張文斌，張志斌，周翼，董建紅，高峰

(1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué) 財(cái)稅與公共管理學(xué)院，蘭州 730101；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

0 引言

2018年3月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《蘭州—西寧城市群發(fā)展規(guī)劃》，要求到2035年蘭西城市群協(xié)同發(fā)展格局基本形成，各領(lǐng)域發(fā)展取得長(zhǎng)足進(jìn)步，發(fā)展質(zhì)量明顯提升，在全國(guó)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略格局中的地位更加鞏固[1-2]。蘭西城市群是中國(guó)西部重要的跨省區(qū)城市群，也是黃河上游重要的城市群。該城市群是以蘭州、西寧為中心，范圍主要包括甘肅省蘭州市，定西市安定區(qū)、隴西縣、渭源縣、臨洮縣，白銀市白銀區(qū)、平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣、景泰縣，臨夏回族自治州臨夏市、東鄉(xiāng)族自治縣、永靖縣、積石山保安族東鄉(xiāng)族撒拉族自治縣，青海省西寧市，海東市，海南藏族自治州共和縣、貴德縣、貴南縣，海北藏族自治州海晏縣，黃南藏族自治州同仁縣、尖扎縣，總面積9.75 km2，占國(guó)土總面積的1.1%[3-5]。然而，目前鮮見(jiàn)蘭西城市規(guī)模的相關(guān)研究，而掌握城市群城市規(guī)模變化特征則是促進(jìn)城市群協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。城市規(guī)模歷來(lái)是城市研究的熱點(diǎn)[6]，在城市規(guī)模測(cè)度方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常利用城市人口[7-8]、建設(shè)用地規(guī)模[9-10]、GDP[11-13]等指標(biāo)表征城市規(guī)模；在城市規(guī)模分析方面，則常利用分形理論[14]、網(wǎng)絡(luò)空間模型[15]、水資源承載力[16]、引力模型[17-18]、Huff模型[19-21]、斷裂點(diǎn)模型以及加權(quán)Voronoi圖[22-23]等方法進(jìn)行研究。綜觀(guān)上述研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是城市規(guī)模測(cè)算的主要數(shù)據(jù)來(lái)源，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難免存在失真、時(shí)效性差等缺點(diǎn)，給準(zhǔn)確測(cè)算城市規(guī)模帶來(lái)不便[24]。在進(jìn)行城市規(guī)模分析時(shí)，往往注重對(duì)城市體系以及城市聯(lián)系進(jìn)行分析，卻忽略了城市規(guī)模的時(shí)空演變特征。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，尤其是夜間燈光數(shù)據(jù)能直觀(guān)地反映人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的強(qiáng)度與范圍，與各類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素(人口[25]、GDP[26]、城市化水平[27]、不透水面[28]、城市擴(kuò)張[29]、電力消費(fèi)[30]、碳排放[31]等)存在顯著的相關(guān)關(guān)系，具有時(shí)效性、客觀(guān)性、易獲取性等優(yōu)點(diǎn)，因此，有部分學(xué)者[32-34]以夜間燈光指數(shù)表征城市規(guī)模，有效地彌補(bǔ)了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不足?；诖耍疚睦闷骄归g燈光強(qiáng)度來(lái)表征城市規(guī)模，采取核密度分析、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、莫蘭指數(shù)以及熱點(diǎn)分析等方法對(duì)2013—2018年的蘭西城市群城市規(guī)模時(shí)空演變特征進(jìn)行分析，以期豐富地理學(xué)研究的方法體系，同時(shí)為蘭西城市群的高質(zhì)量發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)及處理方法

本文以縣級(jí)單元作為研究的基本單元，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地理信息中心；NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于NOAA/NGDC網(wǎng)站，空間分辨率為500 m，共選取72景2013—2018年各月的NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，采取相關(guān)處理方法[24-35]對(duì)NPP-VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得2013—2018年年度夜間燈光數(shù)據(jù)。

本研究在對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)之上，采取負(fù)值消除與年度均值圖像合成、相對(duì)輻射校正、極高值消除以及不穩(wěn)定光源消除等手段對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[24-35],同時(shí)按照式(1)進(jìn)行燈光指數(shù)計(jì)算。

(1)

式中：ANLI為平均燈光指數(shù)；Nmax為最大燈光亮度；DNi為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)的燈光亮度；N為區(qū)域內(nèi)所有的亮值像元總數(shù)；ni為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)的燈光亮度的像元總數(shù)。

1.2 時(shí)空演變特征分析方法

1)核密度分析。核密度估計(jì)屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法之一，是在概率論中用來(lái)估計(jì)未知的密度函數(shù)。本研究利用核密度分析(式(2))對(duì)蘭西城市群城市規(guī)模的空間演變特征進(jìn)行分析[24-37]。

(2)

式中：f(s)為s處的核密度函數(shù)值；h為寬帶；n為與位置s的距離小于或等于h的要素點(diǎn)數(shù)；k函數(shù)表示空間權(quán)重函數(shù)。

2)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析法是一種定量描述研究對(duì)象時(shí)空分布特征與演變過(guò)程的方法[24-26，30-35]。橢圓中心表示地理要素空間分布的相對(duì)位置，方位角表示地理要素分布的主要方向，長(zhǎng)軸與短軸標(biāo)準(zhǔn)差分別表示地理要素在主要方向與次要方向上的離散程度。具體表述為式(3)～式(6)。

(3)

方位角：

(4)

(5)

(6)

3)莫蘭指數(shù)Moran’s I。本研究通過(guò)GeoDa 1.12軟件計(jì)算蘭西城市群城市規(guī)模的全局莫蘭指數(shù)(式(7))，用以探討城市規(guī)模的時(shí)空演變格局[24-26，30-35]。

(7)

4)熱點(diǎn)分析。研究采用Ord和Getis提出的用于進(jìn)行局部相關(guān)性分析的統(tǒng)計(jì)指數(shù)G*(式(8)、式(9))來(lái)識(shí)別蘭西城市群城市規(guī)模關(guān)聯(lián)特征[24-26，30-35]。

(8)

(9)

2 城市規(guī)模時(shí)空演變分析

2.1 城市規(guī)模時(shí)空演變特征分析

根據(jù)自然斷點(diǎn)法，本文將蘭西城市群城市規(guī)模核密度劃分為5級(jí)，然后采取手動(dòng)分類(lèi)的方法，對(duì)后續(xù)年份城市規(guī)模核密度進(jìn)行分類(lèi)。發(fā)現(xiàn)在空間上，2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模核密度呈現(xiàn)出以西寧、蘭州2座城市為中心的兩極特征，且城市規(guī)模核密度不斷向外圍擴(kuò)張，在強(qiáng)度上則基本呈現(xiàn)出不斷增強(qiáng)的趨勢(shì)，說(shuō)明整體上蘭西城市群城市規(guī)模增長(zhǎng)明顯。具體來(lái)看，蘭西城市群在2013年表現(xiàn)出以蘭州主城區(qū)為主核心、西寧主城區(qū)為副核心的同心圓分布格局，且在樂(lè)都地區(qū)出現(xiàn)了明顯的低密度區(qū)域，說(shuō)明此時(shí)蘭西城市群內(nèi)部城市發(fā)展空間差異較大。在2014年時(shí)，以蘭州主城區(qū)為主核心、西寧主城區(qū)為輔核心的同心圓分布格局雖未完全改變，但樂(lè)都地區(qū)城市規(guī)模核密度增強(qiáng)；同時(shí)，甘肅一側(cè)的平川區(qū)與安定區(qū)城市規(guī)模也不斷增強(qiáng)，表現(xiàn)出向東北、東南方向發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)部分中小型城市得到了發(fā)展。2015年其變化不太明顯。至2016年，青海一側(cè)的城北區(qū)、城東區(qū)、湟中縣等地的核密度躍升到一級(jí)，城市規(guī)模的主次核心格局轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓸O格局，反映了西寧主城區(qū)及其周邊部分縣域的城市規(guī)模得到明顯的發(fā)展。另外，2013年，蘭州主城區(qū)城市規(guī)模呈現(xiàn)出城關(guān)區(qū)—西固區(qū)為核心的城市規(guī)模分布特征，但在2016年呈現(xiàn)出城關(guān)區(qū)—蘭州新區(qū)的南北向城市規(guī)模分布的趨勢(shì)，一方面反映了蘭州新區(qū)的崛起，另一方面反映了西固區(qū)等老城區(qū)城市規(guī)模發(fā)展放緩的事實(shí)。2017年，蘭州主城區(qū)的城關(guān)區(qū)—蘭州新區(qū)的南北向城市規(guī)模分布的趨勢(shì)已基本形成，2018年，青海一側(cè)的尖扎縣、化隆、民和等區(qū)域的城市規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)展。綜上得出，2013—2018年蘭西城市群的城市規(guī)模在不斷發(fā)展的同時(shí)，其內(nèi)部空間格局也在不斷演化，尤其是蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)以及城市群東部與南部的部分中小型城市，其城市規(guī)模增長(zhǎng)對(duì)整個(gè)城市群城市規(guī)?？臻g格局演變起著重要作用。

2.2 城市規(guī)模時(shí)空分布方向分析

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析發(fā)現(xiàn)，2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模在研究時(shí)點(diǎn)中重心均位于甘肅境內(nèi)，說(shuō)明整個(gè)城市群中甘肅境內(nèi)的城市規(guī)模更大。從重心的移動(dòng)方向來(lái)看，雖然城市規(guī)模重心在西北、東北、西南3個(gè)方向都有遷移，但整體上以西北為主，這是研究時(shí)段中城市群西部尤其是西寧等地城市規(guī)模發(fā)展迅速所致；從重心的遷移距離來(lái)看，2017年之前，重心遷移距離較小，遷移方向?yàn)槲鞅狈较颍f(shuō)明城市群西北部的城市規(guī)模正在逐步增長(zhǎng)，2017年城市規(guī)模重心遷移距離最大，達(dá)到11.15 km(表1)，且遷移方向?yàn)闁|北方向，說(shuō)明此時(shí)城市規(guī)模增長(zhǎng)的重心轉(zhuǎn)移到城市群東北部，且增長(zhǎng)較為迅速。2018年，城市規(guī)模的增長(zhǎng)重心又重新回歸到城市群的西部。從方位角來(lái)看，城市群城市規(guī)模的方位角始終處于107.12°到109.08°之間(表1)，說(shuō)明城市規(guī)?？臻g分布呈現(xiàn)出西北—東南方向格局。從主軸方向看，主半軸長(zhǎng)度由134.50 km增長(zhǎng)到148.97 km(表1)，整體呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明城市規(guī)模在主軸方向上發(fā)生了分散現(xiàn)象；從輔軸方向看，輔半軸長(zhǎng)度由46.37 km增長(zhǎng)到54.61 km(表1)，說(shuō)明在輔軸方向上城市規(guī)模也發(fā)生了分散現(xiàn)象，體現(xiàn)了蘭西城市群城市規(guī)模在研究時(shí)點(diǎn)中的離散程度加強(qiáng)，城市群內(nèi)部之間的城市規(guī)模差異進(jìn)一步拉大。

表1 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

2.3 城市規(guī)模時(shí)空演變格局分析

通過(guò)莫蘭指數(shù)發(fā)現(xiàn)，蘭西城市群2013年的莫蘭指數(shù)為0.36(表2)，2018年莫蘭指數(shù)為0.11，說(shuō)明雖然蘭西城市群城市規(guī)模存在正向空間分布特征，但是莫蘭指數(shù)下降明顯，空間聚集性減弱，城市群內(nèi)部的城市規(guī)模差異不斷變大，體現(xiàn)了雖然整體上在研究期內(nèi)城市群城市規(guī)模得到普遍增長(zhǎng)，但是由于資源稟賦以及政策驅(qū)動(dòng)等因素使得如蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)等地區(qū)發(fā)展更為迅速，造成了區(qū)域間城市規(guī)模發(fā)展速度失衡，加強(qiáng)了城市群城市規(guī)模的離散程度。

表2 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模莫蘭指數(shù)

為進(jìn)一步分析蘭西城市群城市規(guī)模的空間格局演變特征，對(duì)城市規(guī)模進(jìn)行熱點(diǎn)分析，得到蘭西城市群2013—2018年的城市規(guī)模變化熱點(diǎn)表(表3)。不難發(fā)現(xiàn)，蘭西城市群的城市熱點(diǎn)區(qū)域不斷降低，冷

表3 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模熱點(diǎn)變化

點(diǎn)區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定。2013年蘭西城市群城市規(guī)模的熱點(diǎn)區(qū)域范圍較大，共涉及8個(gè)區(qū)縣，主要集中在蘭州市主城區(qū)附近，在循化撒拉族自治縣與同仁縣則形成了城市規(guī)模的冷點(diǎn)區(qū)域，并一直持續(xù)到2017年；而在西寧等地的城市規(guī)模并沒(méi)有形成冷熱點(diǎn)，說(shuō)明該區(qū)域城市規(guī)?？臻g聚集性較弱。到2018年時(shí)，城市規(guī)模熱點(diǎn)區(qū)域由8個(gè)降低至4個(gè)，冷點(diǎn)區(qū)域保持不變。這一方面主要是由于蘭州市部分縣域城市規(guī)模有所降低，如西固區(qū)等傳統(tǒng)工業(yè)型城市的大型工業(yè)企業(yè)不斷外遷導(dǎo)致的；另一方面則是由于蘭州新區(qū)的迅速擴(kuò)張，拉大了與鄰近城市的差距，城市規(guī)模差異性增強(qiáng)，導(dǎo)致了熱點(diǎn)區(qū)域的減少。另外，蘭州、西寧2座中心城市的熱點(diǎn)區(qū)域不斷減少(或未形成熱點(diǎn)區(qū)域)，反映出城市群內(nèi)中心城市對(duì)周邊城市的輻射引領(lǐng)作用有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以夜間燈光亮度表征城市規(guī)模，利用核密度分析、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析、莫蘭指數(shù)以及熱點(diǎn)分析等方法對(duì)蘭西城市群2013—2018年的城市規(guī)模進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)從時(shí)空演變特征來(lái)看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模整體增長(zhǎng)明顯，城市規(guī)?？臻g演變由蘭州西寧為主次中心的同心圓分布格局逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴m州、西寧2座城市為中心的兩極特征。其中，中小型城市的規(guī)模增長(zhǎng)使城市群城市規(guī)模核密度集中連片程度增強(qiáng)，西寧主城區(qū)城市規(guī)模增長(zhǎng)使城市群西部逐漸形成城市規(guī)模的一極，蘭州新區(qū)的迅速發(fā)展以及西固等地區(qū)城市規(guī)模發(fā)展速度放緩使蘭州主城區(qū)城市規(guī)模由以城關(guān)區(qū)—西固區(qū)為核心的東西向分布趨勢(shì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿顷P(guān)區(qū)—蘭州新區(qū)為核心的南北向分布趨勢(shì)。

2)從時(shí)空分布方向來(lái)看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模重心均位于甘肅境內(nèi)，表明城市群東部城市發(fā)育較為成熟，城市規(guī)模重心移動(dòng)整體上以西北方向?yàn)橹鳎f(shuō)明西北部城市規(guī)模增長(zhǎng)更為迅速，2017年城市規(guī)模重心遷移距離最大，達(dá)到11.15 km；從方位角來(lái)看，城市群城市規(guī)模的方位角始終處于107.12°到109.08°之間，反映出城市規(guī)模空間分布呈現(xiàn)出西北—東南方向格局；從主輔軸方向看，主輔半軸長(zhǎng)度均有所增加，蘭西城市群城市規(guī)模在主次方向上發(fā)生了分散現(xiàn)象，體現(xiàn)了蘭西城市群城市規(guī)模在研究時(shí)點(diǎn)中的離散程度加強(qiáng)，城市群內(nèi)部之間的城市規(guī)模差異進(jìn)一步拉大。

3)從時(shí)空演變格局來(lái)看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模莫蘭指數(shù)皆為正，但基本呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢(shì)，說(shuō)明蘭西城市群城市規(guī)模存在正向空間分布特征，但空間聚集性不斷減弱，城市群內(nèi)部的城市規(guī)模差異不斷變大，這是由于資源稟賦以及政策驅(qū)動(dòng)等因素使得如蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)等地區(qū)發(fā)展更為迅速，造成了區(qū)域間城市規(guī)模發(fā)展速度失衡，加強(qiáng)了城市群城市規(guī)模的離散程度。從熱點(diǎn)分析來(lái)看，蘭西城市群城市規(guī)模的空間格局呈現(xiàn)出熱點(diǎn)區(qū)域不斷降低，冷點(diǎn)區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定的空間格局，這同樣是城市群城市規(guī)模發(fā)展速度失衡所致，使相鄰城市間城市規(guī)模差異不斷拉大，熱點(diǎn)區(qū)域不斷減少，也體現(xiàn)了城市群內(nèi)中心城市對(duì)周邊城市的輻射引領(lǐng)作用有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

本文通過(guò)對(duì)蘭西城市群2013—2018年城市規(guī)模時(shí)空演變進(jìn)行分析，有利于掌握蘭西城市群城市規(guī)模時(shí)空演變特征，為蘭西城市群的高質(zhì)量發(fā)展提供一定的理論借鑒和決策依據(jù)。文中關(guān)于蘭西城市群城市規(guī)模在2016年之前形成了以“蘭州為主核心，西寧為次核心”的空間分布特征，“城市群內(nèi)中心城市對(duì)周邊城市的輻射引領(lǐng)作用有待進(jìn)一步加強(qiáng)”以及“城市群內(nèi)部之間的城市規(guī)模差異進(jìn)一步拉大”等結(jié)論與梁峰[38]關(guān)于蘭西城市群“城市間相互聯(lián)系強(qiáng)度空間發(fā)展不均衡”“蘭西城市群城市體系呈現(xiàn)出明顯的極化特征，中心城市對(duì)群內(nèi)城市的輻射帶動(dòng)作用有限；蘭西城市群中蘭州市的集聚能力整體大于西寧市，且蘭州市的中心地位高于西寧市”等結(jié)論相似，表明了利用夜間燈光數(shù)據(jù)表征城市規(guī)模的可行性，同時(shí)在一定程度上佐證了文章結(jié)論的科學(xué)性。另外，研究發(fā)現(xiàn)西固、安寧等地區(qū)的夜間燈光指數(shù)自2017年后不斷降低，同時(shí)蘭州新區(qū)燈光指數(shù)不斷增長(zhǎng)，造成了蘭州市主城區(qū)附近的城市規(guī)模核密度空間分布格局呈現(xiàn)出由東西向南北轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，這有可能是由于天氣或者數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因使得該地區(qū)的夜間燈光亮度未得以真實(shí)體現(xiàn)，也有可能是該地區(qū)出現(xiàn)了“城市收縮”的現(xiàn)象。因數(shù)據(jù)及資料等的限制，文章缺乏對(duì)蘭西城市群城市規(guī)模時(shí)空演變特征驅(qū)動(dòng)機(jī)制的探討，未來(lái)資料充實(shí)后有待于進(jìn)一步深入研究。