基于夜光遙感的粵港澳大灣區(qū)人口空間化研究

黃鐵蘭 揭 彬 楊王意 陳沿輯

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510510）

人口空間分布，是指一定時(shí)間內(nèi)人口在地域上的分布情況，反映了特定時(shí)空背景下的人地關(guān)系，是人口地理研究的核心問題[1]。現(xiàn)有的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大多以行政區(qū)劃為單元匯總?cè)丝?，時(shí)空分辨率較低，且與地理環(huán)境等因素未能有效結(jié)合，不利于高精度的人口科學(xué)研究[2]。因此，需要開展人口空間化研究。人口數(shù)據(jù)空間化是指選取影響人口空間分布的指標(biāo)進(jìn)行建模，將人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)合理地分配到格網(wǎng)單元上[3]。隨著夜光遙感技術(shù)的快速發(fā)展，其廣泛應(yīng)用到城市擴(kuò)展、人口空間化等各個(gè)方面，很多學(xué)者都將夜光遙感數(shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)、人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，進(jìn)行人口空間化研究[4-9]。

本文以粵港澳大灣區(qū)為研究區(qū)，采用DMSP/OLS、珞珈一號(hào)夜光遙感數(shù)據(jù)和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立夜間燈光總量與人口統(tǒng)計(jì)數(shù)值的線性回歸模型對(duì)人口數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化，并通過人口重心模型和人口偏移分享模型分析人口的分布變化情況，為大灣區(qū)可持續(xù)發(fā)展有重要的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)位于中國南部，由廣東省的廣州、深圳、珠海、中山、東莞、肇慶、佛山、江門、惠州9個(gè)城市和香港、澳門兩個(gè)特別行政區(qū)組成。粵港澳大灣區(qū)總面積約5.6 萬km2，2018年底總?cè)丝诔^7 000萬，經(jīng)濟(jì)總量超過10億元?；浉郯拇鬄硡^(qū)的人口分布不均勻情況明顯，根據(jù)2020年第七次全國人口普查數(shù)據(jù)，廣州、深圳、東莞3個(gè)城市的人口都超過1 000萬，而珠海、肇慶、中山、江門的人口不足500萬。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理情況

本研究主要使用的數(shù)據(jù)有行政邊界數(shù)據(jù)、夜光遙感數(shù)據(jù)、人口及經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

1.2.1 行政邊界數(shù)據(jù)

本文使用的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，是從中華人民共和國自然資源部官網(wǎng)（http：//www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/）下載粵港澳大灣區(qū)區(qū)域圖（審圖號(hào)：GS（2019）4342號(hào)），比例尺是1∶120萬。對(duì)區(qū)域圖進(jìn)行矢量化，然后轉(zhuǎn)換為高斯投影。

1.2.2 夜光遙感數(shù)據(jù)

本文選用夜光遙感數(shù)據(jù)包括：（1）1992—2013年的DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國國家地理物理數(shù)據(jù)中心（https：//www.ngdc.noaa.gov/），屬性取值范圍為0～63，分辨率為1 km。（2）2018年、2019年的珞珈一號(hào)夜光數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心高分?jǐn)?shù)管平臺(tái)（http：//59.175.109.173：8888/index.html），屬性取值范圍為0～1.18E6，空間分辨率約為133 m。本次使用的為五景。

DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)，由于存在輻射誤差，參照盧秀等[10]的方法進(jìn)行飽和校正和相互校正、年內(nèi)融合。珞珈一號(hào)夜光數(shù)據(jù)，需要參考官方網(wǎng)站提出的公式進(jìn)行輻射校正，然后進(jìn)行鑲嵌。二者都需要重新投影到高斯，并用行政區(qū)矢量進(jìn)行裁剪，然后重采樣到100 m。

1.2.3 人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

本文使用的粵港澳大灣區(qū)各市分縣的常住人口數(shù)據(jù)，來自國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2000年、2010年全國人口普查數(shù)據(jù)，以及各城市統(tǒng)計(jì)局2019年的統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)。

2 研究方法

2.1 夜間燈光亮度統(tǒng)計(jì)

夜間燈光亮度與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。因此，可以通過統(tǒng)計(jì)夜間燈光亮度的總量和增長率，來表征地區(qū)或城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。本文分別按粵港澳大灣區(qū)的區(qū)縣單元裁剪夜光數(shù)據(jù)后，利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)各區(qū)縣單位的夜間燈光總量。夜間燈光總量計(jì)算公式如下所示：

式中：L為夜間燈光總量；Xi為第i個(gè)像元的燈光亮度值。

2.2 人口空間化建模

利用統(tǒng)計(jì)得到的區(qū)縣單元夜間燈光總量，在Excel表格中與研究單元的常住人口進(jìn)行相關(guān)分析?；谝归g燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建人口空間化模型，以區(qū)縣單元燈光亮度總值為自變量、常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為因變量，進(jìn)行線性回歸分析建模[5]。利用公式（2）和（3），分別求得各年份各區(qū)縣單元內(nèi)的模擬初始預(yù)測人口數(shù)，以及對(duì)應(yīng)的人口校正參數(shù)Ki。

式中：i=1、2、3，分別表示2000年、2010年和2019年；DNi——區(qū)縣單元第i年的燈光亮度總值；TPPni——第n個(gè)區(qū)縣單元第i 年的常住人口數(shù)；TMPni——第n個(gè)區(qū)縣單元第i年的初始模擬總?cè)丝跀?shù)；popi——第i年的初始人口預(yù)測值；Kni——第n個(gè)區(qū)縣單元第i年的人口校正參數(shù)。

上述公式是在區(qū)縣單元尺度的基礎(chǔ)上得到，截距b包含每個(gè)區(qū)縣單元中所有像元的貢獻(xiàn)值。應(yīng)用到格網(wǎng)尺度時(shí)，截距需要做相應(yīng)的變化。參考張秋媛等[4]構(gòu)建模型的做法，在公式（4）的基礎(chǔ)上構(gòu)建格網(wǎng)尺度下的人口模型，利用公式（5）對(duì)模擬的總?cè)丝跀?shù)進(jìn)行校正得到最終的柵格單元人口數(shù)。

式中：DNt——第t個(gè)格網(wǎng)的燈光亮度值；Ct——第t個(gè)格網(wǎng)所在區(qū)縣單元包含的格網(wǎng)總數(shù)；popt——第t個(gè)格網(wǎng)的模擬人口數(shù)；Kt1——第t個(gè)格網(wǎng)所在區(qū)縣單元第i年的人口校正參數(shù)；popt1——第t個(gè)格網(wǎng)第i年的最終的柵格單元人口數(shù)。

2.3 精度評(píng)價(jià)及驗(yàn)證

以粵港澳大灣區(qū)的區(qū)縣行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)為單位，分別對(duì)人口空間化格網(wǎng)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各年份分區(qū)縣的人口預(yù)測數(shù)據(jù)匯總結(jié)果，并與各年份的人口統(tǒng)計(jì)比較。根據(jù)人口模擬誤差檢驗(yàn)公式，檢驗(yàn)人口數(shù)據(jù)空間化的精度，以此評(píng)價(jià)模型精度[2]。

2.4 人口分布指標(biāo)計(jì)算

（1）人口重心模型。

人口分布重心，是指某一地區(qū)內(nèi)的人口分布在空間平面上的平衡點(diǎn)，主要用于表征在不同時(shí)期該區(qū)域人口分布的均衡狀態(tài)[6,8]。

式中：Xi、Yi——第i年城市群/城市人口分布重心的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)；Mti——i年份t市/區(qū)縣人口統(tǒng)計(jì)數(shù)量；xt、yt——第t市經(jīng)度、緯度坐標(biāo)，以其行政中心位置坐標(biāo)代替。

（2）人口偏移-分享模型。

在一定時(shí)期內(nèi)，某一空間地域內(nèi)部的增長可以分解為“偏移”和“分享”兩部分。偏移-分享模型，是研究空間發(fā)展差距變動(dòng)趨勢(shì)的方法之一，可用來分析人口分布的集散變動(dòng)特征[6,9]。

式中：POPt1、POPt2——前一年、后一年區(qū)域人口統(tǒng)計(jì)量；i——粵港澳大灣區(qū)的區(qū)縣單元；SHIFTt——偏移增長量；ABSGRt——人口的絕對(duì)增長量；SHAREt——人口的分享增長量。

人口的偏移增長量，指的是實(shí)際人口的增長量相對(duì)于分享增長量的偏差值。人口增長較快且呈現(xiàn)集聚趨勢(shì)的地區(qū)，人口偏移增長量的值為正；人口增長較慢且呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)的地區(qū)，人口偏移增長量的值為負(fù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 粵港澳大灣區(qū)人口分布變化情況

3.1.1 人口分布變化情況

2000—2019年，粵港澳大灣區(qū)人口變化呈去中心化趨勢(shì)，如圖1所示。中北部以廣州市的人口數(shù)量變化最為明顯，呈逐年分散的趨勢(shì)；東南部主要聚集在以香港和深圳為中心的區(qū)域，從深圳、香港向四周逐年擴(kuò)散。從2000年的人口分布圖可以看出，2000年的人口聚集大多數(shù)為一線城市或經(jīng)濟(jì)特區(qū)；2010年出現(xiàn)了在部分城市周圍分散的趨勢(shì)，如東莞市；2019年各一線城市的各個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)勢(shì)均力敵的狀態(tài)，但總體的中心城市沒有改變，而是出現(xiàn)了城區(qū)間的變化。在2000—2019年，粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展趨向全面，各城市中心都存在人口聚集的情況。

圖1 2000—2019年粵港澳大灣區(qū)人口空間分布情況

3.1.2 人口重心偏移情況

2000—2019年，粵港澳大灣區(qū)人口重心，總體在城市內(nèi)部偏移，如圖2所示。

圖2 2000—2019年粵港澳大灣區(qū)人口重心偏移情況

其中，毗鄰廣州的東莞市，在2000—2019年間人口重心出現(xiàn)了從廣州到東莞的偏移。而肇慶、惠州、廣州都是城區(qū)間的偏移或街道的偏移。

3.2 粵港澳大灣區(qū)人口變化數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)

參照張秋媛等[4]的方法，進(jìn)行粵港澳的人口變化精度評(píng)價(jià)。分別以各城市2000年、2010年和2019年的人口數(shù)據(jù)空間化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)空間化結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)和誤差分析。

以粵港澳大灣區(qū)的區(qū)縣級(jí)行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，對(duì)人口數(shù)據(jù)空間化結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到各區(qū)縣的人口匯總結(jié)果，與公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。以統(tǒng)計(jì)人口數(shù)量為橫坐標(biāo)，匯總?cè)丝跀?shù)量為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，空間化后的數(shù)據(jù)較好地反映了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，二者具有顯著的線性關(guān)系。通過相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分 別 為2000 年0.996 4、2010 年0.995 7、2019 年0.999 7，可見本次空間化在區(qū)縣尺度上很好地重現(xiàn)了原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，具有很高的精度。

圖3 粵港澳大灣區(qū)各城市人口精度評(píng)價(jià)

3.3 粵港澳大灣區(qū)人口分布指標(biāo)分析

粵港澳大灣區(qū)人口分布的變化，是由其內(nèi)部各城市的人口偏移增長導(dǎo)致。因此，可從人口偏移增長的過程入手來分析人口變化的趨勢(shì)。結(jié)合表1及圖4，進(jìn)行各城市偏移量分段分析。以東莞、深圳、珠海三市為例，東莞市在2000—2010年間偏移-分享值為1.58，2010—2019年間數(shù)值變?yōu)?89.81，說明在2000—2010年間人口聚集于核心城區(qū)，而在后面10年間由核心城區(qū)向各街鎮(zhèn)分散；深圳市在2000—2010 年間偏移-分享值為143.68，2010—2019年間數(shù)值為154.82，說明在2000—2019年中存在了20年的大規(guī)模聚集；珠海市在2000—2010年間偏移-分享值為-1.23，2010—2019年間數(shù)值變?yōu)?5.40，說明在2000—2010年間珠海市存在人口對(duì)外分散，而在由各區(qū)縣向珠海市聚集。

表1 粵港澳大灣區(qū)各城市2000—2019年人口偏移量分析 單位：萬人

圖4 粵港澳大灣區(qū)2000—2019年人口偏移-分享分析

作為粵港澳大灣區(qū)的領(lǐng)頭羊，廣州、深圳在20年間人口都是大量聚集，而東莞、佛山、惠州、中山等城市前期依靠廣州、深圳的人口偏移產(chǎn)生了10年人口聚集的現(xiàn)象；肇慶、江門、珠海、香港、澳門在2010—2019年間實(shí)現(xiàn)了人口聚集。在2000—2010年間城市之間的人口偏移量不規(guī)則變動(dòng)，而且其偏移量幅度值為296.91；在2010—2019年間，城市之間的人口偏移量幅度值224.63，此數(shù)據(jù)說明了在2000—2010年大灣區(qū)發(fā)展初期是人口偏移的高峰期，后面逐漸進(jìn)入穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文基于全球夜光遙感影像和珞珈一號(hào)夜光遙感影像，結(jié)合國民統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，研究2000—2019年粵港澳大灣區(qū)城市的人口分布格局變化，得出結(jié)論：（1）粵港澳大灣區(qū)內(nèi)城市化發(fā)展速度較快，人口分布從依靠一線城市輻射帶動(dòng)，發(fā)展到因地制宜實(shí)現(xiàn)人口流動(dòng)。（2）從人口偏移量來看，2000—2010年粵港澳發(fā)展不平衡的狀態(tài)下，多聚集在一線城市及周圍城市。2010—2019年，人口聚集的中心多維度擴(kuò)散，出現(xiàn)了各城市平衡發(fā)展的結(jié)果。