基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的浙江省城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)

秦漢，張豐*，杜震洪，劉仁義

(1. 浙江大學(xué) 浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310028； 2. 浙江大學(xué) 地理信息科學(xué)研究所， 浙江 杭州 310027)

基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的浙江省城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)

秦漢1,2，張豐1,2*，杜震洪1,2，劉仁義1,2

(1. 浙江大學(xué) 浙江省資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310028； 2. 浙江大學(xué) 地理信息科學(xué)研究所， 浙江 杭州 310027)

綜合DMSP/OLS非輻射定標(biāo)夜間燈光數(shù)據(jù)與城鎮(zhèn)建成區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提取夜間燈光數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)分割閾值，構(gòu)建并修正回歸方程，以獲得能夠反映城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的修正回歸城鎮(zhèn)燈光總值CRTNLI(correct regressive total night light index)，該指標(biāo)與基于行政區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有極高的相關(guān)性.應(yīng)用浙江省1993，2003及2013年3年的CRTNLI進(jìn)行城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿洼椛浞秶治?，結(jié)果表明： 浙江省中小型城鎮(zhèn)發(fā)展較快，城鎮(zhèn)輻射范圍與行政區(qū)劃一致性高，且基本形成了以杭州、寧波為中心，浙北及沿海平原和浙贛鐵路線為軸線的點(diǎn)軸-等級(jí)漸進(jìn)擴(kuò)散式發(fā)展模式.

DMSP/OLS；城鎮(zhèn)發(fā)展；燈光總值；浙江省

城鎮(zhèn)作為人口集聚的一種特殊形態(tài)，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)[1]. 近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)發(fā)展研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題.綜合當(dāng)前城鎮(zhèn)發(fā)展的各項(xiàng)研究成果，測(cè)度城鎮(zhèn)發(fā)展水平主要依賴基于行政區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的指標(biāo)法.然而，對(duì)于城鎮(zhèn)這樣復(fù)雜動(dòng)態(tài)的大系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)法并不完全讓人信服，存在指標(biāo)統(tǒng)計(jì)有偏差、全面性和通用性難以兼顧、統(tǒng)計(jì)過程不確定性大等問題[2-3].此外，也缺少具有城鎮(zhèn)空間信息屬性的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故亟須一種能對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充的新數(shù)據(jù)源.美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星DMSP(defense meteorological satellite program)攜帶的OLS(operational linescan system)傳感器具有較高的光電放大能力，能探測(cè)燈光、火光、漁船燈光等，且數(shù)據(jù)量較小，使用較為便捷，在大尺度宏觀城鎮(zhèn)發(fā)展研究中應(yīng)用較為廣泛[4]，為評(píng)估城鎮(zhèn)發(fā)展提供了新的數(shù)據(jù)源和研究思路.

目前，夜間燈光數(shù)據(jù)在城鎮(zhèn)發(fā)展中的應(yīng)用研究主要集中于城鎮(zhèn)建成區(qū)提取和城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法在城鎮(zhèn)建成區(qū)提取中應(yīng)用較為廣泛[5-9].該方法通過比較建成區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定閾值進(jìn)行建成區(qū)提取，精確度較高.然而，受輔助統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的限制，只適用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)完備的大中型城市，不能應(yīng)用于未知統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建成區(qū)域的提取.城鎮(zhèn)發(fā)展燈光指數(shù)構(gòu)建研究主要側(cè)重于通過構(gòu)建夜間燈光數(shù)據(jù)描述城鎮(zhèn)化水平[2-3,10-17].多以行政區(qū)劃內(nèi)燈光的平均強(qiáng)度和燈光像元占比或結(jié)合人口[10]、能源消耗[11]、生態(tài)資源[12]等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)化水平，適用于縣級(jí)以上尺度的研究.但同樣受限于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，難以對(duì)不同行政級(jí)別的城鎮(zhèn)進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià).

基于以上研究成果，本文構(gòu)建了一種能統(tǒng)一評(píng)價(jià)鎮(zhèn)、縣、市3個(gè)級(jí)別城鎮(zhèn)發(fā)展的指標(biāo).為構(gòu)建該指標(biāo)，在城鎮(zhèn)建成區(qū)提取中改進(jìn)了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)法，能提取部分未知統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn).同時(shí)，在構(gòu)建反映城鎮(zhèn)化綜合水平的燈光指數(shù)時(shí)，以城鎮(zhèn)代替行政區(qū)劃作為基本單位，構(gòu)建修正回歸城鎮(zhèn)燈光總值CRTNLI，并與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，驗(yàn)證其在評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)發(fā)展中的可靠性.最后，應(yīng)用CRTNLI分析浙江省1993，2003，2013三年的城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顩r，探討夜間燈光數(shù)據(jù)在城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)中的應(yīng)用.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)提取

1.1 研究區(qū)概況

浙江省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，各級(jí)城鎮(zhèn)發(fā)展迅速，尤其以龍港、鰲江、乍浦、柳市等強(qiáng)鎮(zhèn)的發(fā)展最引人注目.以浙江省作為研究區(qū)，對(duì)杭州、寧波、溫州、紹興、嘉興、湖州、金華、衢州、麗水、臺(tái)州、舟山11個(gè)地級(jí)市和89個(gè)縣市區(qū)及部分強(qiáng)鎮(zhèn)進(jìn)行城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià).

1.2 城鎮(zhèn)夜間燈光數(shù)據(jù)提取

1.2.1 數(shù)據(jù)說明及預(yù)處理

選用DMSP/OLS非輻射定標(biāo)夜間燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)年份為1993，2003和2013年，1993年數(shù)據(jù)來源于F10衛(wèi)星，2003年數(shù)據(jù)來源于F15衛(wèi)星，2013年數(shù)據(jù)來源于F18衛(wèi)星.數(shù)據(jù)產(chǎn)品的地理坐標(biāo)系統(tǒng)為CGS_WGS_1984，精度為0.008 33°經(jīng)緯格網(wǎng)，覆蓋緯度范圍： 75°N～65°S，像元灰度值(DN值)范圍為0～63，灰度值越大表明燈光越強(qiáng)，城鎮(zhèn)的可能性越大[2]，城鎮(zhèn)發(fā)展水平越高.因后續(xù)分析計(jì)算需要，本文將原始數(shù)據(jù)按照浙江省行政區(qū)劃進(jìn)行裁剪，并將投影方式轉(zhuǎn)換為蘭伯特等面積投影，根據(jù)浙江省地理位置，中央經(jīng)線設(shè)為120°，2條標(biāo)準(zhǔn)緯線分別設(shè)為28°和30°.影像在浙江省范圍內(nèi)的分辨率大致為878 m，單位像元面積為0.77 km2.浙江省1993年、2003年和2013年的DMSP/OLS燈光影像如圖1所示.

圖1 浙江省DMSP/OLS燈光影像Fig.1 The DMSP/OLS nighttime light data of Zhejiang province

1.2.2 城鎮(zhèn)燈光總值計(jì)算

基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法求出最佳劃分閾值及城鎮(zhèn)燈光總值和平均值并進(jìn)行修正，構(gòu)建縣級(jí)行政區(qū)燈光最大值與城鎮(zhèn)燈光平均值的回歸方程，并由回歸方程重新求取城鎮(zhèn)燈光平均值(包括燈光最大值較大的縣級(jí)以下城鎮(zhèn))，修正后即可求得城鎮(zhèn)燈光總值，具體方法如圖2所示.

圖2 城鎮(zhèn)燈光總值計(jì)算流程圖Fig.2 The flow chart to calculate CRTNLI

注TTNLI指閾值城鎮(zhèn)燈光總值(threshold total night light index)，CTNLI指城鎮(zhèn)修正燈光總值(correct total night light index)，TANLI指閾值燈光平均值(threshold average night light index)，CANLI指修正燈光平均值 (correct average night light index)，RANLI指回歸燈光平均值(regressive average night light index)，CRTNLI指修正回歸城鎮(zhèn)燈光總值(correct regressive total night light index).

1.2.2.1 構(gòu)建回歸方程

城鎮(zhèn)建成區(qū)統(tǒng)計(jì)面積理想像元數(shù)目N：

N=Area/Areae.

(1)

2003年和2013年城鎮(zhèn)建成區(qū)統(tǒng)計(jì)面積Area分別來自2004年和2014年浙江省及各地市的統(tǒng)計(jì)年鑒，因缺少1993年建制縣建成區(qū)的統(tǒng)計(jì)面積，故數(shù)據(jù)采用《1993～1994中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》中建制市的建成區(qū)面積，根據(jù)預(yù)處理結(jié)果單位燈光像元面積Areae為0.77 km2.

根據(jù)像元數(shù)目N，采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較閾值法求城鎮(zhèn)燈光區(qū)域[17]，并求該區(qū)域內(nèi)的燈光總值TTNLI：

(2)

需修正圖斑數(shù)目M：

M=N(DNT)-N,

(3)

城鎮(zhèn)修正燈光總值CTNLI：

(4)

將式(3)代入式(4)：

(5)

式(2)、式(4)和式(5)及流程圖3中，DNmax為區(qū)域燈光最大值，ni為燈光值為DNi的像元數(shù)目，DNT為區(qū)域燈光提取閾值，N(DNT)為燈光值不小于DNT的像元數(shù)目，DNT和N(DNT)由流程圖3確定.

圖3 燈光閾值及像元數(shù)目計(jì)算流程圖Fig.3 The flow chart of calculation of the threshold and the number of pixel

閾值燈光平均值TANLI：

TANLI=TTNLI/N(DNT)，

(6)

將式(2)代入式(6)：

(7)

修正燈光平均值CANLI：

CANLI=CTNLI/N，

(8)

將式(3)、式(4)代入式(8)：

(9)

將式(1)、式(5)代入式(8)：

(10)

由式(10)求燈光平均值和區(qū)域燈光最大值DNmax并構(gòu)建回歸方程，求1993年、2003年和2013年回歸燈光平均值RANLI：

RANLI=a+b×DNmax，

(11)

式(11)中，1993年、2003年和2013年的參數(shù)a分別為-2.464 31，-0.420 60，-4.302 73；參數(shù)b分別為0.884 99，0.916 71，1.047 06.回歸方程相關(guān)系數(shù)R分別為0.882，0.978，0.989，區(qū)域燈光平均值和燈光最大值相關(guān)性表現(xiàn)為1993年高，2003年和2013年極高，回歸分析結(jié)果好.

1.2.2.2 回歸方程修正并求值

根據(jù)流程圖4求值，TANLI，CANLI，RANLI分別由式(7)(9)(11)求得，計(jì)算修正燈光平均值誤差δ：

δ=|CANLI-RANLI|.

(12)

式(9)中M取流程圖4中M和M-1，分別計(jì)算CANLI，并作由式(12)比較誤差δ，取誤差較小的一組CANLI作為城鎮(zhèn)燈光平均值.再由式(3)(8)求得修正回歸城鎮(zhèn)燈光總值CRTNLI：

CRTNLI=CANLI×[N(DNT)-M].

(13)

下文中的城鎮(zhèn)燈光總值皆指式(13)中的修正回歸城鎮(zhèn)燈光總值CRTNLI，簡(jiǎn)稱為燈光總值.

圖4 用回歸方程求燈光閾值及修正像元數(shù)目Fig.4 Calculation of the threshold and the number of pixel by regression equation

1.2.3 城鎮(zhèn)點(diǎn)矢量提取

根據(jù)城鎮(zhèn)燈光區(qū)的分布，可將城鎮(zhèn)點(diǎn)矢量分為獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)和衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn).獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)指城鎮(zhèn)燈光區(qū)不覆蓋周邊其他城鎮(zhèn)燈光區(qū)或具有重疊燈光區(qū)的中心最大城鎮(zhèn).衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn)指具有重疊燈光區(qū)的除中心最大城鎮(zhèn)外的城鎮(zhèn)以及地市級(jí)城鎮(zhèn)中具有獨(dú)立燈光區(qū)的建制區(qū).為區(qū)別于村莊，本文提取城鎮(zhèn)的最小閾值為10，小于10的區(qū)域不作為城鎮(zhèn)提取.

本文采用ArcGIS軟件提取城鎮(zhèn)點(diǎn)矢量，城鎮(zhèn)點(diǎn)地理位置取各城鎮(zhèn)燈光最大值DNmax范圍的幾何中心，由于衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn)難以確定燈光區(qū)的范圍，故不進(jìn)行城鎮(zhèn)燈光總值的賦值，僅確定地理位置.確定獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)地理位置后，由于有些城鎮(zhèn)燈光最大值較小，由式(11)求取城鎮(zhèn)燈光平均值的誤差較大.根據(jù)實(shí)際結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)，式(11)在有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)中應(yīng)用較為準(zhǔn)確，故為確保城鎮(zhèn)燈光總值的賦值精度，對(duì)燈光總值賦值的城鎮(zhèn)設(shè)定其燈光最大值最小為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中最小城鎮(zhèn)燈光最大值的80%～85%，即城鎮(zhèn)燈光最大值1993年不小于15，2003年不小于13，2013年不小于30的城鎮(zhèn)由式(13)計(jì)算出燈光總值后進(jìn)行賦值，不在此范圍內(nèi)的獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)，由于規(guī)模小，計(jì)算燈光總值精度不高，不進(jìn)行燈光總值賦值.

根據(jù)以上定義及規(guī)則，1993年在浙江省范圍內(nèi)共提取出114個(gè)城鎮(zhèn)點(diǎn)，其中獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)102個(gè)，衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn)12個(gè)；2003年共提取出234個(gè)城鎮(zhèn)點(diǎn)，其中獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)211個(gè)，衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn)23個(gè)；2013年共提取出337個(gè)城鎮(zhèn)點(diǎn)，其中獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)304個(gè)，衛(wèi)星城鎮(zhèn)點(diǎn)33個(gè).考慮提取成果的可視化效果，采用ArcGIS的自然斷裂法(natural break)，按照城鎮(zhèn)燈光總值CRTNLI將提取出的獨(dú)立城鎮(zhèn)點(diǎn)分為5級(jí)[18]，將未進(jìn)行燈光總值賦值的城鎮(zhèn)歸入第5級(jí)城鎮(zhèn)，提取結(jié)果如圖5所示.

圖5 浙江省城鎮(zhèn)分布Fig.5 The distribution of urban in Zhejiang province

1.3 燈光總值可靠性評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證提取出的縣級(jí)及以上行政單位的城鎮(zhèn)燈光總值的可靠性，將結(jié)果與夜間燈光數(shù)據(jù)同年統(tǒng)計(jì)年鑒中的非農(nóng)業(yè)人口、城鎮(zhèn)建成區(qū)面積、第二產(chǎn)值、第三產(chǎn)值進(jìn)行相關(guān)性分析，除1993年燈光總值與第二產(chǎn)值的相關(guān)系數(shù)低于0.9外，其余均高于0.9，且大多高于0.95，即相關(guān)性極高，且隨著時(shí)間的變化相關(guān)性呈增加的趨勢(shì).故用燈光總值能反映城鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)、人口、建成區(qū)面積等的綜合水平.為更好地用燈光總值反映城鎮(zhèn)規(guī)模綜合性，采用城鎮(zhèn)規(guī)模綜合性復(fù)合指標(biāo)Cj[2]：

(14)

式(14)中Cj為城鎮(zhèn)j的城鎮(zhèn)規(guī)模綜合性復(fù)合指標(biāo)，Xi為反映城鎮(zhèn)規(guī)模的各統(tǒng)計(jì)因子，X1為城鎮(zhèn)j的非農(nóng)業(yè)人口占全省的比重，X2為城鎮(zhèn)j的第二產(chǎn)值占全省的比重，X3為城鎮(zhèn)j的第三產(chǎn)值占全省的比重，Wi為各因子權(quán)重，等權(quán)重取常數(shù)的1/3.

統(tǒng)計(jì)年鑒各指標(biāo)及城鎮(zhèn)規(guī)模綜合性復(fù)合指標(biāo)Cj和燈光總值的相關(guān)性分析結(jié)果見表1.顯然燈光總值可代替各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)或城鎮(zhèn)規(guī)模綜合性復(fù)合指標(biāo)來評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)的發(fā)展?fàn)顩r，且隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展以及燈光強(qiáng)度和面積的增加，燈光總值評(píng)價(jià)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)于未來城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)的應(yīng)用前景良好.

表1 2013年燈光總值與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

Table 1 The correlation analysis between CRTNLI and the statistical data in 2013

注統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于浙江省及地市各年份的統(tǒng)計(jì)年鑒.

2 城鎮(zhèn)發(fā)展分析評(píng)價(jià)

2.1 城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Ψ治?/p>

潛力模式是對(duì)區(qū)域內(nèi)所有城鎮(zhèn)作用程度的描述.區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的城鎮(zhèn)潛力定義為各城鎮(zhèn)規(guī)模與該城鎮(zhèn)距離這一特定地點(diǎn)的距離函數(shù)之積的總和，即：

(15)

式(15)中：Pk為k點(diǎn)發(fā)展為城鎮(zhèn)的潛力，k為區(qū)域內(nèi)任意地點(diǎn)，i為城鎮(zhèn)所在地，Mi為城鎮(zhèn)規(guī)模，本文Mi取燈光總值，dik為i、k兩地距離，取歐氏距離，f(dik)為距離衰變函數(shù).參考牛頓萬(wàn)有引力定律，距離衰變函數(shù)為：

(16)

城鎮(zhèn)潛力模型的構(gòu)建是城市群識(shí)別的前提[17].城鎮(zhèn)潛力值表示該地點(diǎn)發(fā)展為城市的潛力，城鎮(zhèn)潛力高的地點(diǎn)區(qū)域基礎(chǔ)較好，適于城市群的發(fā)育.

將浙江省劃分為若干1 km×1 km網(wǎng)格，取網(wǎng)格中心點(diǎn)為k點(diǎn)，由式(15)和(16)計(jì)算浙江省城市潛力分布(分辨率為1 km)，如圖6所示.

圖6 浙江省城鎮(zhèn)潛力分布圖Fig.6 The distribution of urban potential in Zhejiang province

浙江省城鎮(zhèn)分布以及發(fā)展?jié)摿哂幸韵绿卣鳎?/p>

2.1.1 時(shí)間

(1) 浙江省近20 a總體城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Ω窬只疚窗l(fā)生大的改變.

(2) 在寧波和臺(tái)州的影響下，舟山島和玉環(huán)島城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿υ鲩L(zhǎng)顯著，沿海地區(qū)城鎮(zhèn)集群效應(yīng)日益明顯.

2.1.2 空間

(1) 浙北地區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿ζ毡檩^高.杭州、寧波附近的城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿τ绕涓?，基本已形成穩(wěn)定的都市圈和城市群，紹興、嘉興、舟山、湖州、慈溪和余姚等地具有不錯(cuò)的城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Γ簿哂邪l(fā)展為都市圈和城市群的能力.

(2) 沿海城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Ω叩膮^(qū)域除寧波外，主要集中于東南沿海的溫州、臺(tái)州地區(qū)，且具有發(fā)展成為溫臺(tái)城市群的潛力，而寧波、臺(tái)州之間的城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿^弱，短期內(nèi)難以發(fā)展形成較有影響力的城鎮(zhèn)和城市群.

(3) 浙中地區(qū)，除金華、義烏附近的城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿^高，能發(fā)展為城市群外，其余城鎮(zhèn)周邊發(fā)展?jié)摿^弱，難以形成由核心城鎮(zhèn)帶動(dòng)發(fā)展的都市圈和城市群.

(4) 浙南和浙東地區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿艿停擎?zhèn)發(fā)展能力較弱.

2.2 城鎮(zhèn)輻射范圍分析

2.2.1 城鎮(zhèn)腹地劃分

腹地是指中心城鎮(zhèn)周邊為其提供資源并受其輻射和影響的區(qū)域，腹地的范圍取決于中心城鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)吸引力和輻射能力[19].腹地不僅體現(xiàn)了城鎮(zhèn)的實(shí)體范圍，而且為城鎮(zhèn)體系規(guī)劃、城鎮(zhèn)設(shè)施建設(shè)以及資源的合理分配提供了依據(jù)[20].

中心城鎮(zhèn)作為區(qū)域中心，對(duì)腹地的吸引力和輻射力作用類似于物理中的“場(chǎng)”，故可以根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律推導(dǎo)出城鎮(zhèn)的引力模式來描述城鎮(zhèn)對(duì)周邊腹地的吸引力.城鎮(zhèn)腹地的引力模式計(jì)算公式如下[20]：

(17)

式(17)中：Eik為城鎮(zhèn)i在k點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，Mi為城鎮(zhèn)i的規(guī)模，可用燈光總值反映，Rik指城鎮(zhèn)i與k點(diǎn)的距離，取歐氏距離，摩擦系數(shù)a取2.

比較所有城鎮(zhèn)在k點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)k點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)最大的城鎮(zhèn)i即為k點(diǎn)的中心城鎮(zhèn)，也即k點(diǎn)為城鎮(zhèn)i的腹地.將全省劃分為1 km×1 km的網(wǎng)格，用以上方法求出網(wǎng)格中心點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)最大的城鎮(zhèn)，并以此做出浙江省城鎮(zhèn)腹地圖，如圖7所示.

圖7 浙江省城鎮(zhèn)腹地圖Fig.7 The hiterland in Zhejiang province

浙江省城鎮(zhèn)腹地分布具有以下特征：

(1) 特大型都市杭州、寧波、溫州腹地在省內(nèi)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但有縮小的趨勢(shì)，其邊緣腹地逐漸歸入周邊中小型城鎮(zhèn).

(2) 1993～2003年城鎮(zhèn)間腹地大小差別較大，腹地包含和半包含關(guān)系較多；2003～2013年城鎮(zhèn)間腹地差距縮小，腹地競(jìng)爭(zhēng)和并存關(guān)系有所增強(qiáng).

2.2.2 城鎮(zhèn)腹地與行政區(qū)劃范圍

行政區(qū)劃是國(guó)家權(quán)力在不同地域空間劃分和配置的過程和狀況，是國(guó)家內(nèi)部次級(jí)地理單位與權(quán)力單位的統(tǒng)一[21].國(guó)家通過行政區(qū)區(qū)劃來配置權(quán)力，進(jìn)行區(qū)域管理.

行政區(qū)劃是基于歷史文化經(jīng)濟(jì)政治的綜合產(chǎn)物，而腹地體現(xiàn)了中心城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)區(qū)的分布，更多是經(jīng)濟(jì)意義的體現(xiàn).腹地和行政區(qū)劃2個(gè)定義盡管分屬于經(jīng)濟(jì)地理學(xué)和政治地理學(xué)，但兩者存在很大的相關(guān)性和共通之處，腹地可為行政區(qū)劃提供借鑒.將腹地與行政區(qū)劃進(jìn)行疊合分析，可在一定程度上反映現(xiàn)有行政區(qū)劃與區(qū)域城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適宜狀況，在經(jīng)濟(jì)層面上反映行政區(qū)劃劃分的合理性.

本文對(duì)地級(jí)行政區(qū)劃范圍與城鎮(zhèn)腹地進(jìn)行了比較分析.縣級(jí)或建制鎮(zhèn)及以下行政區(qū)的腹地歸入上一級(jí)的地級(jí)行政區(qū)腹地，結(jié)果如圖8所示.

比較行政區(qū)劃與腹地之間的關(guān)系，存在以下特征：

(1) 湖州、紹興、麗水對(duì)本行政區(qū)劃范圍的輻射吸引能力較為不足，杭州、寧波、溫州等對(duì)附近的行政區(qū)域有一定的輻射吸引能力.

(2) 總體上看，浙江省行政區(qū)劃與腹地重合度高，且重合度呈現(xiàn)上升趨勢(shì).即行政區(qū)劃對(duì)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引導(dǎo)政策及資源調(diào)配等作用日漸明顯.

(3) 個(gè)別地區(qū)腹地與行政區(qū)劃存在不一致性，行政區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系不夠緊密.如杭州對(duì)德清、安吉的輻射影響力要大于湖州，溫州對(duì)青田的輻射影響力也要大于麗水，紹興境內(nèi)上虞、諸暨、嵊州、新昌4塊腹地間的相互聯(lián)系不夠強(qiáng).但該不一致性呈減弱趨勢(shì).

圖8 浙江省地級(jí)行政區(qū)劃與腹地比較圖Fig.8 The comparison between prefecture-level division and hiterland

2.2.3 典型建制鎮(zhèn)腹地

浙江省小型城鎮(zhèn)發(fā)展水平較高，建制鎮(zhèn)發(fā)展令人矚目.本文選取2013年柳市、虹橋、鰲江、龍港、橫店、乍浦、楚門、石浦作為較為典型的建制鎮(zhèn)，并在其上級(jí)縣級(jí)行政區(qū)劃范圍內(nèi)比較各城鎮(zhèn)腹地(腹地劃分參照?qǐng)D7).

綜合分析典型城鎮(zhèn)案例見圖9和表2，柳市、虹橋、鰲江、龍港、橫店、乍浦、楚門、石浦等建制鎮(zhèn)具有較大腹地，對(duì)周邊的影響和輻射作用強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)地位較高，腹地面積與上級(jí)縣(市)本級(jí)腹地面積差距不大，甚至大于上級(jí)城鎮(zhèn).但與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展相比，社會(huì)管理相對(duì)落后，稅收支配份額較小，基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)滯后[21].城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)地位與行政地位并未完全匹配.

圖9 典型區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)腹地Fig.9 The hiterland in typical area

表2 2013年典型城鎮(zhèn)與縣(市)本級(jí)城鎮(zhèn)腹地占比比較

Table 2 The comparison of hiterland between county-level and township-level in typical area

3 結(jié) 論

運(yùn)用DMSP/OLS非輻射定標(biāo)夜間燈光數(shù)據(jù)，提出了一種評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)發(fā)展水平的燈光總值指標(biāo)CRTNLI方法，該指標(biāo)能夠綜合反映人類活動(dòng)強(qiáng)度，為城鎮(zhèn)發(fā)展評(píng)價(jià)提供了一項(xiàng)新的數(shù)據(jù).與以行政區(qū)劃為單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，CRTNLI以城鎮(zhèn)為基本單位，研究的城鎮(zhèn)數(shù)量較多(可精確到發(fā)展水平較高的建制鎮(zhèn))，且可以對(duì)單個(gè)行政區(qū)劃內(nèi)多個(gè)城鎮(zhèn)進(jìn)行發(fā)展分析，與浙江省近20 a來小型城鎮(zhèn)發(fā)展迅速的省情相適應(yīng).

用燈光總值指標(biāo)CRTNLI數(shù)據(jù)分析了1993年、2003年和2013年浙江省城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Α⑤椛浞秶瘸擎?zhèn)發(fā)展特征，結(jié)論如下：

3.1基本形成以杭州、寧波為重點(diǎn)增長(zhǎng)極，以浙北及沿海和浙贛鐵路線為兩大軸線發(fā)展的點(diǎn)軸-等級(jí)漸進(jìn)擴(kuò)散式開發(fā)模式.全省發(fā)展速度快，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的縣及縣級(jí)市(慈溪、余姚、義烏等)和建制鎮(zhèn)(乍浦、柳市等)均集中分布于兩大軸線區(qū)域內(nèi).

3.2城鎮(zhèn)輻射范圍與地級(jí)行政區(qū)劃差異較小.但存在湖州-德清、麗水-青田、紹興-諸暨等上下級(jí)聯(lián)系不夠緊密的情況.

3.3小型城鎮(zhèn)的發(fā)展尤為突出，部分建制鎮(zhèn)級(jí)別城鎮(zhèn)規(guī)模已接近甚至超過上級(jí)縣市級(jí)城鎮(zhèn)，存在部分城鎮(zhèn)行政級(jí)別與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不適應(yīng)的問題，需進(jìn)一步推進(jìn)培育中心鎮(zhèn)、“強(qiáng)鎮(zhèn)擴(kuò)權(quán)”等改革.

[1] 許學(xué)強(qiáng), 周一星, 寧越敏.城市地理學(xué)[M]. 第2版.北京： 高等教育出版社,2009.

XU X Q, ZHOU Y X, NING Y M.UrbanGeography[M]. 2nd ed. Beijing： Higher Education Press,2009.

[2] 陳晉, 卓莉, 史培軍, 等. 基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的中國(guó)城鎮(zhèn)化過程研究——反映區(qū)域城鎮(zhèn)化水平的燈光指數(shù)的構(gòu)建[J].遙感學(xué)報(bào), 2003, 7(3)： 169-175.

CHEN J, ZHUO L, SHI P J, et al. The study on urbanization process in China based on DMSP/OLS data： Development of a light index for urbanization level estimation[J].JournalofRemoteSensing, 2003,7(3)： 169-175.

[3] 卓莉, 史培軍, 陳晉, 等. 20世紀(jì)90年代中國(guó)城鎮(zhèn)時(shí)空變化特征——基于燈光指數(shù)CNLI方法的探討[J].地理學(xué)報(bào), 2003, 58(6)： 893-902.

ZHUO L,SHI P J,CHEN J, et al. Application of compound night light index derived from DMSP/OLS data to urbanization analysis in China in the 1990s[J].ActaGeographicaSinica, 2003, 58(6)： 893-902.

[4] 王鶴饒, 鄭新奇, 袁濤. DMSP/OLS數(shù)據(jù)應(yīng)用綜述[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2012,31(1)： 11-18.

WANG H R, ZHENG X Q, YUAN T. Overview of researches based on DMSP/OLS nighttime light data[J].ProgressinGeography, 2012, 31(1)： 11-18.

[5] 舒松, 余柏蒗, 吳健平, 等. 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)提取方法評(píng)價(jià)與應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2011,26(2)： 169-176.

SHU S, YU B L, WU J P, et al. Methods for deriving urban built-up area using night-light data： Assessment and application[J].RemoteSensingTechnologyandApplication, 2011,26(2)： 169-176.

[6] 廖兵, 魏康霞, 宋巍巍. DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)在城鎮(zhèn)體系空間格局研究中的應(yīng)用于評(píng)價(jià)——以近16年江西省間城鎮(zhèn)空間格局為例[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2012,21(11)： 1295-1300.

LIAO B, WEI K X, SONG W W. Assessment and application of DMSP/OLS nighttime light data in the spatial structure of urban system： A case of Jiangxi province in nearly 16 years[J].ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin, 2012,21(11)： 1295-1300.

[7] MILESI C, ELVIDGE C D, NEMANI R R, et al. Assessing the impact of urban land development on net primary productivity in the southeastern United States[J].RemoteSensingofEnvironment, 2003, 86(3)： 401-410.

[8] 閏記影.基于DMSP/OLS影像的湖北省城鎮(zhèn)空間格局演變研究[D]. 武漢： 華中師范大學(xué),2015.

RUI J Y.StudyontheUrbanSpatialPatternChangesofHubeiProvinceBasedonDMSP/OLSImageData[D]. Wuhan： Central China Normal University, 2015.

[9] 李娜.基于夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)發(fā)展的探討[D]. 蘭州： 蘭州大學(xué),2016.

LI N.TheDiscussionofUrbanizationinChinaBasedonDMSP/OLSData[D]. Lanzhou： Lanzhou University, 2016.

[10] 楊洋, 李雅靜, 黃慶旭, 等. 中國(guó)城市用地與人口規(guī)模分布時(shí)空動(dòng)態(tài)比較——以環(huán)渤海地區(qū)為例[J].地理研究, 2016, 35(9)： 1672-1686.

YANG Y, LI Y J, HUANG Q X, et al. Comparison on spatio-temporal dynamics of urban land and population size distribution in China： A case study of the Bohai Rim[J].GeographicalResearch, 2016,35(9)： 1672-1686.

[11] 吳健生, 牛妍, 彭建, 等. 基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的1995～2009年中國(guó)地級(jí)市能源消費(fèi)動(dòng)態(tài)[J].地理研究, 2014, 33(4)： 625-634.

WU J S, NIU Y, PENG J, et al. Research on energy consumption dynamic among prefecture-level cities in China based on DMSP/OLS nighttime light[J].GeographicalResearch, 2014,33(4)： 625-634.

[12] 赫勝彬, 張靚. 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的中國(guó)區(qū)域發(fā)展評(píng)價(jià)[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2015,31(12)： 14-17,26.

HE S B, ZHANG J. Evaluation of China regional development based on DMSP-OLS data[J].EcologicalEconomy, 2015, 31(12)： 14-17,26.

[13] 范俊甫, 馬廷, 周成虎, 等. 1992～2010年基于DMSP-OLS圖像的環(huán)渤海城市群空間格局變化分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 15(2)： 280-288.

FAN J F, MA T, ZHOU C H, et al. Changes in spatial patterns of urban landscape in Bohai Rim from 1992 to 2010 using DMSP-OLS data[J].JournalofGeo-InformationScience, 2013, 15(2)： 280-288.

[14] 吳健生, 劉浩, 彭建, 等. 中國(guó)城市體系等級(jí)結(jié)構(gòu)及其空間格局——基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的實(shí)證[J].地理學(xué)報(bào), 2014, 69(6)： 759-770.

WU J S, LIU H, PENG J, et al. Hierarchical structure and spatial pattern of China’s urban system： Evidence from DMSP/OLS nightlight data[J].ActaGeographicaSinica, 2014, 69(6)： 759-770.

[15] 楊洋, 黃慶旭, 章立玲. 基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的土地城鎮(zhèn)化水平時(shí)空測(cè)度研究——以環(huán)渤海地區(qū)為例[J].經(jīng)濟(jì)地理, 2015, 35(2)： 141-148, 168.

YANG Y, HUANG Q X, ZHANG L L. The spatial-temporal measurement on the land urbanization level using DMSP/OLS nighttime light data： A case study of Bohai Rim[J].EconomicGeography, 2015,35(2)： 141-148,168.

[16] MA T, ZHOU C, PEI T, et al. Quantitative estimation of urbanization dynamics using time series of DMSP/OLS nighttime light data： A comparative case study from China’s cities[J].RemoteSensingofEnvironment, 2012, 124： 99-107.

[17] 何春陽(yáng), 史培軍, 李景剛, 等. 基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的中國(guó)大陸20世紀(jì)90年代城市化空間過程重建研究[J].科學(xué)通報(bào), 2006, 51(7)： 856-861.

HE C Y, SHI P J, LI J G, et al. Rebuilding urbanization process of Chinese mainland in 1990s based on DMSP/OLS night light data and statistics[J].ChineseSciencesBulletin,2006, 51(7)： 856-861.

[18] 王麗, 鄧羽, 牛文元. 城鎮(zhèn)群的界定與識(shí)別研究[J].地理學(xué)報(bào), 2013, 68(8)： 1059-1070.

WANG L, DENG Y, NIU W Y. The definition and identification urban agglomerations[J].ActaGeographicaSinica, 2013, 68(8)： 1059-1070.

[19] 馮邦彥, 段晉苑. 腹地發(fā)展與區(qū)域合作關(guān)系研究——“泛珠三角”區(qū)域合作的思考[J].地域研究與開發(fā), 2006, 25(6)： 8-11,18.

FENG B Y, DUAN J Y. Relationship between the development of hinterland and the regional cooperation： A ponder of the regional cooperation in pan-pearl river delta[J].AreaResearchAndDevelopment, 2006, 25(6)： 8-11,18.

[20] 王德, 程國(guó)輝. 我國(guó)省會(huì)城市腹地劃分及與其行政范圍的疊合分析[J].現(xiàn)代城市研究, 2006(6)： 4-9.

WANG D, CHENG G H. Province capital’s hiterland calculation and their overlay analysis with province boundary[J].ModernUrbanResearch, 2006(6)： 4-9.

[21] 范今朝.權(quán)力的空間配置與組織的制度創(chuàng)新——從城市發(fā)展與政區(qū)演變的互動(dòng)關(guān)系論中國(guó)現(xiàn)當(dāng)代的行政區(qū)劃改革[D]. 上海： 華東師范大學(xué),2004.

FAN J Z.Place’sDistributionofPublicPowersandSystem’sInnovationofAdministrativeOrganizations—OntheInteractiveRelationshipBetweentheUrbanDevelopmentandtheEvolutionofAdministrativeAreas,andtheReformofChina’sDivisionofAdministrativeAreasintheProcessofUrbanizationDuringtheModernandContemporaryTimes[D]. Shanghai： East China Normal University, 2004.

QIN Han1,2, ZHANG Feng1,2, DU Zhenghong1,2, LIU Renyi1,2

(1.ZhejiangProvincialKeyLabofGIS,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China; 2.DepartmentofGeographicInformationScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

TheevaluateofurbandevelopmentinZhejiangprovincebasedonDMSP/OLSnighttimelightdata.Journal of Zhejiang University (Science Edition)，2017, 44(6): 640-648

Based on the non-radiometric calibration night-light data from the defense meteorological satellite program(DMSP) operational linescan system(OLS) and the statistics data of urban construction district, this paper presents a new light index, the correct regressive total night light index(CRTNLI), which can describe the urban development by calculating the light threshold values and correcting it with regression equation. CRTNLI has obviously positive correlation with the statistics data. Through a case study on Zhejiang province in 1993, 2003 and 2013 with CRTNLI, we analyses the urban potential and the hiterland. The result shows that small and medium-sized towns are going through rapid urbanization. The hiterland has a high consistency with the prefecture-level administrative divisions. The Zhejiang province urban development shows a pattern, a point-axis system consisting of two major growth pole, i.e. Hangzhou, Ningbo, and three developing axes, i.e. North-Zhejiang plain, coastal belt plain and Zhejiang-Jiangxi railway.

DMSP/OLS; urban development; total night light index; Zhejiang province

2016-12-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471313,41671391)；國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2012FY112300)；國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201505003)；浙江省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33021).

秦漢(1991—)，ORCID：http://orcid.org/0000-0001-5858-246X，男，碩士，主要從事城市地理學(xué)、遙感與專題地圖制圖研究.

*通信作者，ORCID：http://orcid.org/0000-0003-1475-8480，E-mail：zfcarnation@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.06.002

P 208

A

1008-9497(2017)06-640-09