業(yè)園周圍，核心內(nèi)的代表性企業(yè)主要有天馬微電子、武漢新芯、聯(lián)想、武漢鍋爐股份有限公司等。2016年開始，核心略微往東南方移動(dòng)，此時(shí)核心內(nèi)主要有富士康、長江融達(dá)電子、光谷自貿(mào)港等企業(yè)，通過分析原始的夜間燈光影像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)核心轉(zhuǎn)移的主要原因并不是之前區(qū)域的衰落，而是新區(qū)域的崛起。2012年開始，開發(fā)區(qū)中東部第三個(gè)核心已有一定雛形，最初該核心在高新大道以南，區(qū)域內(nèi)主要有人福醫(yī)藥、高農(nóng)生物園、山川生物科技園、光谷生物醫(yī)藥加速器等企業(yè)。隨著2018年之后華為武漢研究院投入運(yùn)行，該核心向北越過高新大道，規(guī)模與強(qiáng)度達(dá)到前兩個(gè)核心水平。除了三個(gè)主要核心以外，第二核心南部還有一個(gè)不穩(wěn)定的小核心，內(nèi)部主要有武漢北方光電科技、藤倉烽火光電材料科技、武漢709所等單位，在2014至2016年期間有短暫的衰落，但2017年之后強(qiáng)度回升且穩(wěn)定。

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的漢陽、沌口部分的空間活力發(fā)展也呈多中心結(jié)構(gòu)。北部第一核心在2016年之前主要為神龍汽車武漢一廠，2016年之后核心開始分離為兩部分，一部分向南稍微移動(dòng)至東風(fēng)本田、民營科技工業(yè)園中區(qū)位置，另一部分向西移動(dòng)至東風(fēng)陽光城區(qū)域，開發(fā)區(qū)此時(shí)開始擁有較為獨(dú)立且活力較高的居住生活性片區(qū)。另外，分離出的生活核心在2019年向北移至武漢體育中心，而此處在2019年武漢軍運(yùn)會(huì)期間承擔(dān)了包括開、閉幕式在內(nèi)的一系列重要賽事活動(dòng)，分析這一轉(zhuǎn)移與此有關(guān)，但作為短期活動(dòng)，預(yù)計(jì)2020年的核心將回到原居住片區(qū)。中間的第二核心主要為美的集團(tuán)工業(yè)園、武漢漢口機(jī)床廠、東風(fēng)乘用車新能源工廠、神龍汽車武漢三廠等。西部第三核心主要為格力電器、東風(fēng)乘用車以及一些汽車零配件廠。從2013年開始，二、三核心開始互相接近、融合，并在2017年向西轉(zhuǎn)移，最終形成了一個(gè)集中度不高的核心片區(qū)。

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的漢南片區(qū)的核心主要集中在北部老城區(qū)，最初為“生產(chǎn)-生活”鄰近雙核心形態(tài)，其中偏北的生產(chǎn)部分主要為以華頂工業(yè)園、長利玻璃工業(yè)園為代表的金屬加工、零配件、模具等汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)，偏南的生活部分為漢南區(qū)的醫(yī)院、學(xué)校、行政機(jī)關(guān)所在的紗帽片區(qū)。2015年開始，生產(chǎn)核心向南移動(dòng)，至幸福工業(yè)園處。2018年沿通航大道延伸至漢南通用航空機(jī)場，并在2019年形成以漢南物流園區(qū)域?yàn)楹诵?，包含汽車零配件、通用航空、倉儲(chǔ)等產(chǎn)業(yè)的活力片區(qū)。在漢南片區(qū)西南部，從2014年開始出現(xiàn)了一個(gè)局部活力中心，主要為蓋爾包裝產(chǎn)業(yè)園、武漢中海糧油、武漢正大水產(chǎn)、大北農(nóng)科技園等食品工業(yè)類產(chǎn)業(yè)，但在2017年后活力逐漸降低。

4 開發(fā)區(qū)空間擴(kuò)張?zhí)卣?/h2>

作為開發(fā)區(qū)發(fā)展的動(dòng)力核心，產(chǎn)業(yè)空間一直是各個(gè)開發(fā)區(qū)空間活力的中心，開發(fā)區(qū)空間上的拓展也往往與產(chǎn)業(yè)重心的轉(zhuǎn)移與發(fā)展需求有關(guān)。

4.1 武漢東湖高新區(qū)的空間擴(kuò)張?zhí)卣?/h3>

武漢東湖高新區(qū)的空間結(jié)構(gòu)在研究期初就比較多元，憑借相對更“輕”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及鄰近主城區(qū)的人口基礎(chǔ)優(yōu)勢，在與主城區(qū)相鄰的部分已經(jīng)形成了一個(gè)集商業(yè)、商務(wù)金融及居住一體的綜合性中心，在距離主城區(qū)較遠(yuǎn)處的幾個(gè)核心為當(dāng)時(shí)東湖高新區(qū)發(fā)展較好的光電子相關(guān)企業(yè)。之后隨著內(nèi)部產(chǎn)業(yè)發(fā)展與外部新產(chǎn)業(yè)進(jìn)入，東湖高新區(qū)的空間持續(xù)向東擴(kuò)張，并形成多個(gè)相對專業(yè)的產(chǎn)業(yè)組團(tuán)。

4.2 武漢經(jīng)開區(qū)的空間擴(kuò)張?zhí)卣?/h3>

武漢經(jīng)開區(qū)整體的空間擴(kuò)張與空間重心轉(zhuǎn)移也體現(xiàn)了內(nèi)部產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)。其區(qū)域內(nèi)部的企業(yè)主要為傳統(tǒng)制造業(yè)，單個(gè)廠區(qū)占地規(guī)模較大，因此能夠跟蹤到更加詳細(xì)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程。在前期，武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)主要是汽車制造業(yè)內(nèi)企業(yè)間的重心轉(zhuǎn)移，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，區(qū)內(nèi)生活性片區(qū)逐漸擴(kuò)張并成長起來。

4.3 鄭州航空港區(qū)的空間擴(kuò)張?zhí)卣?/h3>

在研究期初，鄭州航空港區(qū)以富士康廠區(qū)及新鄭機(jī)場為空間核心，這些均為當(dāng)時(shí)兩個(gè)開發(fā)區(qū)制造業(yè)類的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。之后，各個(gè)開發(fā)區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化明顯體現(xiàn)在了空間上。2016年之后，鄭州航空港區(qū)的空港物流產(chǎn)業(yè)建設(shè)初見成效，機(jī)場的活力超過了富士康。但到目前為止，鄭州航空港區(qū)的空間擴(kuò)張仍然沒有突破最初的“機(jī)場-富士康”區(qū)域。

綜上，各個(gè)開發(fā)區(qū)在城市化的空間進(jìn)程上都帶有明顯的產(chǎn)業(yè)特征：武漢的兩個(gè)開發(fā)區(qū)都憑借自身稟賦并抓住發(fā)展過程中的一系列外部機(jī)遇，完成了產(chǎn)業(yè)的多元化和功能的復(fù)合化發(fā)展；而鄭州航空港區(qū)的空間結(jié)構(gòu)一直較為單一，雖然空港經(jīng)濟(jì)發(fā)展的勢頭有所顯現(xiàn)，但還有待未來進(jìn)一步觀察。

5 結(jié)論與政策建議

通過對中部地區(qū)三個(gè)典型開發(fā)區(qū)發(fā)展過程分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)夜間燈光遙感能夠較好地反映出開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展在空間上的變化過程。

(2)三個(gè)開發(fā)區(qū)在空間擴(kuò)張上具有較為明顯的差異。武漢東湖高新區(qū)已形成多個(gè)具有特色的活力片區(qū)，形成了包含制造、研發(fā)與商務(wù)商業(yè)等的多核心城市空間結(jié)構(gòu)。武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)在空間結(jié)構(gòu)上仍然以幾大制造業(yè)基地為核心，開發(fā)區(qū)與前些年整體托管的漢南片區(qū)和發(fā)展歷史較為悠久的漢陽、沌口片區(qū)在城市化水平上仍然具有不小差距。鄭州航空港區(qū)空間上的活力核心多年來一直局限在富士康及新鄭機(jī)場區(qū)域，高質(zhì)量區(qū)域明顯落后，空間的擴(kuò)張較為低效。

基于此，在未來發(fā)展上提出以下建議：

(1)武漢東湖高新區(qū)除了產(chǎn)業(yè)發(fā)展外，應(yīng)著力打造優(yōu)質(zhì)的城市生活軟、硬件環(huán)境，使高端人才能夠在本地穩(wěn)定定居，達(dá)到完全的城市化。

(2)武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)在之后的規(guī)劃中可適當(dāng)將研發(fā)、居住、商業(yè)、公服等生活性和非制造類功能集中在漢陽、沌口片區(qū)，將產(chǎn)業(yè)類功能布置在漢南片區(qū)，更加充分地釋放土地價(jià)值，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動(dòng)欠發(fā)達(dá)區(qū)域的城市化。

(3)鄭州航空港區(qū)在之后的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策中，可進(jìn)一步發(fā)揮其空港經(jīng)濟(jì)特色，培育更加具有根植性的企業(yè)，提高產(chǎn)業(yè)中服務(wù)業(yè)的質(zhì)量和比例，逐步減少對富士康的依賴。