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(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，福州350003)

0 引言

改革開放以來，中國大陸的城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展［1］。城鎮(zhèn)化是一種重要的社會和經(jīng)濟現(xiàn)象，涉及經(jīng)濟、社會、人口和空間等多方面［2-4］。隨著中國城鎮(zhèn)化進程加快，城市群成為最引人注目和最具有活力的地區(qū)［5-6］。傳統(tǒng)城市群城鎮(zhèn)化測度水平的指標與方法主要基于行政單元統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括主要指標法和復(fù)合指標法，但由于其高耗費、長周期、不客觀、可信度差等方面的劣勢，其可比性和通用性較差［7］。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)的日趨豐富，出現(xiàn)了較多的城鎮(zhèn)化水平估算方法。利用Landsat TM等數(shù)據(jù)，遙感被廣泛應(yīng)用于小尺度的城市土地利用分類、變化信息監(jiān)測和空間擴展提取等方面。美國軍事氣象衛(wèi)星Defense Meteorological Satellite Program(DMSP)搭載的Operational Linescan System(OLS)傳感器為大尺度的城市研究提供了新的數(shù)據(jù)源［6-7］，研究領(lǐng)域涵蓋城市化特征［8］、生態(tài)效應(yīng)［9］和人口估算［10］等方面。珠三角城市群是我國發(fā)展最快、城市化率最高、經(jīng)濟最發(fā)達的城市群。已有的研究往往是通過利用Landsat影像，對該地區(qū)的某個或某幾個城市進行圖像分類或建立專題信息提取指數(shù)等，研究該地區(qū)的城鎮(zhèn)化過程［11-14］。本研究利用1997、2002、2007、2012年4期珠三角城市群的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提取城市群建設(shè)用地信息，并在此基礎(chǔ)上分析該區(qū)域城鎮(zhèn)化空間過程以及建設(shè)用地的擴張類型。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)

珠三角城市群是我國乃至亞太地區(qū)最具活力的經(jīng)濟區(qū)之一，以廣州、香港、深圳為核心，包括珠海、東莞、澳門等城市形成的城市群，包含2個省級特別行政區(qū)、2個副省級城市和7個地級市。

1.2 數(shù)據(jù)源

1)遙感數(shù)據(jù):本研究使用的DMSP/OLS為非輻射定標的夜間平均燈光強度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品是由日本國立環(huán)境研究所和東京大學(xué)針對亞洲地區(qū)的特點開發(fā)的。通過熱紅外通道閾值法消除了云及火光等偶然噪聲影響后，對全年VNIR通道灰度值直接平均化處理后得到的［6-7］。該數(shù)據(jù)不對放大增益進行人為控制，因而可以研究宏觀尺度的城市化空間過程［8，15］。

2)統(tǒng)計數(shù)據(jù):市轄區(qū)的建成區(qū)面積來源于相應(yīng)年份的中國城市統(tǒng)計年鑒和廣東省統(tǒng)計年鑒。

3)輔助數(shù)據(jù):國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)發(fā)布的縣級以上面狀數(shù)據(jù)和中國地圖出版社出版的省界圖與交通地圖等。

2 研究方法

利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)思路如下:首先預(yù)處理數(shù)據(jù)，使遙感數(shù)據(jù)與輔助地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系統(tǒng)下，并按照研究區(qū)的地市縣界進行裁剪;其次結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用空間比較法獲得每個城市不同年份的最佳灰度分割閾值;最后按照每個灰度閾值，提取各城市的建成區(qū)面積，進而對結(jié)果進行空間演變模式與用地擴展類型的分析。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了便于后期的計算處理，將下載的遙感數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為橫軸墨卡托投影(UTM)，橢球體選為WGS84。按照縣以上面狀數(shù)據(jù)的邊界對遙感數(shù)據(jù)進行裁剪，得到各市與市轄區(qū)的燈光數(shù)據(jù)。將地圖中的省界與交通等添加上相同的投影與橢球，并進行數(shù)字化。

2.2 閾值確定

建成區(qū)是城鎮(zhèn)化監(jiān)測的重點。由于缺乏空間信息，過往基于行政單元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究無法滿足大尺度城市空間格局研究的需要［2，16］。因此，首先要利用遙感數(shù)據(jù)對建成區(qū)的形態(tài)進行提取。目前國內(nèi)外利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)提取城市空間格局信息的方法有3種［16］:經(jīng)驗閾值法、突變檢測法與基于輔助資料的空間比較法。其中，空間比較法應(yīng)用最為廣泛，如Imhoff［17］對在美國以及Small［18］對全球17個城市的研究，基本思路是利用相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，來幫助確定最佳閾值，進而從DMSP/OLS數(shù)據(jù)中提取城市空間信息。

本研究采用基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間比較法中的二分法來確定分割閾值。該方法的主體思路是首先選定某個城市的閾值最大值與最小值，然后通過迭代運算確定出最佳分割閾值，使按照該閾值分割出來的建成區(qū)面積與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的建成區(qū)面積之差的絕對值最小，具體如圖1。

圖1中，DNT和S(DNT)分別為燈光閾值和閾值內(nèi)的燈光斑塊面積;ΔS(DNT)為S(DNT)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的市轄區(qū)建設(shè)用地面積 (Area)差的絕對值;DNmax與DNmin分別為閾值的最大值與最小值，其初始值為按照城市范圍分割之后的每個區(qū)域與時間段的燈光灰度極值;DNT-1與DNT+1為前后設(shè)定的 2個閾值。判別式If［ΔS(DNT－1)≥ΔS(DNT)≤ΔS(DNT+1)］表示閾值DNT時的差值絕對值最小。

2.3 閾值提取結(jié)果

由于香港與澳門缺少相關(guān)的建成區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，無法確定相應(yīng)的燈光閾值。考慮到2個城市在研究時間段經(jīng)濟發(fā)展水平已經(jīng)很高，建成區(qū)變化幅度不大，未計算其燈光閾值。其余城市根據(jù)閾值提取流程，確定了研究時段的燈光閾值，如表1所示。4個時間點的燈光閾值占各個區(qū)域灰度最大值的百分比范圍分別為95% ～100%、91% ～100%、86% ～98%和90%～100%，其均值分別為98%、97%、92%與94%。

圖1 閾值確定Figure1 Light threshold determined process

表1 灰度閾值 (DNT)Table1 The threshold value(DNT)

以2012年為例，基于確定的燈光閾值，提取了珠三角城市群各市建設(shè)用地面積情況，如表2。結(jié)果表明，在整個城市群尺度上，二者的總體誤差為0.27%。在地市尺度上，相對誤差最大的小于4%，大部分地市誤差小于3%。受到DMSP/OLS圖像的空間分辨率、灰階特征和處理過程的影響，該差異可以接受。

表2 2012年珠三角城市群空間信息提取結(jié)果及精度評價Table2 Spatial information extraction results and accuracy assessment in 2012

3 結(jié)果與分析

3.1 城鎮(zhèn)化空間演變模式

從空間和景觀的角度，將城鎮(zhèn)化演變過程理解為農(nóng)業(yè)用地向非農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換，城市用地向非城市用地擴展。城市群地區(qū)的城鎮(zhèn)化過程有3個演變模式［16，19］:點狀城市化模式是除基質(zhì)和廊道之外出現(xiàn)的新的基質(zhì)增長點;線狀模式是城市單元在不同等級的基質(zhì)之間沿交通廊道擴展;面狀模式是城市單元在聚集效應(yīng)與規(guī)模效應(yīng)影響下圍繞原有基質(zhì)向外擴張。為揭示城鎮(zhèn)化空間模式，選取表1中灰度閾值最低值59(2007年，肇慶)，繪制了1997—2012年珠三角城市群建設(shè)用地擴張圖 (圖2)。

從圖2可知，1997—2012年間，所有城市均表現(xiàn)為以主城區(qū)為中心的面狀發(fā)展模式，導(dǎo)致深圳－東莞－廣州－佛山－中山連片擴展;惠州與佛山西北向表現(xiàn)為沿交通路線的線狀發(fā)展模式;肇慶、珠海與江門表現(xiàn)為點狀擴展，形成新的城鎮(zhèn);香港與澳門由于其發(fā)展程度與生態(tài)保護意識較高，可擴展的潛在建設(shè)用地較少，基本沒有出現(xiàn)建設(shè)用地擴張現(xiàn)象。

圖2 1997—2012年珠三角城市群市轄區(qū)建設(shè)用地擴張圖Figure2 City expansion from 1997 to 2012(DNT≥48)

3.2 城鎮(zhèn)化重心變化

利用公式 (1)［20］，計算了珠三角城市群1997—2012年的城市重心變化狀況。

式 (1)中，Xt、Yt為t年城市群重心的經(jīng)緯度坐標;Cti為提取出的t年i市的城市面積;xi、yi為提出的i市建成區(qū)中心點的經(jīng)緯度坐標。

表3建設(shè)用地重心分布結(jié)果表明，重心基本維持在113.63°E和22.82°N左右。盡管移動幅度不大，但在1997—2007年間，建設(shè)用地經(jīng)度向東移動0.001 5°，向北移動0.043 6°，主要表現(xiàn)為東部的東莞市與北部的廣州市的牽引;2007—2012年間，重心向東移動0.001 9°，向南移動0.062 4°，主要表現(xiàn)為東部的惠州市與南部的中山市的牽引。1997—2012年間，重心移動幅度越來越大，說明總體城鎮(zhèn)化進程加快。

3.3 用地擴展類型

由于DMSP/OLS的像元燈光強度隨時間的變化可以在一定程度上反映該區(qū)域開發(fā)利用強度，因此可以用城市像元燈光強度的時間變化特征來識別不同的城市用地主導(dǎo)擴展類型［19，21］?；舅悸肥?當(dāng)DNT，1997≥DNT，2002≥DNT，2007時，為外延主導(dǎo)擴展類型;當(dāng)DNT，2007≤DNT，2012時，為填充增強主導(dǎo)擴展類型。

表3 建設(shè)用地重心分布Table3 The center of gravity of construction lands

從表1得知，在1997—2007年間，珠三角城市群中除惠州市，其余城市均表現(xiàn)為外延主導(dǎo)型擴展。1997年，廣州、深圳市轄區(qū)建成區(qū)面積為267 km2與124 km2;2007年，兩市的建成區(qū)面積達到844 km2與764 km2;分別擴展了577 km2與640 km2，年均擴展57.7 km2與64 km2，其他城市最多增速達11 km2。此時間段內(nèi)的惠州市表現(xiàn)為先填充后外延類型。2007—2012年間，城市群內(nèi)部城市均表現(xiàn)為填充增強主導(dǎo)型。城鎮(zhèn)化進程減速，增速較快的城市為廣州、江門與惠州，分別為33 km2/a、32.4 km2/a與25.6 km2/a。對比1997—2007年與2007—2012年，城鎮(zhèn)化先增速后減速的城市為廣州、深圳、佛山與珠海，屬于城市群的核心區(qū)域;增速進一步提升的為惠州與江門，屬于城市群的東西邊緣區(qū)域;東莞、肇慶與中山受到地形因素的影響，速度基本保持一致。

4 結(jié)論與討論

利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的支持下，通過設(shè)定各年份各城市的燈光閾值，提取珠三角城市群的空間信息;通過疊加分析，獲取城市群地區(qū)面狀、線狀與點狀的城市化空間演變模式，計算得出城市群重心的轉(zhuǎn)移情況;最后分析了不同年份不同城市的用地主導(dǎo)類型?；窘Y(jié)論如下:1)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)可以反映人類空間活動的強弱，為監(jiān)測大尺度的城鎮(zhèn)化進程與研究區(qū)域開發(fā)利用的強度提供支持。2)通過設(shè)定燈光閾值，有效地提取了珠三角城市群的建成區(qū)空間分布與面積，經(jīng)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，提取結(jié)果具有可信性。3)理清了城市群內(nèi)部城市的空間擴展模式與城市群建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移情況，發(fā)現(xiàn)深圳、東莞、廣州、佛山、中山呈面狀擴展;惠州與佛山表現(xiàn)為沿交通路線的線狀發(fā)展模式;肇慶、珠海與江門表現(xiàn)為點狀擴展。城市群建成區(qū)重心基本維持在113.63°E、22.82°N左右，移動幅度不大。4)城市主導(dǎo)擴展類型具有階段性特征。在1997—2007年間，珠三角城市群中除惠州市，其余城市均表現(xiàn)為外延主導(dǎo)型擴展;2007—2012年，各城市均表現(xiàn)為填充增強主導(dǎo)型。

區(qū)域尺度城市化空間過程的研究比較復(fù)雜，利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行提取與分析僅是一個方面，基于燈光數(shù)據(jù)圖像本身信息的自適應(yīng)閾值確定方法、城市空間信息提取、城市群擴展與預(yù)警、城市群城市化過程驅(qū)動機制、城市群產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟聯(lián)系、城市群內(nèi)部功能定位與規(guī)劃、耕地保護等方面的研究仍待進一步加強與深入。

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