基于1998—2017年夜間燈光數(shù)據(jù)的粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)研究

陸永權(quán)，冼宇陽，劉桂林,2① (.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 5063；2.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院廣東省智慧國(guó)土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 5063)

城市是按照某一生產(chǎn)生活方式將某一區(qū)域組織起來所形成的居民點(diǎn)，它是該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、政治和文化中心[1]。城市的核心區(qū)域，即城市建成區(qū)，是指行政區(qū)內(nèi)實(shí)際開發(fā)建設(shè)的集中連片地區(qū)，其反映著城市發(fā)展的綜合實(shí)力，是判斷城市發(fā)展規(guī)模和發(fā)展水平的重要依據(jù)[2]。自20世紀(jì)70年代以來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市擴(kuò)張也日益加劇[3]。它主要體現(xiàn)在將遠(yuǎn)離市中心的農(nóng)村土地轉(zhuǎn)換為城市用地[4]和以城市核心區(qū)域?yàn)橹行南蛲鈹U(kuò)展[5]的兩種擴(kuò)張方式上。

快速提取城市內(nèi)部用地格局是城市化時(shí)空變化研究的重要環(huán)節(jié)[6]。傳統(tǒng)的光學(xué)[7]或微波遙感影像[8]通常從土地覆蓋角度提取建設(shè)用地或城市不透水面，進(jìn)而提取城市建成區(qū)。但城市建成區(qū)作為人口及商業(yè)活動(dòng)的聚集地，單純利用不透水面很難反映建成區(qū)的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)活躍程度。然而，夜間燈光數(shù)據(jù)記錄了城市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的夜間燈光亮度，其輻射亮度值即燈光亮度值可以反映城市化水平[9]，且與GDP[10]、人口[11]有著緊密關(guān)系。燈光強(qiáng)度越大，表示該地區(qū)人類活動(dòng)越劇烈，因此利用夜間燈光數(shù)據(jù)可以更好地從人類活動(dòng)視角識(shí)別城市建成區(qū)，并且夜間燈光數(shù)據(jù)在提取城市建成區(qū)方面也更加符合其內(nèi)涵[12]。諸多研究也利用DMSP/OLS或NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)提取了中國(guó)中部[13]和北部地區(qū)[14]的城市建成區(qū)，但針對(duì)東南沿海特別是粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)等地區(qū)的研究相對(duì)較少。此外，諸多研究還研究了經(jīng)濟(jì)[15]、人口[16]和政策[17]等因素對(duì)建成區(qū)擴(kuò)展的影響。

粵港澳大灣區(qū)城市群作為世界級(jí)城市群之一，其發(fā)展規(guī)模一直處于國(guó)內(nèi)較高水平[7]。但區(qū)域內(nèi)發(fā)展并不協(xié)調(diào)，城市的發(fā)展主要集中于珠江口沿岸地區(qū)，2017年珠江口沿岸地區(qū)城市建成區(qū)面積占粵港澳大灣區(qū)建成區(qū)總面積的86%，GDP占比更是高達(dá)88%，其已經(jīng)成為粵港澳大灣區(qū)的核心區(qū)域。雖然粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市發(fā)展規(guī)模與水平較高，但依舊存在諸多問題：香港和澳門城市化程度較高，但城市擴(kuò)張空間較少且后備土地嚴(yán)重不足；珠江口東西岸地區(qū)差異逐漸增大。因此，該研究基于1998—2017年夜間燈光數(shù)據(jù)提取粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)，利用GIS空間分析方法揭示城市建成區(qū)的空間格局演變，并闡述城市建成區(qū)與自然、經(jīng)濟(jì)和政策等因素的耦合關(guān)系，為區(qū)域城市群的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)(112°23′～114°37′ N，21°50′～23°56′ E)位于中國(guó)南部沿海地區(qū)，由廣州、深圳、東莞、中山、珠海和佛山6個(gè)地級(jí)市以及香港、澳門2個(gè)特別行政區(qū)組成(圖1)。

粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市群位于河口三角洲，地勢(shì)平坦，河流密布。該區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫暖濕潤(rùn)。2017年地區(qū)生產(chǎn)總值已超6.7萬億人民幣，城鎮(zhèn)化水平超過85%[18]。同時(shí)，參考《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》中對(duì)于城市群空間格局的劃分，將粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)劃分為廣州-佛山、香港-深圳、澳門-珠海3大核心區(qū)，其中，廣州、深圳、香港和澳門為中心城市，中山和東莞分別作為西岸和東岸的重要節(jié)點(diǎn)城市。

1.2 數(shù)據(jù)與來源

1998—2017年粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)逐年DMSP/OLS和NPP-VIRS數(shù)據(jù)來源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)。DMSP/OLS數(shù)據(jù)集由F14(1998—2003年)、F15(2000—2007年)、F16(2004—2009年)和F18(2010—2013年)4個(gè)不同的DMSP衛(wèi)星組成的共15年25幅影像。NPP-VIIRS數(shù)據(jù)集則包括2013—2017年月度和年度合成數(shù)據(jù)，其中，2013、2014和2017年的年度合成數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，2015和2016年的年度合成數(shù)據(jù)為官方校正數(shù)據(jù)。

從各地區(qū)的統(tǒng)計(jì)年鑒及《中國(guó)城市年鑒》《城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《廣東統(tǒng)計(jì)年鑒》獲取1998—2017年地區(qū)生產(chǎn)總值、建成區(qū)面積和城鎮(zhèn)人口數(shù)(缺少香港和澳門數(shù)據(jù))等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，行政邊界矢量數(shù)據(jù)和SRTM/DEM數(shù)據(jù)來自于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

1.3 研究方法

1.3.1夜間燈光數(shù)據(jù)校正及建成區(qū)提取

由于DMSP-OLS數(shù)據(jù)存在明顯的過飽和情況，根據(jù)曹子陽等[19]提出的一種不變目標(biāo)區(qū)域法的相互校正方式，對(duì)飽和校正與影像間的連續(xù)性進(jìn)行校正。結(jié)合何春陽等[20]提出的理論，去除同一傳感器獲取不同年度數(shù)據(jù)的波動(dòng)影響，得到校正后的數(shù)據(jù)。根據(jù)周翼等[21]提出的負(fù)值消除方法，利用月度合成數(shù)據(jù)去除年度合成數(shù)據(jù)中的負(fù)值。但去除負(fù)值后的數(shù)據(jù)依然存在光源不穩(wěn)定等一系列問題，因此以2015和2016年官方校正后的年度合成數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行相對(duì)校正，以獲得較為準(zhǔn)確的NPP-VIIRS數(shù)據(jù)。

由于DMSP-OLS和NPP-VIIRS數(shù)據(jù)來源于不同衛(wèi)星，其空間分辨率和輻射分辨率都存在較大問題，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互整合。將兩種數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為蘭伯特等面積投影和WGS-84地理坐標(biāo)，并將兩種數(shù)據(jù)的空間分辨率均重采樣為1 km。利用相關(guān)性分析方法[22]建立2013年兩種影像的相關(guān)性曲線，利用相關(guān)性曲線對(duì)2013—2017年NPP-VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行重新擬合，獲得較為連續(xù)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。

最后，利用基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的空間比較方法[23]，取燈光值的中位數(shù)(DZ)作為閾值進(jìn)行提取，提取后的面積與實(shí)際統(tǒng)計(jì)面積(DS)進(jìn)行比較，通過不斷的調(diào)整閾值(DY)并最終使得|(DY-DS)|最小，此時(shí)DY則為最佳閾值，基于此提取的城市建成區(qū)面積則相對(duì)準(zhǔn)確。

1.3.2城市群建成區(qū)擴(kuò)展時(shí)空分布特征

城市擴(kuò)展速度可用于描述城市某時(shí)段內(nèi)新增面積占已有面積的百分比，該數(shù)值越大，表示其擴(kuò)展速度越快[24]。而空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)則是某時(shí)段內(nèi)城市擴(kuò)展面積占總面積的百分比，可以從城市整體出發(fā)分析城市的擴(kuò)展規(guī)律[25]。城市擴(kuò)展速度和空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式為

SUE,ij=ΔKij/(ΔTj×AUL,ij)×100%，

(1)

ISES,ij=ΔKij/(ΔTj×ATL,i)×100%。

(2)

式(1)～(2)中，SUE,ij為城市擴(kuò)展速度；ISES,ij為空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；ΔKij為j時(shí)間內(nèi)第i個(gè)研究單位(如某格網(wǎng))建成區(qū)的擴(kuò)展面積，km2；ΔTj為j時(shí)段的時(shí)間跨度，a；AUL,ij為j時(shí)間初期第i個(gè)研究單位(如某格網(wǎng))建成區(qū)面積，km2；ATL,i為第i個(gè)研究單位的土地總面積，km2。

同時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的變化和中心的移動(dòng)，分析建成區(qū)擴(kuò)展在空間上的位置與集中程度。其中，橢圓中心為空間分布的平均中心，可以反映城市建成區(qū)擴(kuò)張重心的相對(duì)位置；X方向和Y方向上的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，用于表征城市建成區(qū)在兩個(gè)方向上擴(kuò)展情況的離散程度；橢圓方向角可反映城市建成區(qū)擴(kuò)張的主趨勢(shì)方向；橢圓面積表示城市建成區(qū)在空間分布的集中或分散程度[26]。

1.3.3緊湊度與分形維數(shù)

緊湊度指數(shù)(Jt)可以反映城市建成區(qū)斑塊的離散程度，緊湊度越小，其離散程度越大[27]，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，Jt為緊湊度指數(shù)；At為第t時(shí)間內(nèi)的城市面積，km2；Pt為第t時(shí)間內(nèi)的城市周長(zhǎng)，km。

城市土地分形維數(shù)(St)用于描述城市邊界的形狀復(fù)雜度，可以反映土地利用的變化和土地利用受干擾的程度，其計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，St為t時(shí)間內(nèi)城市建成區(qū)斑塊的分形維數(shù)；At為第t時(shí)間內(nèi)的城市面積，km2；Pt為第t時(shí)間內(nèi)的城市周長(zhǎng)，km。St理論范圍為1～2，當(dāng)St<1.5時(shí)，城市邊界較為簡(jiǎn)單；當(dāng)St=1.5時(shí)，城市邊界處于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)St>1.5時(shí)，城市邊界較為復(fù)雜[28]。

1.3.4城市擴(kuò)展模式分析

LIU等[29]提出的景觀擴(kuò)展指數(shù)(LEI)可用于量化多個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土地利用動(dòng)態(tài)，識(shí)別某個(gè)景觀的擴(kuò)展類型及其分布模式。不同LEI值對(duì)應(yīng)不同的城市擴(kuò)展模式。當(dāng)LEI為0時(shí)，表示城市擴(kuò)展模式為跳躍式擴(kuò)展；當(dāng)LEI取值范圍為>0～50時(shí)，其城市擴(kuò)展模式為邊緣式擴(kuò)展；當(dāng)LEI取值范圍為>50～100時(shí)，其城市擴(kuò)展模式為填充式擴(kuò)展。根據(jù)LEI的變化，可以了解粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展模式的變化。

1.3.5驅(qū)動(dòng)力分析

城市建成區(qū)擴(kuò)張受到自然條件、經(jīng)濟(jì)水平、城鎮(zhèn)人口、區(qū)位和政策等多種因素相互作用的影響。因此，選取地區(qū)生產(chǎn)總值(F1，億元)、城鎮(zhèn)人口(F2，萬人)、固定資產(chǎn)投資(F3，億元)、第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之比(F4)、平均海拔(F5)和平均坡度(F6)6個(gè)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行回歸分析，探究自然、經(jīng)濟(jì)和人口等因素對(duì)于建成區(qū)擴(kuò)展的影響。由于香港和澳門的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與內(nèi)地存在較大偏差，因此，在驅(qū)動(dòng)因子的分析中不涉及港澳地區(qū)。此外，還結(jié)合政策和區(qū)位等因素更加全面地探究建成區(qū)擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)機(jī)制(涉及港澳地區(qū))。

為了準(zhǔn)確表達(dá)驅(qū)動(dòng)因子影響程度的時(shí)空變化，選用時(shí)空地理加權(quán)回歸模型(GTWR)。改進(jìn)的時(shí)空地理加權(quán)回歸模型在地理加權(quán)回歸模型(GWR)空間維度的基礎(chǔ)上，增加了時(shí)間維度，在進(jìn)行模型分析時(shí)，會(huì)將空間數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)合以構(gòu)建時(shí)空權(quán)重矩陣；因此，其能從時(shí)間和空間兩個(gè)方面分析參數(shù)的變異情況，從而更為準(zhǔn)確地了解其時(shí)空異質(zhì)性[30]。利用建成區(qū)面積與統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立時(shí)空地理加權(quán)回歸模型，分析得到驅(qū)動(dòng)因子影響參數(shù)，參數(shù)值越高，表示影響程度越大。最后，展示了2000、2008、2013和2017年各個(gè)地區(qū)驅(qū)動(dòng)因子的影響效果，以參數(shù)值極差的20%為間隔將影響程度劃分為5類，顏色越深，表示驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市建成區(qū)提取結(jié)果分析

根據(jù)提取獲得的建成區(qū)面積，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用相對(duì)誤差方法對(duì)提取結(jié)果(圖2)進(jìn)行分析。

圖2顯示，相對(duì)誤差均在0.14以下，誤差較大時(shí)段集中在1998—2002年；后期的誤差均較低，平均相對(duì)誤差約為0.03。然而，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，無法準(zhǔn)確地驗(yàn)證建成區(qū)的空間信息。因此，利用2017年Google Earth影像對(duì)提取的建成區(qū)空間信息進(jìn)行驗(yàn)證。圖3展示了部分城市的檢驗(yàn)結(jié)果，總體而言誤差較低。因此，該研究提取的城市建成區(qū)具有較好精度和代表性，能夠滿足后續(xù)研究的需要。

2.2 1998—2017年城市建成區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

1998—2017年間，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，建成區(qū)面積由1998年的664 km2增長(zhǎng)到2017年的3 949 km2，增長(zhǎng)494.73%。20年間建成區(qū)年均增長(zhǎng)率達(dá)到9.8%，但增速不斷放緩，1998—2008年間平均增長(zhǎng)速度為16.7%，2009—2017年間平均增長(zhǎng)速度降為2.2%。其中，廣州-佛山、香港-深圳兩大核心區(qū)的建成區(qū)擴(kuò)張較為明顯，其建成區(qū)面積分別增加1 254和906 km2，但核心區(qū)內(nèi)部仍有較大差異。在廣州-佛山核心區(qū)，以廣州建成區(qū)的擴(kuò)展為主，佛山建成區(qū)的擴(kuò)展較少，但是兩市交界區(qū)域逐步納入兩市建成區(qū)范圍之中，建成區(qū)的擴(kuò)展推動(dòng)著基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，加速了廣佛同城化的發(fā)展，也加強(qiáng)了廣州作為中心城市的地位。而在香港-深圳核心區(qū)，深圳建成區(qū)的擴(kuò)展占據(jù)主導(dǎo)，但隨著兩地建成區(qū)慢慢接壤，兩地的聯(lián)系也在日益加深。而澳門-珠海核心區(qū)的建成區(qū)擴(kuò)展相對(duì)緩慢，珠海在其中占據(jù)主導(dǎo)地位，澳門由于地理位置條件，難以大規(guī)模擴(kuò)展。但珠海的建成區(qū)擴(kuò)展主要與澳門建成區(qū)接壤，因此兩地的聯(lián)系也在逐漸增強(qiáng)。東莞作為連接廣州-佛山和香港-深圳兩大核心區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市，其建成區(qū)的擴(kuò)展較為明顯，擴(kuò)展規(guī)模也與深圳相當(dāng)。東莞建成區(qū)也與深圳和廣州逐漸相接，架起了溝通兩大核心區(qū)的橋梁，使得東岸城市間的聯(lián)系逐漸加深。而西岸節(jié)點(diǎn)城市中山城市建成區(qū)的擴(kuò)展相對(duì)緩慢，與佛山、珠海兩個(gè)城市相當(dāng)，而且建成區(qū)相對(duì)獨(dú)立，沒有與佛山、珠海兩市接壤，因此節(jié)點(diǎn)城市的作用相對(duì)有限。而從東西兩岸的角度出發(fā)，可以明顯看出東岸建成區(qū)擴(kuò)展更為明顯，而西岸建成區(qū)發(fā)展則較為緩慢，東西兩岸的差異也在日益增加(圖4)。

2.3 粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展的時(shí)間變化特征

由圖5可知，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)的擴(kuò)展速度總體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，1999年擴(kuò)展速度為45.93%，而后開始逐步放緩；到2017年，擴(kuò)展速度下降到2.31%。而從空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)可以看出，其變化趨勢(shì)與擴(kuò)展速度的變化趨勢(shì)相同，但在1998—2003年間呈現(xiàn)明顯波動(dòng)，在2003年達(dá)到最高，為2.21%，此后呈波動(dòng)下降，到2017年已經(jīng)降低到0.34%，降幅較為明顯。2010年以后，建成區(qū)擴(kuò)展速度保持在1.5%～4.2%，說明粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)的城市建成區(qū)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，擴(kuò)展速度較低，建成區(qū)發(fā)展由外部擴(kuò)張向內(nèi)部更新調(diào)整轉(zhuǎn)變。

由圖6可知，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)的緊湊度總體上隨著時(shí)間的推移而降低，從1998年的0.21下降到2017年的0.1，這說明粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)的城市建成區(qū)是零散的，城市的致密性較差。城市建成區(qū)分形維數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，1998—2003年間，分形維數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但2004—2009年間，整體又呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，而2010年以后又再次上升，但總體波動(dòng)范圍保持在0.07左右，波動(dòng)范圍較小，說明粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)的形狀較為簡(jiǎn)單，總體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展的空間演變特征

在1998—2017年期間，建成區(qū)重心主要是從南往西北方向移動(dòng)，從1998年的113.762 E、22.672 N位置移動(dòng)到2017年的113.685 E、22.844 N位置(圖7)。1998年，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)張重心位于珠江入海口；而1998以后，城市建成區(qū)擴(kuò)張重心轉(zhuǎn)移到東莞市虎門鎮(zhèn)，此后一直保持向西北移動(dòng)，但未離開虎門鎮(zhèn)。1998—2017年，重心向北轉(zhuǎn)移20.67 km，平均每年向北移動(dòng)1.09 km，其中1998—2003年間轉(zhuǎn)移速度很快，以3.29 km·a-1的速度向西北移動(dòng)，但在2003—2017年間，移動(dòng)速度下降，以0.30 km·a-1的速度向西北移動(dòng)。雖然粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)重心逐漸往西北移動(dòng)，但重心始終位于研究區(qū)的中部和東部地區(qū)，其核心城市(例如廣州、深圳)建成區(qū)增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。

由表1中各個(gè)時(shí)期橢圓方向度數(shù)可知，5個(gè)時(shí)期建成區(qū)分布方向均處于90°～180°之間，各時(shí)期建成區(qū)的分布趨勢(shì)表現(xiàn)為西北—東南的空間分布格局。1998—2008年間橢圓方向由130.63°逐步向127.92°變化，但在2008年以后橢圓方向持續(xù)增大，2017年達(dá)到129.21°。19年間，橢圓方向總體變化幅度較小，表明粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)建成區(qū)的發(fā)展方向基本保持不變。1998—2017年間，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的長(zhǎng)軸呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，從原來的248.57 km降低到202.75 km。而短軸則保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，從1998年的95.56 km增加到2017年的105.65 km。隨著時(shí)間的推移，扁率越來越小，說明粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展的方向性降低，不再集中于單一方向上。橢圓面積呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)，即城市建成區(qū)分布呈由分散到逐漸聚攏再到逐漸分散的發(fā)展趨勢(shì)。

表1 粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓結(jié)果Table 1 Standard deviation ellipse results of urban built-up areas in the core area of GBA

2.5 粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展模式特征

利用LEI指數(shù)計(jì)算得到4個(gè)時(shí)期3種城市建成區(qū)擴(kuò)展類型結(jié)果(表2)。1998—2003年間，城市建成區(qū)的擴(kuò)展模式主要為邊緣式擴(kuò)展和跳躍式擴(kuò)展，其中，邊緣式擴(kuò)展占比為81%，跳躍式擴(kuò)展占比為19%。此后，城市建成區(qū)呈現(xiàn)以邊緣式擴(kuò)展為主、填充式擴(kuò)展和跳躍式擴(kuò)展相輔的城市擴(kuò)展模式。2003—2008年間，跳躍式擴(kuò)展占比下降到6%，而填充式擴(kuò)展占比上升到25%，邊緣式擴(kuò)展則成為最占優(yōu)勢(shì)的類型，其占比達(dá)到69%。而在2008—2013年間，填充式擴(kuò)展占比上升到33%，跳躍式擴(kuò)展占比提升到17%，邊緣式擴(kuò)展占比則下降到50%。而在2013—2017年間，邊緣式擴(kuò)展占比重新增加到63%，跳躍式擴(kuò)展占比持續(xù)上升達(dá)到28%，而填充式擴(kuò)展占比下降到9%。

表2 4個(gè)時(shí)期3種城市增長(zhǎng)類型占比Table 2 Proportion of three types of urban growth in four periods

在1998—2003年間，城市建成區(qū)擴(kuò)展類型為邊緣式擴(kuò)展的地區(qū)基本遍布粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)，而擴(kuò)展類型為跳躍式擴(kuò)展的地區(qū)主要集中在深圳和東莞兩市(圖8)。而在2003—2008年間，整體擴(kuò)展類型呈邊緣式擴(kuò)展，而填充式擴(kuò)展主要集中于香港-深圳核心區(qū)，城市擴(kuò)展呈現(xiàn)集聚的空間格局。在2008—2017年間，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)的擴(kuò)展模式以邊緣式擴(kuò)展為主，但跳躍式擴(kuò)展占比不斷增加，這種現(xiàn)象在廣州、東莞和深圳3市表現(xiàn)得尤為明顯。

城市擴(kuò)展理論認(rèn)為，城市在擴(kuò)散和合并之間進(jìn)行周期性的相互振蕩：在初始階段，以城市核心區(qū)或小型城鎮(zhèn)為中心的擴(kuò)展占主導(dǎo)地位(以跳躍式擴(kuò)展和邊緣式擴(kuò)展為主)；隨后，破碎的城市區(qū)域開始趨向融合(以填充式擴(kuò)展為主)；最后，融合后的城市區(qū)域又將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期[5]。該理論同樣適用于研究區(qū)的城市建成區(qū)擴(kuò)展，在1998—2003年間，城市建成區(qū)的擴(kuò)展以城市中心區(qū)的邊緣式擴(kuò)展與新興小城鎮(zhèn)的跳躍式擴(kuò)展為主；2003年以后，城市建成區(qū)開始融合，該時(shí)期填充式擴(kuò)展占比開始提升，而跳躍式擴(kuò)展占比下降；2013年之后，建成區(qū)擴(kuò)展則步入下一個(gè)周期，再次呈現(xiàn)以跳躍式與邊緣式為主的擴(kuò)展模式。

2.6 粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

2.6.1自然、人口及經(jīng)濟(jì)因素的影響

GTWR分析結(jié)果見圖9，顏色越深，表示影響程度越大，虛線填充區(qū)域?yàn)槲磪⑴c驅(qū)動(dòng)因子分析的區(qū)域(港澳地區(qū))。粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)建成區(qū)擴(kuò)展受到同一驅(qū)動(dòng)力影響的城市有明顯的集聚效應(yīng)，而且影響變化情況也存在明顯的相似性(圖9)。其中，廣州-佛山核心區(qū)的建成區(qū)擴(kuò)展受到GDP(F1)、第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比(F4)及平均海拔(F5)等自然和經(jīng)濟(jì)因素的影響較為強(qiáng)烈。而中心城市深圳與相鄰的節(jié)點(diǎn)城市東莞則受城鎮(zhèn)人口(F2)、固定資產(chǎn)投資(F3)等影響為主，珠江口西岸城市珠海、中山則受F2、平均坡度(F6)等驅(qū)動(dòng)因子影響較為強(qiáng)烈。2000—2008年間，F(xiàn)3的增長(zhǎng)促進(jìn)了土地利用類型的轉(zhuǎn)變，這在廣州、深圳和東莞表現(xiàn)得最為顯著，其建成區(qū)的擴(kuò)展速度高于佛山、中山和珠海。F2對(duì)廣州-佛山核心區(qū)的影響在逐漸降低，而對(duì)珠海、中山等珠江口西岸城市的影響逐漸增強(qiáng)。F4對(duì)廣州-佛山核心區(qū)以及節(jié)點(diǎn)城市東莞的影響在不斷增強(qiáng)，但對(duì)其他城市的影響則逐漸減弱。F5對(duì)各市建成區(qū)擴(kuò)展的影響基本維持不變，受影響較大的地區(qū)集中在廣州、佛山、東莞和珠海。而F6的影響效果則有較為明顯的變化，這些變化集中在廣州和東莞，而其他城市則基本保持穩(wěn)定。

在2008—2013年間， F1對(duì)于廣州、深圳建成區(qū)擴(kuò)展的影響在下降，相反F4等因素對(duì)于廣州-佛山核心區(qū)以及東莞、中山等節(jié)點(diǎn)城市的影響則愈發(fā)強(qiáng)烈。而F2和F3對(duì)廣州-佛山核心區(qū)的影響則在逐步下降，相反對(duì)其他地區(qū)的影響則較強(qiáng)。F5對(duì)各市建成區(qū)擴(kuò)展影響程度基本保持不變，但對(duì)于中心城市深圳的影響在逐漸下降。F6對(duì)建成區(qū)擴(kuò)展影響較強(qiáng)烈的區(qū)域主要集中在深圳和珠海，而對(duì)于廣州-佛山核心區(qū)的影響則較弱。

在已有建成區(qū)的承載力已經(jīng)趨向飽和的情況下，2013—2017年間F1對(duì)廣州、深圳、東莞和中山的影響持續(xù)降低。F2的增長(zhǎng)速度持續(xù)下降，使其對(duì)廣州-佛山核心區(qū)的影響較弱，但對(duì)東莞、中山和深圳卻依舊保持較強(qiáng)的影響效果。F4對(duì)于建成區(qū)擴(kuò)展的影響則存在明顯的空間差異，其對(duì)廣州-佛山核心區(qū)以及中山、珠海的影響強(qiáng)烈，但對(duì)深圳、東莞的影響則較弱，這可能與城市自身的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有較大聯(lián)系。隨著城市建成區(qū)擴(kuò)展進(jìn)入新一輪循環(huán)，跳躍式擴(kuò)展占比逐漸上升，擴(kuò)展方向再次被重點(diǎn)考慮，因而海拔、坡度等自然因素又一次成為主導(dǎo)。但隨著地形平坦的區(qū)域土地逐漸減少，建成區(qū)擴(kuò)展趨向地形較為復(fù)雜的區(qū)域。F5影響強(qiáng)烈的城市主要集中在廣州-佛山核心區(qū)以及中山等城市，而F6對(duì)建成區(qū)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)強(qiáng)烈的城市則主要集中于東岸地區(qū)。此外，隨著投資以及商業(yè)活動(dòng)日益加強(qiáng)，F(xiàn)3給建成區(qū)的擴(kuò)展提供了龐大的資金支持，這些都促進(jìn)了建成區(qū)的快速擴(kuò)張，這種情況在東岸城市較為突出，但其對(duì)于西岸城市發(fā)展的影響則相對(duì)較低。

2.6.2政策與區(qū)位因素的影響

隨著香港、澳門的回歸以及國(guó)家相關(guān)政策的出臺(tái)，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市群內(nèi)部的聯(lián)系日益緊密，依托香港、澳門兩大特別行政區(qū)，廣州、深圳和東莞等城市的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，城市建成區(qū)也持續(xù)擴(kuò)展。2003年《土地管理法》的修訂以及住房制度的改革，在直接推動(dòng)房地產(chǎn)開發(fā)的同時(shí)，也進(jìn)一步促進(jìn)城市建成區(qū)的擴(kuò)展[31]。在2000年中國(guó)加入世界貿(mào)易組織后，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)進(jìn)一步融入了全球生產(chǎn)、分工及貿(mào)易，快速增加的經(jīng)濟(jì)水平使得地方政府有更加充裕的資金來發(fā)展新興的建成區(qū)。同時(shí)，廣州和深圳率先推出城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃[32]，明確城市的定位與未來的發(fā)展方向，也指導(dǎo)著建成區(qū)的發(fā)展。

2011年推出的《環(huán)珠江口宜居灣區(qū)建設(shè)重點(diǎn)行動(dòng)計(jì)劃》[33]，將粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市群納入整體規(guī)劃中，通過出臺(tái)一系列旅游、交通等政策，促進(jìn)城市建成區(qū)的發(fā)展與區(qū)域間的連接與協(xié)調(diào)。然而，過高的國(guó)土開發(fā)程度，促使政府出臺(tái)了限制城市建成區(qū)擴(kuò)展規(guī)模的政策，2013年以后建成區(qū)的擴(kuò)展明顯放緩。隨著“十三五”規(guī)劃的實(shí)施以及大灣區(qū)規(guī)劃與建設(shè)的需要，2015年以后城市建成區(qū)的擴(kuò)展速度有一定提升?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》和其他政策的提出，使得城市發(fā)展迎來了新的契機(jī)。隨著城市間的融合發(fā)展，未來粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)仍有較大的發(fā)展空間。

3 討論

3.1 城市建成區(qū)未來發(fā)展的探究

自2013年以來，廣州-佛山、香港-深圳和澳門-珠海3大核心區(qū)以及節(jié)點(diǎn)城市東莞的建成區(qū)擴(kuò)展速度明顯放緩，而節(jié)點(diǎn)城市中山的建成區(qū)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)擴(kuò)展停滯。隨著大灣區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，該情況在2015年出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，擴(kuò)展速度有所上升，但廣州和深圳等中心城市建成區(qū)的擴(kuò)展空間已經(jīng)較少。因此，廣州和深圳等城市開始推進(jìn)“三舊改造”“城中村改造”等城市改造工程，在不增加建成區(qū)面積的情況下，拓展城市內(nèi)部發(fā)展空間，提升建成區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，這也是未來發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。此外，增加城市建成區(qū)間的聯(lián)系，推動(dòng)珠江口東岸城市一體化進(jìn)程，今后依舊是廣州-佛山與香港-深圳兩大核心區(qū)城市建成區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展方向。節(jié)點(diǎn)城市中山的建成區(qū)面積較小，仍有大片土地資源可供建成區(qū)擴(kuò)展利用。此外，作為節(jié)點(diǎn)城市的中山?jīng)]有很好地連接起廣州-佛山、澳門-珠海兩大核心區(qū)，未來隨著其建成區(qū)的進(jìn)一步向北和向南擴(kuò)展，打通連接兩大核心區(qū)的通道，將加速西岸城市的一體化進(jìn)程。而港珠澳大橋的竣工以及深中通道的建設(shè)，使得中山有望成為溝通東岸和西岸城市的重要橋梁，在進(jìn)一步加強(qiáng)珠江口東西兩岸、港澳與內(nèi)地間聯(lián)系的同時(shí)，也提升了中山作為節(jié)點(diǎn)城市的地位，更能加快城市的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3.2 研究的優(yōu)點(diǎn)與不足

以往研究更多關(guān)注粵港澳大灣區(qū)[34]、珠江三角洲[35]等地區(qū)城市群建成區(qū)的時(shí)空變化，對(duì)于粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)的研究則相對(duì)較少，而核心區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)城市群發(fā)展的關(guān)鍵，闡述其城市群建成區(qū)時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，有利于大灣區(qū)城市群的可持續(xù)發(fā)展與規(guī)劃，這是筆者研究的新穎之處。筆者的研究成功利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取了粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)，且提取精度符合研究需要，這表明相較于城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，夜間燈光數(shù)據(jù)在建成區(qū)擴(kuò)展的研究中有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其更能反映出真實(shí)的城市發(fā)展?fàn)顩r，這也與環(huán)渤海[14]、長(zhǎng)江三角洲[13]和粵港澳大灣區(qū)[34]等多個(gè)地區(qū)的建成區(qū)擴(kuò)展研究結(jié)果較為相似。

而在城市擴(kuò)展的測(cè)度方面，選取擴(kuò)展速度、緊湊度和分形維數(shù)等指標(biāo)全面分析其變化過程，結(jié)果表明建成區(qū)的擴(kuò)展呈現(xiàn)由快速轉(zhuǎn)入慢速、擴(kuò)展強(qiáng)度逐漸降低的狀況，分形維數(shù)則基本在很小范圍內(nèi)波動(dòng)，這些與前人的研究結(jié)果[35]相近。擴(kuò)展重心逐漸向西北移動(dòng)，LEI指數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，擴(kuò)展模式存在明顯變化，這些在以往針對(duì)該地區(qū)的研究中沒有突出，甚至有所缺乏，筆者研究對(duì)此進(jìn)行了一定補(bǔ)充。廣州、深圳和東莞等城市擴(kuò)展較為劇烈，逐漸形成以廣州、深圳為中心城市，以中山、東莞為節(jié)點(diǎn)城市的城市群網(wǎng)絡(luò)，且珠江口東岸和西岸的發(fā)展存在明顯差異，這也與前人的研究結(jié)果[34]相似。

筆者研究選取自然、人口和經(jīng)濟(jì)因子，利用時(shí)空地理加權(quán)回歸模型，定量分析不同城市建成區(qū)時(shí)空擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，結(jié)果表明在不同時(shí)段，影響程度存在差異，但人口和經(jīng)濟(jì)因素的影響程度較高，與以往研究[15]有相似的結(jié)論：人口和經(jīng)濟(jì)因素是城市建成區(qū)擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)因子。大灣區(qū)核心區(qū)作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)，其區(qū)位條件與政策的實(shí)施在很大程度上推動(dòng)了建成區(qū)的發(fā)展，基本與前人研究結(jié)果[31]相似。因此，筆者研究可以為城市及城市群空間規(guī)劃與科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。

筆者研究融合了DMSP-OLS和NPP-VIIRS兩種夜間燈光數(shù)據(jù)，較精準(zhǔn)地提取了城市建成區(qū)，但兩種影像本身的差異較大，僅基于相關(guān)性分析建模不能完全解決兩種數(shù)據(jù)的差異。因此，有待提出一種融合兩種數(shù)據(jù)的建成區(qū)提取算法。此外，建成區(qū)存在大面積的城市綠地及濕地公園等不具備夜間燈光屬性的土地利用類型，因此在基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)的過程中會(huì)忽略該部分信息。今后，更多地理信息數(shù)據(jù)或多源遙感數(shù)據(jù)將被用于解決該問題。

4 結(jié)論

利用夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)進(jìn)行提取，并結(jié)合擴(kuò)展速度、緊湊度指數(shù)、分形維數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和LEI指數(shù)等一系列方法，對(duì)粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展的演變進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

(1)1998—2017年，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)呈現(xiàn)珠江口東岸地區(qū)較珠江口西岸地區(qū)發(fā)展更快、香港和澳門基本不擴(kuò)張的狀況。其中，廣州、深圳和東莞的城市建成區(qū)擴(kuò)張較為明顯，城市之間的聯(lián)系日益密切。

(2)1998—2003年，建成區(qū)擴(kuò)展模式以邊緣式擴(kuò)展為主，但跳躍式擴(kuò)展也占據(jù)較大比例。2003—2013年間填充式擴(kuò)展占比逐漸增加，城市建成區(qū)完成了前期的擴(kuò)展及建成區(qū)間的相互融合，而2013年以后城市建成區(qū)的擴(kuò)展模式繼續(xù)以跳躍式擴(kuò)展和邊緣式擴(kuò)展為主?？傮w而言，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展模式基本符合波浪式城市擴(kuò)展理論。

(3)1998—2017年間，粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)城市建成區(qū)的擴(kuò)張速度逐步下降。2010年以后，建成區(qū)擴(kuò)展速度保持在1.5%～4.2%之間，建成區(qū)擴(kuò)展已經(jīng)趨于穩(wěn)定。城市建成區(qū)的緊湊度隨時(shí)間緩慢降低，而分形維數(shù)則呈現(xiàn)先升高后降低再升高的情況。城市建成區(qū)擴(kuò)展重心整體上呈現(xiàn)自南向北的移動(dòng)軌跡，表現(xiàn)為“西北—東南”的空間分布格局，但總體擴(kuò)展方向不變。

(4)2000—2008年間，經(jīng)濟(jì)與自然因素是驅(qū)動(dòng)建成區(qū)擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿?，但隨著建成區(qū)擴(kuò)展模式的轉(zhuǎn)變，自然因素的影響程度在逐漸減弱，人口和經(jīng)濟(jì)等社會(huì)因素逐漸成為建成區(qū)擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力。區(qū)位因素主要從影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度間接影響建成區(qū)的擴(kuò)展，而政策則對(duì)建成區(qū)擴(kuò)展起重要的指導(dǎo)作用。廣州和深圳等城市的建成區(qū)發(fā)展將從外部擴(kuò)展轉(zhuǎn)向內(nèi)部更新，中山有望成為連接廣州-佛山、澳門-珠海兩大核心區(qū)、溝通東西兩岸城市的橋梁。

致謝：中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心為該研究提供了DEM和矢量數(shù)據(jù)，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局為該研究提供了DMSP和NPP夜間燈光數(shù)據(jù)，兩位匿名審稿專家為該文的完善提出了合理的建議，在此一并表示感謝。