李歡歡 康懷信

摘要：目前遙感技術(shù)發(fā)展迅速，其中夜間燈光數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用為城市發(fā)展研究提供了全新的思路，本文以江蘇省為例，利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，測(cè)算江蘇省的城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)、景觀格局指標(biāo)，對(duì)江蘇省在2003年至2013年十年內(nèi)的城市擴(kuò)張時(shí)空特征進(jìn)行分析，為江蘇省未來(lái)城市發(fā)展擴(kuò)張方向、擴(kuò)張?zhí)卣鞣治鎏峁┮罁?jù)，更好地對(duì)該城市政策制定者提供思路幫助。

Abstract： At present， remote sensing technology is developing rapidly. The wide application of nighttime lighting data provides a new way of thinking for urban development research. This paper takes Jiangsu Province as an example and uses DMSP/OLS nighttime lighting data to measure the urban expansion intensity index and landscape pattern indicators of Jiangsu Province， and analyzes the spatial and temporal characteristics of urban expansion in Jiangsu Province from 2003 to 2013， which provides a basis for the analysis of the future urban development expansion direction and expansion characteristics of Jiangsu Province， and better provide ideas for the city policy makers.

關(guān)鍵詞：時(shí)空擴(kuò)展;空間格局;夜間燈光數(shù)據(jù);江蘇省

Key words： space-time expansion;spatial pattern;nighttime lighting data;Jiangsu Province

中圖分類號(hào)：TU113.6+66 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）14-0156-04

0 ?引言

城市是人類生活的聚居區(qū)，城市建設(shè)一直是關(guān)乎人類生活發(fā)展的話題，在城市化進(jìn)程中，城市土地利用變化是最為直接的，眾多學(xué)者對(duì)城市空間擴(kuò)展方面展開(kāi)研究，分析城市的空間演化格局以及建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移態(tài)勢(shì)信息，從而準(zhǔn)確地獲取其擴(kuò)張形態(tài)與擴(kuò)張模式，這對(duì)于土地節(jié)約集約利用、土地資源的保護(hù)有一定的促進(jìn)作用[1]。

夜間燈光數(shù)據(jù)的全稱為DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，它的來(lái)源是美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心。目前將夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用于提取城市建成區(qū)閾值方法有以下幾種：一是經(jīng)驗(yàn)閾值法，指的是學(xué)者根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況人為進(jìn)行閾值賦值，這種方法操作簡(jiǎn)單，但是具有主觀性，Milesi通過(guò)對(duì)美國(guó)一些地區(qū)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)人為定義50為經(jīng)驗(yàn)閾值較為合適[2];二是突變檢測(cè)法，由Imhoff[3]提出，認(rèn)為城市建成區(qū)求取的過(guò)程中某一年份的周長(zhǎng)與面積突變所對(duì)應(yīng)的閾值就為所求的閾值，這種方法忽略城市發(fā)展過(guò)程中不同區(qū)域具有的差異性，不具有通用性;三是參考比較法，是根據(jù)設(shè)定的燈光閾值與政府所公布的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，提取建成區(qū)，何春陽(yáng)通過(guò)使用參考比較法對(duì)中國(guó)大陸20世紀(jì)90年代城市空間過(guò)程進(jìn)行研究[4]，此方法依賴于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);四種是影響空間比較法，由Henderson[5]提出，利用分辨率高的遙感影像進(jìn)行提取，數(shù)據(jù)較難獲取，成本較高。

收集江蘇省穩(wěn)定的夜間燈光數(shù)據(jù)和城市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，在arcgis技術(shù)的支持下，本文基于上述第三種方法來(lái)確定夜間燈光數(shù)據(jù)的閾值，提取城市建成區(qū)邊界。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)城市擴(kuò)張模式進(jìn)行分析，景觀格局進(jìn)行測(cè)算，城市擴(kuò)張空間變化進(jìn)行研究，定量地對(duì)江蘇省近十年的擴(kuò)張模式、形態(tài)、空間格局變化進(jìn)行研究，更好地分析所需要采取的政策。

1 ?研究區(qū)概況

江蘇省，簡(jiǎn)稱“蘇”，位于中國(guó)東部沿海中心，坐標(biāo)在北緯30°45′～35°20′，東經(jīng)116°18′～121°57′之間，國(guó)際6大世界級(jí)城市群之一的長(zhǎng)江三角洲城市群是由江蘇、浙江、安徽及上海共同構(gòu)成的，江蘇省人均國(guó)土面積在中國(guó)各省區(qū)中最少，人多地少的矛盾較為突出，是城市化水平上升較快的省份之一。

2 ?數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)的來(lái)源

本文所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)源主要包括：

①?gòu)拿绹?guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站免費(fèi)獲取;該數(shù)據(jù)采集時(shí)不會(huì)被光線的陰影影響，城市燈光、火光甚至是海上漁船的光影都能獲取，數(shù)據(jù)的質(zhì)量較高;自1992年以來(lái)獲取夜間燈光數(shù)據(jù)的衛(wèi)星有F10、F12、F14、F15、F16、F18。該數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的灰度值范圍為1—63，DN值為63，DN值越大，表示城區(qū)的可能性越大[5]。數(shù)據(jù)空間分辨率為1km*1km;坐標(biāo)為WGS1984地理坐標(biāo)。②從《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》收集江蘇省歷年來(lái)的建成區(qū)面積、土地利用數(shù)據(jù)以及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

自1992年以來(lái)獲取燈光數(shù)據(jù)的衛(wèi)星有F10、F12、F14、F15、F16、F18六顆，多位學(xué)者對(duì)中國(guó)區(qū)多年間燈光數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)不同衛(wèi)星所得數(shù)據(jù)存在明顯差異;夜間燈光數(shù)據(jù)不同年份采集標(biāo)準(zhǔn)不同或者是采集衛(wèi)星不同，另外自身存在燈光溢出效應(yīng)，因此必須對(duì)收集到的每一年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)處理，才能繼續(xù)進(jìn)行分析。

首先從收集到的全國(guó)燈光數(shù)據(jù)中提取研究區(qū)江蘇省的燈光數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)重投影為WGS84坐標(biāo)系橫軸墨卡托（UTM）投影，根據(jù)城市建設(shè)用地面積確定燈光閾值，再根據(jù)燈光值提取江蘇省城市建成區(qū)范圍。圖1為江蘇省六個(gè)年份的夜間燈光圖像。

2.2 數(shù)據(jù)的研究方法

①研究思路。第一需預(yù)處理數(shù)據(jù)，使夜間燈光數(shù)據(jù)按照行政邊界進(jìn)行裁剪;第二采用閾值判別方法獲得城市在不同年份的最佳灰度分割閾值，并圈定城市建成區(qū)范圍;第三是計(jì)算城市空間的重心偏移度、擴(kuò)張模式、擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度及相關(guān)景觀指數(shù)等指標(biāo)，定量地研究該城市建成區(qū)的擴(kuò)張形式以及空間耦合度，以此探究近年來(lái)江蘇省城市擴(kuò)張時(shí)空過(guò)程及主要特征。

②燈光數(shù)據(jù)閾值法提取建成區(qū)面積。從前人研究出的成果看，確定合適的閾值對(duì)于提取建成區(qū)十分重要，建成區(qū)閾值提取方法主要有四種，且優(yōu)缺點(diǎn)各不同，本文通過(guò)結(jié)合實(shí)際情況選取參考比較法，查閱相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)建成區(qū)范圍進(jìn)行提取。

③對(duì)于江蘇省建成區(qū)空間格局方面進(jìn)行研究，從時(shí)間上分析江蘇省整個(gè)省份城市擴(kuò)張情況，從空間上對(duì)江蘇省內(nèi)的各個(gè)市的擴(kuò)張?zhí)卣鬟M(jìn)行分析，主要對(duì)擴(kuò)張模式、景觀格局指標(biāo)選取、擴(kuò)展方向3部分進(jìn)行分析。擴(kuò)展速度為研究區(qū)內(nèi)江蘇省建成區(qū)面積的年增長(zhǎng)率，代表城市建成區(qū)擴(kuò)展的總體規(guī)模和趨勢(shì)[7]。擴(kuò)展強(qiáng)度是城市建成區(qū)在一定時(shí)間跨度內(nèi)擴(kuò)展面積的比率[8]，常用于不同時(shí)期建成區(qū)擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)及強(qiáng)弱的比較。

式中，M為擴(kuò)展速度;A為初期城市建成區(qū)總面積;ΔA為城市建成區(qū)擴(kuò)展面積;Δt為時(shí)間間距，若M值越大，則表示建成區(qū)的擴(kuò)展速度越快。

式中，I為城市擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)，TA代表城市土地總面積，ΔU是不同時(shí)期的擴(kuò)展面積差，I越大，則表征城市擴(kuò)展強(qiáng)度越大。

馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣與景觀格局指數(shù)、空間統(tǒng)計(jì)特征和以元胞自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的景觀格局動(dòng)態(tài)模擬是景觀格局演變分析的主要方法 [9]。景觀生態(tài)學(xué)[10]中的指標(biāo)計(jì)算方法常被學(xué)者們利用在多個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)有的城市建設(shè)重心遷移識(shí)別中大多只通過(guò)建成區(qū)界線這一信息來(lái)獲取城市重心中不包含非建成區(qū)信息，王秀蘭等[11]通過(guò)建立土地利用重心模型，來(lái)探討城市在一定時(shí)期土地利用類型的時(shí)空變化規(guī)律。本文用過(guò)利用arcgis中的“平均工具”求出每一年的重心，利用鄰近分析重心移動(dòng)的距離、移動(dòng)角度、移動(dòng)速度，再利用“追蹤線間隔“工具生成建成區(qū)重心偏移線，通過(guò)測(cè)算重心偏移距離，平均偏移速度、偏移角度等來(lái)進(jìn)行分析。

3 ?結(jié)果與分析

3.1 擴(kuò)展模式分析

①時(shí)間尺度。根據(jù)研究區(qū)閾值，得出江蘇省六個(gè)年份的建成區(qū)面積，如表1所示。根據(jù)建成區(qū)的擴(kuò)展模式，得出江蘇省城市空間擴(kuò)展態(tài)勢(shì)為逐漸擴(kuò)張，如表2所示。根據(jù)城市的年均面積在不同時(shí)間的增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率分析得出，江蘇省年均擴(kuò)展面積與擴(kuò)張面積速度都有逐漸增大的趨勢(shì)，如圖2所示。

②城市擴(kuò)展模式。城市擴(kuò)展過(guò)程一般可以概括為點(diǎn)狀、線狀和面狀3種模式[10]。為揭示江蘇省城市擴(kuò)張空間模式。繪制了六年江蘇省城市建成區(qū)擴(kuò)張圖3。

隨著城市的發(fā)展，江蘇省主要為點(diǎn)狀分布，面積不斷擴(kuò)大，蘇州市的面積變化特點(diǎn)是逐漸向東南部發(fā)展，由于江蘇省意在打造構(gòu)建沿江城市帶、沿海城鎮(zhèn)軸、沿東隴海城鎮(zhèn)軸，沿著軸線城市空間逐步增大;這種變化使得江蘇省城區(qū)不斷擴(kuò)張，擴(kuò)張中心逐漸位于南京、徐州、蘇錫以及淮安地區(qū)，從以上數(shù)據(jù)以及圖3可以分析出在2011年至2013年擴(kuò)張速度加增。

3.2 空間格局變化分析

根據(jù)圖4分析江蘇省景觀格局的指標(biāo)變化趨勢(shì)特征：總斑塊數(shù)量（NP）在2003年-2013年期間可探測(cè)到的城市區(qū)域斑塊迅速增加，從2003年至2013年逐漸增長(zhǎng)并且增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸加快，尤其在2011年至2013年兩年內(nèi)增長(zhǎng)了27個(gè)，增長(zhǎng)速度13.5個(gè)/年，由此可以看出江蘇省城市發(fā)展正在向高度破碎化時(shí)期進(jìn)行發(fā)展;景觀總面積（TA）值可以從圖4看出從2003年至2013年，TA值緩慢增長(zhǎng)，江蘇省建成區(qū)不斷攀升，2011年至2013年TA值增長(zhǎng)速度相對(duì)增快;斑塊密度（PD）從2003年的0.000382下降到2005年的0.000313，之后又逐漸增長(zhǎng)，到2013年為0.000734，并且從圖中可以看出有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì);景觀形狀指數(shù)（LSI）從2003年的1.41到2007年的1.32，而2007年之后又升為2009年的1.42與2003年大致相等，之后又從2009年降為2011年的1.32與2007年的數(shù)值相同，再到2013年的1.30，可以看出景觀形狀指數(shù)增減幅度不大;斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差從2003年的79.54逐漸升高至2011年的154.49再到2013年的152.34，說(shuō)明不穩(wěn)定，離散程度增大，但是從2011年到2013年較為穩(wěn)定，顯示出之后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì);平均斑塊面積從2003年的45.02到2005的62.14年有較為明顯的增長(zhǎng)，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，雖有升降起伏，但是程度并不明顯。總體而言，江蘇省建成區(qū)發(fā)展高度破碎化時(shí)期可能還沒(méi)到來(lái)，還是依然處于分散發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3.3 江蘇省重心軌跡分析

城市建成區(qū)重心（X，Y）定義為區(qū)域內(nèi)所有建成區(qū)用地的重心位置，以經(jīng)緯度計(jì)，通過(guò)重心位置的變化可以反映建成區(qū)空間擴(kuò)展方向的變化情況。關(guān)于城市建成區(qū)重心的研究涉及到重心位置、重心偏移距離、重心偏移速度、重心偏移角度四個(gè)指標(biāo)。

從圖中5分別可以看出江蘇省2003年、2005年、2007年、2009年、2011年、2013年建成區(qū)重心的位置以及偏移的方向，圖中speed MPH表示著偏移的速度，黃色速度至藍(lán)色速度逐漸增大。表明建成區(qū)隨著年份推進(jìn)，建成區(qū)偏移速度增大，在2007年至2009年速度達(dá)到最大值，重心位置從南至北發(fā)展，2003年至2005年向東北方向移動(dòng)，2005年至2007年向西北方向發(fā)展，2007年至2009年依然向西北方向發(fā)展，偏移角度不同而已，2009年至2011年?yáng)|南方向發(fā)展，2011年至2013年向東北方向發(fā)展，可以看出江蘇省的鎮(zhèn)江市逐漸向揚(yáng)州市擴(kuò)展，并且有趨勢(shì)表明逐漸向泰州發(fā)展。江蘇省重心移動(dòng)幅度的逐漸增大，說(shuō)明了江蘇省總體城市化進(jìn)程在不斷加快。

4 ?結(jié)論與討論

本文收集江蘇省DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，通過(guò)參考比較法，確定建成區(qū)范圍，以往情況下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不全面對(duì)土地利用等重大決策方面會(huì)造成不利的影響，而夜間燈光數(shù)據(jù)能避免這一影響，較好的反映數(shù)據(jù)的合理性，能對(duì)江蘇省城市化發(fā)展進(jìn)行深入地考究;對(duì)江蘇省而言，城鎮(zhèn)擴(kuò)展模式表現(xiàn)為點(diǎn)狀發(fā)展，總體以南部發(fā)展為主;景觀指數(shù)分析表明江蘇省城市擴(kuò)張過(guò)程中，城市化過(guò)程總體處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，面積不斷擴(kuò)大，景觀高度破碎時(shí)期還未到;根據(jù)江蘇省2003年-2013年建成區(qū)重心轉(zhuǎn)移態(tài)勢(shì)得出，城市的重心由南部逐漸向東北部發(fā)展。江蘇省城市的重心移動(dòng)幅度逐漸增大，說(shuō)明了城市的總體進(jìn)程在逐漸加快。

通過(guò)江蘇城市空間格局演化特征分析，南京、徐州、蘇錫常三個(gè)都市圈，淮安增長(zhǎng)極具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)，但是同時(shí)也出現(xiàn)一系列城市問(wèn)題，因此在城市的建設(shè)發(fā)展中需要研究整體發(fā)展規(guī)劃和空間結(jié)構(gòu)布局，以達(dá)到多層次開(kāi)發(fā)、城市資源綜合利用的效果。根據(jù)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的要求，城市市域內(nèi)需要重點(diǎn)發(fā)展基礎(chǔ)好、潛力大的城鎮(zhèn)，根究不同地區(qū)的不同條件因地制宜地進(jìn)行發(fā)展，防止進(jìn)行無(wú)理由地胡亂發(fā)展，可以從整體上對(duì)所有的城市進(jìn)行合理規(guī)劃，合理利用各個(gè)城市優(yōu)勢(shì)資源，追求共同發(fā)展。

對(duì)于南京、蘇州等這類作為江蘇省增長(zhǎng)極的特大城市，除了強(qiáng)調(diào)自身的首要地位之外，還需要控制自身的發(fā)展規(guī)模，充分利用自身龍頭城市的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同其他城市發(fā)展，多層次多角度開(kāi)發(fā)城市資源;對(duì)于中小型城市，采取穩(wěn)步發(fā)展戰(zhàn)略，不可操之過(guò)急，從中建設(shè)城鎮(zhèn)數(shù)量需要把握尺度，不可盲目進(jìn)行發(fā)展，過(guò)于對(duì)數(shù)量進(jìn)行追求，減少城鎮(zhèn)斑塊面積瑣碎程度，可考慮從發(fā)展較為好的城鎮(zhèn)中選取發(fā)展為市，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行完善，便于居民生活質(zhì)量的提高。

夜間燈光數(shù)據(jù)是檢測(cè)人類活動(dòng)理想數(shù)據(jù)源之一，對(duì)于研究城市擴(kuò)張具有優(yōu)越性，但是依然有一些問(wèn)題需要注意。一是夜間燈光強(qiáng)度具有溢出效應(yīng)，要對(duì)溢出效應(yīng)加以考慮，并且盡力消除影響，對(duì)于夜間燈光數(shù)據(jù)的充分利用還需要加以研究。二是由于分辨率不高，導(dǎo)致縣域面積較小的區(qū)域數(shù)據(jù)精度較低，而我國(guó)未來(lái)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)若考慮提高空間分辨率，對(duì)數(shù)據(jù)做到更加量化精確的研究，將會(huì)有更加卓越的貢獻(xiàn)，比如對(duì)城市住房空置率研究做出突出貢獻(xiàn)等。最后，本文主要是揭示江蘇省空間擴(kuò)張的特征，沒(méi)能夠從深層次方面對(duì)產(chǎn)生該特征的內(nèi)部原因以及機(jī)制加以深析，而且掌握城市空間發(fā)展現(xiàn)狀情況之后，需要對(duì)合理性做出評(píng)價(jià)，以及思考未來(lái)的情況，對(duì)規(guī)劃做出一定的建議，這些內(nèi)容都將為下一步需要深究思考的重點(diǎn)和方向。

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