基于夜间灯光数据的江苏省城市空间格局演化.docx

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基于夜间灯光数据的江苏省城市空间格局演化

基于夜间灯光数据的江苏省城市空间格局演化

作者：

李欢欢康怀信

来源：

《价值工程》2019年第14期

        摘要：

目前遥感技术发展迅速，其中夜间灯光数据的广泛应用为城市发展研究提供了全新的思路，本文以江苏省为例，利用DMSP/OLS夜间灯光数据，测算江苏省的城市扩展强度指数、景观格局指标，对江苏省在2003年至2013年十年内的城市扩张時空特征进行分析，为江苏省未来城市发展扩张方向、扩张特征分析提供依据，更好地对该城市政策制定者提供思路帮助。

        Abstract：

Atpresent，remotesensingtechnologyisdevelopingrapidly.Thewideapplicationofnighttimelightingdataprovidesanewwayofthinkingforurbandevelopmentresearch.ThispapertakesJiangsuProvinceasanexampleandusesDMSP/OLSnighttimelightingdatatomeasuretheurbanexpansionintensityindexandlandscapepatternindicatorsofJiangsuProvince，andanalyzesthespatialandtemporalcharacteristicsofurbanexpansioninJiangsuProvincefrom2003to2013，whichprovidesabasisfortheanalysisofthefutureurbandevelopmentexpansiondirectionandexpansioncharacteristicsofJiangsuProvince，andbetterprovideideasforthecitypolicymakers.

        关键词：

时空扩展;空间格局;夜间灯光数据;江苏省

        Keywords：

space-timeexpansion;spatialpattern;nighttimelightingdata;JiangsuProvince

        中图分类号：

TU113.6+66;;;;;;;;;;;;;;;文献标识码：

A;;;;;;;;;;;;;;;;;文章编号：

1006-4311（2019）14-0156-04

        0;引言

        城市是人类生活的聚居区，城市建设一直是关乎人类生活发展的话题，在城市化进程中，城市土地利用变化是最为直接的，众多学者对城市空间扩展方面展开研究，分析城市的空间演化格局以及建成区重心转移态势信息，从而准确地获取其扩张形态与扩张模式，这对于土地节约集约利用、土地资源的保护有一定的促进作用[1]。

        夜间灯光数据的全称为DMSP/OLS夜间灯光遥感数据，它的来源是美国国家地球物理数据中心。

目前将夜间灯光数据应用于提取城市建成区阈值方法有以下几种：

一是经验阈值法，指的是学者根据夜间灯光数据的特点，结合实际情况人为进行阈值赋值，这种方法操作简单，但是具有主观性，Milesi通过对美国一些地区进行研究发现人为定义50为经验阈值较为合适[2];二是突变检测法，由Imhoff[3]提出，认为城市建成区求取的过程中某一年份的周长与面积突变所对应的阈值就为所求的阈值，这种方法忽略城市发展过程中不同区域具有的差异性，不具有通用性;三是参考比较法，是根据设定的灯光阈值与政府所公布的统计年鉴数据进行比对，提取建成区，何春阳通过使用参考比较法对中国大陆20世纪90年代城市空间过程进行研究[4]，此方法依赖于统计数据;四种是影响空间比较法，由Henderson[5]提出，利用分辨率高的遥感影像进行提取，数据较难获取，成本较高。

        收集江苏省稳定的夜间灯光数据和城市统计年鉴数据，在arcgis技术的支持下，本文基于上述第三种方法来确定夜间灯光数据的阈值，提取城市建成区边界。

在此基础上，分别对城市扩张模式进行分析，景观格局进行测算，城市扩张空间变化进行研究，定量地对江苏省近十年的扩张模式、形态、空间格局变化进行研究，更好地分析所需要采取的政策。

        1;研究区概况

        江苏省，简称“苏”，位于中国东部沿海中心，坐标在北纬30°45′～35°20′，东经116°18′～121°57′之间，国际6大世界级城市群之一的长江三角洲城市群是由江苏、浙江、安徽及上海共同构成的，江苏省人均国土面积在中国各省区中最少，人多地少的矛盾较为突出，是城市化水平上升较快的省份之一。

        2;数据分析

        2.1数据的来源

        本文所获得的数据来源主要包括：

        ①从美国国家地理信息中心网站免费获取;该数据采集时不会被光线的阴影影响，城市灯光、火光甚至是海上渔船的光影都能获取，数据的质量较高;自1992年以来获取夜间灯光数据的卫星有F10、F12、F14、F15、F16、F18。

该数据具有以下特点：

数据的灰度值范围为1—63，DN值为63，DN值越大，表示城区的可能性越大[5]。

数据空间分辨率为1km*1km;坐标为WGS1984地理坐标。

②从《中国城市统计年鉴》收集江苏省历年来的建成区面积、土地利用数据以及行政区划数据。

        自1992年以来获取灯光数据的卫星有F10、F12、F14、F15、F16、F18六颗，多位学者对中国区多年间灯光数据分析后发现不同卫星所得数据存在明显差异;夜间灯光数据不同年份采集标准不同或者是采集卫星不同，另外自身存在灯光溢出效应，因此必须对收集到的每一年数据进行统一标准处理，才能继续进行分析。

        首先从收集到的全国灯光数据中提取研究区江苏省的灯光数据，将得到的数据重投影为WGS84坐标系横轴墨卡托（UTM）投影，根据城市建设用地面积确定灯光阈值，再根据灯光值提取江苏省城市建成区范围。

图1为江苏省六个年份的夜间灯光图像。

        2.2数据的研究方法

        ①研究思路。

第一需预处理数据，使夜间灯光数据按照行政边界进行裁剪;第二采用阈值判别方法获得城市在不同年份的最佳灰度分割阈值，并圈定城市建成区范围;第三是计算城市空间的重心偏移度、扩张模式、扩张速度、扩张强度及相关景观指数等指标，定量地研究该城市建成区的扩张形式以及空间耦合度，以此探究近年来江苏省城市扩张时空过程及主要特征。

        ②灯光数据阈值法提取建成区面积。

从前人研究出的成果看，确定合适的阈值对于提取建成区十分重要，建成区阈值提取方法主要有四种，且优缺点各不同，本文通过结合实际情况选取参考比较法，查阅相关统计年鉴数据对建成区范围进行提取。

        ③对于江苏省建成区空间格局方面进行研究，从时间上分析江苏省整个省份城市扩张情况，从空间上对江苏省内的各个市的扩张特征进行分析，主要对扩张模式、景观格局指标选取、扩展方向3部分进行分析。

扩展速度为研究区内江苏省建成区面积的年增长率，代表城市建成区扩展的总体规模和趋势[7]。

扩展强度是城市建成区在一定时间跨度内扩展面积的比率[8]，常用于不同时期建成区扩展的态势及强弱的比较。

        式中，M为扩展速度;A为初期城市建成区总面积;ΔA为城市建成区扩展面积;Δt为时间间距，若M值越大，则表示建成区的扩展速度越快。

        式中，I为城市扩展强度指数，TA代表城市土地总面积，ΔU是不同时期的扩展面积差，I越大，则表征城市扩展强度越大。

        马尔柯夫转移矩阵与景观格局指数、空间统计特征和以元胞自动机为基础的景观格局动态模拟是景观格局演变分析的主要方法[9]。

景观生态学[10]中的指标计算方法常被学者们利用在多个领域。

现有的城市建设重心迁移识别中大多只通过建成区界线这一信息来获取城市重心中不包含非建成区信息，王秀兰等[11]通过建立土地利用重心模型，来探讨城市在一定时期土地利用类型的时空变化规律。

本文用过利用arcgis中的“平均工具”求出每一年的重心，利用邻近分析重心移动的距离、移动角度、移动速度，再利用“追踪线间隔“工具生成建成区重心偏移线，通过测算重心偏移距离，平均偏移速度、偏移角度等来进行分析。

        3;结果与分析

        3.1扩展模式分析

        ①时间尺度。

根据研究区阈值，得出江苏省六个年份的建成区面积，如表1所示。

根据建成区的扩展模式，得出江苏省城市空间扩展态势为逐渐扩张，如表2所示。

根据城市的年均面积在不同时间的增长量和增长率分析得出，江苏省年均扩展面积与扩张面积速度都有逐渐增大的趋势，如图2所示。

        ②城市扩展模式。

城市扩展过程一般可以概括为点状、线状和面状3种模式[10]。

为揭示江苏省城市扩张空间模式。

绘制了六年江苏省城市建成区扩张图3。

        随着城市的发展，江苏省主要为点状分布，面积不断扩大，苏州市的面积变化特点是逐渐向东南部发展，由于江苏省意在打造构建沿江城市带、沿海城镇轴、沿东陇海城镇轴，沿着轴线城市空间逐步增大;这种变化使得江苏省城区不断扩张，扩张中心逐渐位于南京、徐州、苏锡以及淮安地区，从以上数据以及图3可以分析出在2011年至2013年扩张速度加增。

        3.2空间格局变化分析

        根据图4分析江苏省景观格局的指标变化趋势特征：

总斑块数量（NP）在2003年-2013年期间可探测到的城市区域斑块迅速增加，从2003年至2013年逐渐增长并且增长趋势逐渐加快，尤其在2011年至2013年两年内增长了27个，增长速度13.5个/年，由此可以看出江苏省城市发展正在向高度破碎化时期进行发展;景观总面积（TA）值可以从图4看出从2003年至2013年，TA值缓慢增长，江苏省建成区不断攀升，2011年至2013年TA值增长速度相对增快;斑块密度（PD）从2003年的0.000382下降到2005年的0.000313，之后又逐渐增长，到2013年为0.000734，并且从图中可以看出有逐渐增长的趋势;景观形状指数（LSI）从2003年的1.41到2007年的1.32，而2007年之后又升为2009年的1.42与2003年大致相等，之后又从2009年降为2011年的1.32与2007年的数值相同，再到2013年的1.30，可以看出景观形状指数增减幅度不大;斑块面积标准差从2003年的79.54逐渐升高至2011年的154.49再到2013年的152.34，说明不稳定，离散程度增大，但是从2011年到2013年较为稳定，显示出之后逐渐稳定的趋势;平均斑块面积从2003年的45.02到2005的62.14年有较为明显的增长，但是到2007年下降到55.67再降至2009年的51.72最后至2013年的56.20，虽有升降起伏，但是程度并不明显。

总体而言，江苏省建成区发展高度破碎化时期可能还没到来，还是依然处于分散发展状态。

        3.3江苏省重心轨迹分析

        城市建成区重心（X，Y）定义为区域内所有建成区用地的重心位置，以经纬度计，通过重心位置的变化可以反映建成区空间扩展方向的变化情况。

关于城市建成区重心的研究涉及到重心位置、重心偏移距离、重心偏移速度、重心偏移角度四个指标。

        從图中5分别可以看出江苏省2003年、2005年、2007年、2009年、2011年、2013年建成区重心的位置以及偏移的方向，图中speedMPH表示着偏移的速度，黄色速度至蓝色速度逐渐增大。

表明建成区随着年份推进，建成区偏移速度增大，在2007年至2009年速度达到最大值，重心位置从南至北发展，2003年至2005年向东北方向移动，2005年至2007年向西北方向发展，2007年至2009年依然向西北方向发展，偏移角度不同而已，2009年至2011年东南方向发展，2011年至2013年向东北方向发展，可以看出江苏省的镇江市逐渐向扬州市扩展，并且有趋势表明逐渐向泰州发展。

江苏省重心移动幅度的逐渐增大，说明了江苏省总体城市化进程在不断加快。

        4;结论与讨论

        本文收集江苏省DMSP/OLS夜间灯光数据，通过参考比较法，确定建成区范围，以往情况下统计数据不全面对土地利用等重大决策方面会造成不利的影响，而夜间灯光数据能避免这一影响，较好的反映数据的合理性，能对江苏省城市化发展进行深入地考究;对江苏省而言，城镇扩展模式表现为点状发展，总体以南部发展为主;景观指数分析表明江苏省城市扩张过程中，城市化过程总体处于快速发展状态，面积不断扩大，景观高度破碎时期还未到;根据江苏省2003年-2013年建成区重心转移态势得出，城市的重心由南部逐渐向东北部发展。

江苏省城市的重心移动幅度逐渐增大，说明了城市的总体进程在逐渐加快。

        通过江苏城市空间格局演化特征分析，南京、徐州、苏锡常三个都市圈，淮安增长极具有发展优势，但是同时也出现一系列城市问题，因此在城市的建设发展中需要研究整体发展规划和空间结构布局，以达到多层次开发、城市资源综合利用的效果。

根据城乡统筹发展的要求，城市市域内需要重点发展基础好、潜力大的城镇，根究不同地区的不同条件因地制宜地进行发展，防止进行无理由地胡乱发展，可以从整体上对所有的城市进行合理规划，合理利用各个城市优势资源，追求共同发展。

        对于南京、苏州等这类作为江苏省增长极的特大城市，除了强调自身的首要地位之外，还需要控制自身的发展规模，充分利用自身龙头城市的优势，协同其他城市发展，多层次多角度開发城市资源;对于中小型城市，采取稳步发展战略，不可操之过急，从中建设城镇数量需要把握尺度，不可盲目进行发展，过于对数量进行追求，减少城镇斑块面积琐碎程度，可考虑从发展较为好的城镇中选取发展为市，对基础设施进行完善，便于居民生活质量的提高。

        夜间灯光数据是检测人类活动理想数据源之一，对于研究城市扩张具有优越性，但是依然有一些问题需要注意。

一是夜间灯光强度具有溢出效应，要对溢出效应加以考虑，并且尽力消除影响，对于夜间灯光数据的充分利用还需要加以研究。

二是由于分辨率不高，导致县域面积较小的区域数据精度较低，而我国未来卫星发射时若考虑提高空间分辨率，对数据做到更加量化精确的研究，将会有更加卓越的贡献，比如对城市住房空置率研究做出突出贡献等。

最后，本文主要是揭示江苏省空间扩张的特征，没能够从深层次方面对产生该特征的内部原因以及机制加以深析，而且掌握城市空间发展现状情况之后，需要对合理性做出评价，以及思考未来的情况，对规划做出一定的建议，这些内容都将为下一步需要深究思考的重点和方向。

        参考文献：

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