趙尚民，章詩芳

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原030024）

城鎮(zhèn)化是由于社會生產力的發(fā)展而引起的城市空間增長、城市規(guī)模擴大和農村人口向城市集中的過程。改革開放以來，我國城市建設快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化率從1978年的17.9%上升到2012年的52.6%。在快速城鎮(zhèn)化進程中，能否處理好城市建設與人口、資源、環(huán)境的關系成為影響城市發(fā)展的重要議題［1-3］。而了解城市發(fā)展進程和規(guī)律則是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎和關鍵。美國國防部氣象衛(wèi)星（defense meteorological satellite program，DMSP）上搭載的線性掃描業(yè)務系統傳感器（operational linescan system，OLS）可以獲取長時間序列的夜間燈光數據，并且在多個領域得到廣泛應用［4-9］，特別是在城市化擴展領域［10-18］。同時，由武漢大學研發(fā)的全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星于2018年6月在酒泉發(fā)射，這更加大了夜光動態(tài)變化遙感監(jiān)測的應用深度和范圍。

因此，本研究以山西省典型城市（太原市、大同市和運城市）為研究區(qū)，基于DMSP／OLS數據亮度的空間分布變化分析其經濟發(fā)展過程，并對其經濟發(fā)展狀態(tài)進行對比分析。研究分析并對比了山西省北、中、南3個典型城市的長時間發(fā)展軌跡，為了解山西省經濟發(fā)展進程和動態(tài)變化規(guī)律提供了科學依據，同時也為山西省城市化建設和科學發(fā)展提供理論支持，具有重要的科學意義和實踐價值。

1 研究區(qū)概況

山西省典型城市——太原市、大同市和運城市的基本情況如下：

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，是山西省的省會（見圖1）.太原市境總面積約6 988 km2，2012年太原市中心城區(qū)建成區(qū)面積約為310 km2（中國城市第24名）。2005年太原市GDP達893.16億元，比2000年增長了一倍多，到2013年增加到2 219.08億元［19］。

大同市位于山西省最北端，與河北省和內蒙古自治區(qū)毗鄰（見圖1）.作為山西省第二大城市和省域副中心城市，大同市2016年人口約為342.19萬，面積約14 176km2，2012年全市GDP為931.3億元，到2016年超過1 000億元［19］，經濟發(fā)展比較迅速。

運城市位于山西省南端的運城盆地及太行山南部地區(qū)，與陜西省和河南省毗鄰（見圖1）.運城市是3個國家級經濟示范區(qū)疊加的地級市，2016年人口約為530.52萬，總面積為14 233km2，2013年GDP約為1 140億元，到2016年達到1 222億元［19］，經濟增長迅速。

通過對山西省3個典型城市的燈光變化狀況進行對比，進一步了解其經濟發(fā)展過程，為探索山西省經濟發(fā)展規(guī)律提供基礎數據和借鑒。

圖1 山西省典型城市位置和地勢圖Fig.1 Location and relief map of typical cities in Shanxi Province

2 主要數據源

本研究所用的數據源主要為研究區(qū)域1992-2013年的DMSP／OLS夜間燈光數據，它源自美國國家地理信息中心2015年發(fā)布的可免費下載的第四版本的穩(wěn)定燈光強度數據（http：／／ngdc.noaa.gov／eog／dmsp／downloadV4composites.htm）.該數據為全球夜間燈光數據，空間分辨率1km.OLS傳感器于1976年首次搭載在DMSP衛(wèi)星上，最初的目的是檢測氣象，用于探測月光照射下的云。由于具有較高的增益，OLS不僅能監(jiān)測云，還能探測城鎮(zhèn)燈光、火光、漁船燈光等電磁波，因此逐漸被應用于監(jiān)測城市的夜間燈光、火災等。監(jiān)測夜間城市燈光、小規(guī)模居民點、交通道路、車流等發(fā)出的低強度燈光，可以綜合反映人類活動信息，從而為城市化和城市擴張的長時間序列遙感動態(tài)監(jiān)測提供基礎數據?；陂L時間序列DMSP／OLS的亮度大小和分布范圍變化可以推測區(qū)域特別是城市區(qū)的發(fā)展狀況。

3 研究方法

圖2 技術路線Fig.2 Technical routes

本研究的技術路線如圖2所示。從圖2可以看出：本研究首先通過美國國家地理信息中心網站下載第四版本的1992-2013年的DMSP／OLS數據，并將其從原始的地理投影轉換到Albers等積投影（以計算面積），然后基于山西省行政界線數據提取其典型城市的行政界線，再通過行政界線裁剪經過投影的DMSP／OLS數據獲得典型城市的DMSP／OLS數據；最后基于典型城市1992-2013年的DMSP／OLS數據，并按照5年的平均亮度變化和不同等級亮度的面積變化分析，并將其與對應時期的GDP變化進行對比，獲得典型城市不同時期的城市發(fā)展狀況。

DMSP／OLS數據在 城市擴 張［12，18］、城市化過程［6，13］、城市人口估算［5］、GDP 分析和能源消費［7，9］等方面的應用研究，為本文研究山西省典型城市發(fā)展狀況的遙感動態(tài)監(jiān)測提供了有效參考，同時本研究可為了解山西省不同區(qū)域經濟發(fā)展規(guī)律，山西省典型城市的合理規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學依據。

4 研究結果與分析

4.1 太原市1992-2013年的城市發(fā)展動態(tài)

4.1.1 太原市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

利用太原市行政界線對DMSP／OLS全球1992-2013年間的數據進行裁剪，獲得太原市長時間序列的DMSP／OLS夜間燈光數據。由于不同年份之間的數據存在明顯波動，為了減小這種波動，更容易發(fā)現亮度的變化規(guī)律，研究以5年為1個時期進行平均，從而獲得太原市1992-2013年不同時期的亮度均值數據，如圖3所示。

圖3 太原市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.3 DMSP／OLS data in different periods in Taiyuan City

從圖3可以看出：太原市東南方的主城區(qū)最亮，且面積不斷擴大；其他區(qū)域的亮度也在逐漸提高。對太原市各時期DMSP／OLS數據的亮度值進行數理統計，結果如表1所示。

從表1可以看出：各個時期亮度的平均值和標準偏差持續(xù)增加，且增速越來越大。這說明，太原市1992-2013年一直在持續(xù)發(fā)展，且發(fā)展速度越來越快。

表1 太原市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 1 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Taiyuan City

4.1.2 太原市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

為了更好地了解亮度的變化情況，參考太原市城區(qū)的面積和范圍，將DMSP／OLS數據按照亮度值劃分為（0～5）、（5～10）、（10～20）、（20～35）和（＞35）5個等級，并對各個等級的空間分布面積進行統計，獲得太原市1992-2013年不同時期各等級亮度的分布面積，如表2所示。

從表2可以看出：在各個時期的5個等級中，（0～5）等級的亮度分布面積從2007年以后開始明顯減??；中間3個等級的空間分布面積存在波動；（5～10）和（10～20）等級的亮度分布面積波動明顯；（20～35）等級的亮度分布面積整體增加；（＞35）等級的亮度分布面積持續(xù)增加，增加了約2.5倍，且增加速度越來越快。

表2 太原市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 2 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Taiyuan City km2

4.2 大同市1992-2013年的城市發(fā)展動態(tài)

4.2.1 大同市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

基于獲取的大同市行政界線對全球1992-2013年的DMSP／OLS數據進行裁剪，并以5年為1個時期進行平均，得到大同市1992-2013年不同時期的亮度均值數據，如圖4所示。

圖4 大同市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.4 DMSP／OLS data in different periods in Datong City

從圖4可以看出：大同地區(qū)的主要城鎮(zhèn)亮度持續(xù)增加，主要體現在大同市主城區(qū)范圍擴大，亮度更加均勻，同時幾個縣城區(qū)的亮度也有明顯增大。

對圖4中不同時期的亮度數據進行數理統計，結果如表3所示。

表3 大同市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 3 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Datong City

從表3可以看出：大同市前3個時期發(fā)展緩慢，亮度和平均值增長不大；后2個時期發(fā)展迅速，平均亮度值從3.134增加到5.946，標準偏差也很大。

4.2.2 大同市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數據分級標準，對大同市不同時期的亮度數據進行分級，并統計各個等級在不同時期的分布面積，結果如表4所示。

從表4可以看出：從1992-2013年，大同市（0～5）等級的亮度分布面積中，前3個時期減少不大，而后2個時期則快速減少；（5～10）和（10～20）等級的亮度分布面積持續(xù)增加，特別是后2個時期；（20～35）等級的分布面積整體呈增加趨勢，但有明顯波動，如第3時期面積有明顯減少；（＞35）等級的亮度分布面積整體呈增加趨勢，但前3個時期變化不大，甚至呈下降趨勢，后2個時期則快速增加。

表4 大同市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 4 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Datong City km2

4.3 運城市1992-2013年的城市發(fā)展動態(tài)

4.3.1 運城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

利用運城市行政界線裁剪全球1992-2013年間的DMSP／OLS亮度數據，并對裁剪結果以5年為1個時期進行平均，得到運城市不同時期的亮度均值數據，如圖5所示。

從圖5可以看出：從第1個時期到第5個時期，不僅亮度區(qū)的范圍明顯增大，亮度數據的數值范圍也明顯變大，從第1時期的0～50增加到第5時期的0～62.這說明運城市這20多年來發(fā)展顯著。

對運城市各時期不同等級的DMSP／OLS數據的亮度值進行數理統計，結果如表5所示。

圖5 運城市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.5 DMSP／OLS data in different periods in Yuncheng City

從表5可以看出：從第1時期到第5時期，數值范圍持續(xù)增大；平均值和標準偏差也持續(xù)增大，特別是平均值，增速越來越快；另外，最后2個時期的增速明顯加快。

表5 運城市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 5 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Yuncheng City

4.3.2 運城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數據分級標準，對運城市DMSP／OLS數據的亮度等級進行分級，并統計不同時期各個等級的分布面積，結果如表6所示。

表6 運城市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 6 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Yuncheng City km2

從表6可以看出：運城市（0～5）等級的亮度分布面積持續(xù)減少，且呈加速減少趨勢；（5～10）等級的分布面積略有波動，但整體呈加速增長趨勢；其他3個等級均呈現快速增加的發(fā)展過程，這也體現出運城市這20多年來經濟的快速發(fā)展。

4.4 典型城市間發(fā)展動態(tài)對比

4.4.1 典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化對比

在對典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度統計和分析時，平均值是重要的一項指標，對比3個典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的平均值，結果如圖6所示。

圖6 典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的平均值對比Fig.6 Mean value comparison to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖6可以看出：3個城市均呈發(fā)展狀態(tài)，其中太原市整體發(fā)展程度最高，發(fā)展速度也最快，運城市和大同市起點相近，但運城市發(fā)展速度要快于大同市，大同市發(fā)展速度最慢，特別是在前3個時期。

4.4.2 典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據重要等級的面積變化對比

在DMSP／OLS亮度數據的幾個等級中，（＞35）是最重要的等級，它代表城市最發(fā)達區(qū)域的空間分布。把典型城市的DMSP／OLS數據中（＞35）等級的分布面積進行對比，結果如圖7所示。

圖7 典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的重要等級面積對比Fig.7 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖7可以看出：太原市經濟基礎最好，發(fā)展速度最快，整體呈最優(yōu)發(fā)展態(tài)勢；大同市經濟基礎次之，但前3個時期發(fā)展不太好，甚至呈降低趨勢，后面2個時期發(fā)展速度極快；運城市經濟基礎最差，但發(fā)展速度一直非?？欤踔烈欢瘸^了大同市，最終經濟發(fā)展水平與大同市相近。

4.4.3 典型城市2000-2013年不同年份GDP對比

GDP是反映城市發(fā)展狀況最重要的經濟指標之一。通過山西省統計局的統計年鑒，獲得了太原市、大同市和運城市2000-2013年之間各年份的GDP數據［19］，其對比情況如圖8所示。

圖8 典型城市對比Fig.8 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

由于統計局網站只給出了2000年以后的GDP數據，本研究中的DMSP／OLS數據截止到2013年，因此選取2000-2013年的GDP數據進行對比分析。從圖8可以看出：2000-2013年，太原市GDP持續(xù)快速增長；運城市和大同市2000年的GDP接近，但運城市發(fā)展速度整體快于大同市，大同市發(fā)展速度最慢。由此可見，典型城市2000—2013年GDP的對比情況與同時期DMSP／OLS數據的亮度變化對比情況基本一致。

5 結論

基于DMSP／OLS全球數據分析了山西省典型城市1992-2013年的城市發(fā)展過程，并對典型城市的發(fā)展狀況進行了對比，結論如下：

1）太原市城市發(fā)展速度很快，城市夜間亮度持續(xù)變大，且變大的速度越來越快。亮度平均值從第1個時期的6.936增加到第5個時期的11.514，（＞35）這個等級的面積也從第1時期的313.37 km2迅速增加到第5時期的768.42km2，增加了約2.5倍，這說明太原市這段時期一直呈加速發(fā)展態(tài)勢。

2）大同市前3個時期發(fā)展緩慢，后2個時期發(fā)展迅速，平均亮度值從第1時期的2.949增加到第3時期的3.134，第5時期迅速增加到5.946；對于（＞35）等級的面積變化，前3個時期甚至略有下降，從第1時期的210.15km2降到第3時期的181.52 km2，到第5時期則迅速增加到569.71km2，這說明大同市前期發(fā)展緩慢、后期發(fā)展極為迅速。

3）運城市呈現快速發(fā)展狀態(tài)。夜間燈光亮度的平均值從第1時期的2.870迅速增加到第5時期的6.864；（0～5）等級的亮度分布面積快速減少，（5～10）等級的面積稍有波動，其他3個等級的面積則呈迅速增加趨勢，特別是（＞35）等級的面積，從第1時期的36.90km2增加到第5時期的526.52km2，增加了近15倍，由此說明運城市的整體發(fā)展迅速。

4）山西省3個典型城市的夜間燈光亮度變化狀況與同時期GDP的變化規(guī)律基本一致，由此獲得各城市發(fā)展狀況：太原市經濟基礎最強，發(fā)展速度也呈現持續(xù)快速發(fā)展趨勢，是整體實力最強和發(fā)展態(tài)勢最好的城市；大同市經濟基礎次之，前期發(fā)展速度緩慢，后2個時期發(fā)展極其迅速；運城市經濟基礎最差，但是一直在持續(xù)快速發(fā)展，甚至一度超過大同市，是整體發(fā)展速度最快的城市。