基于NPP-VIIRS的云南省城市經(jīng)濟(jì)空間格局演變

羅 虹，趙政權(quán)

（1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 國(guó)土空間信息學(xué)院，云南 昆明 652501）

隨著人類社會(huì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，長(zhǎng)時(shí)間序列夜光數(shù)據(jù)便于獲取、處理方便，對(duì)于評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特征等具有巨大優(yōu)勢(shì)。因此，如何利用夜光數(shù)據(jù)衡量區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，深度挖掘區(qū)域經(jīng)濟(jì)特性，顯得越來(lái)越重要。目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用夜光數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了大量研究，主要是基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、城市位序—規(guī)模法、引力模型與區(qū)位度、Getis-Ord Gi*分析和人均夜光發(fā)展指數(shù)等方法對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的時(shí)空格局發(fā)展進(jìn)行分析[1-5]，多集中在京津翼、長(zhǎng)三角和珠三角三大城市群區(qū)域，對(duì)西部城市發(fā)展的研究較少。還有學(xué)者基于夜光數(shù)據(jù)構(gòu)建回歸模型，并與興趣點(diǎn)（POI）數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)特征，模擬經(jīng)濟(jì)參量[6-11]?；?012-2019年NPP-VIIRS預(yù)處理后的夜光數(shù)據(jù)，以燈光總量、燈光增長(zhǎng)率和平均燈光指數(shù)為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、城市位序—規(guī)模法、Getis-Ord Gi*分析和空間引力模型等方法計(jì)算分析了8 a間云南省城市經(jīng)濟(jì)空間格局的演變情況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于西南地區(qū)，藏、川、黔、桂交界處，介于 21°8′～29°15′N、 97°31′～106°11′E 之間；屬山區(qū)高原地形，由北向南地勢(shì)逐漸降低，最高點(diǎn)卡瓦格博峰海拔為6 740 m，最低點(diǎn)位于河口縣境內(nèi)，海拔為76.4 m；自然資源豐富，總面積約為39.4萬(wàn)km2，下轄16個(gè)地級(jí)行政區(qū)、129個(gè)縣級(jí)區(qū)劃。作為我國(guó)通往東南亞的門戶，滇西部與緬甸接壤，滇南部和老撾、越南毗鄰，屬于西南經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分，主要包括滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)、沿邊經(jīng)濟(jì)帶等。

1.2 數(shù)據(jù)描述與來(lái)源

目前，長(zhǎng)時(shí)間序列夜光產(chǎn)品主要包括DMSP-OLS和NPP-VIIRS，其中DMSP-OLS的空間分辨率約為1 km，但在2013年已停止更新，且產(chǎn)品有溢出現(xiàn)象；NPP-VIIRS數(shù)據(jù)從2012年4月開(kāi)始更新，空間分辨率約為500 m，可識(shí)別更多的燈光細(xì)節(jié)。NPP-VIIRS數(shù)據(jù)提供VCM和VCMSL兩種產(chǎn)品，前者已排除受雜散光影響的數(shù)據(jù)，后者已經(jīng)過(guò)雜散光校正，有更多的數(shù)據(jù)覆蓋到極點(diǎn)，但降低了質(zhì)量，因此利用VCM月度數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù)作為結(jié)果使用。行政區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)（https://www.ynmap.cn/）；夜光NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心（https://ngdc.noaa.gov/eog/download.html）。

1.3 預(yù)處理

NPP的月產(chǎn)品中未去除負(fù)值、火點(diǎn)、不穩(wěn)定值和背景噪聲，而年產(chǎn)品只提供了2015年和2016年的年數(shù)據(jù)，年度數(shù)據(jù)包含無(wú)云平均燈光，且去除了暫時(shí)性燈光。本文在整理其他學(xué)者經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；①DMSP-OLS不存在負(fù)值，因此可利用2012年的DMSP數(shù)據(jù)替換2012年NPP月產(chǎn)品中的負(fù)值，并求出年平均值，再利用2012年NPP年產(chǎn)品替換2013年月數(shù)據(jù)中的負(fù)值，以此類推，直到所有月數(shù)據(jù)中的負(fù)值全部被替換；②極高值的處理，首先提取出不同年度中燈光強(qiáng)度最高城市的最大值，一般認(rèn)為生產(chǎn)總值越高、燈光強(qiáng)度越強(qiáng)，提取出極高值像元，再采用均值濾波，以5×5的單元計(jì)算均值進(jìn)行替換；③消除微光，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.4 nanoW/(cm2·sr)為閾值[12-13]；④對(duì)處理后的月數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，生成年產(chǎn)品。由于NPP數(shù)據(jù)為WGS84地理坐標(biāo)系，影像的格網(wǎng)會(huì)隨著緯度的增大而變小，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換，重投影為Albers等積圓錐投影，重采樣的像元分辨率為500 m。

2 研究方法

2.1 夜間燈光統(tǒng)計(jì)

城市夜間燈光統(tǒng)計(jì)可通過(guò)夜間燈光總量（TL）、平均燈光指數(shù)（ALI）[14]和燈光增長(zhǎng)率（GR）來(lái)衡量，計(jì)算公式為；

式中，ri為第i個(gè)像元的輻射亮度值；n為區(qū)域的像元個(gè)數(shù)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓（SDE）可反映事物空間特征的分布趨勢(shì)，是對(duì)區(qū)域方向進(jìn)行分析的一種經(jīng)典算法。通過(guò)橢圓中心、橢圓面積、長(zhǎng)短軸和旋轉(zhuǎn)角度可度量云南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局變化情況，其中橢圓中心代表經(jīng)濟(jì)區(qū)重心，橢圓面積代表聚集和離散程度，長(zhǎng)短軸反映經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)張、收縮狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)角度反映經(jīng)濟(jì)主要趨勢(shì)方向變化。

式中，SDx為X軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差；SDy為Y軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差；(xi,yi)為區(qū)域?qū)ο蟮淖鴺?biāo)；θ為方位角；Wi為權(quán)重；(xi,yi)為區(qū)位至橢圓重心(SDEx,SDEy)的坐標(biāo)差。

2.3 城市位序—規(guī)模法

城市位序—規(guī)模法可用來(lái)衡量區(qū)域城市規(guī)模發(fā)展的集中和分散程度。本文以夜光總量來(lái)探討2012-2019年云南省城市規(guī)模的變化情況。

式中，Pi為城市i的夜光總量；P1為排名第一的城市夜光總量規(guī)模；Si為城市i的位序；q為Zipf指數(shù)，可反映城市與位序之間的關(guān)系（集中或分散）。|q|越接近于1，說(shuō)明城市規(guī)模越接近于理想狀態(tài)，城市發(fā)展較均衡、理想，|q|＜1表明低位序城市發(fā)展較好，分散力量大于集中的力量；|q|＞1表明高位序城市發(fā)展較好，集中力量大于分散的力量。

2.4 Getis-Ord Gi*分析

Getis-Ord Gi* 分析可識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。本文利用夜光數(shù)據(jù)空間權(quán)重矩陣來(lái)統(tǒng)計(jì)云南省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)。

對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則有；

式中，xi、xj分別為區(qū)域i和區(qū)域j的規(guī)模；Wij(a)為區(qū)域i和區(qū)域j的連接矩陣；Exp(G)為數(shù)學(xué)期望；Var(Gi*)為變異系數(shù)。Z值得分越高，表示有高值的空間聚類；Z值得分越低，表示有低值的空間聚類；Z得分越高或越低，表示聚類程度越大；Z值接近于0，則表示不存在明顯的空間聚類。

2.5 引力模型與區(qū)位度

引力模型主要反映城市間經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度，可計(jì)算城市間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)弱。區(qū)位度可反映該城市在云南省內(nèi)的重要程度。

式中，Mij為城市i、j之間的經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)強(qiáng)度；K為引力常數(shù)；Pi、Pj分別為城市i、j的規(guī)模，可利用夜光總量來(lái)替代；f為摩擦系數(shù)，本文以省級(jí)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，f=2；dij為兩城市間的距離，由于云南省屬山地高原地形，兩城市間距離近不一定時(shí)間短，因此利用時(shí)間距離來(lái)替代空間距離對(duì)于復(fù)雜山地地形更為準(zhǔn)確。

本文參考云南省汽車時(shí)刻表，并以百度地圖規(guī)劃路徑算法的最低時(shí)間成本為補(bǔ)充，綜合衡量?jī)蓚€(gè)城市間的時(shí)間距離[15]。

式中，LDi為城市的區(qū)位度，反映了城市在區(qū)域中的重要程度。

3 研究成果與分析

3.1 夜光數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

2012年和2019年云南省各地級(jí)行政區(qū)夜光數(shù)據(jù)總量如圖1所示，可以看出，昆明市的夜光數(shù)據(jù)總量在2012年和2019年均遙遙領(lǐng)先，曲靖市、玉溪市、紅河洲緊跟其后；2019年各地級(jí)行政區(qū)的夜光數(shù)據(jù)總量較2012年均有很大提升；怒江州和迪慶州在兩個(gè)年度中的夜光數(shù)據(jù)總量均較落后。對(duì)于平均燈光指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，由于計(jì)算值較小，因此利用自然斷點(diǎn)法將平均燈光指數(shù)分為低、中、高3個(gè)等級(jí)，對(duì)各地級(jí)行政區(qū)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示，可以看出，2012年只有昆明市處于高等級(jí)，2019年曲靖市和玉溪市由于滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展較好，高等級(jí)區(qū)域增加到3個(gè)；中等級(jí)由2012年的5個(gè)區(qū)域增加為2019年的8個(gè)，保山市、麗江市、楚雄州、文山州和昭通市由低等級(jí)提升至中等級(jí)，發(fā)展良好；由于高原地形、風(fēng)俗、政策等原因，迪慶州、怒江州、普洱市、臨滄市和西雙版納州保持低等級(jí)指數(shù)不變。2012-2019年云南省燈光增長(zhǎng)率為78%，其中增長(zhǎng)最多的是保山市，如圖3所示，超過(guò)200%，作為滇西城市群的中心城市之一，近年來(lái)保山市充分發(fā)揮旅游資源，燈光增長(zhǎng)較快，其余區(qū)域也保持穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。從縣級(jí)尺度來(lái)看，整體上圍繞昆明市縣域增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，滇西北、滇南、昭通方向增長(zhǎng)較快；昭通市增長(zhǎng)較快的縣為魯?shù)榭h、巧家縣和鹽津縣；楚雄市近年來(lái)也增長(zhǎng)較快，主要源于滇中城市群以及打造特色民族風(fēng)情生態(tài)城市政策的帶動(dòng)；寧洱縣和鎮(zhèn)沅縣曾是“茶馬古道”上的重要驛站，燈光增長(zhǎng)較快；滇西北部的香格里拉、貢山縣、福貢縣增長(zhǎng)明顯；滇南的西雙版納勐臘縣因地域、政策和旅游業(yè)的影響，明顯大幅增長(zhǎng)；文山州的西疇縣也增長(zhǎng)較快。

圖1 2012年和2019年云南省各地級(jí)行政區(qū)夜光數(shù)據(jù)總量

圖2 云南省各地級(jí)行政區(qū)平均燈光指數(shù)分級(jí)（審圖號(hào)：云S(2017)046）

圖3 2012－2019年不同尺度行政區(qū)燈光增長(zhǎng)率（審圖號(hào)：云S(2017)046）

3.2 SDE結(jié)果分析

本文根據(jù)云南省2012-2019年夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行各區(qū)域經(jīng)濟(jì)重心分布變化分析，采用SDE方法進(jìn)行云南省經(jīng)濟(jì)空間格局演化分析，如圖4所示。從重心變化移動(dòng)的路徑分析，2012-2019年總體向西北方向移動(dòng)，橢圓中心坐標(biāo)由2012年的102.093E、25.137N移至2019年的102.021E、25.159N（表1），約向西北方向移動(dòng)了7.6 km，其中2012-2014年重心向西南方向移動(dòng)較大，2014-2016年受滇中城市群的輻射影響向昆明方向移動(dòng)，2017年后受到滇西城市群的影響向西移動(dòng)。從橢圓面積來(lái)看，2012-2019年的總體橢圓面積增加，從2012年的131 945.430 km2增加到2019年的144 041.793 km2，增長(zhǎng)率為9.2%，呈空間擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，分散的力度大于集中的趨勢(shì)，表明滇西地區(qū)中小城市的拉動(dòng)力較大。從旋轉(zhuǎn)角度來(lái)看，2012-2019年的旋轉(zhuǎn)角度在83.660°～86.333°之間，分布主要為東西格局，略偏向東北—西南方向。橢圓長(zhǎng)軸基本是東西向分布，長(zhǎng)軸變長(zhǎng)，表明夜光數(shù)據(jù)的主要拉動(dòng)力為東西方向，2012-2019年各年份長(zhǎng)短軸之比變化較小，說(shuō)明增長(zhǎng)較平穩(wěn)。2019年的長(zhǎng)短軸之比小于2012年，表明不僅有東西方向的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力，還有其他地區(qū)、方向的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力影響，整個(gè)省份經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力趨于多元化。

圖4 2012－2019年云南省SDE和經(jīng)濟(jì)重心（審圖號(hào)：云S(2017)046）

表1 2012－2019年SDE變化

3.3 城市位序—規(guī)模法結(jié)果分析

2012-2019 年雙對(duì)數(shù)的回歸模型R2均大于0.8，q值均在1附近，說(shuō)明符合城市位序—規(guī)模法的分布特征。從總體來(lái)看，q值全部大于1（圖5），表明區(qū)域城市分布為首位型分布，首位型城市的壟斷性地位突出，滇中城市群仍在省內(nèi)發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。2012-2019年q值逐年降低，說(shuō)明分散的力量逐年增加，中小城市的發(fā)展進(jìn)程加快，首位城市的功能正在削弱，云南省的城市發(fā)展逐漸趨于多元化。

圖5 城市位序—規(guī)模法各年度q值統(tǒng)計(jì)圖

3.4 Getis-Ord Gi*分析結(jié)果分析

以縣域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元，采用自然斷點(diǎn)法計(jì)算Getis-Ord Gi*指數(shù)，并將Z值分為5個(gè)級(jí)別進(jìn)行Getis-Ord Gi*分析，如圖6所示，從整體來(lái)看，熱點(diǎn)區(qū)域仍集中在以昆明市為中心的滇中城市群，這也與云南省的GDP發(fā)展相吻合，且符合之前SDE和城市位序—規(guī)模法的結(jié)果；2014-2016年相較于2012-2014年，Z值的高值降低，昭通市部分區(qū)域出現(xiàn)短暫的次熱點(diǎn)區(qū)，說(shuō)明城市聚集效應(yīng)下降，冷點(diǎn)和不顯著區(qū)域增多；2016-2019年Z值的高值回升，說(shuō)明熱點(diǎn)區(qū)域增多，但仍聚集在滇中城市群，且有向四周城市擴(kuò)展的趨勢(shì)。

3.5 引力模型和區(qū)位度結(jié)果分析

本文按照結(jié)果高低將區(qū)位度分為高區(qū)位度、中等區(qū)位度、低區(qū)位度3個(gè)等級(jí)；按照計(jì)算的引力模型結(jié)果將引力線分為一級(jí)聯(lián)系（最高）、二級(jí)聯(lián)系、三級(jí)聯(lián)系3個(gè)等級(jí)。就區(qū)位度而言，2012-2019年各城市仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，以昆明—玉溪為中心向外輻射（圖7），昆明市、玉溪市仍處于高區(qū)位度，保持強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力；受昆明市、玉溪市經(jīng)濟(jì)圈輻射影響，大理市、楚雄市、曲靖市、文山市和蒙自市保持中等區(qū)位度；其余一些沿邊城市受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響較小，處于低區(qū)位度。就引力線而言，2012年的一級(jí)聯(lián)系引力線以昆明市為中心共有4條，2019年的一級(jí)聯(lián)系引力線增加到14條，仍位于滇中城市群；同時(shí)因受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響，2019年的二級(jí)聯(lián)系引力線數(shù)量大幅增加，幾乎翻了一番；三級(jí)聯(lián)系引力線仍以沿邊城市為中心，說(shuō)明受滇中城市群的輻射影響不夠明顯，且沿邊經(jīng)濟(jì)城市開(kāi)放有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖7 城市區(qū)位度和引力聯(lián)系強(qiáng)度

4 結(jié) 語(yǔ)

基于NPP-VIIRS夜光數(shù)據(jù)，本文采用多種方法計(jì)算分析了2012-2019年云南省經(jīng)濟(jì)空間格局的演變情況，得出的結(jié)論為；

1）2012-2019 年云南省的夜光數(shù)據(jù)總量逐年增加，昆明市增量最多，平均燈光指數(shù)也最強(qiáng)，但燈光增長(zhǎng)率不是最高，一些中小城市因政策原因增長(zhǎng)率較高。

2）雖然省內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有分散的趨勢(shì)，但仍為首位型分布，云南省的經(jīng)濟(jì)重心仍位于昆明市周邊，說(shuō)明經(jīng)濟(jì)仍受傳統(tǒng)城市群影響較多。

3）從整體來(lái)看，截至2019年，熱點(diǎn)區(qū)域仍集中在以昆明市為中心的滇中城市群，熱點(diǎn)區(qū)明顯增多，且有向四周城市擴(kuò)展的趨勢(shì)；區(qū)位度以昆明—玉溪為中心向外輻射，未形成新的高區(qū)位度城市，其余一些沿邊城市受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響較小，且未形成有規(guī)模的經(jīng)濟(jì)帶（圈），處于低區(qū)位度；2019年的一級(jí)聯(lián)系引力線數(shù)量增加到14條，但仍位于滇中城市群，同時(shí)因受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響，2019年的二級(jí)聯(lián)系引力線幾乎翻了一番，三級(jí)聯(lián)系引力線仍以沿邊城市為中心。

綜上所述，云南省經(jīng)濟(jì)仍以滇中城市群為主要拉動(dòng)力，雖然沿邊城市也因政策影響出現(xiàn)了增長(zhǎng)較快、指數(shù)較高的中小城市，但未形成有影響力的經(jīng)濟(jì)帶（圈），經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍不夠理想。如何挖掘沿邊中小城市的特色與潛力，是下一步研究的重點(diǎn)和方向。