黃鐵蘭 陳梓聰 羅 婧

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510510；2.嘉應(yīng)學(xué)院，廣東梅州 514015）

隨著城市化速度加快，城市建成區(qū)面積快速增長(zhǎng)，成為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要特征[1]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的雙重推動(dòng)下，城市建成區(qū)的面積和城市人口密度迅速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)社科院發(fā)布的《2020年社會(huì)藍(lán)皮書》，按城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤?jì)算，截至2019年底我國(guó)城鎮(zhèn)化水平已經(jīng)超過60%，正式進(jìn)入城市社會(huì)時(shí)代[2]。

GIS和衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)進(jìn)行城市擴(kuò)張的研究增多。其中，夜光遙感影像覆蓋區(qū)域大、時(shí)效性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。劉佳等[3]利用2000—2013年的DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合Landsat影像數(shù)據(jù)，通過閾值法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正和建成區(qū)面積提取，對(duì)鄂爾多斯市城市擴(kuò)張及其驅(qū)動(dòng)因子在時(shí)間及空間尺度上進(jìn)行分析。萬意等[4]以河南省為研究區(qū)域，利用1992—2012年河南省夜間燈光影像數(shù)據(jù)和空間信息，采用平均燈光亮度、平均燈光亮度增長(zhǎng)速度、歸一化總輻射值、總燈光強(qiáng)度等指標(biāo)以及城市重心坐標(biāo)、城市重心偏移距離、城市重心偏移速度等指標(biāo)對(duì)河南省各個(gè)城市的空間格局現(xiàn)狀和城市擴(kuò)張過程進(jìn)行研究。羅婧等[5]以粵港澳大灣區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合1992—2012年的DMSP/OLS遙感影像和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)各城市的空間格局現(xiàn)狀和城市擴(kuò)張過程。

城市擴(kuò)張與人口增長(zhǎng)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，研究城市擴(kuò)張與人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。張勇等[6]基于安徽省的城市建成區(qū)面積和人口數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市土地?cái)U(kuò)張與人口增長(zhǎng)的協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)模型，研究土地?cái)U(kuò)張與人口增長(zhǎng)間的協(xié)調(diào)關(guān)系。馮興華等[7]基于江西省2001年、2012年城市人口與建成區(qū)面積數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及GIS空間分析方法對(duì)城市人地協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行深入分析。斯日吉模楞[8]基于中國(guó)31個(gè)省（市、自治區(qū)）2005—2015年的國(guó)民經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，利用固定效應(yīng)模型，對(duì)我國(guó)各省（市、自治區(qū)）以及東、中、西部地區(qū)的城市總面積與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)間的關(guān)系開展研究，分析影響城市土地?cái)U(kuò)張的主要因素。

本文以DMSP/OLS夜光影像為主要數(shù)據(jù)源，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、城市建成區(qū)提取、城市擴(kuò)張重心遷移分析等流程，研究佛山市南海區(qū)2008—2013年的城市擴(kuò)張狀況，并結(jié)合人口數(shù)據(jù)，利用人地協(xié)調(diào)性系數(shù)分析人地協(xié)調(diào)關(guān)系。

1 研究區(qū)概括及數(shù)據(jù)源分析

1.1 研究區(qū)概況

佛山市南海區(qū)地處粵港澳大灣區(qū)腹地，東連廣州市區(qū)，南接順德區(qū)、鶴山市、新會(huì)區(qū)，西鄰三水區(qū)、高明區(qū)，北鄰花都區(qū)，環(huán)抱佛山禪城區(qū)，地處北緯22°48′03″、東經(jīng)112°49′55″，面積1 073.82 km2，常住人口291萬人。地勢(shì)為西北、西南部高，中、東南部低，海拔為0.7～2.5 m。

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

佛山市南海區(qū)的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)源自中華人民共和國(guó)自然資源部網(wǎng)站，比例尺1∶750 000。2008—2013年的DMSP/OLS全球夜光數(shù)據(jù)源自美國(guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站，空間分辨率約1 km，像元亮度值DN取0～63。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括城市建成區(qū)面積、生產(chǎn)總值等，源自《2009年廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》《2009年佛山市統(tǒng)計(jì)年鑒》《2014年佛山市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

佛山市南海區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)矢量化，投影為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)，利用佛山市南海區(qū)進(jìn)行裁剪，依次進(jìn)行飽和校正、相互校正、年內(nèi)融合和年際間校正[9]。國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照類型整理為表格形式。

2 研究方法

2.1 城市建成區(qū)提取

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法利用城市建成區(qū)面積數(shù)據(jù)，將基于DMSP/OLS夜光遙感影像的建成區(qū)提取面積與其進(jìn)行對(duì)比，獲得城市建成區(qū)范圍。動(dòng)態(tài)閾值法利用不同年份、不同區(qū)域的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為輔助資料，分別設(shè)置不同的閾值（動(dòng)態(tài)閾值），比較此時(shí)的燈光面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的建成區(qū)面積，將差值最小的閾值作為最佳閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建成區(qū)的提取[10]。

佛山市南海區(qū)的城市建成區(qū)面積數(shù)據(jù)獲取困難，本文主要利用佛山市2008年和2013年的城市建成區(qū)面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過“動(dòng)態(tài)閾值法”確定提取最佳閾值，將提取得到的2008年和2013年佛山市建成區(qū)利用佛山市南海區(qū)的行政區(qū)裁剪，得到佛山市南海區(qū)2008年和2013年的城市建成區(qū)。

2.2 城市重心偏移分析

重心是衡量某種空間屬性在區(qū)域內(nèi)總體分布狀況的指標(biāo)。城市重心模型可以有效表達(dá)某區(qū)域內(nèi)城市規(guī)模的分布性差異[7]。本研究使用城市重心、城市重心偏移距離、城市重心偏移速度指標(biāo)[3-5]。

（1）城市重心坐標(biāo)計(jì)算。

式中：X、Y——城市重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；Xi、Yi——第i個(gè)像元的坐標(biāo)；Ci——像元i的屬性值，為夜光DN值；n——區(qū)域內(nèi)的夜光像元總量。

（2）城市重心偏移距離。

式中：Xj、Xk——兩個(gè)年度城市重心的X坐標(biāo)；Yj、Yk——兩個(gè)年度城市重心的Y坐標(biāo)。

（3）城市重心偏移速度。

式中：V——城市重心偏移速度；Lmn——第n年的城市重心相對(duì)第m年的城市重心的偏移距離。

2.3 城市人地協(xié)調(diào)關(guān)系分析

一般采用城市規(guī)模彈性系數(shù)分析城市人地協(xié)調(diào)關(guān)系，主要考慮城市用地增長(zhǎng)率與城市人口增長(zhǎng)率的比值，忽略不同的城市等級(jí)規(guī)模、地形等因素的影響[7]。本文采用城市人地協(xié)調(diào)性系數(shù)（CPI）衡量城市人地協(xié)調(diào)關(guān)系[6-7]。

式中：CPI(t～t+n)——城市人地協(xié)調(diào)性系數(shù)；LR（t+n）、LRt——目標(biāo)年和基準(zhǔn)年的城市總面積；PR（t+n）、PRt——目標(biāo)年和基準(zhǔn)年的市區(qū)人口數(shù)量。

結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況，將CPI劃分為4種類型，細(xì)分為6個(gè)等級(jí)，用于評(píng)價(jià)人地協(xié)調(diào)關(guān)系[6-7]。

城市人地協(xié)調(diào)性系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 城市人地協(xié)調(diào)性系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 佛山市南海區(qū)城市建成區(qū)面積變化

經(jīng)過試驗(yàn)和比較，設(shè)置2008年最佳閾值為112，2013年最佳閾值為94。利用ENVI5.3進(jìn)行密度分割，提取兩個(gè)年度的建成區(qū)。2008—2013年佛山市南海區(qū)的城市建成區(qū)面積不斷增長(zhǎng)，建成區(qū)面積從42 km2擴(kuò)大至54 km2。

3.2 佛山市南海區(qū)城市重心偏移

分析城市重心遷移情況，2008—2013年佛山市南海區(qū)城市重心均分布在羅村街道，5年間向西南方向偏移185.73 km，偏移速度為37.15 km/a，總體上向西南方向擴(kuò)張。

城市重心坐標(biāo)及偏移距離、偏移速度如表2所示。佛山市南海區(qū)城市重心偏移如圖1所示。

表2 城市重心坐標(biāo)及偏移距離、偏移速度

圖1 佛山市南海區(qū)城市重心偏移

3.3 佛山市南海區(qū)人地協(xié)調(diào)關(guān)系

2008—2013年，佛山市南海區(qū)人口數(shù)量和建成區(qū)面積均增長(zhǎng)，人口由208.02萬人增長(zhǎng)至263.90萬人，建成區(qū)面積由42 km2增長(zhǎng)至54 km2。

佛山市南海區(qū)人口與建成區(qū)面積變化情況如圖2所示。

圖2 佛山市南海區(qū)人口與建成區(qū)面積變化情況

2008—2013年建設(shè)用地增長(zhǎng)率28.57%，人口增長(zhǎng)率26.86%，人地協(xié)調(diào)度0.99，人地基本協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語

從城市建成區(qū)面積變化角度分析，佛山市南海區(qū)2008—2013年城市建成區(qū)面積擴(kuò)大12 km2，年均增長(zhǎng)2.4 km2。從城市重心偏移情況分析，佛山市南海區(qū)2008—2013年城市重心偏移距離185.73 km，年均偏移量37.15 km。從人地協(xié)調(diào)度方面分析，2008—2013年建設(shè)用地增長(zhǎng)率為28.57%，人口增長(zhǎng)率為26.86%，城市人地協(xié)調(diào)性系數(shù)為0.99，城市化過程中人地基本協(xié)調(diào)，城市化進(jìn)程相對(duì)較緩慢。