基于DMSP－OLS數(shù)據(jù)的城市發(fā)展空間特征研究

吳健生，赫勝彬，彭建，黃秀蘭，張理卿

（1.北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871；3.北京大學(xué)政府管理學(xué)院，北京 100871）

0 引言

準(zhǔn)確把握城市發(fā)展的空間特征，是進(jìn)行城市規(guī)劃和制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的現(xiàn)實基礎(chǔ)。在以往有關(guān)城市發(fā)展的研究中，多數(shù)學(xué)者更關(guān)注建成區(qū)或建設(shè)用地的變化，往往利用衛(wèi)星遙感影像解譯得到城市建成區(qū)的范圍，將建成區(qū)視為均質(zhì)的空間，然后進(jìn)行多種指標(biāo)的計算，借以研究城市空間擴(kuò)展的特征［1－4］。該方法運用方便，但忽略了城市內(nèi)部空間的差異性，而城市是一個復(fù)雜且綜合的對象，城市化的內(nèi)涵包括土地、經(jīng)濟(jì)、人口等多方面，僅僅依靠單一的建成區(qū)或建設(shè)用地指標(biāo)研究城市的發(fā)展變化有以偏概全之嫌。如何在充分明確城市內(nèi)部存在空間差異的前提下，綜合考慮城市物質(zhì)空間和社會經(jīng)濟(jì)空間，進(jìn)行城市發(fā)展空間特征的研究是一個重要而迫切的問題。

DMSP－OLS夜間燈光數(shù)據(jù)由DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）衛(wèi)星的 OLS（Operational Linescan System）傳感器在夜間獲得，用以記錄全球范圍內(nèi)的夜間燈光亮度。目前，該系列數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于城市化［5－8］、經(jīng)濟(jì)評估［9－11］、人口估算［12－14］等研究中，結(jié)論表明，夜間燈光數(shù)據(jù)能夠較好地表征城市化水平、經(jīng)濟(jì)狀況、人口密度等人類活動因子，是人類活動強(qiáng)度的綜合表達(dá)。

在利用DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行城市發(fā)展研究方面，國外部分學(xué)者［15－17］利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市空間發(fā)展方面的研究，但都重點討論建成區(qū)范圍的提取，而未將城市視為有內(nèi)部空間異質(zhì)性的個體進(jìn)行研究。何春陽等［18，19］雖利用 DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市化過程方面的研究，但其僅僅利用DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行了城市斑塊的提取。本文將DMSP－OLS數(shù)據(jù)作為表征城市內(nèi)部人類活動強(qiáng)度的綜合因子，將城市看作有內(nèi)部差異的空間，研究了1992－2010年鄭州市建成區(qū)的提取及其擴(kuò)展強(qiáng)度與方向特征、城市重心的轉(zhuǎn)移及其規(guī)律、城市內(nèi)部各轄區(qū)的發(fā)展差異與相對發(fā)展率；同時分析了利用此種數(shù)據(jù)進(jìn)行城市發(fā)展研究的優(yōu)勢與應(yīng)用前景。

1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)

DMSP－OLS夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國NOAA國家地理數(shù)據(jù)中心，包含3種全年平均數(shù)據(jù)：無云觀測頻數(shù)圖、平均燈光數(shù)據(jù)圖、穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)圖。數(shù)據(jù)的空間分辨率為30弧秒，在赤道處約1km。數(shù)據(jù)的灰度值范圍為0～63，0值表示無燈光區(qū)域，灰度值越大表示該處燈光亮度值越高。穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)（Stable Light）包括來自城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及其他有持久光源的場所，并且去除了背景噪聲，所以在本文的研究中采用此種數(shù)據(jù)，根據(jù)研究時段選取F101992、F141998、F152004、F182010共4期影像。

鄭州是河南省省會，現(xiàn)轄6區(qū)5市1縣。上街區(qū)雖然為鄭州市轄區(qū)，但其并不與主城區(qū)接壤，而是鄭州的衛(wèi)星城區(qū)，因此，本文的研究范圍僅包括金水、二七、中原、管城、惠濟(jì)5個市轄區(qū)。

2 研究方法

2.1 DMSP－OLS數(shù)據(jù)預(yù)處理

該系列數(shù)據(jù)由不同衛(wèi)星獲得，不同年份數(shù)據(jù)之間存在年際差異，且在城市中心區(qū)有像元飽和現(xiàn)象［20］，所以需要進(jìn)行相對輻射校正與飽和糾正。本文選用日本沖繩島為不變目標(biāo)區(qū)，以NOAA提供的無飽和數(shù)據(jù)F162006為基準(zhǔn)影像，采用不變目標(biāo)法建立冪函數(shù)模型，對該系列數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正［21］。考慮到鄭州市的特定地理位置，同時為了減小由面積變形所帶來的誤差，本文采用WGS84地理坐標(biāo)系，投影方式為蘭勃特等積方位投影，中央經(jīng)線為113.65°，起始緯度為34.78°。同時為提高空間計算的精度，利用ArcGIS地統(tǒng)計模塊中的徑向基函數(shù)工具，選用薄板樣條函數(shù)方法將影像重新采樣成空間分辨率為200m的柵格。

2.2 建成區(qū)提取與擴(kuò)展強(qiáng)度

首先，根據(jù)式（1）將校正后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其柵格灰度值位于0～1范圍內(nèi)；然后，對照《鄭州市統(tǒng)計年鑒》中2010年的鄭州市建成區(qū)面積，確定建成區(qū)歸一化指數(shù)的臨界值DNl，大于或等于此臨界值的區(qū)域為建成區(qū)，小于此臨界值的區(qū)域為非建成區(qū)；最后，利用該臨界值提取4期影像的建成區(qū)范圍并統(tǒng)計面積。

式中：DNg表示歸一化處理后的灰度值，DNi為第i級柵格的灰度值，DNmin為研究區(qū)域內(nèi)柵格的最小灰度值，DNmax為最大灰度值。

城市擴(kuò)展強(qiáng)度表征在單位時間內(nèi)城市建成區(qū)的增長速度［22］，其表達(dá)式為：

式中：E為研究時段內(nèi)的城市擴(kuò)展強(qiáng)度，Am為研究末期的建成區(qū)面積，Ac為研究初期的建成區(qū)面積，T為時間間隔。

2.3 城市重心識別及其轉(zhuǎn)移規(guī)律

重心理論在經(jīng)濟(jì)［23－25］、人口［26，27］、能源［28］、產(chǎn)業(yè)［29］、旅游［30］等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。城市重心是描述城市空間分布最具代表意義的量算指標(biāo)，可以看作是該城市的平均位置，且是該城市保持均勻分布的平衡點［31］。本文將城市看作一個有內(nèi)部空間差異的三維立體對象，市轄區(qū)范圍內(nèi)的所有區(qū)域都參與計算，將DMSP－OLS數(shù)據(jù)的灰度值大小作為人類活動強(qiáng)弱的指示因子，以像元為基本研究單元，以灰度值為權(quán)重計算得到城市重心的位置，公式如下：

式中：X、Y表示該城市重心的坐標(biāo)，DNj表示第j個像元的灰度值，xj、yj分別表示第j個像元的橫、縱坐標(biāo)，n為該城市內(nèi)的像元總量。

在得到4個年份中城市重心的位置之后，本文采用轉(zhuǎn)移距離、轉(zhuǎn)移速度、轉(zhuǎn)移角度3個量化值描述城市重心轉(zhuǎn)移的空間規(guī)律。

轉(zhuǎn)移距離描述的是城市重心在一個時期內(nèi)移動的距離，其公式可表達(dá)為：

轉(zhuǎn)移速度描述的是城市重心在一個時期內(nèi)移動的平均速度，其公式可表達(dá)為：

轉(zhuǎn)移角度描述的是城市重心在一個時期內(nèi)移動的方向與正東方向的夾角，其公式可表示為：

式中：xt、yt表示第t年城市重心的坐標(biāo)，xt－1、yt－1表示第t－1年城市重心的坐標(biāo)，T為時間間隔。

2.4 城市內(nèi)部發(fā)展差異與相對發(fā)展率

將5個市轄區(qū)作為研究對象，以區(qū)域燈光總量（Sum of Lights）作為表征區(qū)域發(fā)展水平的綜合指標(biāo)，用標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation）和變異系數(shù)（Coefficient of Variation）測算城市內(nèi)部發(fā)展差異的總體水平。

式中：SL為區(qū)域燈光總量，DNi為第i級灰度值，Ci為第i級灰度的柵格數(shù)；SD為標(biāo)準(zhǔn)差，SLi為第i個市轄區(qū)的燈光總量，SLp為平均燈光總量，n為市轄區(qū)的個數(shù)；CV為變異系數(shù)。

為了解城市內(nèi)各轄區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率的空間特征，本文選用相對發(fā)展率［32］作為測度指標(biāo)，其表示某市轄區(qū)在某一段時間內(nèi)發(fā)展水平的變化與同時期內(nèi)整個城市發(fā)展水平變化的關(guān)系。該指標(biāo)不僅能反映各區(qū)域的發(fā)展速度，還能間接反映經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)［33］。式中：SL1i和SL2i分別代表第i個市轄區(qū)在研究時段內(nèi)的首、末燈光總量，SL1和SL2分別代表城市整體在研究時段內(nèi)的首、末燈光總量。

3 結(jié)果與分析

3.1 建成區(qū)提取與空間擴(kuò)展分析

將提取出的4個年份鄭州市建成區(qū)結(jié)果分別賦予不同的灰度級進(jìn)行疊加分析（圖1），通過建成區(qū)面積統(tǒng)計（表1）和擴(kuò)展情況比較（表2），可以很容易得出建成區(qū)面積及擴(kuò)張變化。為了更好地理解建成區(qū)在不同方向上的增長，以1992年的建成區(qū)中心位置為坐標(biāo)原點，以正東方向為橫軸正方向建立坐標(biāo)系，將平面劃分為4個象限（圖1），分別統(tǒng)計各年份中4個象限建成區(qū)的面積，并繪制成柱形圖（圖2）。

圖1 不同年份的建成區(qū)疊加Fig.1 Overlay of built－up areas in different years

表1 不同年份的建成區(qū)面積Table 1 Built－up areas in different years

表2 不同階段的建成區(qū)擴(kuò)展情況Table 2 The built－up area expansion in different stages

圖2 分象限建成區(qū)面積對比Fig.2 Comparison of built－up areas in different quadrants

在1992－1998年，城市擴(kuò)展并不明顯，擴(kuò)展方向主要集中在東部，南部和北部略有增加，西部幾乎沒有變化；在1998－2004年，主要擴(kuò)展方向為東南和北部，西部變化較?。辉?004－2010年，擴(kuò)展方向以東部和西北為主，其他方向建成區(qū)面積略有增加。從擴(kuò)展速度和擴(kuò)展強(qiáng)度看，建成區(qū)面積增長的速度逐步增加。從擴(kuò)展貢獻(xiàn)率看，第三階段的擴(kuò)展面積幾乎占到了總擴(kuò)展面積的60%，這是由經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、房地產(chǎn)業(yè)的崛起及交通業(yè)的日益發(fā)達(dá)等一系列因素加快了城市化進(jìn)程所帶來的結(jié)果。

3.2 城市重心位置及轉(zhuǎn)移規(guī)律

計算得到4個年份的城市重心，并將其繪制成圖（圖3），同時計算得到其轉(zhuǎn)移規(guī)律（表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，鄭州市的城市重心在逐步東移，且移動的距離略有增加。城市重心在第一階段向東南方向移動，第二階段向東北方向移動，第三階段向東偏北15°左右的方向移動。城市重心在前期階段的轉(zhuǎn)移主要受到西南部產(chǎn)業(yè)基地大量建設(shè)的驅(qū)動，隨著鄭東新區(qū)的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)及其產(chǎn)生的集聚效應(yīng)，使得鄭州東部區(qū)域的發(fā)展水平迅速增長，成為研究區(qū)內(nèi)最大的增長極，導(dǎo)致了城市重心的東移；但其移動速度相比于前期階段增加并不明顯，說明其他方向的發(fā)展水平也有著較快的增長。隨著中原經(jīng)濟(jì)區(qū)上升至國家戰(zhàn)略及鄭汴一體化進(jìn)程的深入推進(jìn)，預(yù)計鄭州城市重心東移的現(xiàn)象仍會持續(xù)。

圖3 鄭州市1992－2010年城市重心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.3 Barycenter migration route of Zhengzhou from1992 to 2010

表3 城市重心轉(zhuǎn)移特征Table 3 Barycenter migration characteristics of Zhengzhou

3.3 城市內(nèi)部空間發(fā)展均衡度

計算得到5個市轄區(qū)的燈光總量及其差異情況（表4），發(fā)現(xiàn)平均值隨時間變化逐漸增大，說明總體發(fā)展水平不斷提高，且提高的速度也不斷增大。在1992－2010年，變異系數(shù)逐漸變小，說明各轄區(qū)之間發(fā)展水平的差距在逐年減小。

計算得出各轄區(qū)的相對發(fā)展率（表5），大于1表明該轄區(qū)在該階段中發(fā)展速率高于鄭州市平均水平，小于1表明低于鄭州市平均水平。位于東部的金水區(qū)和管城區(qū)相對發(fā)展率都大于1，再次表明鄭州向東發(fā)展的趨勢非常明顯。

表4 市轄區(qū)燈光總量與差異情況Table 4 SLof municipal districts and CVbetween them

表5 不同階段各轄區(qū)的相對發(fā)展率Table 5 Relative development rate of the municipal districts in different stages

4 討論

4.1 建成區(qū)的提取方法

對比前人有關(guān)鄭州市建成區(qū)的提取結(jié)果［3，34，35］和官方統(tǒng)計資料之后，發(fā)現(xiàn)本文的提取結(jié)果具有較高的可信度。根據(jù)高分辨率遙感影像判別出的區(qū)域只是建設(shè)用地，可以預(yù)見此種方法解譯出的結(jié)果會包含大量的破碎圖斑；但建成區(qū)是指市區(qū)集中連片部分及分散在近郊與城市有密切聯(lián)系、具有基本完善的市政公用設(shè)施的城市用地，并不完全等同于建設(shè)用地。本文利用DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行了建成區(qū)的提取，充分考慮了人類活動同城市建成區(qū)之間的關(guān)系，得出的建成區(qū)范圍集中連片，都是人類活動的密集區(qū)域，較為符合城市建成區(qū)的劃定方式。但此種方法尚有一些缺陷（如分辨率不高），本文雖然采用了徑向基函數(shù)進(jìn)行了內(nèi)插，將分辨率轉(zhuǎn)換為200 m，但相比于TM數(shù)據(jù)、SPOT數(shù)據(jù)和QuickBird數(shù)據(jù)，分辨率仍不夠高，并且也未對此內(nèi)插方法帶來的影響進(jìn)行嚴(yán)格的評估。美國計劃在未來的幾年中發(fā)射一批與人類活動有關(guān)的觀測衛(wèi)星［36］，可以預(yù)見，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和傳感器分辨率的提高，利用與人類活動相關(guān)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行建成區(qū)的提取，可能會成為一種更為精確、便捷的方法。

4.2 城市重心的識別方法

前人有關(guān)城市重心識別的研究中，往往只利用建成區(qū)范圍這一信息，并且將建成區(qū)內(nèi)部視為均質(zhì)的空間進(jìn)行計算，求得其重心的位置［37－39］。然而這樣得出的城市重心并沒有考慮非建成區(qū)部分，由此計算得出的城市重心并不十分可信；另外，將建成區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域視為均質(zhì)空間，這也與實際情況不符。還有些研究，利用城市內(nèi)各轄區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口、社會等因子作為權(quán)重計算得到城市的重心位置［40－42］，雖然考慮了城市內(nèi)部空間的差異性，但忽略了轄區(qū)內(nèi)部的差異性，并且此種方法過度依靠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以無法將研究尺度降到最小行政單元以下，同時還受到統(tǒng)計資料缺失或不準(zhǔn)確等情況的制約。本文利用DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行城市重心的測算，每個柵格的灰度值代表此處的人類活動強(qiáng)度，更多地考慮到人類活動在城市重心測定中的重要性；數(shù)據(jù)的空間尺度為200m，且不受統(tǒng)計資料的影響；數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)星，客觀性更強(qiáng)，也排除了人為因素的影響。綜合來看，利用DMSP－OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行城市重心的識別，具有更高的精確度、精細(xì)度和客觀性。

4.3 幾個尚需深入研究的問題

首先，本文采用了不變目標(biāo)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正處理，此方法對于年際差異有較好的校正效果，但對于數(shù)據(jù)飽和問題只是進(jìn)行了削弱，并沒有徹底消除飽和像元帶來的影響，在之后的應(yīng)用研究中如何徹底解決飽和問題，是一個值得研究且十分重要的問題。其次，鄭州城市發(fā)展空間變化的驅(qū)動因素有很多，本文主要從經(jīng)濟(jì)、社會、規(guī)劃等角度進(jìn)行了簡單的考慮；如需厘清城市發(fā)展中每個變化特征背后的驅(qū)動因素，可能需要結(jié)合更為詳盡的微觀數(shù)據(jù)，進(jìn)行更為精細(xì)的定量化研究。再次，在準(zhǔn)確把握城市發(fā)展的規(guī)律之后，如何將結(jié)果合理地應(yīng)用到城市規(guī)劃與建設(shè)活動中，值得政府管理者與城市規(guī)劃師重點關(guān)注。最后，DMSP－OLS數(shù)據(jù)是一種非常理想的空間數(shù)據(jù)，結(jié)合元胞自動機(jī)和多智能體進(jìn)行城市發(fā)展的模擬與預(yù)測研究，會成為一個重要的方向。

5 結(jié)論

本文通過提取鄭州市建成區(qū)范圍，發(fā)現(xiàn)在1992－2010年，建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，且擴(kuò)展的速度不斷增大；擴(kuò)展方向在1992－1998年主要在東南方向，1998－2004年主要在東南和西北方向，2004－2010年主要集中在正東和西北方向。鄭州城市重心有向東轉(zhuǎn)移的趨勢，其中在1992－1998年向東南方向移動，1998－2004年向東北方向移動，2004－2010年向東偏北約15°方向移動，且在這3個時段內(nèi)轉(zhuǎn)移速度略有增加。以5個市轄區(qū)為研究對象，發(fā)現(xiàn)1992－2010年各轄區(qū)的發(fā)展水平都逐漸提高，城市內(nèi)部空間的發(fā)展水平差異逐漸減小。

DMSP－OLS數(shù)據(jù)可以客觀、精細(xì)、綜合地表征城市的發(fā)展?fàn)顩r，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行與城市發(fā)展相關(guān)的研究，能夠更為準(zhǔn)確地理解和掌握城市的發(fā)展階段，為城市規(guī)劃與建設(shè)、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局等提供依據(jù)，對于制定可持續(xù)的城市發(fā)展政策具有重要的現(xiàn)實意義。

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