夜光遙感支持下的河南省城市規(guī)模結(jié)構(gòu)演變

馮先超 唐麗玉 陳曉玲 江鋒 彭巍 胡穎

摘 要：采用一種新的方法將NPP/VIIRS模擬為DMSP/OLS數(shù)據(jù)，構(gòu)建1992—2018年河南省長期一致性夜間燈光數(shù)據(jù)集，運(yùn)用夜間燈光統(tǒng)計、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模法則等方法進(jìn)行系統(tǒng)性分析。結(jié)果表明：燈光數(shù)據(jù)相關(guān)性由0.62提升至0.93，一致性有所改善;河南省各市燈光總規(guī)模和平均亮度均顯著增長，南部區(qū)域燈光總量增加較多，中北部平均發(fā)展更好，西南地區(qū)燈光聚集度偏高;全省范圍內(nèi)燈光空間分布呈擴(kuò)展趨勢，空間增長率為21.33%，呈東北-西南走向，城市重心始終分布于幾何中心北方，且逐步向東南方向轉(zhuǎn)移但總體移動速度逐漸變緩;河南省城市正在形成較為合理的位序規(guī)模體系，在2000年前后城市規(guī)模分布分別呈現(xiàn)趨于分散和集中的趨勢，存在高位序城市集聚效應(yīng)不夠突出，輻射帶動能力偏弱的問題。

關(guān)鍵詞：河南省;數(shù)據(jù)模擬;時空特征;位序-規(guī)模法則;夜間燈光數(shù)據(jù)

中圖分類號：P237;F127.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國城市化正處于不斷發(fā)展階段，城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)對于吸引人才和推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著不可或缺的作用。掌握區(qū)域內(nèi)城市時空演變過程對于優(yōu)化區(qū)域城市布局，促進(jìn)城市間的協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要意義[1]。河南省是我國農(nóng)業(yè)大省，城市化率較低，不僅是連通境內(nèi)外、輻射東西的重要物流通道樞紐，也是東部發(fā)達(dá)地區(qū)和西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)的過渡地帶，其對于協(xié)調(diào)我國整體發(fā)展有著獨(dú)特作用。了解并掌握河南省空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變特征及規(guī)律，有助于理解和優(yōu)化區(qū)域空間布局[2]，推動其協(xié)調(diào)發(fā)展。

目前，城市時空演變進(jìn)程的研究主要是依賴于傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)[3-5]。其中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)由于缺乏必要的空間信息且統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑不一而難以滿足研究需求，而遙感數(shù)據(jù)則能提供時效性好的空間信息，夜間燈光影像的出現(xiàn)為大尺度范圍城市發(fā)展研究提供了新的數(shù)據(jù)手段。目前最為常用的兩種夜間燈光影像分別為美國軍事氣象衛(wèi)星所搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS）和索米國家極地衛(wèi)星（Suomi national polar-orbiting partnership，Suomi NPP）所搭載的可見光/紅外輻射成像儀（visible infrared imaging radiometer suite，VIIRS）所獲得的遙感數(shù)據(jù)[6]，以其時間序列長、數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)處理簡單、與人類活動具有強(qiáng)烈的相關(guān)性[7]等特點(diǎn)而受到眾多學(xué)者青睞，常被用來進(jìn)行區(qū)域內(nèi)、國家乃至全球范圍內(nèi)人口[8-9]、城市擴(kuò)張[10]、經(jīng)濟(jì)[11]、污染[12]以及能源消耗[13]等方面研究。李德仁等[14]利用DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對“一帶一路”沿線國家城市時空演變進(jìn)程進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS數(shù)據(jù)可以有效地反映城市發(fā)展規(guī)律;徐慧敏等[15]利用燈光數(shù)據(jù)對中國城市規(guī)模的演化特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中國除東北經(jīng)濟(jì)區(qū)外的其他經(jīng)濟(jì)區(qū)的城市聚集程度正在削減;晁靜等[16]對長江經(jīng)濟(jì)帶城市群結(jié)構(gòu)研究后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)部相對差異降低，城市規(guī)模分布逐漸合理;楊洋等[17]通過對環(huán)渤海三大城市群城市用地規(guī)模時空演變進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)三大城市群城市用地規(guī)?？傮w上的差異逐漸縮小;王利偉等[18]以夜間燈光數(shù)據(jù)揭示了京津冀地區(qū)的時空擴(kuò)展格局和驅(qū)動力機(jī)制;王翠平等[19]從城市擴(kuò)張強(qiáng)度、類型及方向性等方面研究了京津冀、長三角和珠三角城市群的空間演變特征。

結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，夜間燈光數(shù)據(jù)能夠?qū)Τ鞘幸?guī)模進(jìn)行表征并可應(yīng)用于不同尺度的城市發(fā)展演變研究，研究區(qū)域多選擇京津冀[20]、長三角[21-22]和珠三角[23]等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，“中部崛起”戰(zhàn)略已成為我國的重要布局之一。而現(xiàn)階段對于河南省城市空間展布性、規(guī)模結(jié)構(gòu)等研究較為匱乏，無法滿足不斷增長的現(xiàn)實(shí)需求。雖然有學(xué)者對河南省建成區(qū)擴(kuò)張進(jìn)行研究[24]，但較多基于缺乏空間性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和未校準(zhǔn)的燈光數(shù)據(jù)，使研究存在一些不合理之處，且由于DMSP/OLS數(shù)據(jù)已經(jīng)停止更新，難以反映近年來的發(fā)展?fàn)顩r，而兩種燈光數(shù)據(jù)存在的差異性[25]導(dǎo)致現(xiàn)有研究較少綜合利用DMSP/OLS和NPP/VIIRS兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域結(jié)構(gòu)演變分析。因此，需要采用一種技術(shù)手段有效整合兩種夜間燈光數(shù)據(jù)，以確保研究的時序性和實(shí)效性。

本文利用Sigmoid模型結(jié)合核函數(shù)方法將NPP/VIIRS數(shù)據(jù)模擬為DMSP/OLS數(shù)據(jù)，生成一致性夜間燈光數(shù)據(jù)，延長夜間燈光數(shù)據(jù)的可用性，以燈光規(guī)模變化、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模法則等方法分析河南省1992—2018年城市規(guī)模結(jié)構(gòu)變化的時空特征，揭示其發(fā)展規(guī)律，為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中部地區(qū)，位于北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間，周邊與安徽、山東、河北、山西、陜西和湖北相連，為我國東部和中西部地區(qū)的過渡地段，氣候以溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候為主，地貌主要以平原為主，西南部多山。河南省由18地市組成，總面積超過16萬平方公里，是我國人口最為密集的區(qū)域之一和“一帶一路”的重要組成部分，在中原城市群的發(fā)展、中部崛起戰(zhàn)略和輻射中西部發(fā)展中有著重要的作用，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，截至2019年，河南省生產(chǎn)總值突破5萬億，也是我國農(nóng)業(yè)大省、人口大省，糧食產(chǎn)量常年占據(jù)全國10%左右，人口占全國總?cè)丝诔^10%。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源

DMSP/OLS數(shù)據(jù)分為經(jīng)過輻射定標(biāo)的影像、無云觀測頻數(shù)影像、平均燈光影像和穩(wěn)定燈光影像幾種數(shù)據(jù)類型，其中經(jīng)過輻射定標(biāo)的年數(shù)據(jù)時序較短，因此不做選擇。綜合考慮數(shù)據(jù)可靠性和完整性，本文選擇1992—2012年第四版穩(wěn)定無云覆蓋的DMSP/OLS夜間燈光影像，該影像從美國國家地理信息中心網(wǎng)站下載（http：//www.ngdc.noaa.gov）;產(chǎn)品空間分辨率約為1 km，點(diǎn)亮的像元灰度值（digital number，DN）在1～63之間，無燈光覆蓋區(qū)域的背景值為0，該影像拋棄了月光、天然氣燃燒和極光等偶然光源的影響，記錄了城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民地等穩(wěn)定光源發(fā)出的年平均燈光數(shù)據(jù)，其中DMSP/OLS遙感影像如圖1（a）所示。

NPP/VIIRS數(shù)據(jù)為DMSP/OLS數(shù)據(jù)的替代產(chǎn)品，空間分辨率約為0.5 km。數(shù)據(jù)從2012年每月發(fā)布一次，與上一代夜間燈光數(shù)據(jù)相比具有更強(qiáng)的燈光探測能力，共分為VCMCFG和VCMSLCFG兩種類型數(shù)據(jù)。雖然后者覆蓋范圍更廣，但數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，因此本文選擇前者進(jìn)行研究，時間范圍為2012—2018年。由于該數(shù)據(jù)發(fā)布時并未對其他非必要燈光進(jìn)行消除，導(dǎo)致難以直接使用，需要進(jìn)一步處理。NPP/VIIRS夜間燈光影像如圖1（b）所示。

兩種燈光數(shù)據(jù)存在空間分辨率、時間分辨率和輻射分辨率的差異，且各自數(shù)據(jù)所存在的問題不同，DMSP/OLS數(shù)據(jù)存在燈光溢出、過飽和和不連續(xù)性;NPP/VIIRS數(shù)據(jù)存在背景噪聲和異常值等問題，因此，在生成長時序燈光數(shù)據(jù)之前應(yīng)綜合考慮不同的數(shù)據(jù)特征，分別進(jìn)行處理。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為克服數(shù)據(jù)由于緯度變化對結(jié)果產(chǎn)生影響，將夜間燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Albers等積投影，并將DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)分別重采樣至1 km和0.5 km分辨率。利用分步校正法實(shí)現(xiàn)對DMSP/OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行時序校正[26]，較少文獻(xiàn)進(jìn)行NPP/VIIRS數(shù)據(jù)年度合成時并未考慮到其在某些月份由于雜散光影響導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，拋棄這些月份的數(shù)據(jù)后進(jìn)行均值合成年數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)由于未對其他非必要燈光進(jìn)行排除，導(dǎo)致背景噪聲和異常值的出現(xiàn)，而DMSP/OLS數(shù)據(jù)不存在異常燈光，利用2012年的DMSP/OLS數(shù)據(jù)為掩膜去除同年度NPP/VIIRS噪聲，并以0.3為閾值進(jìn)一步去除微弱噪聲[27-28]，對2015和2018年數(shù)據(jù)采取同樣方法處理。對于異常值現(xiàn)象采用八鄰域法替代，即選擇胡為安等[29]所述的各年份中國最大值像元作為極大值，將超過此值像元的認(rèn)定為異常值像元，利用此像元周邊非異常像元的平均值替代。

2 方法

2.1 DMSP/OLS與NPP/VIIRS時序構(gòu)建

若要保證DMSP/OLS與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的一致性，需主要解決NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的空間降解和兩種數(shù)據(jù)的輻射一致性調(diào)整兩個問題。已有研究[30]表明，DMSP/OLS夜間燈光影像的模糊性是由高斯點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)所控制的（Gaussian point-spread function，PSF）。因此，本文利用移動的四次核函數(shù)實(shí)現(xiàn)NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的空間降解，以五倍于數(shù)據(jù)分辨率大小的數(shù)值作為核函數(shù)移動窗口值[25]，以各像元的灰度值大小決定參與運(yùn)算次數(shù)。

NPP/VIIRS數(shù)據(jù)由于傳感器過于敏感，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的跳躍性較為嚴(yán)重，數(shù)據(jù)不夠平滑。對數(shù)變換[31]可以對數(shù)據(jù)的劇烈變化有一定的緩解作用。因此，利用對數(shù)變換對降解后的NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為了保證數(shù)據(jù)的非負(fù)性，在統(tǒng)一對數(shù)變換之前對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一添加常數(shù)值。通過觀察對數(shù)變換后的像元點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間存在一種類似生長型曲線的關(guān)系。因此，采用如圖2所示的一種變換的Sigmoid曲線模型[25]進(jìn)行模擬。變換的生長曲線模型如式（1）所示：

f（x）=a+b1+e-c（x-d）。（1）

式中：x是對數(shù)處理后的數(shù)據(jù)值，a、b、c和d是變換的S模型的參數(shù)，f（x）是最終的模擬值。將上述方法應(yīng)用于其他所用年份的數(shù)據(jù)中，統(tǒng)一對夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行年際校正處理[32]后應(yīng)用。

2.2 夜間燈光統(tǒng)計

以河南省各地級市的總體燈光亮度（sum of nighttime light，SNL）、平均燈光亮度（mean of nighttime light，MNL）為統(tǒng)計的主要指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，其計算公式如下：

S=∑ni=1Di，（2）

M=S/n。（3）

其中：Di表示某個區(qū)域內(nèi)第i個像元的DN值，n表示區(qū)域內(nèi)的總像元個數(shù)，S表示區(qū)域總體燈光亮度，M表示區(qū)域平均燈光亮度。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

地理要素空間演變的一個非常重要的特征就是其重心的動態(tài)變化[33]。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓（standard deviational ellipse，SDE）可以揭示地理要素空間演化的多個特征演變。這種方法常用來揭示地理要素空間分布的整體性、中心性、展布性、方向性和空間形態(tài)等特征，并用來判斷不同地區(qū)或同地區(qū)不同時間的發(fā)展差異和水平，被廣泛應(yīng)用于城市和經(jīng)濟(jì)空間格局[1，34]研究等領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的基本參數(shù)主要包括重心、方位角和長短半軸，分別用來表示區(qū)域內(nèi)地理空間要素的重心、區(qū)域主趨勢變化方向和區(qū)域發(fā)展的主次方向上驅(qū)動力的強(qiáng)弱。橢圓面積大小變化表示區(qū)域總體燈光的擴(kuò)張和收縮程度，橢圓面積越大則表示燈光分布越分散，反之則越集中。

2.4 位序-規(guī)模法則

規(guī)模變化也是區(qū)域城市發(fā)展變化的重要特征之一，而位序-規(guī)模法則[14，35]常用來進(jìn)行區(qū)域內(nèi)城市格局方面的研究，可以反映出各組成部分之間的分散或集中程度。與已有研究相同，利用夜光總量刻畫城市規(guī)模[16， 22]，基于夜間燈光影像，利用位序-規(guī)模法則對河南省各市規(guī)模進(jìn)行量化，其中位序-規(guī)模法則的描述形式如下：

Pi=P1·Ri-q。（4）

對其進(jìn)行對數(shù)變換可得：

ln Pi=ln P1-q ln Ri。（5）

式中：Pi為第i個城市的夜光數(shù)據(jù)總體規(guī)模;P1為區(qū)域內(nèi)理論上最大城市的夜光數(shù)據(jù)總體規(guī)模;Ri為第 i個城市的位序;q為捷夫指數(shù)，可以用來表示城市規(guī)模和位序的集中和分散的程度。|q|值越接近于1，則表示夜間燈光規(guī)模分布接近捷夫的理想狀態(tài)，城市規(guī)模的差異性較小;若|q|值大于1時，則表示城市規(guī)模分布為首位型，高位序城市的發(fā)展較為突出且用地規(guī)模相對集中，中小型城市發(fā)育則不足;若|q|值小于1時，則表明城市規(guī)模分布為位次型，城市規(guī)模分布相對分散，高位次城市發(fā)育不夠突出，而中小城市較為發(fā)育。同時對河南省長時間序列的|q|值變化情況進(jìn)行分析，若|q|值增大，則研究區(qū)內(nèi)城市趨于集中的力量大于分散力量;反之，則表明趨于集中的力量小于分散的力量。

3 結(jié)果分析

3.1 一致性效果評價

將DMSP/OLS與模擬前后的NPP/VIIRS兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行影像特征分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，以影像特征相似程度和相關(guān)系數(shù)大小評估模擬結(jié)果的可靠性。研究區(qū)部分區(qū)域的夜間燈光遙感影像特征對比如圖3所示。

模擬生成的2012年夜間燈光影像與原始的DMSP/OLS影像在空間分布特征和影像特征上具有高度相似性。在像元水平上，選擇2012年DMSP/OLS和NPP/VIIRS模擬前后的數(shù)據(jù)在像元尺度上進(jìn)行相關(guān)性分析，為保證像元數(shù)量的一致性，將模擬和原始的DMSP/OLS數(shù)據(jù)重采樣至與NPP/VIIRS分辨率等同，結(jié)果如圖4和表1所示。在未進(jìn)行處理之前，2012年NPP/VIIRS數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)之間存在一定的相關(guān)性，說明存在可以利用后者對前者進(jìn)行模擬的可能性，但兩者之間的相關(guān)性相對較弱，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.62;而經(jīng)過處理后得到的模擬DMSP/OLS數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，其關(guān)系系數(shù)達(dá)到0.93，相關(guān)性明顯增強(qiáng)，說明模擬得到的結(jié)果是可靠的，具有一定的可行性。這種一致性處理后的燈光數(shù)據(jù)可以用來對區(qū)域內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行評估。

3.2 分區(qū)發(fā)展變化

城市的發(fā)展變化是多種因素共同參與和促進(jìn)的，而夜間燈光也是多種因素的集中體現(xiàn)，其變化可以在一定程度上揭示河南省的發(fā)展規(guī)律。其中夜間燈光在研究區(qū)空間分布上如圖1所示，可見河南省夜間燈光的高亮度區(qū)域形成了以鄭州市為中心，以京廣線和隴海線等交通線為骨架的分布狀況，說明了交通對于區(qū)域城市發(fā)展所起到的作用是積極的。河南省各地級市的燈光總量和平均燈光變化如圖5所示。

由圖5，河南省各地級市的燈光總量和平均燈光亮度值均有所增長，在燈光總量上，增長量最大的包括鄭州市和南陽市，而濟(jì)源市和鶴壁市轄區(qū)面積較小，總體燈光增長量偏低。綜合來說，南部地區(qū)燈光總量相對增加較多。從燈光平均值來看，河南省范圍內(nèi)除許昌市有較大波動外，其余各市排名并未發(fā)生明顯變化。鄭州、焦作和濮陽三市是全省平均燈光最高的地區(qū)，而信陽、駐馬店和南陽三市夜間燈光平均值基本為省內(nèi)最低。從空間位置上來看，這些燈光平均值較大的區(qū)域普遍分布在河南省中北部等工業(yè)基礎(chǔ)較好的地區(qū);而平均燈光較小的市基本位于西南和南部，這些區(qū)域存在轄區(qū)面積較大，地形多山導(dǎo)致交通不便或第一產(chǎn)業(yè)占比較重等特點(diǎn)。值得一提的是洛陽市和南陽市的燈光總量在省內(nèi)靠前，但平均燈光卻相對偏低，綜合考慮主要是由于轄區(qū)面積過大和地形原因?qū)е聼艄饩奂容^高而發(fā)展均衡程度相對較低。

3.3 空間演變分析

本文利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的面積、重心、扁率等參數(shù)的變化對河南省區(qū)域內(nèi)夜間燈光時空變化總體趨勢進(jìn)行分析，判斷河南省在地理規(guī)模整體上的分布情況。研究區(qū)1992—2018年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布如圖6所示。

河南省整體上燈光空間演變過程呈現(xiàn)由北向南的趨勢。如表2和圖6，1992—2018年夜間燈光的重心逐漸實(shí)現(xiàn)了從（113.603°E，34.585°N）至（113.788°E，34.240°N）的轉(zhuǎn)移過程，重心位置逐漸從鄭州市境內(nèi)移動到許昌市境內(nèi)，向幾何中心靠近，多年來重心移動距離為42.40 km，平均每年移動約1.63 km，移動方向為持續(xù)由北向南、由西向東，時間范圍內(nèi)東部和南部地區(qū)所占的比重相對1992年逐步提高。與行政區(qū)幾何中心相比，各期燈光重心均位于幾何中心北方向，北部地區(qū)所占比例相較于南部地區(qū)更大，相對發(fā)展更好，但存在重心在向南移動的速度總體變緩的情況，說明就全省而言仍然是鄭州市在重心的遷移中占據(jù)重要地位?？梢灶A(yù)見，在后續(xù)一段時間內(nèi)全省重心不會發(fā)生過于劇烈的變化。研究時間范圍內(nèi)，重心持續(xù)向東轉(zhuǎn)移可能與鄭州持續(xù)向東擴(kuò)張和“鄭汴一體化”政策有關(guān)。

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，從1992年的62 718 km2增加至2018年的76 095 km2，空間增長率為21.33%，整體呈現(xiàn)擴(kuò)張態(tài)勢，說明河南省總體發(fā)展較為迅速，這也與中小城市數(shù)量較多的現(xiàn)狀是分不開的。從標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的形狀分布來看，多年來橢圓短軸和長軸之比總體上有所增加，且標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方位角總體呈現(xiàn)減小趨勢，但始終是東北-西南方向，表明推動河南省夜間燈光不斷演化的力量仍然是以南北方向為主，但是存在東西方向的作用力逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)象。

3.4 位序規(guī)模分布

受限于夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率的影響，本文在地級市尺度下利用位序-規(guī)模法則分析河南省范圍內(nèi)的城市規(guī)模特征，其中，以各地級市年度燈光規(guī)?？偤偷拇笮∵M(jìn)行排序。如表3，1992—2018年間位序-規(guī)模法則分析雙對數(shù)回歸的擬合情況較好，回歸后的決定系數(shù)R2均在0.7以上，說明河南省各城市發(fā)展比較符合位序-規(guī)模法則分布特征，正在形成較為合理的位序規(guī)模體系。

1992—2018年間，河南省位序-規(guī)模法則雙對數(shù)回歸結(jié)果的|q|值均小于1，說明河南省城市規(guī)模仍處于“位次型”分布，高位序城市的聚集效應(yīng)不夠明顯，夜間燈光的壟斷性不夠突出且相對來說不夠發(fā)育，對周邊城市發(fā)展的帶動能力較弱;而中小規(guī)模城市數(shù)量較多且發(fā)展規(guī)模差異不大，相對較為發(fā)育，區(qū)域內(nèi)各市總體規(guī)模分布比較分散。從時間序列上來看，河南省高位城市處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，而|q|值的變化以2000年為界可以分成先降后升兩個時期。在2000年之前，|q|值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明河南省范圍內(nèi)城市規(guī)模趨于分散的力量超過趨于集中的力量;在2000年之后，|q|值逐漸變大，由夜間燈光所代表的河南省各市規(guī)模分布逐漸呈現(xiàn)由趨于分散轉(zhuǎn)為趨于集中的態(tài)勢，究其原因可能是河南省不斷推動“中原崛起”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施所致?？傮w來說，該區(qū)域內(nèi)高位序城市的輻射帶動能力雖然不夠明顯，但隨時間變化總體上略有增加，說明河南省正在形成較為合理的規(guī)模等級結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

本文以河南省為研究區(qū)，以DMSP/OLS和NPP/VIIRS多源夜間燈光數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)，采用核函數(shù)結(jié)合變換的Sigmoid曲線模型方法，完成了DMSP/OLS和NPP/VIIRS兩種夜間燈光數(shù)據(jù)的一致性處理，改善了夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境，借助燈光統(tǒng)計方法、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模法則等方法對河南省1992—2018年的城市發(fā)展進(jìn)程和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性分析，揭示了其規(guī)模結(jié)構(gòu)演變趨勢，結(jié)論如下：

在研究時期內(nèi)，河南省各市的夜間燈光總量和平均燈光亮度都呈現(xiàn)增長的趨勢。鄭州、洛陽和南陽市的總體燈光增長量最為突出，而濟(jì)源和漯河等小城市的燈光增長量相對較小;中北部各市夜間燈光平均值相對較高?？傮w而言，南部大城市燈光總量相對較高，但平均值相對較低。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果可知，夜間燈光標(biāo)準(zhǔn)差橢圓具有明顯的南北軸向性，空間范圍呈擴(kuò)張態(tài)勢，1992—2018年空間增長率為21.33%，河南省燈光重心多年來均位于幾何中心北方，演變方向為從北向南、由西向東，移動速度總體變緩，推動河南省整體演變的力量以南北為主，但東西方向作用力也逐漸加強(qiáng)。

由位序-規(guī)模法則分析結(jié)果可知，1992—2018年河南省區(qū)域內(nèi)的時序捷夫指數(shù)|q|值均不超過1，區(qū)域內(nèi)各市規(guī)模始終呈位次型分布，其中|q|值以2000年為分界線，分別呈現(xiàn)先減小后增加的態(tài)勢，區(qū)域城市規(guī)模分布由趨于分散轉(zhuǎn)為趨于集中的趨勢。此外，高位序城市發(fā)育不夠突出，無法形成有效的輻射帶動能力，中小城市數(shù)量較多。

夜間燈光在區(qū)域發(fā)展的研究中具有其特色和優(yōu)勢，可以在一定程度上反映區(qū)域各市的發(fā)展情況，但受限于數(shù)據(jù)分辨率影響，難以進(jìn)行更為細(xì)致的探究，珞珈一號星夜間燈光影像的使用將有望解決這一問題。此外，本文的工作僅揭示了河南省城市空間格局演變規(guī)律，并未深入挖掘其背后機(jī)制。今后將對引起發(fā)展變化的因素進(jìn)一步探究，更深入地理解河南省發(fā)展進(jìn)程。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）

Exploring Urban Scale Structure Evolution in Henan Province

Using Nighttime Light Remote Sensing

FENG Xianchao1，2， TANG Liyu*1，2， CHEN Xiaoling1，2， JIANG Feng1，2， PENG Wei1，2， HU Ying1，2

（1.Key Laboratory of Spatial Data Mining and Information Sharing of Ministry of Education， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China;2.National Engineering Research Centre of Geospatial Information Technology， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）

Abstract：

A new method was adopted to simulate NPP/VIIRS as DMSP/OLS data to construct a long-term consistent night light data set of Henan Province from 1992 to 2018， and the analysis was carried out using night light statistics， standard deviation ellipse， and rank-size rules analysis. The results show that the data correlation has been increased from 0.62 to 0.93， and the consistency has been improved; The total scale and average brightness of lights in all cities in Henan province increase significantly. The total amount of light increases more in the southern region， the average development of the north and central region is better， and the intensity of light aggregation is higher in the southwest region. The spatial distribution of lights in the whole province shows an expanding trend， with a spatial growth rate of 21.33% and a northeast to southwest trend. The urban center of gravity is always distributed in the north of the geometric center， gradually shifting to the southeast， but the overall moving speed is gradually slowing down; the urban development of Henan Province conforms to the rank-size rule， the regional city scale distribution tended to be scattered before 2000 years and concentrated 2000 years later. There is a problem that the development of high-ranking cities is not prominent enough and the ability to drive radiation is weak.

Key words：

Henan Province; data simulation; spatio-temporal features; rank-size analysis; nighttime light data