基于夜間燈光數(shù)據(jù)的武漢市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)律研究

樊 勇，何宗宜，張夢(mèng)琪，高軍波

(1. 信陽(yáng)師范學(xué)院 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

0 引言

城市建設(shè)用地的擴(kuò)張狀況是評(píng)價(jià)城市化進(jìn)程的重要指標(biāo).建設(shè)用地在數(shù)量、結(jié)構(gòu)、空間格局上的變化，影響了城市發(fā)展的速度和模式[1].實(shí)現(xiàn)土地的合理利用，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)城市化進(jìn)程時(shí)空變化趨勢(shì)、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)律、城市擴(kuò)張的內(nèi)外動(dòng)力進(jìn)行研究顯得非常重要.美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星(DMSP)搭載的傳感器(OLS)能夠探測(cè)獲取陸地/水體可見(jiàn)光源，如城市燈光、艦船燈光和油井燃燒發(fā)光等與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)的光源.穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)包含城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及道路網(wǎng)的持續(xù)燈光數(shù)據(jù)，其中去除了火災(zāi)等短暫事件，為大尺度的城市化研究提供了一種新的數(shù)據(jù)手段[2-4]

本文選取1997-2012年中的6期DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)，采用基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二分比較法，分別確定6個(gè)時(shí)期的提取閾值，對(duì)武漢市建成區(qū)進(jìn)行提取.采用建設(shè)用地?cái)U(kuò)張幅度、建設(shè)用地增長(zhǎng)類(lèi)型、城市擴(kuò)張速度、城市擴(kuò)展方向、城市外圍輪廓的緊湊度等指標(biāo)分析了武漢建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的規(guī)律和特點(diǎn).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

武漢市是湖北省省會(huì)，是我國(guó)中部地區(qū)的中心城市和龍頭城市.全市現(xiàn)轄13個(gè)城區(qū)，包括7個(gè)中心城區(qū)和6個(gè)遠(yuǎn)城區(qū).到2014年年底，武漢市總面積8494 km2，7個(gè)中心城區(qū)面積863 km2，建成區(qū)面積552.61 km2，常住人口數(shù)1033.80萬(wàn)，其中非農(nóng)業(yè)人口559.26萬(wàn)人，GDP10 069.48億元人民幣.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration http://www.noaa.gov)網(wǎng)站，第4版DMSP/OLS數(shù)據(jù)，產(chǎn)品柵格大小為 30＂弧度，覆蓋經(jīng)度180°E到 180°W，緯度65°S到 75°N，空間分辨率為1 km.根據(jù)研究需要，選擇下載1997、2000、2003、2006、2009、2012年的6期夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù).

統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站公布的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、湖北省統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》以及武漢市統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》.主要獲取武漢市歷年建成區(qū)面積、武漢市人口及GDP數(shù)據(jù).

2 武漢市建成區(qū)數(shù)據(jù)提取

2.1 提取方法

由于城市人口密度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電力用途廣等因素，城市區(qū)域燈光強(qiáng)度會(huì)明顯高于非城市區(qū)域，因此，可以根據(jù)DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)定閾值，進(jìn)行城鎮(zhèn)用地信息的提取.目前，閾值法提取是國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的方法，主要有以下4種方法：經(jīng)驗(yàn)閾值法[5]、突變檢測(cè)法[6]、基于較高分辨率數(shù)據(jù)的比較法[7]、基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二分比較法[8].本文對(duì)基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二分比較法進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)提取建設(shè)用地空間信息.具體步驟包括：

(1)收集統(tǒng)計(jì)年鑒中研究區(qū)歷年建成區(qū)面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

(2)下載歷年燈光數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，利用 ArcGIS，提取研究區(qū)內(nèi)1997、2000、2003、2006、2009、2012年的6期夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù).

(3)設(shè)定研究區(qū)第一年(即1997年)的建成區(qū)閾值，并計(jì)算該閾值下的建成區(qū)面積.首先，假設(shè)1997年燈光圖像的最值分別為DNmax和DNmin，統(tǒng)計(jì)年鑒中收集的同期建成區(qū)面積為S，則該區(qū)域建成區(qū)提取的閾值為DNT首先設(shè)為

DNT= int [ (DNmax+DNmin) /2]，

在該閾值下研究區(qū)內(nèi)的燈光斑塊面積為S(DNT)，ΔS(DNT)為S(DNT)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)S差值的絕對(duì)值.通過(guò)二分法不斷調(diào)整閾值使ΔS(DNT)最小，該閾值即為最終提取閾值.流程如圖1所示.

圖1 第一期燈光數(shù)據(jù)提取流程Fig. 1 Process of first phase for the light data extraction

(4)在得到1997年建成區(qū)后，采用類(lèi)似的方法提取接下來(lái)各時(shí)期的建成區(qū).首先，在后一個(gè)時(shí)期的圖像上，對(duì)已提取的前一時(shí)期建成區(qū)圖像進(jìn)行保留，斑塊面積為S0，S(DNT)為新提取的斑塊面積，ΔS(DNT)為[S(DNT)+S0]與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)S差值的絕對(duì)值.然后再設(shè)定閾值進(jìn)行提取.具體流程如圖2所示.

圖2 基于前期結(jié)果的燈光數(shù)據(jù)提取流程Fig. 2 Process of light data extraction which based on the previous results

2.2 提取結(jié)果

利用基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二分比較法首先提取1997年的燈光數(shù)據(jù)，然后依據(jù)前一期數(shù)據(jù)依次提取下一期數(shù)據(jù)，最終提取結(jié)果如表1所示.結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒中的建成區(qū)面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度分析.表1列出了武漢市燈光數(shù)據(jù)提取結(jié)果和誤差.提取結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差小于2.50%，誤差最小的年份為1997年，僅為0.50%，誤差最大的年份為2012年，為2.5%.由此可見(jiàn)，本文采用的基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的二分比較法提取的建設(shè)用地信息相對(duì)誤差較小，由于DMSP/OLS圖像數(shù)據(jù)的空間分辨率較低(1 km)以及其灰度特征，這種面積提取的誤差是可以接受的.同時(shí)，該方法提取的建成區(qū)保證了后一期數(shù)據(jù)比前期數(shù)據(jù)面積大，符合城市增長(zhǎng)階段面積不斷擴(kuò)張的規(guī)律.因此，使用本文的方法對(duì)燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行提取的結(jié)果基本上可以反映武漢市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的實(shí)際狀況.圖3為本方法提取的1997-2012年武漢市建成區(qū)范圍及面積變化.

表1 提取結(jié)果Tab. 1 The extraction results

圖3 1997年到2012年武漢市建成區(qū)變化圖 Fig. 3 The built-up areas of Wuhan from 1997 to 2012

3 基于提取結(jié)果的城市擴(kuò)張分析

3.1 城市擴(kuò)張分析

3.1.1 城市用地?cái)U(kuò)張幅度

本文利用城市土地?cái)U(kuò)張幅度指數(shù)UEI來(lái)衡量武漢建設(shè)用地的擴(kuò)張幅度的變化，其公式[9]如下：

UEI=(UAt-UA0)/UA0×100%,

(1)

其中:UEI是擴(kuò)張幅度指數(shù)，U0和Ut分別代表每個(gè)研究時(shí)段初期和末期研究區(qū)建成區(qū)面積(km2).計(jì)算結(jié)果如表2所示.結(jié)果表明，自1997年到2012年武漢市建成區(qū)擴(kuò)張幅度為152.2%，每個(gè)階段都處于正增長(zhǎng)狀態(tài)，但各時(shí)期建成區(qū)增長(zhǎng)的速度并不相同.其中，1997-2003年增長(zhǎng)平穩(wěn)緩慢；2003-2006年武漢市建成區(qū)面積的擴(kuò)張幅度出現(xiàn)峰值，城市化面積增長(zhǎng)非常明顯；此外，2006-2009年建成區(qū)也有相對(duì)較大幅度的擴(kuò)展；2009年以后，UEI繼續(xù)減小，擴(kuò)張趨于平緩.

表2 1997年到2012年城市土地?cái)U(kuò)張幅度Tab. 2 The urban land expansion from 1997 to 2012

3.1.2 城市擴(kuò)張速度

建成區(qū)擴(kuò)張速度[10]的計(jì)算公式為：

AGA=(UAn+1)/n,

(2)

式中:AGA(km2/a)為城市建成區(qū)擴(kuò)張速度，UAn+1為第n+1年城市建成區(qū)面積；n為以年為單位的時(shí)間間隔.根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到每年的建成區(qū)擴(kuò)張速度，如圖4.可明顯看出2003-2006年城市處于迅速擴(kuò)張狀態(tài)，2003年以前和2009年以后武漢市城市擴(kuò)張速度較慢.

圖4 武漢市建成區(qū)擴(kuò)張速度Fig. 4 Expansion speed of built-up areas for Wuhan city

3.1.3 城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)

為了進(jìn)一步表征武漢市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張類(lèi)型，本文選取城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)這一指標(biāo).其計(jì)算公式為：

R(i)=A(i)/pop(i),

(3)

其中:R(i)為第i階段的擴(kuò)張彈性系數(shù)，A(i)和pop(i)分別為第i階段建成區(qū)面積的平均增長(zhǎng)率和非農(nóng)業(yè)人口的平均增長(zhǎng)率.中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院指出，R(i)為1.12時(shí)較為合適.對(duì)武漢市各時(shí)段進(jìn)行擴(kuò)張彈性系數(shù)分析，結(jié)果如表3所示.由表3可知，1997-2012年武漢市的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張可分為3個(gè)階段：1997-2003年為低速發(fā)展階段，雖然這個(gè)階段建設(shè)用地面積在逐年擴(kuò)大，用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)在不斷增加，但仍未達(dá)到1.12的標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明城市建設(shè)用地的增長(zhǎng)不能滿(mǎn)足非農(nóng)業(yè)人口的增長(zhǎng)對(duì)建設(shè)用地的需求.2003-2009年為快速發(fā)展階段，用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)一躍增至10.16，屬于城市較快擴(kuò)張類(lèi)型，說(shuō)明該時(shí)期建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度過(guò)快，這與國(guó)家開(kāi)放房地產(chǎn)市場(chǎng)、加快經(jīng)濟(jì)建設(shè)有一定關(guān)系.然而建設(shè)用地與非農(nóng)業(yè)人口的不協(xié)調(diào)增長(zhǎng)導(dǎo)致土地利用模式不合理，某種程度上增加了土地的承載負(fù)擔(dān)，造成農(nóng)用地流失.2009-2012年為平穩(wěn)發(fā)展階段，城市擴(kuò)展速度與非農(nóng)業(yè)人口增長(zhǎng)速度之間的相對(duì)關(guān)系較為和諧，但仍略高于人口增長(zhǎng)速度.

表3 城市用地增長(zhǎng)彈性系數(shù)及城市擴(kuò)張類(lèi)型Tab. 3 The elastic coefficient of residential expansion and expanding type of city

3.1.4 城市擴(kuò)展方向

(1)城市分布中心變化

城市分布中心的變化可以一定程度地反映城市擴(kuò)展方向的變化.令提取出的燈光影像每個(gè)像素點(diǎn)的中心坐標(biāo)為(xi,yi)，然后根據(jù)公式：

計(jì)算每年的城市分布平均中心坐標(biāo).

圖5 城市分布平均中心坐標(biāo)變化圖Fig. 5 The change map of average center coordinates for urban distribution

在圖5中標(biāo)識(shí)6期數(shù)據(jù)的中心坐標(biāo)，可看出城市分布中心的變化規(guī)律：1997年武漢市建成區(qū)中心坐標(biāo)為114.292°E，30.585°N，在長(zhǎng)江附近.1997-2006年城市中心一直在向東南方向移動(dòng)，2006-2009年間城市中心向西北回遷，2009-2012年城市中心又向東北方向略微移動(dòng).至2012年武漢市建成區(qū)中心坐標(biāo)為114.302°E，30.578°N.

(2)城市擴(kuò)張方位分析

為了進(jìn)一步研究武漢城市擴(kuò)展方向，利用燈光影像提取的建成區(qū)空間信息來(lái)繪制武漢市城市擴(kuò)張風(fēng)玫瑰圖.首先，以(1)中計(jì)算的1997年城市的平均中心坐標(biāo)為城市擴(kuò)張風(fēng)玫瑰圖的原點(diǎn)，以2012年建成區(qū)距原點(diǎn)最遠(yuǎn)距離為半徑畫(huà)圓，過(guò)圓心畫(huà)一條水平線和一條鉛直線分別與圓相交的四個(gè)點(diǎn)設(shè)為0°、90°、180°、270°.其中0°～180°一線為橫軸，與緯線方向一致；90°～270°一線為縱軸，與經(jīng)線方向一致.將圓周每隔10°進(jìn)行分割，利用ArcGIS計(jì)算出每個(gè)分割點(diǎn)上的歷年距圓心的最短距離點(diǎn)和最長(zhǎng)距離點(diǎn)，將各點(diǎn)用直線連接，生成城市擴(kuò)張風(fēng)玫瑰圖，如下圖6所示.

圖6 武漢市城市擴(kuò)張風(fēng)玫瑰圖Fig. 6 Wind-rose diagram of urban expansion for Wuhan city

從武漢市城市擴(kuò)張風(fēng)玫瑰圖中可以看出，武漢市由中心向四周擴(kuò)展，其中，擴(kuò)張幅度比較大的方位是NE10°～30°、SE310°～330°，擴(kuò)張幅度最小的方位是NE60°～80°.

3.2 城市空間形態(tài)分析

城市空間形態(tài)[11]的變化與城市的擴(kuò)張有直接的因果關(guān)系.建成區(qū)外圍輪廓形態(tài)的緊湊度可以反映城市用地的空間形態(tài)，本文選用緊湊度指數(shù)[12]對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià).計(jì)算公式為：

式中:BCI為建成區(qū)緊湊度指數(shù)，A為建成區(qū)面積，P為建成區(qū)外圍輪廓的周長(zhǎng).計(jì)算結(jié)果如表4.

表4 1997-2012年城市外部形態(tài)緊湊度Tab. 4 External compact of city form from 1997 to 2012

由表4可以看出，1997-2006年武漢市建成區(qū)的緊湊度逐漸減?。?003-2006年，建成區(qū)快速向外擴(kuò)張，迅速的城市擴(kuò)張以外延急劇膨脹和郊區(qū)化為主，導(dǎo)致緊湊度有所下降；2006年以后，城市擴(kuò)張逐漸變緩，緊湊度有所增加，說(shuō)明這個(gè)階段城市擴(kuò)張以填充型為主.總體上，城市的緊湊度較大，武漢市建成區(qū)相對(duì)集中.

3.3 人口、經(jīng)濟(jì)與城市擴(kuò)張的相關(guān)性分析

城市化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與之相關(guān)的因素有很多.本文從人口和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，定量分析二者與城市擴(kuò)張的相關(guān)性.其中，以城市非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量及市轄區(qū)GDP數(shù)據(jù)來(lái)表征武漢市城市人口和經(jīng)濟(jì)狀況.使用SPSS對(duì)建成區(qū)面積、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)、市轄區(qū)GDP進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算.

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，建成區(qū)面積與市轄區(qū)GDP相關(guān)系數(shù)為0.859，顯著性達(dá)95%以上，即武漢市市轄區(qū)GDP與建成區(qū)面積有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.

人口的增長(zhǎng)是城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的重要推動(dòng)力.城市人口的增加，大大地推動(dòng)了商業(yè)、住宅等建設(shè)，推動(dòng)了交通設(shè)施、城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，推動(dòng)了城市第二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而加快了城市建成區(qū)的擴(kuò)張，促進(jìn)了城市化進(jìn)程.另一方面，建成區(qū)的擴(kuò)張吸引了更多勞動(dòng)力從事非農(nóng)業(yè)活動(dòng)，致使非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量相應(yīng)增長(zhǎng).武漢市建成區(qū)面積與非農(nóng)業(yè)人口相關(guān)系數(shù)為0.962，顯著性達(dá)99%以上，即武漢市非農(nóng)業(yè)人口與建成區(qū)面積高度相關(guān).

以上結(jié)果表明，1997-2012年間武漢市的建成區(qū)面積與武漢非農(nóng)業(yè)人口、市轄區(qū)GDP都有高度的相關(guān)性，說(shuō)明人口、經(jīng)濟(jì)與城市建設(shè)用地的擴(kuò)張之間是相互影響、相互促進(jìn)的.經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、非農(nóng)業(yè)人口的增加極大地推動(dòng)了武漢市建設(shè)用地的擴(kuò)張.

4 結(jié)論

本文基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)武漢市建設(shè)用地的擴(kuò)張規(guī)律進(jìn)行研究，利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行建成區(qū)提取，并在此基礎(chǔ)上對(duì)武漢的城市擴(kuò)張進(jìn)行分析.結(jié)果表明：1997-2012年武漢市建成區(qū)總體擴(kuò)張幅度為152.2%，其增長(zhǎng)速度經(jīng)歷了“慢-快-慢”的交替.城市分布中心主要向東南移動(dòng)，城市擴(kuò)張方位主要是NE10°～30°、SE310°～330°.建成區(qū)的緊湊度經(jīng)歷了“先減小后增大”的發(fā)展模式，與城市發(fā)展歷程有關(guān).另外，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量與城市擴(kuò)張之間都有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明人口、經(jīng)濟(jì)與城市建設(shè)用地的擴(kuò)張之間是相互影響、相互促進(jìn)的.