基于夜間燈光數(shù)據的蘭西城市群時空演變特征

張文斌，張志斌，周翼，董建紅，高峰

(1.西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院，蘭州 730070；2.蘭州財經大學 財稅與公共管理學院，蘭州 730101；3.中國農業(yè)大學 土地科學與技術學院，北京 100193)

0 引言

2018年3月，國務院印發(fā)《蘭州—西寧城市群發(fā)展規(guī)劃》，要求到2035年蘭西城市群協(xié)同發(fā)展格局基本形成，各領域發(fā)展取得長足進步，發(fā)展質量明顯提升，在全國區(qū)域協(xié)調發(fā)展戰(zhàn)略格局中的地位更加鞏固[1-2]。蘭西城市群是中國西部重要的跨省區(qū)城市群，也是黃河上游重要的城市群。該城市群是以蘭州、西寧為中心，范圍主要包括甘肅省蘭州市，定西市安定區(qū)、隴西縣、渭源縣、臨洮縣，白銀市白銀區(qū)、平川區(qū)、靖遠縣、景泰縣，臨夏回族自治州臨夏市、東鄉(xiāng)族自治縣、永靖縣、積石山保安族東鄉(xiāng)族撒拉族自治縣，青海省西寧市，海東市，海南藏族自治州共和縣、貴德縣、貴南縣，海北藏族自治州海晏縣，黃南藏族自治州同仁縣、尖扎縣，總面積9.75 km2，占國土總面積的1.1%[3-5]。然而，目前鮮見蘭西城市規(guī)模的相關研究，而掌握城市群城市規(guī)模變化特征則是促進城市群協(xié)調發(fā)展的基礎。城市規(guī)模歷來是城市研究的熱點[6]，在城市規(guī)模測度方面，國內外學者通常利用城市人口[7-8]、建設用地規(guī)模[9-10]、GDP[11-13]等指標表征城市規(guī)模；在城市規(guī)模分析方面，則常利用分形理論[14]、網絡空間模型[15]、水資源承載力[16]、引力模型[17-18]、Huff模型[19-21]、斷裂點模型以及加權Voronoi圖[22-23]等方法進行研究。綜觀上述研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計數(shù)據是城市規(guī)模測算的主要數(shù)據來源，但統(tǒng)計數(shù)據難免存在失真、時效性差等缺點，給準確測算城市規(guī)模帶來不便[24]。在進行城市規(guī)模分析時，往往注重對城市體系以及城市聯(lián)系進行分析，卻忽略了城市規(guī)模的時空演變特征。隨著遙感技術的發(fā)展，尤其是夜間燈光數(shù)據能直觀地反映人類社會經濟活動的強度與范圍，與各類社會經濟要素(人口[25]、GDP[26]、城市化水平[27]、不透水面[28]、城市擴張[29]、電力消費[30]、碳排放[31]等)存在顯著的相關關系，具有時效性、客觀性、易獲取性等優(yōu)點，因此，有部分學者[32-34]以夜間燈光指數(shù)表征城市規(guī)模，有效地彌補了統(tǒng)計數(shù)據的不足?；诖?，本文利用平均夜間燈光強度來表征城市規(guī)模，采取核密度分析、標準差橢圓、莫蘭指數(shù)以及熱點分析等方法對2013—2018年的蘭西城市群城市規(guī)模時空演變特征進行分析，以期豐富地理學研究的方法體系，同時為蘭西城市群的高質量發(fā)展提供決策依據。

1 數(shù)據與分析方法

1.1 數(shù)據及處理方法

本文以縣級單元作為研究的基本單元，行政區(qū)劃數(shù)據來源于國家地理信息中心；NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據來源于NOAA/NGDC網站，空間分辨率為500 m，共選取72景2013—2018年各月的NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據，采取相關處理方法[24-35]對NPP-VIIRS數(shù)據進行處理，最終獲得2013—2018年年度夜間燈光數(shù)據。

本研究在對夜間燈光數(shù)據預處理的基礎之上，采取負值消除與年度均值圖像合成、相對輻射校正、極高值消除以及不穩(wěn)定光源消除等手段對夜間燈光數(shù)據進行處理[24-35],同時按照式(1)進行燈光指數(shù)計算。

(1)

式中：ANLI為平均燈光指數(shù)；Nmax為最大燈光亮度；DNi為區(qū)域內第i級的燈光亮度；N為區(qū)域內所有的亮值像元總數(shù)；ni為區(qū)域內第i級的燈光亮度的像元總數(shù)。

1.2 時空演變特征分析方法

1)核密度分析。核密度估計屬于非參數(shù)檢驗方法之一，是在概率論中用來估計未知的密度函數(shù)。本研究利用核密度分析(式(2))對蘭西城市群城市規(guī)模的空間演變特征進行分析[24-37]。

(2)

式中：f(s)為s處的核密度函數(shù)值；h為寬帶；n為與位置s的距離小于或等于h的要素點數(shù)；k函數(shù)表示空間權重函數(shù)。

2)標準差橢圓。標準差橢圓分析法是一種定量描述研究對象時空分布特征與演變過程的方法[24-26，30-35]。橢圓中心表示地理要素空間分布的相對位置，方位角表示地理要素分布的主要方向，長軸與短軸標準差分別表示地理要素在主要方向與次要方向上的離散程度。具體表述為式(3)～式(6)。

(3)

方位角：

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(5)

(6)

3)莫蘭指數(shù)Moran’s I。本研究通過GeoDa 1.12軟件計算蘭西城市群城市規(guī)模的全局莫蘭指數(shù)(式(7))，用以探討城市規(guī)模的時空演變格局[24-26，30-35]。

(7)

4)熱點分析。研究采用Ord和Getis提出的用于進行局部相關性分析的統(tǒng)計指數(shù)G*(式(8)、式(9))來識別蘭西城市群城市規(guī)模關聯(lián)特征[24-26，30-35]。

(8)

(9)

2 城市規(guī)模時空演變分析

2.1 城市規(guī)模時空演變特征分析

根據自然斷點法，本文將蘭西城市群城市規(guī)模核密度劃分為5級，然后采取手動分類的方法，對后續(xù)年份城市規(guī)模核密度進行分類。發(fā)現(xiàn)在空間上，2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模核密度呈現(xiàn)出以西寧、蘭州2座城市為中心的兩極特征，且城市規(guī)模核密度不斷向外圍擴張，在強度上則基本呈現(xiàn)出不斷增強的趨勢，說明整體上蘭西城市群城市規(guī)模增長明顯。具體來看，蘭西城市群在2013年表現(xiàn)出以蘭州主城區(qū)為主核心、西寧主城區(qū)為副核心的同心圓分布格局，且在樂都地區(qū)出現(xiàn)了明顯的低密度區(qū)域，說明此時蘭西城市群內部城市發(fā)展空間差異較大。在2014年時，以蘭州主城區(qū)為主核心、西寧主城區(qū)為輔核心的同心圓分布格局雖未完全改變，但樂都地區(qū)城市規(guī)模核密度增強；同時，甘肅一側的平川區(qū)與安定區(qū)城市規(guī)模也不斷增強，表現(xiàn)出向東北、東南方向發(fā)展的趨勢，說明此時部分中小型城市得到了發(fā)展。2015年其變化不太明顯。至2016年，青海一側的城北區(qū)、城東區(qū)、湟中縣等地的核密度躍升到一級，城市規(guī)模的主次核心格局轉變?yōu)閮蓸O格局，反映了西寧主城區(qū)及其周邊部分縣域的城市規(guī)模得到明顯的發(fā)展。另外，2013年，蘭州主城區(qū)城市規(guī)模呈現(xiàn)出城關區(qū)—西固區(qū)為核心的城市規(guī)模分布特征，但在2016年呈現(xiàn)出城關區(qū)—蘭州新區(qū)的南北向城市規(guī)模分布的趨勢，一方面反映了蘭州新區(qū)的崛起，另一方面反映了西固區(qū)等老城區(qū)城市規(guī)模發(fā)展放緩的事實。2017年，蘭州主城區(qū)的城關區(qū)—蘭州新區(qū)的南北向城市規(guī)模分布的趨勢已基本形成，2018年，青海一側的尖扎縣、化隆、民和等區(qū)域的城市規(guī)模進一步擴展。綜上得出，2013—2018年蘭西城市群的城市規(guī)模在不斷發(fā)展的同時，其內部空間格局也在不斷演化，尤其是蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)以及城市群東部與南部的部分中小型城市，其城市規(guī)模增長對整個城市群城市規(guī)模空間格局演變起著重要作用。

2.2 城市規(guī)模時空分布方向分析

通過標準差橢圓分析發(fā)現(xiàn)，2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模在研究時點中重心均位于甘肅境內，說明整個城市群中甘肅境內的城市規(guī)模更大。從重心的移動方向來看，雖然城市規(guī)模重心在西北、東北、西南3個方向都有遷移，但整體上以西北為主，這是研究時段中城市群西部尤其是西寧等地城市規(guī)模發(fā)展迅速所致；從重心的遷移距離來看，2017年之前，重心遷移距離較小，遷移方向為西北方向，說明城市群西北部的城市規(guī)模正在逐步增長，2017年城市規(guī)模重心遷移距離最大，達到11.15 km(表1)，且遷移方向為東北方向，說明此時城市規(guī)模增長的重心轉移到城市群東北部，且增長較為迅速。2018年，城市規(guī)模的增長重心又重新回歸到城市群的西部。從方位角來看，城市群城市規(guī)模的方位角始終處于107.12°到109.08°之間(表1)，說明城市規(guī)?？臻g分布呈現(xiàn)出西北—東南方向格局。從主軸方向看，主半軸長度由134.50 km增長到148.97 km(表1)，整體呈現(xiàn)出增長趨勢，說明城市規(guī)模在主軸方向上發(fā)生了分散現(xiàn)象；從輔軸方向看，輔半軸長度由46.37 km增長到54.61 km(表1)，說明在輔軸方向上城市規(guī)模也發(fā)生了分散現(xiàn)象，體現(xiàn)了蘭西城市群城市規(guī)模在研究時點中的離散程度加強，城市群內部之間的城市規(guī)模差異進一步拉大。

表1 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模標準差橢圓參數(shù)

2.3 城市規(guī)模時空演變格局分析

通過莫蘭指數(shù)發(fā)現(xiàn)，蘭西城市群2013年的莫蘭指數(shù)為0.36(表2)，2018年莫蘭指數(shù)為0.11，說明雖然蘭西城市群城市規(guī)模存在正向空間分布特征，但是莫蘭指數(shù)下降明顯，空間聚集性減弱，城市群內部的城市規(guī)模差異不斷變大，體現(xiàn)了雖然整體上在研究期內城市群城市規(guī)模得到普遍增長，但是由于資源稟賦以及政策驅動等因素使得如蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)等地區(qū)發(fā)展更為迅速，造成了區(qū)域間城市規(guī)模發(fā)展速度失衡，加強了城市群城市規(guī)模的離散程度。

表2 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模莫蘭指數(shù)

為進一步分析蘭西城市群城市規(guī)模的空間格局演變特征，對城市規(guī)模進行熱點分析，得到蘭西城市群2013—2018年的城市規(guī)模變化熱點表(表3)。不難發(fā)現(xiàn)，蘭西城市群的城市熱點區(qū)域不斷降低，冷

表3 2013—2018年蘭西城市群城市規(guī)模熱點變化

點區(qū)域相對穩(wěn)定。2013年蘭西城市群城市規(guī)模的熱點區(qū)域范圍較大，共涉及8個區(qū)縣，主要集中在蘭州市主城區(qū)附近，在循化撒拉族自治縣與同仁縣則形成了城市規(guī)模的冷點區(qū)域，并一直持續(xù)到2017年；而在西寧等地的城市規(guī)模并沒有形成冷熱點，說明該區(qū)域城市規(guī)?？臻g聚集性較弱。到2018年時，城市規(guī)模熱點區(qū)域由8個降低至4個，冷點區(qū)域保持不變。這一方面主要是由于蘭州市部分縣域城市規(guī)模有所降低，如西固區(qū)等傳統(tǒng)工業(yè)型城市的大型工業(yè)企業(yè)不斷外遷導致的；另一方面則是由于蘭州新區(qū)的迅速擴張，拉大了與鄰近城市的差距，城市規(guī)模差異性增強，導致了熱點區(qū)域的減少。另外，蘭州、西寧2座中心城市的熱點區(qū)域不斷減少(或未形成熱點區(qū)域)，反映出城市群內中心城市對周邊城市的輻射引領作用有待進一步加強。

3 結束語

本文以夜間燈光亮度表征城市規(guī)模，利用核密度分析、標準差橢圓分析、莫蘭指數(shù)以及熱點分析等方法對蘭西城市群2013—2018年的城市規(guī)模進行分析，得出以下結論。

1)從時空演變特征來看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模整體增長明顯，城市規(guī)?？臻g演變由蘭州西寧為主次中心的同心圓分布格局逐漸轉變?yōu)橐蕴m州、西寧2座城市為中心的兩極特征。其中，中小型城市的規(guī)模增長使城市群城市規(guī)模核密度集中連片程度增強，西寧主城區(qū)城市規(guī)模增長使城市群西部逐漸形成城市規(guī)模的一極，蘭州新區(qū)的迅速發(fā)展以及西固等地區(qū)城市規(guī)模發(fā)展速度放緩使蘭州主城區(qū)城市規(guī)模由以城關區(qū)—西固區(qū)為核心的東西向分布趨勢逐漸轉變?yōu)橐猿顷P區(qū)—蘭州新區(qū)為核心的南北向分布趨勢。

2)從時空分布方向來看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模重心均位于甘肅境內，表明城市群東部城市發(fā)育較為成熟，城市規(guī)模重心移動整體上以西北方向為主，說明西北部城市規(guī)模增長更為迅速，2017年城市規(guī)模重心遷移距離最大，達到11.15 km；從方位角來看，城市群城市規(guī)模的方位角始終處于107.12°到109.08°之間，反映出城市規(guī)模空間分布呈現(xiàn)出西北—東南方向格局；從主輔軸方向看，主輔半軸長度均有所增加，蘭西城市群城市規(guī)模在主次方向上發(fā)生了分散現(xiàn)象，體現(xiàn)了蘭西城市群城市規(guī)模在研究時點中的離散程度加強，城市群內部之間的城市規(guī)模差異進一步拉大。

3)從時空演變格局來看，研究期蘭西城市群城市規(guī)模莫蘭指數(shù)皆為正，但基本呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢，說明蘭西城市群城市規(guī)模存在正向空間分布特征，但空間聚集性不斷減弱，城市群內部的城市規(guī)模差異不斷變大，這是由于資源稟賦以及政策驅動等因素使得如蘭州新區(qū)、西寧主城區(qū)等地區(qū)發(fā)展更為迅速，造成了區(qū)域間城市規(guī)模發(fā)展速度失衡，加強了城市群城市規(guī)模的離散程度。從熱點分析來看，蘭西城市群城市規(guī)模的空間格局呈現(xiàn)出熱點區(qū)域不斷降低，冷點區(qū)域相對穩(wěn)定的空間格局，這同樣是城市群城市規(guī)模發(fā)展速度失衡所致，使相鄰城市間城市規(guī)模差異不斷拉大，熱點區(qū)域不斷減少，也體現(xiàn)了城市群內中心城市對周邊城市的輻射引領作用有待進一步加強。

本文通過對蘭西城市群2013—2018年城市規(guī)模時空演變進行分析，有利于掌握蘭西城市群城市規(guī)模時空演變特征，為蘭西城市群的高質量發(fā)展提供一定的理論借鑒和決策依據。文中關于蘭西城市群城市規(guī)模在2016年之前形成了以“蘭州為主核心，西寧為次核心”的空間分布特征，“城市群內中心城市對周邊城市的輻射引領作用有待進一步加強”以及“城市群內部之間的城市規(guī)模差異進一步拉大”等結論與梁峰[38]關于蘭西城市群“城市間相互聯(lián)系強度空間發(fā)展不均衡”“蘭西城市群城市體系呈現(xiàn)出明顯的極化特征，中心城市對群內城市的輻射帶動作用有限；蘭西城市群中蘭州市的集聚能力整體大于西寧市，且蘭州市的中心地位高于西寧市”等結論相似，表明了利用夜間燈光數(shù)據表征城市規(guī)模的可行性，同時在一定程度上佐證了文章結論的科學性。另外，研究發(fā)現(xiàn)西固、安寧等地區(qū)的夜間燈光指數(shù)自2017年后不斷降低，同時蘭州新區(qū)燈光指數(shù)不斷增長，造成了蘭州市主城區(qū)附近的城市規(guī)模核密度空間分布格局呈現(xiàn)出由東西向南北轉化的趨勢，這有可能是由于天氣或者數(shù)據質量的原因使得該地區(qū)的夜間燈光亮度未得以真實體現(xiàn)，也有可能是該地區(qū)出現(xiàn)了“城市收縮”的現(xiàn)象。因數(shù)據及資料等的限制，文章缺乏對蘭西城市群城市規(guī)模時空演變特征驅動機制的探討，未來資料充實后有待于進一步深入研究。