基于DMSP/OLS 夜光遙感的山東半島城市經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空模擬分析

陳 琛，馬 毅，2*，江 濤

（1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590；2. 自然資源部第一海洋研究所，山東 青島266061）

伴隨著人類活動(dòng)的加劇，城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步加快。夜間燈光亮度與夜間人類活動(dòng)程度密切相關(guān)，能在一定程度上反映地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r，成為評(píng)價(jià)城市發(fā)展和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的一項(xiàng)指標(biāo)。夜間燈光遙感數(shù)據(jù)不僅具有遙感數(shù)據(jù)的快速、大面積連續(xù)獲取的優(yōu)勢(shì)，而且能夠獨(dú)特、直接地反映出城市化進(jìn)程的空間結(jié)構(gòu)分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)程度等信息。

現(xiàn)已經(jīng)有許多夜間燈光數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的研究與應(yīng)用[1-4]。Li 等[5]基于多源夜間燈光數(shù)據(jù)和GDP 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)中國省、縣級(jí)行政區(qū)構(gòu)建線性回歸模型，分析區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與夜光數(shù)據(jù)的關(guān)系與成因。Shi 等[6]對(duì)NPP-VIIRS 夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，在不同尺度上與GDP 和EPC 構(gòu)建線性回歸模型，結(jié)果表明，相比于DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)，校正后的NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)具有更高的相關(guān)性。曹子陽等[7]提出了不變目標(biāo)區(qū)域法對(duì)夜間燈光影像進(jìn)行校正，應(yīng)用于DMSP/OLS 數(shù)據(jù)中國區(qū)域的校正，并結(jié)合GDP 和電力消耗值對(duì)校正前后影像進(jìn)行回歸分析，驗(yàn)證了其合理性。李德仁等[8]基于時(shí)序DMSP/OLS 夜光遙感數(shù)據(jù)，利用空間統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模分布方法對(duì)“一帶一路”沿線國家的城市發(fā)展時(shí)空格局演化進(jìn)行了分析?；谝归g燈光數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的研究驗(yàn)證了遙感數(shù)據(jù)對(duì)于GDP 等社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量的估算能力，不少專家在此基礎(chǔ)上對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量展開空間上的模擬分析。李翔[9]以多源夜間燈光數(shù)據(jù)和居民收入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)中國2005-2015 年居民收入時(shí)空格局演變和驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探究。Keola 等[10]基于DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)和MODIS 土地覆蓋數(shù)據(jù)，從空間角度衡量不同尺度下區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長情況。江威等[11]基于DMSP/OLS 夜光遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間化模型模擬中國經(jīng)濟(jì)參量，模擬結(jié)果與中國經(jīng)濟(jì)實(shí)際情況相符，展現(xiàn)了DMSP/OLS 模擬時(shí)序經(jīng)濟(jì)參量的優(yōu)勢(shì)。上述研究表明，夜間燈光遙感數(shù)據(jù)能夠模擬社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量[12]，而且有助于評(píng)估一個(gè)國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)的水平與空間分布。夜間燈光影像數(shù)據(jù)目前在世界、國家等較大范圍的應(yīng)用較為廣泛，在省市級(jí)單位內(nèi)的應(yīng)用相對(duì)較少。山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)繼2011 年提出之后迅速發(fā)展起來，國家也對(duì)海洋產(chǎn)業(yè)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展愈加重視，夜間燈光數(shù)據(jù)無疑是了解藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)城市快速發(fā)展動(dòng)態(tài)的有利工具。

本文基于2000-2012 年21 期DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)，對(duì)山東半島沿海藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)重點(diǎn)發(fā)展前期的十幾年進(jìn)行夜光總量時(shí)序統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法分析研究區(qū)以及各市級(jí)單元夜光總量的空間分布變化，進(jìn)行4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量線性擬合分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空模擬。在時(shí)間和空間上對(duì)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行分析，為后續(xù)該區(qū)域城市及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)分析提供依據(jù)。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 研究區(qū)概況

山東省坐落于中國東部沿海、黃河下游，坐標(biāo)范圍為（34°22.9′ N～38°24.01′ N，114°47.5′ W～122°42.3′ W），由半島和內(nèi)陸兩部分組成，其中山東半島突出于渤海、黃海之中。山東省是中國的經(jīng)濟(jì)第三大省、人口第二大省，國內(nèi)生產(chǎn)總值居全國第三名，占中國GDP 總量的1/11。山東省曾在2013 年與廣東省、江蘇省一起被評(píng)為中國最具綜合競(jìng)爭力省區(qū)。2017 年全省實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值72 678.18 億元，山東人均GDP 達(dá)到72 851 元。

山東省是我國的海洋大省，海岸線長達(dá)3 000多km，在全國總岸線長度中占相當(dāng)比例。2011 年，《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》獲得國務(wù)院批復(fù)，成為中國第一個(gè)以海洋經(jīng)濟(jì)為主題的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，是中國區(qū)域發(fā)展從陸域經(jīng)濟(jì)延伸到海洋經(jīng)濟(jì)、積極推進(jìn)陸海統(tǒng)籌的重大戰(zhàn)略舉措。山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃主體范圍包括山東全部海域和青島、煙臺(tái)、威海、濰坊、東營、日照等6 個(gè)市及濱州的無棣、沾化2 個(gè)沿?？h所屬陸域，海域面積15.95 萬km2，陸域面積6.4 萬km2[13]。本文以山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)所在7 個(gè)市作為研究區(qū)域展開研究分析，研究區(qū)示意圖如圖1 所示。

1.2 遙感數(shù)據(jù)源

圖1 研究區(qū)示意圖

DMSP/OLS 夜間燈光遙感影像獲取于美國軍事氣象衛(wèi)星計(jì)劃DMSP 衛(wèi)星搭載OLS 傳感器。OLS 傳感器可在夜間工作，具有很強(qiáng)的光電放大能力，可以探測(cè)地球表面發(fā)出的亮光。它能探測(cè)到夜間由城市發(fā)出的燈光，以及由小規(guī)模居民區(qū)、車流和漁船等發(fā)出的低強(qiáng)度燈光，并使這些區(qū)域明顯區(qū)別于亮度較弱的非城市區(qū)域[7]。DMSP/OLS 各期非輻射定標(biāo)的夜光數(shù)據(jù)分為無云觀測(cè)頻數(shù)影像、平均燈光影像、穩(wěn)定燈光影像3 種全年平均影像，本文選用的是2000-2012 年共21 期穩(wěn)定年均燈光影像，覆蓋經(jīng)度范圍180° E～180° W，緯度范圍65° S～75° N，像元灰度值范圍0～63，影像包含了城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和其他場(chǎng)所相對(duì)穩(wěn)定的燈光，且已消除了月光云、野火等背景干擾[7]。穩(wěn)定年均燈光影像數(shù)據(jù)具有覆蓋地球絕大部分區(qū)域和獲取方便等遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有用亮度大小反映人類活動(dòng)強(qiáng)弱的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已被用于研究各種人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)。在本文中，DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)用于2000-2012 年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量的回歸擬合和空間模擬。本研究區(qū)覆蓋的夜間燈光影像數(shù)據(jù)位置如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)夜光遙感影像（2000 年）

本文使用的中國縣級(jí)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心的全國1:400 萬數(shù)據(jù)庫，GDP 等社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自中國國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用DMSP/OLS 夜間燈光影像2000-2012年覆蓋山東藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)分析之前，首先進(jìn)行夜光遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、重采樣、提取研究區(qū)影像和影像像元值的校正。

（1）投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和重采樣

DMSP/OLS 夜間燈光影像的坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系，空間分辨率為30"，隨著緯度的增大，影像網(wǎng)格逐漸減小[14]。為消除因影像網(wǎng)格形變對(duì)計(jì)算影像像元亮度值面積的影響，將各期影像的投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為蘭伯特等面積投影坐標(biāo)系[7]，并對(duì)影像中的網(wǎng)格重采樣為1 km2。

（2）確定待校正影像和參考影像

參照曹子陽等[7]對(duì)中國區(qū)域夜光遙感數(shù)據(jù)校正，本文直接使用其不變目標(biāo)區(qū)域（黑龍江省鶴崗市市轄區(qū)）的校正結(jié)果作為本文影像的校正系數(shù)。該文中不變目標(biāo)區(qū)域是對(duì)1992-2012 年間中國主要城市市轄區(qū)的部分社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（GDP、城鎮(zhèn)人口、城鎮(zhèn)建成區(qū)面積等）進(jìn)行分析之后確定的，待校正影像和參考影像分別為33 期穩(wěn)定夜間燈光影像和F162006 輻射定標(biāo)的夜間燈光影像的對(duì)應(yīng)區(qū)域[7]，這里截取了2000-2012 年的校正系數(shù)，見表1。

（3）遙感影像校正

將研究區(qū)的范圍確定在山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)，對(duì)影像進(jìn)行裁剪。對(duì)影像進(jìn)行校正，包括影像之間的相互校正和飽和校正、連續(xù)性校正和DN值異常波動(dòng)校正。

利用對(duì)應(yīng)的冪函數(shù)方程可對(duì)山東區(qū)域的每一期影像進(jìn)行相互校正。冪函數(shù)方程校正模型：

式中：DN表示待校正影像中的像元亮度值；DNcal表示校正后的像元亮度值；a和b為冪函數(shù)回歸得到的不同參數(shù)，詳見表1。經(jīng)過相互校正后的長時(shí)間序列的DMSP/OLS 夜間燈光影像數(shù)據(jù)集中的影像之間具有可比性，同時(shí)每一期影像像元亮度值飽和的程度也有所改善[7]。

針對(duì)不變目標(biāo)區(qū)域法相互校正后不能完全消除不同傳感器獲取的同一年度影像存在差異的情況，而且多傳感器獲取的不同年度的影像間相同位置的像元亮度值異常波動(dòng)問題也依然存在[7]。因此，經(jīng)過相互校正后的影像數(shù)據(jù)集還需進(jìn)行影像間的連續(xù)性校正和亮度值異常波動(dòng)校正，公式分別為：

式中：DN(n,i)表示多傳感器獲取的同一年度影像間相互校正后的第n(n=2000，2001，…，2007)年影像中i像元的亮度值分別表示第n年相互校正后的2 個(gè)不同傳感器獲取的夜間燈光影像中的i像元的亮度；

式中：DN(m,i)表示亮度值異常波動(dòng)校正后的第m(m=2000，2001， …，2012) 年影像中i像元的亮度值；DN(m+1，i)、DN(m,i)、DN(m-1，i)分別表示第m+1 年、第m年和第m-1 年經(jīng)相互校正和多傳感器獲取的同一年度影像之間的校正后的夜間燈光影像的i像元的亮度值。

表1 2000-2012 各期影像相互校正模型參數(shù)[7]

圖3 像元校正前后影像

2 研究方法

本文旨在分析2000-2012 年山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)夜光遙感影像與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，首先對(duì)研究區(qū)整體及其市級(jí)單元的夜間燈光總量和增量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而構(gòu)建夜間燈光總值和經(jīng)濟(jì)參量的回歸模型，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和回歸結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 夜光總量統(tǒng)計(jì)方法

夜間燈光總值TNL，其定義為[15]：

式中：DNi為第i等級(jí)像元灰度級(jí)；Ci為第i灰度等級(jí)的像元數(shù)量。增長量r定義為：

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間統(tǒng)計(jì)方法（Standard Deviational Ellipse，SDE）能夠精確地揭示地理要素空間分布整體特征[8]。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方法基于研究對(duì)象的空間區(qū)位和空間結(jié)構(gòu)，從全局性空間的角度定量解釋地理要素空間分布的中心性、展布性、方向性、空間形態(tài)等特征，揭示地理要素的空間分布及時(shí)空演化過程[8]。此方法被廣泛地用于地形均衡分布、經(jīng)濟(jì)空間格局、城市問題等各個(gè)領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的參數(shù)主要包括橢圓重心、方位角、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長短軸[8]。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的重心(Xw，Yw)為：

方位角α 為：

x軸標(biāo)準(zhǔn)差σx，y軸標(biāo)準(zhǔn)差σy分別為：

式中：(xi，yi) 表示研究對(duì)象的空間區(qū)位；wi表示對(duì)應(yīng)權(quán)重；(x?i，y?i)表示各研究對(duì)象區(qū)位到重心(Xw，Yw) 的坐標(biāo)偏差[8]。

2.3 經(jīng)濟(jì)參量線性回歸

根據(jù)2001-2013 年中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒，收集了2000-2012 年山東省市級(jí)尺度經(jīng)濟(jì)參量：地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）、第一產(chǎn)業(yè)總值（PI）、第二產(chǎn)業(yè)總值（SI）和第三產(chǎn)業(yè)總值（TI），分別統(tǒng)計(jì)出山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)所在7 個(gè)市經(jīng)濟(jì)參量總和以及各市的經(jīng)濟(jì)參量，構(gòu)建相應(yīng)夜間燈光總值和各經(jīng)濟(jì)參量之間的線性回歸模型關(guān)系，公式[11]如下：

式中：L為社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量；TNL為區(qū)域夜間燈光總值；a、b為模型系數(shù)。

2.4 經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空模擬

根據(jù)研究區(qū)域各經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光的線性回歸情況，基于省市級(jí)行政區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒經(jīng)濟(jì)參量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化夜間燈光影像數(shù)據(jù)，選擇相關(guān)性最高的兩個(gè)經(jīng)濟(jì)參量開展研究區(qū)的時(shí)空模擬，公式[16]如下：

式中：ECp為區(qū)域經(jīng)濟(jì)參量模擬值；ECt代表行區(qū)域經(jīng)濟(jì)參量統(tǒng)計(jì)值；TNL代表區(qū)域夜間燈光總值；DN為區(qū)域夜光影像像元值。

3 結(jié)果與分析

3.1 山東半島夜光統(tǒng)計(jì)

對(duì)研究區(qū)夜間燈光影像進(jìn)行夜光總量和夜光增長速率的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖4。可以看出，2001-2012年研究區(qū)的夜光總量呈上升趨勢(shì)，2003-2005 年、2009年、2011-2012 年增速較大，其中2003 年增長速度達(dá)到50%以上，說明在這十幾年間藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、城市發(fā)展迅速、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。

山東半島研究區(qū)涵蓋了青島、東營、濰坊、煙臺(tái)、威海、日照和濱州7 個(gè)市級(jí)單元。對(duì)這7 個(gè)市級(jí)單元分別進(jìn)行夜間燈光總量統(tǒng)計(jì)，詳見圖5。由折線圖結(jié)果顯示，各市級(jí)單元的夜光總量在2000-2012年均不斷增長，其中青島、濰坊、煙臺(tái)夜間燈光總量度值位居前三，對(duì)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)夜間燈光總量貢獻(xiàn)較大。由各市級(jí)單元的夜光增量餅圖可知，青島、濰坊、煙臺(tái)在2000-2012 年發(fā)展迅速，三者增量之和約占藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)夜光增量的2/3，發(fā)揮著帶動(dòng)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的重要作用。

圖4 2000-2012 年研究區(qū)夜光總亮度值與夜光增長速率

圖5 2000-2012 年各市級(jí)單元夜光總量及夜光增量百分比

3.2 經(jīng)濟(jì)參量線性回歸分析

圖6 是2000-2012 年山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)研究區(qū)4項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光總量的回歸結(jié)果。圖中從左到右依次為GDP、PI、SI 和TI 與TNL線性相關(guān)結(jié)果，可以看出研究區(qū)夜間燈光的亮度與4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量的正相關(guān)關(guān)系非常顯著，R2均在0.95 以上，體現(xiàn)出夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量具有一定的估算能力，可以作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)。

圖6 4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量與TNL 回歸結(jié)果對(duì)比

圖7 各市級(jí)單元與4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量的相關(guān)性

圖7 和表2 為研究區(qū)各市級(jí)單元4 項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光總量的相關(guān)性結(jié)果統(tǒng)計(jì)，可以看出各市級(jí)單元的經(jīng)濟(jì)參量和夜光數(shù)據(jù)之間同樣表現(xiàn)出較高的線性相關(guān)性，最高可達(dá)0.97。各市級(jí)單元的相關(guān)性結(jié)果在圖7 中可直觀展現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)：PI與TNL的相關(guān)性最高的市級(jí)單元為濱州市，相對(duì)第二、三產(chǎn)業(yè)，濱州市在這13 a 的夜光遙感數(shù)據(jù)更能反映涵蓋種植業(yè)、畜牧業(yè)等第一產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)；濰坊、煙臺(tái)和日照4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與TNL的相關(guān)性基本一致，說明在這13 a 內(nèi)夜光數(shù)據(jù)與該市各大類產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的擬合度均較高；在東營市和青島市，GDP 和SI 與TNL的相關(guān)性較高，說明該市夜光數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)毓I(yè)、制造業(yè)、水生產(chǎn)和建筑業(yè)等加工制造業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)；威海市的PI 和TI 與TNL的相關(guān)性相對(duì)較高，即夜光數(shù)據(jù)更能反映在該市在種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及交通運(yùn)輸業(yè)、商業(yè)、餐飲業(yè)等的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。

表2 各市級(jí)單元經(jīng)濟(jì)參量與TNL 線性相關(guān)結(jié)果

3.3 區(qū)域經(jīng)濟(jì)重心分析

用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的面積變化大小和重心移動(dòng)距離度量研究區(qū)夜間燈光在地理空間上的規(guī)模分布，分析夜間燈光城市規(guī)模在空間上的集中程度和方向變化趨勢(shì)。圖8 中上圖顯示了藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)城市夜光空間分布格局呈由東向西的演化特征。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布范圍由50 582.1 km2增大到52 047 km2，增長率為2.9%，呈空間擴(kuò)張趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的重心坐標(biāo)由（119°53' E，36°52' N）移至（119°51' E，36°51' N），移動(dòng)距離約為4.19 km。對(duì)研究區(qū)各市級(jí)單元夜光空間分布的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，濱州向北擴(kuò)張，東營、煙臺(tái)向南擴(kuò)張，日照沿南北方向擴(kuò)張，威海向南收縮，濰坊向西北擴(kuò)張，青島向西南擴(kuò)張。各市級(jí)單元標(biāo)準(zhǔn)差橢圓以及重心變化詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 各市級(jí)單元標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化

圖8 研究區(qū)及個(gè)市級(jí)單元夜光標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及其重心變動(dòng)

為進(jìn)一步探究更小行政空間范圍內(nèi)的燈光與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)性，選取青島、威海、濰坊、煙臺(tái)4 個(gè)城市的區(qū)、縣為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行夜間燈光與經(jīng)濟(jì)參量GDP 的相關(guān)性和經(jīng)濟(jì)重心轉(zhuǎn)移分析。圖9 為城市GDP 經(jīng)濟(jì)參量與夜光總量的線性相關(guān)性對(duì)比，可以看出各區(qū)縣GDP 與其夜光總量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，R2均在84%以上，說明在更小行政空間范圍內(nèi)夜間燈光與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有較強(qiáng)的相關(guān)性。圖10為黃島區(qū)、榮成市、青州市和萊州市夜光標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和重心變化，間接反映出區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和經(jīng)濟(jì)重心轉(zhuǎn)移的走勢(shì)，即呈現(xiàn)向沿海方向發(fā)展的趨勢(shì)，空間變化呈擴(kuò)張趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)重心向沿海方向移動(dòng)，這與山東半島實(shí)際的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況一致。

3.4 經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空模擬

圖9 經(jīng)濟(jì)參量與TNL 回歸結(jié)果對(duì)比

圖10 縣級(jí)單元夜光標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及其重心變動(dòng)

結(jié)合研究區(qū)4 項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光總量的回歸結(jié)果（圖6～圖7），選取GDP 和PI 進(jìn)行研究區(qū)時(shí)空模擬。藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)GDP 參量的空間模擬如圖11 所示，圖中從左至右依次為2000 年、2006 年和2012 年GDP 經(jīng)濟(jì)參量的空間模擬結(jié)果。對(duì)比圖11 的3 期模擬結(jié)果，可直觀看出，2000-2012 年，每平方公里最大GDP 的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大。原本GDP 經(jīng)濟(jì)參量不高的區(qū)域逐漸向GDP 高值發(fā)展，原本呈最大GDP 區(qū)域不斷帶動(dòng)周圍區(qū)域，使其空間分布有顯著擴(kuò)展，這與山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的快速增長情況相符合。

藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)PI 參量的空間模擬如圖12 所示，圖中從左至右依次為2000 年、2006 年和2012 年P(guān)I經(jīng)濟(jì)參量的空間模擬結(jié)果。對(duì)比圖12 的3 期模擬結(jié)果，2000-2012 年P(guān)I 總體發(fā)展趨勢(shì)與GDP 總體情況相符，能夠基本反映出山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和空間發(fā)展格局。

圖11 山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)GDP 空間化模擬

圖12 山東省藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)PI 空間化模擬

總體看來，在空間格局上，2000 年經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要集中在濱州檳城區(qū)、東營東營區(qū)、濰坊市區(qū)、日照東港區(qū)、青島市區(qū)、煙臺(tái)福山區(qū)和芝罘區(qū)、威海環(huán)翠區(qū)等為主的城市中心區(qū)域；經(jīng)過10 余年的發(fā)展，2012 年的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值在上述市級(jí)單元的經(jīng)濟(jì)集中區(qū)為中心擴(kuò)展，且形成每個(gè)市級(jí)單元內(nèi)縣級(jí)單元的多中心發(fā)展趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值覆蓋面積不斷擴(kuò)大。

4 結(jié)論

夜間燈光與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分，夜間燈光的亮度值能夠在時(shí)空上直觀的反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。本文基于2000-2012 年DMSP/OLS 夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，結(jié)合GDP、PI、SI 和TI 這4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量，對(duì)山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)研究區(qū)及各市級(jí)單元建立了線性回歸模型和空間化模擬，并進(jìn)行了相關(guān)性分析和時(shí)空模擬分析，得到主要結(jié)論如下：（1）研究區(qū)及各市級(jí)單元的夜光總量在2000-2012 年均不斷增長，其中青島、濰坊、煙臺(tái)夜間燈光總量度值位居前三，3 者增量之和約占藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)夜光增量的2/3，對(duì)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)夜間燈光總量貢獻(xiàn)較大。（2）藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)城市夜間燈光的空間上呈由東向西的演化特征，且呈現(xiàn)空間擴(kuò)張趨勢(shì)；除威海市，各市級(jí)單元夜間燈光分布在空間上呈不同方向的擴(kuò)張。（3）夜間燈光與4 項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量成較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)線性回歸系數(shù)R2在0.95 以上，各市級(jí)單元線性回歸系數(shù)R2均達(dá)到0.87以上，最高可達(dá)0.97，說明夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量具有一定的估算能力。（4）選取GDP和PI 作為構(gòu)建空間化經(jīng)濟(jì)模型的模擬參量，根據(jù)2000 年、2006 年和2012 年夜間燈光數(shù)據(jù)，得到了3期各經(jīng)濟(jì)參量的模擬結(jié)果，由2000 年的以各市級(jí)單元的單個(gè)中心發(fā)展到2012 年以各市級(jí)單元下的各縣級(jí)單元的多中心發(fā)展，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值覆蓋面積不斷擴(kuò)大，成功實(shí)現(xiàn)了藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)參量的空間化模擬。

本文在夜光數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，參照曹子陽等[7]文中的不變目標(biāo)的結(jié)果直接進(jìn)行校正，未以山東省區(qū)域內(nèi)的小范圍區(qū)域作為不變目標(biāo)，可能存在一定的校正偏差；時(shí)間序列選取2000-2012 年的同一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，將考慮以此為研究作為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的研究初步，今后或?qū)⒄归_研究不同數(shù)據(jù)源以及2012 年之后的該區(qū)域的夜光數(shù)據(jù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。文中所用研究方法較為普遍，今后將嘗試探討不同的模型構(gòu)建，以更好地探索夜光遙感與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系。