基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的城市擴(kuò)展效應(yīng)分析

華憶迪 陳海濤

內(nèi)容摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快，生產(chǎn)要素加速向大城市集聚，武漢市作為湖北省唯一的特大城市，這種集聚特征更加明顯。為了更好的衡量區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，將衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)亮度值作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的代理變量，并將武漢市邊界以10km為范圍劃分為內(nèi)圈和外圈。研究發(fā)現(xiàn)，2002年以前武漢市城市發(fā)展存在明顯的虹吸效應(yīng)，表現(xiàn)為武漢市內(nèi)圈燈光亮度增加明顯快于外圈;2002年以后這種“虹吸效應(yīng)”逐漸演化為“擴(kuò)散效應(yīng)”，表現(xiàn)為武漢市外圈燈光值增長更快。這說明，武漢市城市擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)溢出效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，因此立足于武漢市城市發(fā)展帶動周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展將會成為一種新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

關(guān)鍵詞：虹吸效應(yīng) ? 擴(kuò)散效應(yīng) ? 衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù) ? 城市化

引言

及時、客觀的遙感衛(wèi)星夜間燈光數(shù)據(jù)已被學(xué)者們證明與人類的社會經(jīng)濟(jì)生活有著很強(qiáng)的相關(guān)性，獲取夜間燈光數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)的相關(guān)性信息，對預(yù)測修正具有時間延遲、不準(zhǔn)確問題的社會經(jīng)濟(jì)指數(shù)具有重大意義（張俊，2017;范子英等，2016;徐康寧等，2015;卓莉等2015）。王賢彬等（2017）指出在國家和地區(qū)層面上，夜間燈光亮度是代表GDP的一個較好指標(biāo)，燈光亮度的變化率可以作為GDP增長率的代理變量，結(jié)合經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和夜間燈光亮度等指標(biāo)可以提高人們度量國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)績效的準(zhǔn)確性。在我國，燈光數(shù)據(jù)的相關(guān)研究主要集中在預(yù)測人口、經(jīng)濟(jì)、城市建成區(qū)面積、碳排放量檢測、貧困人口識別以及能源消費等領(lǐng)域（馬忠玉、肖宏偉，2017;潘竟、胡艷興，2016;楊洋等，2016;柴寶慧等，2016;陳晴等，2014;吳健生等，2014）。本課題的研究也與新近的少數(shù)基于全球夜間燈光亮度數(shù)據(jù)考察我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)問題的文獻(xiàn)相關(guān)，即用燈光數(shù)據(jù)代理區(qū)域GDP總量。

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天，用GDP這個單一指標(biāo)來度量地區(qū)發(fā)展顯然已經(jīng)不能滿足時代要求。這就要求能有一個復(fù)合變量既能夠代表地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又能夠代表人口集聚和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展水平，而衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)是衡量地區(qū)發(fā)展與城市化擴(kuò)張的有效指標(biāo)（蘇泳嫻等，2015;郝蕊芳等，2014）。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市發(fā)展帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)引發(fā)學(xué)者們的激烈討論，然而不同城市發(fā)展模式的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)存在差異（王振乾，2016;趙向閣，2016;張紅等，2015）。以武漢市為例，一城獨大的單中心城市發(fā)展模式究竟是促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是拉大了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展差距值得深入研究。因此，本文以衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)替代地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)，依托地理學(xué)第一定律，研究武漢市歷年城市擴(kuò)張給周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的影響，基于此種方法，能夠較好地從微觀角度研究城市擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，為我國有效的城市化發(fā)展策略和區(qū)域合作機(jī)制提供參考。

研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

（一）研究區(qū)域

本文主要選擇武漢市作為研究對象，通過武漢市內(nèi)外的衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)變化探究武漢的快速發(fā)展對周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)影響。具體操作步驟如下：首先，基于GIS軟件繪制武漢市行政區(qū)劃圖，并定義WGS_CGS1984地理坐標(biāo)系;其次，在行政區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上構(gòu)建10km、6km緩沖區(qū)，分別將其切割為“內(nèi)圈”和“外圈”;最后，基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)統(tǒng)計各地區(qū)燈光平均值，并以內(nèi)外部燈光均值的比值變化趨勢作為衡量武漢市城市擴(kuò)散效應(yīng)的指標(biāo)。圖1為2016年湖北省穩(wěn)定燈光亮度值，燈光值共包括64段，其中最小值為0，最大值為63。由于當(dāng)前所使用的燈光值存在燈光飽和現(xiàn)象，因此在對發(fā)達(dá)國家或者是大都市圈進(jìn)行燈光分析時效果較差。但是，本文的研究周期為1997-2016年，在此期間，武漢市飽和燈光亮度區(qū)域較少，并且按照武漢市行政邊界建立的10公里緩沖區(qū)位于武漢市的郊區(qū)，不存在燈光飽和現(xiàn)象，因此實驗的效果較好。圖1中紅色邊界線為武漢市行政區(qū)域，與武漢市鄰接的縣區(qū)包括嘉魚縣、仙桃市、漢川市、孝南區(qū)、孝昌縣、大悟縣、紅安縣、羅田縣、麻城市、團(tuán)風(fēng)縣、黃岡市、鄂州市、大冶市以及咸安區(qū)共13個縣區(qū)。

（二）數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文采用的燈光數(shù)據(jù)來自于美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）官方網(wǎng)站提供的全球夜間燈光數(shù)據(jù)，武漢市及周邊縣區(qū)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于各地區(qū)歷年統(tǒng)計年鑒。基于地理學(xué)第一定律——兩個相隔較近的點其所有屬性相似。為了研究武漢市城市擴(kuò)張的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，本文首先在GIS軟件中基于我國省級行政矢量圖截取湖北省行政區(qū)劃內(nèi)的歷年衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)圖，其次基于武漢市行政區(qū)劃線建立緩沖區(qū)，收集武漢市行政區(qū)劃線內(nèi)外衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)。本文的后續(xù)研究建立在兩個相反假設(shè)的基礎(chǔ)上。假設(shè)1：如果武漢市域外燈光數(shù)據(jù)增長幅度快于域內(nèi)燈光數(shù)據(jù)增長幅度，則武漢市城市增長的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)散效應(yīng)更為明顯;假設(shè)2：如果武漢市域外燈光數(shù)據(jù)增長幅度慢于域內(nèi)燈光數(shù)據(jù)增長幅度，則武漢市城市經(jīng)濟(jì)增長的虹吸效應(yīng)更為明顯。

實證結(jié)果分析

（一）GDP統(tǒng)計結(jié)果分析

本文首先選擇傳統(tǒng)的分析方法，用GDP指標(biāo)來衡量城市增長的集聚效應(yīng)與擴(kuò)散效應(yīng)?；跀?shù)據(jù)的可得性，本文擬選擇武漢市GDP增速與周邊縣市GDP增速的橫向比較來衡量武漢市城市發(fā)展的擴(kuò)散效應(yīng)。其中與武漢市鄰接的城市包括鄂州市、黃石市、黃岡市、孝感市、咸寧市以及仙桃市共5個地級市和1個縣級市。市級數(shù)據(jù)包括1997-2016年共17期。由于價格因素的影響，導(dǎo)致各地實際GDP的增速可能未能反映真實的經(jīng)濟(jì)增長，因此本文剔除價格因素的影響，按照可比價格計算得到歷年各市經(jīng)濟(jì)增長率，部分市個別年份未錄入缺失數(shù)據(jù)。如表1所示，如按照GDP增長率來衡量城市發(fā)展的速度，武漢市在2007年以前經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度遙遙領(lǐng)先于周邊縣市，可得出武漢市城市發(fā)展在2007年以前以虹吸效應(yīng)為主，主要通過吸收周邊縣市經(jīng)濟(jì)資源來實現(xiàn)自身經(jīng)濟(jì)增長，這樣一種“一城獨大”的現(xiàn)象對周邊縣市的發(fā)展不利。而到了2007年以后，由于金融危機(jī)的影響，武漢市經(jīng)濟(jì)下滑較為明顯，此時武漢市通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，積極發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，同時各地級市積極承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，提升自身經(jīng)濟(jì)實力。在此期間，武漢市GDP增速明顯慢于周邊市，武漢市城市發(fā)展的擴(kuò)散效應(yīng)顯著。然而GDP作為一個單一的經(jīng)濟(jì)變量指標(biāo)，難以全面衡量城市化發(fā)展進(jìn)程，且難以剔除政策對城市發(fā)展的影響，故需使用衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗證。

（二）燈光緩沖區(qū)分析

本文共統(tǒng)計了武漢市1997-2016年共19年的燈光亮度值，如圖2所示，無論是武漢市外還是市內(nèi)，平均燈光亮度值呈現(xiàn)一個遞增趨勢，這表明衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)確實是替代地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個合理變量。由于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)本身存在一些不足，如設(shè)備老化等問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的不穩(wěn)定性，呈現(xiàn)在圖1就是部分年份燈光亮度在下降?？偟膩碚f，武漢市外圈與內(nèi)圈燈光亮度的絕對差值在不斷增加。

以武漢市市內(nèi)市外歷年燈光亮度比值這一指標(biāo)更能反映市內(nèi)市外經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的差距。由圖3可知，在2002年以前，這一值呈現(xiàn)上升趨勢，到2002年達(dá)到極值1.87，在此以后，這一值則逐漸降低。值得注意的是，在所有未校正的燈光數(shù)據(jù)值中，2009年是一個異常值，這與前人的研究相吻合（張夢琪等，2017;景欣等，2017），因此本文并不著重分析這一異常值。總的來說，在2002年以前，武漢市“一城獨大”的現(xiàn)象導(dǎo)致周邊區(qū)縣的經(jīng)濟(jì)要素向武漢市轉(zhuǎn)移，集聚效應(yīng)明顯;2002年以后，武漢市的發(fā)展更多惠及周邊區(qū)縣，具體表現(xiàn)在市外的衛(wèi)星燈光亮度均值增長速度明顯快于市內(nèi)的燈光亮度增長速度，武漢市城市發(fā)展的擴(kuò)散效應(yīng)顯著。

圖4和圖5分別為6km燈光緩沖區(qū)分析，在以武漢市行政邊界切割得到內(nèi)外緩沖區(qū)中，由于內(nèi)部緩沖區(qū)有部分包括武漢市中心城區(qū)，因此可能存在的燈光極值現(xiàn)象會對結(jié)果有一定的影響，本文進(jìn)一步將緩沖距離縮短。如圖4所示，在6km的緩沖區(qū)內(nèi)，武漢市內(nèi)外部燈光均值呈現(xiàn)同步增長趨勢，且絕對差距進(jìn)一步增大。進(jìn)一步進(jìn)行比值分析，與圖3類似。發(fā)現(xiàn)在2002年以前，武漢市內(nèi)燈光亮度均值增長速度要明顯快于武漢市外，城市的集聚效應(yīng)明顯;2002年以后，武漢市外燈光亮度均值增長要快于武漢市內(nèi)，此時武漢市的城市發(fā)展以擴(kuò)散效應(yīng)為主。

（三）穩(wěn)健性檢驗

雖然本文將武漢市內(nèi)外燈光數(shù)據(jù)作為GDP的代理變量，并將燈光值的年度差異作為衡量武漢市城市擴(kuò)張的指標(biāo)。但是，由于政策因素的影響，武漢市周邊區(qū)縣經(jīng)濟(jì)增長的動力存在差異。具體而言，八七計劃開始，國家便著手推進(jìn)貧困區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)，在財政及金融領(lǐng)域給予了相當(dāng)大的扶持。已有研究證明，這些政策因素促進(jìn)了貧困縣的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，提高了居民的收入。在武漢市毗鄰的縣區(qū)中，孝昌縣、大悟縣、紅安縣、麻城市在2000年均被列為國家重點貧困縣，因此為了避免混淆因扶貧計劃導(dǎo)致的區(qū)域經(jīng)濟(jì)的“異常”增長與武漢市城市發(fā)展帶來的輻射效應(yīng)，本文將武漢市行政邊界分為上半部及下半部共兩部分。其中上半部行政邊界線緊鄰孝昌縣、大悟縣、紅安縣以及麻城市四個國家重點貧困縣，下半部行政邊界緊鄰其它縣區(qū)。利用GIS軟件建立緩沖區(qū)，如圖6所示，并對重疊部分?jǐn)?shù)據(jù)集進(jìn)行剔除。

圖7為武漢市歷年分區(qū)域內(nèi)外部燈光比值。與南部地區(qū)相比，武漢市北部縣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，這體現(xiàn)在燈光比值在初始年份更大，然而隨著時間的推移，北部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速更快，RL值變化更加顯著，北部地區(qū)RL值在2000年達(dá)到最大值，此后逐年下降，這與國家從2000年開始將上述4縣區(qū)設(shè)為國家重點貧困縣的時間節(jié)點相一致;到2006年已經(jīng)基本與南部相一致，且近年來的RL值已經(jīng)低于南部地區(qū)，這一顯著差異在一定程度上可以解釋國家貧困縣計劃對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策效應(yīng)。南部地區(qū)沒有相關(guān)的政策扶持，在RL值的變化上，與圖4、圖5相一致，即在2002年達(dá)到頂值，后逐年下降。綜上所述，武漢市城市發(fā)展的擴(kuò)散效應(yīng)在2002年前后開始凸顯，對周邊縣區(qū)的經(jīng)濟(jì)輻射擴(kuò)散效應(yīng)大于虹吸效應(yīng)，武漢市發(fā)展逐漸帶動周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

結(jié)論與討論

本文利用1997-2016年DMSP/OLS夜間衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)解釋了武漢市城市擴(kuò)張過程中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，研究結(jié)論包括以下三點。第一，利用地區(qū)GDP數(shù)據(jù)衡量城市擴(kuò)張效應(yīng)存在較大誤差，而利用衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)研究城市擴(kuò)張效應(yīng)則優(yōu)勢明顯。第二，武漢市城市擴(kuò)張過程中的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)存在明顯的階段性，在2002年以前以“虹吸效應(yīng)”為主，2002年以后以“擴(kuò)散效應(yīng)”為主，這也在一定程度上反映了在城市擴(kuò)張過程中中心城市的角色轉(zhuǎn)變。因此，隨著武漢市城市規(guī)模的擴(kuò)大，武漢市與周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系愈發(fā)密切，憑借著武漢都市圈的政策機(jī)遇，武漢市周邊地區(qū)逐漸承接武漢市更多的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，享受武漢發(fā)展帶給它們的各項基礎(chǔ)設(shè)施福利，促進(jìn)了武漢市周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。第三，根據(jù)武漢市對周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)階段性變化，提出不能再以“一城獨大”否定武漢市在城市擴(kuò)張過程中對周邊地區(qū)發(fā)展的積極經(jīng)濟(jì)效用。本文進(jìn)一步對武漢市分區(qū)域進(jìn)行分析，驗證了上述結(jié)論。

值得注意的是，由于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)存在一定的測量誤差，雖然通過相對校準(zhǔn)以及輻射定標(biāo)的方法可以減少誤差。然而，由于存在一些飽和區(qū)域和大量的無燈光地區(qū)，因此衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用還需要結(jié)合其它數(shù)據(jù)來進(jìn)行綜合分析。這也是未來利用衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行類似研究的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

1.張俊.高鐵建設(shè)與縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展—基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的研究[J].經(jīng)濟(jì)學(xué)（季刊），2017，16（4）

2.范子英，彭飛，劉沖.政治關(guān)聯(lián)與經(jīng)濟(jì)增長—基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的研究[J].經(jīng)濟(jì)研究，2016，51（1）

3.徐康寧，陳豐龍，劉修巖.中國經(jīng)濟(jì)增長的真實性：基于全球夜間燈光數(shù)據(jù)的檢驗[J].經(jīng)濟(jì)研究，2015，50（9）

4.卓莉，張曉帆，鄭，陶海燕，郭宇伯.基于EVI指數(shù)的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)去飽和方法[J].地理學(xué)報，2015，70（8）

5.王賢彬，黃亮熊，徐現(xiàn)祥，李郇.中國地區(qū)經(jīng)濟(jì)差距動態(tài)趨勢重估—基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的考察[J].經(jīng)濟(jì)學(xué)（季刊），2017（3）

6.馬忠玉，肖宏偉.基于衛(wèi)星夜間燈光數(shù)據(jù)的中國分省碳排放時空模擬[J].中國人口·資源與環(huán)境，2017，27（9）

7.潘竟虎，胡艷興.基于夜間燈光數(shù)據(jù)的中國多維貧困空間識別[J].經(jīng)濟(jì)地理，2016，36（11）

8.楊洋，李雅靜，何春陽，劉志鋒，黃慶旭.環(huán)渤海地區(qū)三大城市群城市規(guī)模分布動態(tài)比較—基于1992-2012年夜間燈光數(shù)據(jù)的分析和透視[J].經(jīng)濟(jì)地理，2016，36（4）

9.柴寶惠，李培軍，張瑞潔，趙鵬.基于Landsat數(shù)據(jù)和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的城市擴(kuò)展提?。阂蕴旖蚴袨槔齕J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，52（3）

10.陳晴，侯西勇，吳莉.基于土地利用數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)的人口空間化模型對比分析—以黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為例[J].人文地理，2014（5）

11.吳健生，牛妍，彭建，王政，黃秀蘭.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的1995-2009年中國地級市能源消費動態(tài)[J].地理研究，2014（4）

12.蘇泳嫻，王重洋，張虹鷗，陳修治，林暉，許喜逢.基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取城鎮(zhèn)建設(shè)用地的鄰域分析法[J].熱帶地理，2015，35（2）

13.郝蕊芳，于德永，劉宇鵬，孫云.DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)在城市化監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（4）

14.王振乾.基于庫茲涅茲假說的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市空間擴(kuò)張實證研究[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)研究，2016（15）

15.趙向閣.東部沿海城市群空間結(jié)構(gòu)演變特征與影響機(jī)理[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)研究，2016（3）

16.張紅，于渤，鞠立新.長三角城市群增長極發(fā)展策略研究[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)研究，2015（22）

17.張夢琪，何宗宜，樊勇.DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光影像的校正方法[J].測繪通報，2017（12）

18.景欣，晏藝真，晏磊，趙紅穎.基于GDP格網(wǎng)的中國大陸城市DMSP/OLS穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)飽和標(biāo)定方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2017，33（1）