基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的呼包鄂城市圈城市擴(kuò)展分析

20世紀(jì)90年代以來，中國(guó)進(jìn)入了加速城市化時(shí)期， 作為城市化的一個(gè)重要表征，城市用地也以空前的速度、多樣的形式在空間上迅速擴(kuò)展，這些擴(kuò)展形式由于區(qū)域政治、經(jīng)濟(jì)、文化、歷史等各種復(fù)雜因素的綜合作用而在空間上呈現(xiàn)出多種組合、結(jié)構(gòu)與分布特征，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。半個(gè)世紀(jì)以來，中國(guó)城市化有了長(zhǎng)足的發(fā)展。1949年，中國(guó)城鎮(zhèn)人口為5765萬人，城市化水平為10.64%。到2002年，中國(guó)城鎮(zhèn)人口為50212萬人，城市化水平為39.09%。53年間，城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)了44447萬人，年均增長(zhǎng)838.62萬人；城市化水平提高了28.45個(gè)百分點(diǎn)，年均增長(zhǎng)0.54個(gè)百分點(diǎn)。而在內(nèi)蒙古自治區(qū)城市化迅速發(fā)展的過程中，內(nèi)蒙古中部的呼和浩特、包頭、鄂爾多斯構(gòu)建的城市圈發(fā)展速度十分驚人，根據(jù)中國(guó)城市最新經(jīng)濟(jì)實(shí)力排行榜，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭、鄂爾多斯、呼和浩特3個(gè)城市進(jìn)入全國(guó)88個(gè)GDP過千億元城市榜單，居西部之首，已經(jīng)成為了內(nèi)蒙古最具活力的經(jīng)濟(jì)圈。在城市化研究中應(yīng)用遙感技術(shù)由來已久，主要集中在小尺度的城市土地利用分類、變化信息提取和空間擴(kuò)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面，中觀和宏觀尺度的研究還相對(duì)較少。美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星Defence Meteorological Satellite Program（DMSP）搭載的Operational Linescan System（OLS）傳感器為大尺度的城市研究提供了新的數(shù)據(jù)源。DMSP/OLS傳感器的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代。國(guó)外在這方面的研究起步較早，Croft最早將該數(shù)據(jù)用于城市研究，他指出，DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)有助于確定人類活動(dòng)強(qiáng)度的高低。Sutton等在對(duì)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和人口分布數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，提出以40%、80%和90%的閾值，分別提取低收入地區(qū)、高收入地區(qū)和一些特殊地區(qū)（如埃及尼羅河地區(qū)）的城市建成區(qū)； Imhoff研究了夜間燈光數(shù)據(jù)中城市建成區(qū)光斑的空間形態(tài)特性，提出在逐漸增加分割閾值的過程中，以城市斑塊周長(zhǎng)大幅度變化的臨界點(diǎn)進(jìn)行城市區(qū)域的提??；Henderson則從更高精度的TM影像中提取城市區(qū)域作為輔助數(shù)據(jù)，與DMSP/OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，獲取適用于從夜間燈光數(shù)據(jù)中進(jìn)行城市建成區(qū)提取的分割閾值。1992年美國(guó)國(guó)防部（DoD）和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）開始使用數(shù)碼文檔，從此將其用于城市研究的學(xué)者日益增多，研究領(lǐng)域涵蓋城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)、災(zāi)害及環(huán)境等諸多方面。我國(guó)此類研究開展較晚，陳晉等人較早將燈光數(shù)據(jù)用于分析中國(guó)城市化特征。何春陽、史培軍等以中國(guó)城市建設(shè)用地的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn)，計(jì)算出適宜的閾值用于建成區(qū)域的提取。

本文現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，以Arcgis Desktop作為地理信息處理平臺(tái)，利用美國(guó)國(guó)家地理物理數(shù)據(jù)中心提供的DMSP/OLS數(shù)據(jù)結(jié)合2000、2002、2004、2006、2008年城市、人口、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了呼包鄂城市圈夜間燈光影像與城市發(fā)展中的經(jīng)濟(jì)、人口和土地利用等方面的關(guān)系，通過與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，按照最小誤差，利用Arcgis空間分析功能提取了呼包鄂城市圈2000、2002、2004、2006、2008年等5個(gè)時(shí)期的城市化空間信息，重建了城市化空間擴(kuò)展過程和城市化水平，并分析判別了呼包鄂城市圈擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)各影響因子進(jìn)行了定量描述。

一、 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

（一）研究區(qū)域

呼包鄂城市圈從行政區(qū)劃上包括呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市3個(gè)地級(jí)市，到2008年底共有3個(gè)地級(jí)市、2個(gè)礦區(qū)、15個(gè)旗縣。土地面積13.2萬平方公里，占全自治區(qū)的11.16%，2007年總?cè)丝?6792萬人，占全自治區(qū)總?cè)丝诘?7.65%。建國(guó)以來，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)生了歷史性變革，綜合實(shí)力顯著增加，城市面貌日新月異，尤其是2000年以來，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展邁上了更高的臺(tái)階。2008年呼包鄂城市圈實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值1847億元，GDP達(dá)到了4679.37億元，已達(dá)到了東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)水平。人均GDP（PGDP）7.2萬元，比1996年的0.68萬元增長(zhǎng)了12倍。圖1為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的呼包鄂城市圈2000-2008年主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化。

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)：2000年到2008年間GDP（根據(jù)當(dāng)年價(jià)格計(jì)算）、固定資產(chǎn)投資（按管理渠道分的固定資產(chǎn)投資）和工業(yè)總產(chǎn)值（按當(dāng)年價(jià)格計(jì)算）均呈上升趨勢(shì)，反應(yīng)了呼包鄂城市圈經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭；國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP在2000年-2008年間一直保持較高的增長(zhǎng)速度。 2000年開始呼包鄂城市圈GDP增長(zhǎng)呈穩(wěn)定的攀升狀態(tài)、攀升較快，2008年GDP（4679.37億元）是2000年（557.60億元）的近8.4倍；固定資產(chǎn)投資在2000年—2003年之間上升比較緩慢，基本呈持平狀態(tài)，2003年之后出現(xiàn)了迅速攀升。工業(yè)總產(chǎn)值與GDP具有同步關(guān)系，在2000-2008年間呈穩(wěn)定的增長(zhǎng)狀態(tài)，2007年出現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度45.78%，創(chuàng)歷史新高。

（二） 數(shù)據(jù)來源

1.本文所使用的遙感影像為4個(gè)時(shí)相的DMSP/OLS非輻射定標(biāo)的夜間平均燈光強(qiáng)度遙感影像數(shù)據(jù)（http：//www.ngdc.noaa.gov/dmsp/download/composites.html）；美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）是美國(guó)國(guó)防部極軌衛(wèi)星項(xiàng)目，由空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心負(fù)責(zé)管理。該衛(wèi)星的軌道特點(diǎn)類似NOAA衛(wèi)星，運(yùn)行在高度約830 km的太陽同步軌道，掃描條帶寬度3000 km，周期約101 min，每天繞地球飛行14圈，可得到4次全球覆蓋圖，分別是清晨、白天、黃昏和夜晚。通常來說，衛(wèi)星傳感器獲取的主要是地表的太陽輻射反射信號(hào)，而DMSP/OLS傳感器獨(dú)辟蹊徑，采集的是夜間燈光、火光等產(chǎn)生的輻射信號(hào)。DMSP/OLS傳感器在夜間工作，能探測(cè)到城市燈光甚至小規(guī)模居民地、車流等發(fā)出的低強(qiáng)度燈光，并使之區(qū)別于黑暗的鄉(xiāng)村背景。因此，DMSP/OLS夜間燈光影像可作為人類活動(dòng)的表征，成為人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)研究的良好數(shù)據(jù)源。目前，DMSP/OLS夜間燈光影像主要用于城鎮(zhèn)建成區(qū)、城鎮(zhèn)擴(kuò)展研究、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子估算以及火災(zāi)的監(jiān)測(cè)、能源開發(fā)等領(lǐng)域。

2.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：所有人口、經(jīng)濟(jì)、建成區(qū)面積等社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均來自2000—2008年間的《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.空間矢量數(shù)據(jù)。

二、 研究方法

（一） 利用DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)提取城市空間格局信息

由于DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)空間分辨率相對(duì)較低，傳感器信號(hào)受干擾較大，原始的燈光數(shù)據(jù)往往不能直接提供城市空間格局信息。如何直接利用DMSP/OLS 快速提取城市空間格局信息，滿足大尺度城市空間格局和變化過程研究的需要，一直是當(dāng)前眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。目前國(guó)內(nèi)外利用DMSP/OLS 數(shù)據(jù)直接提取城市空間格局信息的基本方法主要有以下三 類：

1.經(jīng)驗(yàn)閾值法。即根據(jù) DMSP/OLS 數(shù)據(jù)特征和相關(guān)背景知識(shí)，人為設(shè)定閾值，認(rèn)為燈光強(qiáng)度超過一定閾值的像元就是城市像元。該方法簡(jiǎn)單易行，但主觀性較強(qiáng)，常見于 DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的早期應(yīng)用中。

2.突變檢測(cè)方法。在一段時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)中，地表燈光被探測(cè)到的頻率越高，屬于城市類型的概率越大，同時(shí)提取的城市應(yīng)該保持市中心的完整性。因此，可以通過逐漸增加閾值來減小噪聲并得到中心相對(duì)完整的城市斑塊。

3.基于輔助資料的空間比較法?；舅悸肥抢孟嚓P(guān)輔助數(shù)據(jù)來幫助確定最佳閾值，進(jìn)而從DMSP/OLS數(shù)據(jù)中提取城市空間信息。

本文將采用第三種方法，以現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，借助Arcgis空間分析功能，利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，快速提取內(nèi)蒙古呼包鄂城市圈城市用地空間信息，彌補(bǔ)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料空間信息的不足。

基本假設(shè)

由于非輻射定標(biāo)的夜間燈光強(qiáng)度遙感數(shù)據(jù)中，圖像燈光強(qiáng)度越高（灰度值越高）的地方，是城市用地的可能性越高。因此，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，我們主要依據(jù)下面兩個(gè)基本假設(shè)來提取內(nèi)蒙古呼包鄂城市圈城市空間信息。

基本假設(shè)1：內(nèi)蒙古現(xiàn)有的城市用地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以基本反映內(nèi)蒙古呼包鄂城市圈城市用地的總量特征，因此利用DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)提取的呼和浩特、包頭、鄂爾多斯3個(gè)地級(jí)市的城市用地面積總量應(yīng)該充分接近各市現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

基本假設(shè)2：在DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)1km分辨率的研究尺度下，2000年至2008年間的城市用地基本上是連續(xù)增加的。因此，在前一個(gè)時(shí)期的DMSP/OLS圖像上出現(xiàn)的城市斑塊，不會(huì)在后一個(gè)時(shí)期的DMSP/OLS圖像上消失，首先應(yīng)該在后一個(gè)時(shí)期的燈光圖像上得到保留。

三、 呼包鄂地區(qū)城市空間格局和過程分析

對(duì)2000、2002、2004、2006和2008年的各市區(qū)分別設(shè)定不同的閾值，提取各個(gè)年份的呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯東勝區(qū)的建成區(qū)面積，并將提取的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的各市的建成區(qū)面積進(jìn)行比較，直到DSMP提取的各市區(qū)的建成區(qū)面積總量與已有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充分接近為止。繼而利用提取建成區(qū)面積的閾值分別用到呼包鄂整體上，再次分別提取呼和浩特、包頭和鄂爾多斯的城鎮(zhèn)用地面積。最后在此基礎(chǔ)上，對(duì)比重建了2000-2008年間的25ShwzlyjgIZCHJH8/hO11vP5UGXCv1EPjLBQ09qCj0=呼包鄂城市圈城市化空間擴(kuò)展過程。

具體來說，該方法包括以下幾個(gè)主要步驟：

首先在GIS支持下，獲取呼包鄂各市區(qū)2000年、2002年、2004年、2006年和2008年五個(gè)時(shí)期的DMSP/OLS非輻射定標(biāo)的夜間平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

設(shè)定呼包鄂城市圈不同年份的城市閾值并計(jì)算該閾值下的城鎮(zhèn)用地面積，具體的，以某一年為例，設(shè)呼包鄂城市圈燈光圖像最大灰度值、最小灰度值分別為DNmax、DNmin，呼包鄂城市圈基于統(tǒng)計(jì)資料的同期建成區(qū)面積總量為US，則呼包鄂這一時(shí)期燈光圖像的初始閾值DTT初步設(shè)定為：

DTT = int[（DNmax- DNmin）/2]

在該閾值下，燈光圖像中提取的建成區(qū)總面積為DMSParea ；比較初始閾值下的建成區(qū)面積總量DMSParea與呼包鄂城市圈基于統(tǒng)計(jì)資料的同期建成區(qū)面積總量US之間的差異，重新設(shè)定新的閾值，直到DMSP提取面積與統(tǒng)計(jì)資料的建成區(qū)總面積US充分接近為止。

在得到該時(shí)期呼和浩特市、包頭市、東勝區(qū)的建成區(qū)面積后，在GIS的支持下，在該閾值下，進(jìn)一步提取出了基于燈光數(shù)據(jù)的的呼包鄂城市圈整體的城鎮(zhèn)用地面積。然后根據(jù)基本假設(shè)2，采用同樣的方法，分別得到了2000年、2002年、2004年、2006年和2008年呼包鄂城市圈的城市化空間信息。最后在此基礎(chǔ)上，對(duì)比重建了2000 -2008年間的呼包鄂城市圈城市化空間擴(kuò)展過程。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，從2000年、2004年和2008年夜間燈光數(shù)據(jù)提取得到的研究區(qū)各城鎮(zhèn)建成區(qū)面積與其統(tǒng)計(jì)值之間的相對(duì)誤差基本控制在了11%內(nèi)，達(dá)到了較準(zhǔn)確的水平。呼和浩特和鄂爾多斯建成區(qū)面積都有顯著的增長(zhǎng)，尤其呼包鄂地區(qū)整體的城市面積從2000年到2008年增加了近150平方千米。

四、 影響呼包鄂地區(qū)城市擴(kuò)展的主要因素

城市化過程受到不同時(shí)空下的自然、人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多種因素的綜合作用，是一個(gè)復(fù)雜的人地系統(tǒng)相互作用的動(dòng)力學(xué)過程。

（一）交通狀況對(duì)城市擴(kuò)展的影響

交通干線對(duì)土地利用格局的形成，尤其是城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)展速度和方向有著重要的影響，存在強(qiáng)烈的導(dǎo)向作用。隨著城市中心地區(qū)地價(jià)的上升，城市用地?cái)U(kuò)展將優(yōu)先選擇沿著一些交通干道向城郊地價(jià)較低的方向擴(kuò)展。城市內(nèi)部更多交通道路的修建和改善也使城市空間擴(kuò)展速度加快，并使分散的城市空間通過快捷的交通系統(tǒng)而成為一個(gè)有機(jī)整體。

表2是對(duì)呼包鄂城市圈內(nèi)的高速、鐵路和省級(jí)道路分別做了5Km、10Km和15Km的緩沖區(qū)并提取緩沖區(qū)內(nèi)部城市和非城市地區(qū)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)隨著緩沖區(qū)距離的增加城市化率在逐漸減小，道路10Km緩沖區(qū)的城市化率為最高。15Km緩沖區(qū)內(nèi)的城市化率為最低。在距離道路越遠(yuǎn)的地區(qū)城市化率也就越小。因此交通因子對(duì)城市化的影響不僅表現(xiàn)在城市化的比率與交通發(fā)達(dá)程度有關(guān)，也與距離交通路線的距離有關(guān)系。通過分析與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，道路對(duì)10Km以外的區(qū)域城市化的影響程度比較小。

近幾年，呼包鄂城市圈以強(qiáng)大的投資力度和建設(shè)速度，實(shí)現(xiàn)了交通基礎(chǔ)設(shè)施總量的快速增長(zhǎng)，路網(wǎng)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，運(yùn)輸能力顯著提高。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，交通基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)等級(jí)也明顯提高。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，國(guó)家繼續(xù)出臺(tái)扶持政策，加大投資力度，支持西部地區(qū)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，加快西部地區(qū)的通道建設(shè)。這些政策的實(shí)施，必將有力地促進(jìn)呼包鄂城市圈交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展，從而推動(dòng)城市圈的快速發(fā)展。

（二） 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)城市擴(kuò)展的影響

城市用地的擴(kuò)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施有著密不可分的關(guān)系，對(duì)于這種關(guān)系的研究大多選擇相關(guān)分析和主成分分析的思路，因?yàn)槌鞘袛U(kuò)展涉及的因素比較復(fù)雜，因而選擇定量分析方式，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素角度分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)區(qū)域城市化過程的影響。以2000年、2004年和2008年的呼包鄂地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以城市建成區(qū)面積為因變量Y，選擇了三大類指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析：

I 經(jīng)濟(jì)類X1（地區(qū)生產(chǎn)總值X11、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值X12、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值X13、工業(yè)增加值X14、城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資X15）

II 人口類X2（年末常住人口X21、城鎮(zhèn)戶數(shù)X22）

III 人民生活水平類X3（城鎮(zhèn)人均家庭總收入X31、城鎮(zhèn)人均消費(fèi)支出X32、城鎮(zhèn)居民人均住宅使用面積X33、城鎮(zhèn)儲(chǔ)蓄余額X34）

利用SPSS對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，經(jīng)過相關(guān)分析（表3），結(jié)果顯示，所有因子都通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)性都大于0.8，人民生活水平類和人口類因子的相關(guān)系數(shù)大多達(dá)到0.93以上的高相關(guān)。之后，經(jīng)過主成分分析得到三類指標(biāo)的第一主成分，其貢獻(xiàn)率分別為96.788%、97.701%、97.876%，以此代表各類指標(biāo)特征。

五、 結(jié)論

呼包鄂城市圈形成和發(fā)展非常迅速，對(duì)呼包鄂城市圈城市土地利用變化的研究成了近幾年城市擴(kuò)展領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文基于2000年至2008年間5期的呼包鄂地區(qū)DMSP/OLS遙感影像數(shù)據(jù)，分析了該呼包鄂城市圈的城市擴(kuò)展情況。本文研究的主要結(jié)論可以歸納為：

（一） 本文在傳統(tǒng)的利用DMSP/OLS遙感影像提取城市化信息時(shí)采用統(tǒng)一閾值的基礎(chǔ)上，采用了以地級(jí)市建成區(qū)統(tǒng)計(jì)面積所確定的閾值提取全區(qū)范圍內(nèi)城市化信息的方法，提取了呼包鄂城市圈5個(gè)時(shí)期城市化信息，并對(duì)比分析了研究區(qū)的城市擴(kuò)展信息，結(jié)果表明構(gòu)成該城市圈的3個(gè)地區(qū)近年來的城市化速度比較快，2008年呼包鄂城市圈的城市化面積為2000年城市化面積的近2倍，平均每年增長(zhǎng)約17平方千米。

（二） 分析表明呼包鄂城市圈發(fā)展的方向、速度等受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通狀況等因素的影響，交通條件決定了該城市圈的城市化主要方向；社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況是城市發(fā)展的內(nèi)因，推動(dòng)了城市化不斷發(fā)展。