基于夜燈光數(shù)據(jù)的京津冀協(xié)同發(fā)展空間布局演變研究

北京市第三十五中學(xué) 朱雯新 章銘悅 高付元 李 娜

1.引言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，研究京津冀人口發(fā)展的演變，促進(jìn)人口經(jīng)濟(jì)資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，具有十分重要的意義。

夜光遙感影像能直接反映人類活動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量估算、城市監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境評(píng)估等領(lǐng)域。根據(jù)燈光與人口分布之間的線性關(guān)系，可以通過(guò)燈光來(lái)估算國(guó)家甚至城市尺度上的人口詳細(xì)分布。

2.技術(shù)流程

本文依托ArcGIS的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算能力。獲取夜燈光遙感數(shù)據(jù)，人口、GDP數(shù)據(jù)，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)于ArcGIS中進(jìn)行區(qū)域提取、重投影、重采樣。并通過(guò)公式計(jì)算出夜燈光數(shù)據(jù)平均值、差值、變化率，同時(shí)將獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，并將所得到的結(jié)果進(jìn)行空間自相關(guān)分析、矢量統(tǒng)計(jì)分析，最終得出結(jié)論并提出建議。

3.數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)源

本研究采用1992-2011年由DMSP衛(wèi)星搭載的OLS傳感器獲取的全球夜間燈光遙感數(shù)據(jù)。由于NPP-VIIRS在2011年11月發(fā)布了第一張圖像，數(shù)據(jù)從2012年開(kāi)始。所以本研究2012前的數(shù)據(jù)采用DMSPOLS的數(shù)據(jù)，2012、2013兩年采用NPP-VIIRS的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均可以免費(fèi)從NOAA的NCEI下載。最近版本的數(shù)據(jù)包中包含三個(gè)全球衛(wèi)星夜燈光圖像：無(wú)云時(shí)的全球衛(wèi)星頻率分布圖，全年夜燈光平均值和穩(wěn)定夜間照明圖像。我們選擇了DMSP-OLS的穩(wěn)定夜間照明圖像，干擾已被清除，并被替換為0。數(shù)據(jù)值范圍從0（背景）到63（最亮），此數(shù)值在城市的核心區(qū)域已飽和，為63。余下兩年我們選擇了NPP-VIIRS數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)包中三個(gè)圖像同上，包含城市、城鎮(zhèn)、燃?xì)獾鹊热祟惢顒?dòng)而造成的夜間照明，失火等等自然現(xiàn)象而造成的照明數(shù)據(jù)已被清除。

本研究采用2005、2010年中國(guó)人口、GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局。

城市擴(kuò)展矢量數(shù)據(jù)包括京津冀地區(qū)公路、鐵路分布圖；1980s末、1995、2000、2005、2010年京津冀居民點(diǎn)空間分布圖；數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院遙感所。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文應(yīng)用的夜燈光原始數(shù)據(jù)是全球數(shù)據(jù)，本文的研究感興趣區(qū)域?yàn)榫┙蚣降貐^(qū)，因此需要做影像裁切處理。應(yīng)用ArcGIS空間分析模塊的提取功能，以京津冀空間邊界面狀數(shù)據(jù)為掩膜，提取1992-2013年京津冀區(qū)域的夜間燈光影像。并對(duì)獲取的京津冀區(qū)域的燈光影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS數(shù)據(jù)管理模塊的柵格屬性工具集，為其創(chuàng)造柵格數(shù)據(jù)的屬性表。并按屬性提取柵格數(shù)據(jù)中DN＞0的像元，獲取京津冀區(qū)域的亮值像元影像。

原始影像為UTM-WGS84投影坐標(biāo)，這是一種國(guó)際上采用的地心坐標(biāo)系，屬于等角投影。而本文需要獲取面積等信息，投影需要圖像的面積不改變，所以我們采用了阿爾勃斯（Albers Equal-Area Conic）等積投影。這是等面積割圓錐投影，可以保持面積不變。具體的投影參數(shù)如下：

因?yàn)榻?jīng)過(guò)裁切處理的夜燈光數(shù)據(jù)主要是以行政單元為單位，無(wú)法體現(xiàn)各個(gè)行政單元內(nèi)部的空間分布差異。而我們需要分析的是特定范圍區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù),所以需要我們對(duì)夜燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行空間柵格化。在一般情況下，對(duì)于某一區(qū)域的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間柵格化的方法是將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直接賦值給這個(gè)區(qū)域，也就是說(shuō)在獲得的結(jié)果圖中，該研究區(qū)域內(nèi)的這一研究指標(biāo)只有一個(gè)數(shù)值，這種結(jié)果有一個(gè)很顯著的特點(diǎn)：在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的所研究的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)只有唯一的值，而各個(gè)區(qū)域之間該統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的數(shù)值會(huì)發(fā)生變化。所以我們決定將京津冀地區(qū)劃分成1km*1km的區(qū)域進(jìn)行研究，為此需要重采樣，即將矢量圖轉(zhuǎn)化成柵格圖層，同時(shí)獲得相同分辨率的影像，然后再分析各個(gè)柵格內(nèi)的數(shù)據(jù)。

4.研究方法

4.1 夜燈光相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)

夜間燈光總值（TNL）代表夜間燈光的總體水平。本研究中采用夜間燈光平均值（MNL）作為分析夜間光變化的重要參數(shù)，公式如下：

其中DNi是DN值，Ci是對(duì)應(yīng)于每個(gè)DN值的像素個(gè)數(shù)。

在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)顯示夜間燈光的空間變化，建立了指數(shù)(NLDI)。該指數(shù)通過(guò)計(jì)算兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)圖像之間的差異用于證明夜間燈光的變化規(guī)律。公式如下∶

φt2和φt1分別表示t1和t2兩個(gè)時(shí)期的圖像。

在城市發(fā)展期間，夜間燈光數(shù)據(jù)通常會(huì)波動(dòng)。因此，我們采用了夜間光變化率指數(shù)(NLCRI)定量評(píng)價(jià)夜間光變化，公式為：

4.2 人口、GDP與夜燈光數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

空間自相關(guān)指一種現(xiàn)象在空間分布上的相關(guān)性?？臻g自相關(guān)分析是認(rèn)識(shí)空間分布特征的一種常用方法，它可以檢測(cè)兩種現(xiàn)象的變化是否存在相關(guān)性。一種現(xiàn)象的觀測(cè)值如果在空間分布上呈現(xiàn)出高的地方周圍也高，低的地方周圍也低,稱為空間正相關(guān)，表明這種現(xiàn)象具有空間擴(kuò)散的特性；如果呈現(xiàn)出高的地方周圍低，低的地方周圍高，則稱為空間負(fù)相關(guān)，表明這種現(xiàn)象具有空間極化的特性；如果觀測(cè)值在空間分布上呈現(xiàn)出隨機(jī)性，表明空間相關(guān)性不明顯，是一種隨機(jī)分布的現(xiàn)象。

5.研究結(jié)果與分析

利用ArcGIS軟件，依據(jù)2005、2010年的數(shù)據(jù)，檢測(cè)出夜燈光數(shù)據(jù)與人口、GDP數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性。

2005年夜燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)相關(guān)性為65.6%，2005年夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關(guān)性為74.0%，2010年夜燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)相關(guān)性為61.4%，2010年夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關(guān)性為76.2%。夜燈光與人口、GDP數(shù)據(jù)的相關(guān)性均大于50%，由此可得夜燈光數(shù)據(jù)與人口、GDP數(shù)據(jù)呈正相關(guān)。進(jìn)而我們可以看出，夜燈光數(shù)據(jù)可以有效反映城市的發(fā)展程度。

通過(guò)NLDI指數(shù)反映出在本文選取時(shí)間段的初末期，即1993年和2013年，同一區(qū)域內(nèi)夜燈光總值的變化情況，可以得出結(jié)論：京津冀范圍內(nèi)絕大部分區(qū)域夜燈光變亮，即區(qū)域內(nèi)夜燈光總值變高。由上文得出的夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)呈正相關(guān)可以看出，1992-2013年中，京津冀區(qū)域內(nèi)各個(gè)城市發(fā)展程度均有提升。

TNL可用于展示區(qū)域的總體夜間照明水平，與人類活動(dòng)有關(guān)。而MNL能反映區(qū)域亮度的平均水平，更具有普遍性。通過(guò)公式計(jì)算得出1992年到2013年京津冀、北京MNL數(shù)據(jù)反應(yīng)的結(jié)論是：1992-2013年京津冀、北京MNL總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。但在增長(zhǎng)過(guò)程中，也有一些波動(dòng)，包括個(gè)別年份呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。例如2011年北京市TNL明顯下降。通過(guò)查閱資料，2011年中國(guó)開(kāi)始實(shí)施“十二五”規(guī)劃。其中，要求按照城市總體規(guī)劃確定的空間發(fā)展格局，積極促進(jìn)人口按功能區(qū)域合理分布，著力緩解中心城人口過(guò)度集聚帶來(lái)的運(yùn)行管理和資源環(huán)境壓力。由于“十二五”規(guī)劃的實(shí)施，給北京市帶來(lái)一定的緩解，從而使得MNL數(shù)據(jù)下降。

此外，NLCRI是基于TNL來(lái)定量評(píng)估夜間光線的改變。通過(guò)公式計(jì)算得出1992-2013年京津冀、北京NLCRI數(shù)據(jù)。得出結(jié)論是：2011年北京市TNL損失13%，這與MNL數(shù)據(jù)所示的下降期一致。在大多數(shù)區(qū)域的NLCRI數(shù)據(jù)呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)時(shí)，我們注意到，2007-2013年，北京市城六區(qū)NLCRI較為平緩，尤其是北京市市區(qū)，2007、2008、2011、2012年增長(zhǎng)率為0%，說(shuō)明這幾年北京市市區(qū)TNL值在高峰值保持不變。由此，我們可以推斷出，北京城市夜燈光亮度值已達(dá)到飽和程度。而北京市遠(yuǎn)郊區(qū)縣及河北省各個(gè)地區(qū)的NLCRI上下波動(dòng)范圍較大且波動(dòng)趨勢(shì)大體相同，說(shuō)明這些地區(qū)TNL數(shù)值沒(méi)有達(dá)到最高值，仍有繼續(xù)發(fā)展的空間。

6.結(jié)論

1、北京市中心城區(qū)夜燈光總值已經(jīng)達(dá)到飽和，城市發(fā)展會(huì)受到限制。而北京市遠(yuǎn)郊區(qū)縣夜燈光總值仍有增長(zhǎng)潛力。由此可見(jiàn)，北京市城市發(fā)展可向遠(yuǎn)郊區(qū)縣轉(zhuǎn)移，遠(yuǎn)郊區(qū)縣承接中心城區(qū)溢出的功能，比如說(shuō)：人口等，建立城市副中心，緩解中心城區(qū)壓力。

2、京津冀區(qū)域內(nèi)除北京外，其他河北省的各個(gè)地區(qū)夜燈光總值呈上升趨勢(shì)，且都具有增長(zhǎng)潛力。而北京城市承載力嚴(yán)重不足，應(yīng)將非首都功能向外遷移至河北省，比如：河北省保定市的雄安。雄安將成為北京非首都功能疏解的集中承載地，這樣做可以推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展的重要布局，大大拓展京津冀區(qū)域發(fā)展新空間，調(diào)整優(yōu)化京津冀城市布局和空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)京津冀區(qū)域內(nèi)整體發(fā)展水平提升。