李鵬飛, 楊光福, 任天智, 王蒙

(遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司信息中心, 沈陽 110006)

城鎮(zhèn)化進(jìn)程往往伴隨著人口增長、社會經(jīng)濟(jì)活動加劇、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施增長完善[1]。與此同時,城鎮(zhèn)化快速發(fā)展帶來了許多相關(guān)問題,諸如空氣污染、城市熱島效應(yīng)、自然資源退化、溫室氣體排放等。為減輕上述問題帶來的影響,有必要對城鎮(zhèn)化進(jìn)程和其發(fā)展特征進(jìn)行研究,進(jìn)一步監(jiān)測城鎮(zhèn)化動態(tài)[2]。社會經(jīng)濟(jì)與人口普查數(shù)據(jù)是相當(dāng)有效可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù),在城鎮(zhèn)化研究中發(fā)揮了重要作用,然而其宏觀且滯后的特征為城鎮(zhèn)化進(jìn)一步研究帶來了障礙。衛(wèi)星夜間燈光遙感影像作為動態(tài)更新的新型數(shù)據(jù)源,能夠有效反映人口動態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)增長和城鎮(zhèn)化帶來的人類活動強(qiáng)度信息,因此被廣泛用于研究更加全面細(xì)致的城鎮(zhèn)化動態(tài)時空特征[3]。

近年來,已有學(xué)者將夜間燈光(nighttime light, NTL)遙感影像與城鎮(zhèn)化研究方法相結(jié)合,為感知人類活動與環(huán)境變化等提供了新的思路[4]。NPP/VIIRS(national polar-orbiting partnership/visible infrared imaging radiometer suite)夜間燈光遙感數(shù)據(jù)具有長時間序列儲存、便于獲得的特點,借助閾值法、監(jiān)督分類模型或者與其他數(shù)據(jù)結(jié)合的方式,可對人類活動密集的城市建成區(qū)進(jìn)行提取與可視化[5]。夜間燈光數(shù)據(jù)也是研究人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)和其他經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的重要途徑[6-7],能夠有效反映社會經(jīng)濟(jì)活動的動態(tài)變化。除此之外在漁業(yè)、能源、環(huán)境與碳排放等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[8]。在諸多研究領(lǐng)域中,使用夜間燈光分析城鎮(zhèn)化水平與時空特征是一個重要的分支,并產(chǎn)生了許多研究成果。吳健生等[9]證明了通過夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對城市體系與空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的可行性,孫陽等[10]在多種尺度下對社會經(jīng)濟(jì)活動與夜間光照情況的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究,分析了人口、經(jīng)濟(jì)、社會生活等城鎮(zhèn)化指標(biāo),揭示了夜間燈光分析城鎮(zhèn)化進(jìn)程的合理性。夜間燈光遙感數(shù)據(jù)具有時間和空間兩層屬性,王慧娟等[11]使用空間引力模型在內(nèi)的多種分析方法,分析了長江中游城市的城鎮(zhèn)空間演化特征,陳夢根等[12]借助夜間燈光研究了1992—2016年中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展演化,并分析了產(chǎn)業(yè)、教育、交通等因素的影響。更多的研究趨向于從時空角度綜合分析,徐濤等[13]使用NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù),從緊湊度與分形維度等方面探討了川渝地區(qū)城市建成區(qū)擴(kuò)展的時空分布;奧勇等[14]通過對粵港澳大灣區(qū)城市建成區(qū)時空動態(tài)特征的研究,揭示了區(qū)域城市擴(kuò)張的速度與空間方位;布自強(qiáng)等[15]分析了城市建成區(qū)的形態(tài)、規(guī)模和結(jié)構(gòu),得出寧夏沿黃城市群的時空演變特征。除了對城市現(xiàn)狀的分析研判之外,夜間燈光數(shù)據(jù)也被用于預(yù)測未來的城鎮(zhèn)化指標(biāo)[16]。

現(xiàn)基于遼寧省夜間燈光遙感數(shù)據(jù),通過相關(guān)性分析與地理探測器驗證夜間燈光監(jiān)測城市建成區(qū)的合理性,采用Thei-Sen Median法與Mann-Kendall檢驗評估2012—2020年城鎮(zhèn)建成區(qū)的變化特征,Hurst指數(shù)用以預(yù)測城鎮(zhèn)燈光所暗示的城鎮(zhèn)未來發(fā)展趨勢,為遼寧省城鎮(zhèn)未來高質(zhì)量發(fā)展提供支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

遼寧省位于東北地區(qū)南部,地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°53′～125°46′,北緯38°43′～43°26′,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全省面積14.8萬km2,大陸海岸線長2 292 km,近海水域面積6.8萬km2。遼寧省是東北地區(qū)唯一的既沿海又沿邊的省份,也是東北及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)對外開放的門戶。為打破空間枷鎖,推動產(chǎn)業(yè)協(xié)作與經(jīng)濟(jì)合作,遼寧省在“十四五”規(guī)劃期間力爭構(gòu)建沈陽、大連“雙核”牽引的“一圈一帶兩區(qū)”區(qū)域發(fā)展格局,“一圈”即沈陽現(xiàn)代化都市圈,“一帶”即遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶,“兩區(qū)”即遼西融入京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略先導(dǎo)區(qū)和遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

NPP-VIIRS傳感器是高分辨率輻射儀AVHRR和地球觀測系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進(jìn),用于收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像。研究使用了2012—2020年的年度夜間燈光數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于地球觀測組織網(wǎng)站(https://eogdata.mines.edu),該數(shù)據(jù)已經(jīng)去除了雜散光、月光和云層覆蓋等的影響。在研究前,使用遼寧省行政邊界數(shù)據(jù)裁取到遼寧省2012—2020年夜間燈光數(shù)據(jù)。

為確定夜間燈光強(qiáng)度對城鎮(zhèn)化發(fā)展演變研究的支撐作用,選擇GDP數(shù)據(jù)、道路密度和人口密度等城鎮(zhèn)化評價指標(biāo)[17-18]進(jìn)行相關(guān)性分析。GDP網(wǎng)格數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn),道路數(shù)據(jù)來源于Openstreetmap(https://www.openstreetmap.org),并提取繪制與夜間燈光尺度一致的道路密度柵格,人口密度數(shù)據(jù)取自WorldPop(https://www.worldpop.org)。上述數(shù)據(jù)最終統(tǒng)一為分辨率為1 km×1 km的柵格。此外,其他相關(guān)數(shù)據(jù)均來自遼寧省統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 相關(guān)性分析

計算夜間燈光與GDP數(shù)據(jù)、道路密度與人口密度的皮爾遜相關(guān)系數(shù),用以揭示夜間燈光與城鎮(zhèn)化之間的關(guān)系[19]。皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以用P來表示,P為正表明夜間燈光與城鎮(zhèn)化指標(biāo)是正相關(guān)關(guān)系,反之亦然,P的絕對值越大代表著相關(guān)性越強(qiáng),具體計算公式為

(1)

2.2 地理探測器

地理探測器是一種度量要素空間分層異質(zhì)性,探討其潛在驅(qū)動因素的統(tǒng)計學(xué)方法。地理探測器包含因子探測與交互探測等,因子探測用以揭示空間層面城鎮(zhèn)化指標(biāo)對夜間燈光影響程度的強(qiáng)弱,交互探測檢驗不同城鎮(zhèn)化指標(biāo)共同作用時對夜間燈光影響的交互作用[20]。因子探測通過計算驅(qū)動力q,度量某個城鎮(zhèn)化指標(biāo)會在多大程度上影響夜間燈光的空間分異性,q的計算公式為

(2)

交互探測的原理是先分別計算兩個城鎮(zhèn)化指標(biāo)的q,后將兩個城鎮(zhèn)化指標(biāo)圖層疊加在一起計算q,對比疊加后的q與原始兩個指標(biāo)的q之間的關(guān)系判斷因子交互的類型。

2.3 變異系數(shù)

變異系數(shù)是一種無量綱的數(shù)據(jù)離散程度衡量指標(biāo),能夠很好反映空間數(shù)據(jù)的時間差異和變化程度,用以評價夜間燈光數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[21]。變異系數(shù)值越大,夜間燈光亮度值分布越分散,人類活動程度變化越劇烈;變異系數(shù)值越小,夜間燈光亮度值分布越集中,人類活動程度保持穩(wěn)定。以像元為單位計算夜間燈光值的變異系數(shù),公式為

(3)

2.4 趨勢分析與顯著性檢驗

Thei-Sen Median分析是一種非參數(shù)趨勢計算模型,常與Mann-Kendall檢驗結(jié)合評估時間序列數(shù)據(jù)的變化趨勢與顯著性[22],可用于夜間燈光影像亮度長時間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析中。Thei-Sen Median法計算公式為

(4)

式(4)中:βa為夜間燈光影像像元亮度變化趨勢。βa>0時,像元亮度呈增長趨勢;βa=0時,像元亮度保持不變;βa<0時,像元亮度呈下降趨勢。像元亮度趨勢結(jié)果可分為顯著降低、輕微降低、保持不變、輕微提升和顯著提升五類。

使用Mann-Kendall檢驗趨勢分析的顯著性,計算公式如下。

(5)

(6)

(7)

式中:ai和aj分別為夜間燈光影像像元在研究年份i和j的亮度值;sgn()為符號函數(shù);Z為標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗統(tǒng)計值。在雙邊檢驗中,對于給定的顯著性水平α,若|Z|>Zα/2,則在α的顯著性水平下夜間燈光序列亮度值存在顯著的變化趨勢。研究中,顯著性水平取0.05。

2.5 Hurst指數(shù)

Hurst指數(shù)是一種基于分形理論的時間序列分析方法,在氣候變化與城鎮(zhèn)化擴(kuò)張分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[17]。該方法可以用來預(yù)測夜間燈光亮度時間序列的未來變化趨勢。計算Hurst指數(shù)需要定義夜間燈光像元亮度時間序列{at},t=1,2,…,n,同時利用式(8)計算出其像元序列平均亮度值,即

(8)

在此基礎(chǔ)上,計算其累計高差、極差以及標(biāo)準(zhǔn)差,公式如下。

(9)

R(τ)=max1≤t≤τX(t,τ)-min1≤t≤τX(t,τ),τ=1,2,…,n

(10)

(11)

故可求出Hurst指數(shù),公式為

(12)

式(12)中:H為Hurst指數(shù),通過最小二乘法計算;c為常數(shù)。當(dāng)0.5

3 城鎮(zhèn)化驅(qū)動因子相關(guān)性與異質(zhì)性

3.1 夜間燈光格局

遼寧省夜間燈光的空間結(jié)構(gòu)以省內(nèi)城市為核心,呈散點狀分布,大致形成以沈陽—大連為軸線的集中連片區(qū)域,如圖1所示。亮度高值分布在城市和部分城鎮(zhèn),以及將它們相互連接的重要道路,反映了遼寧省域城鎮(zhèn)的空間分布特征。

圖1 遼寧省夜間燈光分布

為初步判斷遼寧省夜間燈光與城鎮(zhèn)發(fā)展的關(guān)系,繪制了全省年均夜間燈光亮度值與城鎮(zhèn)建成區(qū)面積變化趨勢圖,如圖2所示。遼寧省年均夜間燈光亮度值在0.8～1.2變化,2012—2015年呈明顯的波動態(tài)勢,自2015年起,全省夜間燈光亮度均值持續(xù)增長。城鎮(zhèn)建成區(qū)面積由2 329.1 km2增長至3 105.5 km2,與夜間燈光保持較為同步的增長趨勢。

圖2 夜間燈光與城鎮(zhèn)建成區(qū)年際變化趨勢

3.2 相關(guān)性分析

2012—2020年,遼寧省總?cè)丝诒３衷? 200萬人左右,GDP總量從1.7萬億元上升至2.5萬億元,GDP年均增速約為4.2%,道路長度從1.55萬km增加至2.15萬km。人口的變化趨勢與GDP、道路長度不同,經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,總?cè)丝趨s處于流失減少狀態(tài),與此同時,60歲以上人口由771萬人上升到1 116.8萬人,老齡化率較高。從城鎮(zhèn)化角度來看,城鎮(zhèn)人口自2 872萬人增長至3 064萬人,人口不斷向城市集中,城鎮(zhèn)化水平不斷提升。

GDP、道路密度和人口密度與夜間燈光強(qiáng)度呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.58、0.66、0.65(P<0.05)。結(jié)果表明,GDP值與道路密度對夜間燈光強(qiáng)度具有顯著影響,雖然人口總體發(fā)展趨勢與夜間燈光發(fā)展趨勢不一致,城鎮(zhèn)化人口卻保持穩(wěn)定增長,人口密度也是城鎮(zhèn)夜間燈光強(qiáng)度變化的重要驅(qū)動因素。

3.3 空間異質(zhì)性

為了進(jìn)一步探索夜間燈光與多個城鎮(zhèn)化指標(biāo)之間的關(guān)系,了解夜間燈光強(qiáng)度的空間分布特征,使用地理探測器對夜間燈光強(qiáng)度與城鎮(zhèn)化指標(biāo)進(jìn)行因子探測與交互探測,結(jié)果見表1?？梢钥闯?經(jīng)濟(jì)水平和道路密度對燈光強(qiáng)度具有較高的解釋力,驅(qū)動力值分別為0.48和0.40,表明經(jīng)濟(jì)活動水平與道路密度的差異是夜間燈光強(qiáng)度呈現(xiàn)空間差異性的重要因素;人口密度的解釋力相對較低,這是由于高密度人口并非是產(chǎn)生強(qiáng)燈光的必要條件,如夜間人口稀疏的一些路口、工廠、廣場等區(qū)域,同樣會展現(xiàn)出較高的夜間燈光強(qiáng)度。

表1 因子探測與交互探測結(jié)果

夜間燈光強(qiáng)度同樣是多重影響因素共同作用的結(jié)果。交互探測的結(jié)果表明,經(jīng)濟(jì)水平、人口密度和道路密度都存在雙因子增強(qiáng)的交互關(guān)系,即雙因子共同作用明顯比單因子驅(qū)動力更高。與單個驅(qū)動因子相比,任意兩個驅(qū)動因子之間共同交互的驅(qū)動力值都有不同程度的升高,其中GDP與道路密度之間的交互提升效果較為明顯,表明在經(jīng)濟(jì)活動較強(qiáng)的區(qū)域改善交通條件,或者提升道路附近的經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度均能對夜間燈光的提升產(chǎn)生促進(jìn)效應(yīng),更有助于提升城鎮(zhèn)化水平。

綜上,城鎮(zhèn)化發(fā)展指標(biāo)與夜間燈光具有較高的匹配度,夜間燈光的分布特征一定程度上反映了城鎮(zhèn)發(fā)展與空間布局特征,因此使用夜間燈光研究城鎮(zhèn)化特征是合理的。

4 城鎮(zhèn)格局演化

4.1 城鎮(zhèn)化時空變化

為體現(xiàn)遼寧省城鎮(zhèn)化發(fā)展的活躍程度,對夜間燈光強(qiáng)度的變異系數(shù)進(jìn)行像元計算與可視化,結(jié)果如圖3所示。全省夜間燈光強(qiáng)度變異系數(shù)均值為0.36,表現(xiàn)出較高波動程度的像元數(shù)占總像元數(shù)的81.7%?？臻g位置上靠近城市核心區(qū)的像元,其變異系數(shù)值相對較低,像元夜間燈光亮度較為穩(wěn)定;空間上位于城鄉(xiāng)交界處的像元,夜間燈光亮度變化較為顯著,表示在2012—2020年,這些區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)增長和城鎮(zhèn)化發(fā)展較為明顯;遠(yuǎn)離城市的廣大鄉(xiāng)村區(qū)域,變異系數(shù)保持在較低的水平。

圖3 變異系數(shù)的省域分布

從區(qū)域?qū)用鎭砜?不同區(qū)域燈光亮度變異系數(shù)的均值差異較大,側(cè)面反映了城鎮(zhèn)發(fā)展速度與活力的地區(qū)差異性。沈陽現(xiàn)代化都市圈與遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的變異系數(shù)均值低于遼西融入京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略先導(dǎo)區(qū)和遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū),如圖4所示。在沈陽和大連的帶動下,“一圈一帶”范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)活躍程度與城鎮(zhèn)化已經(jīng)處于較高水平,因此燈光強(qiáng)度變異系數(shù)整體偏小?！皟蓞^(qū)”范圍內(nèi)由于地理位置相對不利,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平較低,較高的變異系數(shù)體現(xiàn)了較高的城鎮(zhèn)化發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖4 變異系數(shù)的區(qū)域分布

4.2 城鎮(zhèn)化趨勢分析

遼寧省夜間燈光趨勢揭示了空間分布的區(qū)域差異。從全省層面看,90%以上的像元都呈現(xiàn)增長趨勢,且多分布在廣袤的鄉(xiāng)村區(qū)域,如圖5所示,這佐證了2012—2020年鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民生活水平的提升。然而呈現(xiàn)亮度降低趨勢的像元總占比不到10%,卻多分布于城市建成區(qū)范圍內(nèi),這些區(qū)域集中了多數(shù)的夜間燈光亮度高值,人類活動強(qiáng)度已基本飽和,夜間燈光值很難進(jìn)一步提升,面臨城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)型與發(fā)展的雙重困局。

圖5 變化趨勢的省域分布

從區(qū)域?qū)用鎭砜?遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)展水平與其他地區(qū)的差距較為明顯,如圖6所示。遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)區(qū)域范圍內(nèi),燈光亮度降低趨勢的像元占比接近50%,相較于其他區(qū)域內(nèi)的該數(shù)據(jù)約為25%,該區(qū)域在過去近10年中城鎮(zhèn)發(fā)展面臨較大挑戰(zhàn)。遼東地區(qū)多山且為重要的林業(yè)生態(tài)區(qū)域,限制性開發(fā)政策阻礙了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展,城鎮(zhèn)化重點在于協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展與保護(hù)的矛盾。

4.3 城鎮(zhèn)化發(fā)展的可持續(xù)性

將夜間燈光亮度趨勢與Hurst指數(shù)分析結(jié)果疊加耦合,得到遼寧省夜間燈光像元亮度變化趨勢及其持久性,如圖7所示。從全省范圍來看,遼寧省夜間燈光的平均Hurst指數(shù)為0.71,整體發(fā)展呈現(xiàn)一定的可持續(xù)性。全省90%的像元夜間燈光亮度在未來保持增長,而建成區(qū)范圍內(nèi)僅有68%的像元保持增長,已城鎮(zhèn)化區(qū)域的發(fā)展可持續(xù)性不足,這與現(xiàn)狀的高城鎮(zhèn)化率、高老齡化率密切相關(guān)。

圖7 可持續(xù)性的省域分布

將夜間燈光亮度可持續(xù)輕微減小的像元與可持續(xù)顯著減小的像元合并為可持續(xù)減小的像元,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計,并與過去9年的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行對比,如圖8所示。從區(qū)域?qū)用婵?遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)范圍在2012—2020年有49%的像元數(shù)保持降低趨勢,耦合后的數(shù)據(jù)顯示僅有41%的像元存在亮度降低態(tài)勢,說明遼東城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)有所改善,不過未來夜間燈光亮度降低的像元數(shù)占比依舊高于其他3個區(qū)域。沈陽現(xiàn)代化都市圈、遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶和遼西融入京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略先導(dǎo)區(qū)燈光亮度降低區(qū)域占比在未來均有所增加,城鎮(zhèn)化速度會有所放緩,甚至不乏逆城鎮(zhèn)化的情況出現(xiàn)。

圖8 可持續(xù)性的區(qū)域分布

5 結(jié)論

(1)經(jīng)濟(jì)水平、人口密度與道路密度作為城鎮(zhèn)化指標(biāo),是夜間燈光亮度變化的重要影響因素,可以使用夜間燈光對城鎮(zhèn)化變化進(jìn)行時空分析。

(2)在2012—2020年,遼寧省的夜間燈光均值有所增長,省域?qū)用娉擎?zhèn)化發(fā)展不斷向前。然而城鎮(zhèn)區(qū)域發(fā)展面臨壓力,核心區(qū)的燈光變異系數(shù)不高,增長驅(qū)動力缺失,部分區(qū)域燈光亮度保持下降的趨勢,城鎮(zhèn)化發(fā)展缺乏活力。

(3)從區(qū)域?qū)用鎭砜?遼東綠色經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)燈光亮度降低的像元占比接近50%,整體城鎮(zhèn)化發(fā)展水平不及其他區(qū)域,由于以綠色低碳發(fā)展為主,城鎮(zhèn)化率偏低,因此其未來城鎮(zhèn)化發(fā)展具有相對較大的空間;沈陽現(xiàn)代化都市圈、遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶和遼西融入京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略先導(dǎo)區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展保持相對穩(wěn)定,但在也面臨燈光亮度增長區(qū)域面積下降等問題,“一圈一帶”是遼寧省高度發(fā)達(dá)地區(qū),目前城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入中后期,未來應(yīng)以城市更新高質(zhì)量、精細(xì)化發(fā)展為主;遼西資源枯竭型城市較多,部分城市在收縮,面臨著轉(zhuǎn)型發(fā)展的巨大壓力,如何借助地理與交通優(yōu)勢融入京津冀一體化發(fā)展,成為未來城鎮(zhèn)化發(fā)展的關(guān)鍵。

因此,遼寧省還需進(jìn)一步優(yōu)化城市空間布局,兼顧區(qū)域化和差異化發(fā)展的同時,提升城市功能品級,激發(fā)內(nèi)生活力,為城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展提供新的動力。