基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)天山的北坡城市群城市擴(kuò)展研究

圖爾蓀阿依·如孜，阿里木江·卡斯木,2*，高鵬文，趙禾苗，哈力木拉提·阿布來(lái)提

（1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆師范大學(xué) 絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，新疆 烏魯木齊 830054）

城市擴(kuò)展變化特征在區(qū)域的城市化水平以及人口聚集程度的衡量過(guò)程中起指示作用[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化水平也不斷提高，但是城市空間的快速演變加劇人口與環(huán)境之間的矛盾，限制了區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展[3-5]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，對(duì)于不同視角下的城市空間演變研究所用的數(shù)據(jù)源不同。低分辨率夜間燈光影像數(shù)據(jù)是記錄人類聚集活動(dòng)在地表上燈光強(qiáng)度信息的反演，因此在城市化擴(kuò)展研究中夜間燈光數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用[6-10]。對(duì)于研究大尺度下的城市擴(kuò)展變化特征，Kasim[11]等結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)對(duì)全球的城市化時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，得到了較好的評(píng)價(jià)精度，提供了低分辨率數(shù)據(jù)在大范圍區(qū)域城市擴(kuò)展中的應(yīng)用思路。Henderson[12]等利用DMSP夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)的城市邊界進(jìn)行了劃分，得出的結(jié)果與Landsat遙感影像進(jìn)行了比較。Bhartendu[13]等結(jié)合穩(wěn)定夜間光數(shù)據(jù)和SPOT數(shù)據(jù)對(duì)印度的城市化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，取得了較好的研究成果。李德仁[14-15]等利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上評(píng)估經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展質(zhì)量。在大尺度上對(duì)城市擴(kuò)展演變進(jìn)行研究，能夠揭示區(qū)域城市化發(fā)展規(guī)律及空間結(jié)構(gòu)演化，有助于制定城鎮(zhèn)空間格局的有效政策。

利用夜間燈光數(shù)據(jù)有關(guān)的城市擴(kuò)張研究，其中有利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)地處西北邊陲的天山北坡城市群城市擴(kuò)展研究，但是目前未見到結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)天山北坡城市群城市空間演變研究。天山北坡城市群是連接“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”、西方和中亞的重要窗口，在“十三五”期間國(guó)家推動(dòng)建設(shè)的城市群之一，此區(qū)域作為新疆的城鎮(zhèn)化主體區(qū)，在新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的核心區(qū)[16]。本文結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，對(duì)天山北坡城市群城市近26 a的城市擴(kuò)展變化進(jìn)行研究。通過(guò)研究區(qū)城市擴(kuò)展增長(zhǎng)強(qiáng)度、緊湊度以及重心轉(zhuǎn)移方法來(lái)分析天山北坡城市群城市擴(kuò)展時(shí)空變化規(guī)律。研究結(jié)果有助于更好地認(rèn)識(shí)和理解城市化發(fā)展、空間格局變化以及城市時(shí)空演變特征，為優(yōu)化天山北坡城市群的城市擴(kuò)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡城市群空間范圍包括烏魯木齊市、昌吉回族自治州、吐魯番市和克拉瑪依市全部、伊犁州奎屯市、塔城地區(qū)烏蘇市及沙灣縣，共計(jì)3個(gè)地級(jí)市、6個(gè)縣級(jí)市、12個(gè)市轄區(qū)、9個(gè)縣、兵團(tuán)5個(gè)師、51個(gè)團(tuán)場(chǎng)[17]，如圖1所示。天山北坡城市群的地勢(shì)南高北低，南部為天山山區(qū)，中部為沖積平原，北部為古爾班通古特沙漠，屬于大陸性氣候，總面積21.54萬(wàn)km2，占新疆的13%。天山北坡城市群是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上的重要支撐點(diǎn)，“一帶一路”戰(zhàn)略不斷促進(jìn)天山北坡城市群的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

在美國(guó)國(guó)家海洋大氣局網(wǎng)站（https://www.ngdc.no?aa.gov）下載2種夜間燈光數(shù)據(jù)，獲取1992—2013年時(shí)間序列的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，像元灰度值范圍在0~63之間。NPP/VIIRS數(shù)據(jù)記錄夜間燈光強(qiáng)度，繼承了DMSP/OLS數(shù)據(jù)的基本特征，空間分辨率為0.5 km，可彌補(bǔ)MSP/OLS數(shù)據(jù)在空間、時(shí)間以及輻射分辨率等方面的缺陷。本文根據(jù)曹子陽(yáng)[18]對(duì)DMSP/OLS數(shù)據(jù)的校正法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正及數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到矯正后的2000—2013年研究區(qū)域DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)。由于影像數(shù)據(jù)受衛(wèi)星傳感器的不同和地表的非均勻性等影響，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的灰度值存在負(fù)值、極高值及不穩(wěn)定光源等現(xiàn)象。首先對(duì)2013和2018年的NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的所有月數(shù)據(jù)合成后取均值；再把NOAA地理數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2016年的年合成數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將該數(shù)據(jù)大于0的部分作為掩膜圖層，對(duì)2013年和2015年數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，消除灰度值的負(fù)值；最后以像元值的變化幅度較小的城市區(qū)作為夜間燈光強(qiáng)度不變區(qū)域，對(duì)年合成NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)的輻射校正，利用低通濾波來(lái)消除極高的灰度值。為了驗(yàn)證吻合程度，利用2013年的2種夜間燈光數(shù)據(jù)提取的城市空間信息來(lái)進(jìn)行比較，采用同年份的Landsat-8遙感影像進(jìn)一步進(jìn)行精度驗(yàn)證，如圖2所示。

圖2 2012和2013年兩種夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市夜間燈光結(jié)果

2 研究方法

2.1 城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度

擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)是研究城市時(shí)空變化的重要測(cè)度標(biāo)志之一。城市夜間燈光空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)對(duì)其擴(kuò)張面積的數(shù)量特征進(jìn)行量定，它表征在研究期間內(nèi)城市擴(kuò)展面積占擴(kuò)展前的城市面積的百分比。公式如下：

式中，AGR為城市夜間燈光空間擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)；UAi和UAn+i分別表示第i年，第n+i年城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度像元面積值，T為時(shí)間間隔。

2.2 緊湊度

緊湊度是反映城市外圍輪廓形態(tài)在空間上集聚程度，以緊湊度數(shù)值的變化來(lái)分析城市擴(kuò)展的空間變化特征及規(guī)律[19-20]。緊湊度值的范圍在0~1之間，緊湊度指數(shù)越接近0時(shí)越松散，越接近1時(shí)城市形狀越接近圓形，說(shuō)明城市空間形狀越緊湊。

式中，C表示城市夜間燈光緊湊度；A表示城市夜間燈光面積；P為城市夜間燈光外圍的周長(zhǎng)。

2.3 重心轉(zhuǎn)移

重心轉(zhuǎn)移指數(shù)是通過(guò)不同時(shí)期城市分布重心坐標(biāo)來(lái)追蹤空間分布的變化，地區(qū)空間重心的移動(dòng)方向表現(xiàn)為區(qū)域空間格局的變化方向[21-22]。

式中，Xt和Yt分別為第t年時(shí)城市重心的經(jīng)緯度；Cti為城市i在t年時(shí)的面積；Xi和Yi分別為城市i的幾何中心經(jīng)緯度坐標(biāo)。

重心轉(zhuǎn)移計(jì)算公式為：

式中，D為轉(zhuǎn)移距離；Xa和Ya為研究初期的的重心坐標(biāo)；Xb和Yb為研究后期的重心坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度變化特征

本文提取1992-2018年天山北坡城市群城市夜間燈光信息，利用城市擴(kuò)展增長(zhǎng)強(qiáng)度來(lái)分析研究期間的城市夜間燈光擴(kuò)展變化特征，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。發(fā)育在生態(tài)環(huán)境脆弱的綠洲地區(qū)的城市夜間燈光每年都有顯著變化，城市夜間燈光面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是面積變化增長(zhǎng)量呈波動(dòng)態(tài)勢(shì)，其中2015-2016年期間天山北坡城市群城市夜間燈光面積增長(zhǎng)量最高，面積增長(zhǎng)量達(dá)到613 km2。面積增長(zhǎng)量最低的是1998—1999年和2001—2002年期間，面積增長(zhǎng)量為3 km2。研究區(qū)每一時(shí)期的城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度隨著面積增長(zhǎng)量的變化而變化，增長(zhǎng)強(qiáng)度最高的是1992—1993年期間，達(dá)到70.37%，1995—2007年之間的擴(kuò)展強(qiáng)度不明顯。整體來(lái)說(shuō)1992—2018年期間天山北坡城市群城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度值呈高-低-高變化趨勢(shì)。在天山北坡城市群城市的自然條件優(yōu)越、城市密集、交通方便等優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致天山北坡城市群城市經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展[23]，也是研究區(qū)城市夜間燈光一直保持?jǐn)U展趨勢(shì)的主要原因之一。

圖3 研究區(qū)城市夜間燈光面積增長(zhǎng)量和擴(kuò)展強(qiáng)度變化圖

3.2 緊湊度變化

根據(jù)緊湊度指數(shù)的公式計(jì)算出天山北坡城市群城市的時(shí)空變化特征。城市空間的擴(kuò)展模式是以外部延展型和內(nèi)部填充型為主，城市空間擴(kuò)展以內(nèi)部填充型為主導(dǎo)類型時(shí)，城市形態(tài)緊湊度增大，以外部延展型為主導(dǎo)類型時(shí)，城市形態(tài)緊湊度減少[24-25]。由圖4可知天山北坡城市群城市的空間形態(tài)處于不同的變化階段。天山北坡城市群城市地處生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北干旱區(qū)，因此，緊湊度值在0.15~0.3之間。1992年的緊湊度最高，而2018年的緊湊度最低。總體來(lái)說(shuō)，近26 a來(lái)天山北坡城市群城市緊湊度呈遞減態(tài)勢(shì)，在空間上向外部延展型為主導(dǎo)的類型發(fā)展，城區(qū)外廓的破碎程度較高、城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結(jié)構(gòu)呈松散化趨勢(shì)。說(shuō)明隨著天山北坡城市群城市不斷向外擴(kuò)展，城市的空間形狀越不規(guī)則。

圖4 1992-2018年天山北坡城市群城市緊湊度變化

3.3 城市重心轉(zhuǎn)移分析

本文利用重心轉(zhuǎn)移來(lái)分析天山北坡城市群城市發(fā)展過(guò)程中存在的客觀規(guī)律，根據(jù)公式（3~5）來(lái)計(jì)算天山北坡城市群城市重心點(diǎn)坐標(biāo)、發(fā)展方向以及重心點(diǎn)轉(zhuǎn)移距離。從圖5可知，天山北坡城市群城市1992—2018年的城市重心轉(zhuǎn)移的空間變化，在研究期間不同時(shí)期城市重心轉(zhuǎn)移有明顯的空間分異。其中1992—2002年城市重心移動(dòng)最明顯，這期間研究區(qū)城市重心點(diǎn)從昌吉回族自治州的呼圖壁縣轉(zhuǎn)移到烏魯木齊的米東區(qū)。2002—2012年天山北坡城市群城市重心點(diǎn)變化不明顯，城市重心處于烏魯木齊的米東區(qū)；2012—2018年研究區(qū)城市重心點(diǎn)從烏魯木齊的米東區(qū)轉(zhuǎn)移到昌吉市。整體來(lái)說(shuō)，天山北坡城市群城市重心在城市化高度發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的烏魯木齊和昌吉回族自治州區(qū)域，烏昌一體化戰(zhàn)略的實(shí)施促使烏魯木齊和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)出帶頭作用。

圖5 天山北坡城市群城市夜間燈光擴(kuò)展及重心轉(zhuǎn)移圖

從天山北坡城市群城市重心坐標(biāo)、轉(zhuǎn)移距離及轉(zhuǎn)移方向來(lái)看（如表1所示），1992年的（86°34′20.098″E，44°18′21.766″N）到2018年時(shí)（87°19′22.053″E，44°7′40.362″N），總轉(zhuǎn)移距離為133.177 km。1992—2002年天山北坡城市群城市重心轉(zhuǎn)移距離最長(zhǎng)，轉(zhuǎn)移距離達(dá)到96.536 km，占總轉(zhuǎn)移距離的72.49%。2002—2012年研究區(qū)城市重心坐標(biāo)變化不顯著，轉(zhuǎn)移距離也最短，占總轉(zhuǎn)移距離的5.46%?？傮w來(lái)說(shuō)天山北坡城市群城市重心轉(zhuǎn)移方向是東北-西北-西南。處于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶西北的克拉瑪依市、烏蘇市和奎屯市的城市發(fā)展較快，因此天山北坡城市群的重心向西北轉(zhuǎn)移。

表1 天山北坡城市群城市重心轉(zhuǎn)移統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論與討論

本文結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間分辨率上的缺陷，提取天山北坡城市群的1992—2018年期間的城市夜間燈光，采用城市擴(kuò)展強(qiáng)度、緊湊度和城市重心轉(zhuǎn)移方法對(duì)天山北坡城市群的擴(kuò)展演變進(jìn)行研究。得出的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1）天山北坡城市群城市夜間燈光都有顯著變化，城市夜間燈光面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是面積變化增長(zhǎng)量呈波動(dòng)態(tài)勢(shì)。每一時(shí)期的城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度隨著面積增長(zhǎng)量的變化而變化，增長(zhǎng)強(qiáng)度最高的是1992—1993年期間，達(dá)到70.37%，1995—2007年之間的擴(kuò)展強(qiáng)度不明顯。整體來(lái)說(shuō)1992—2018年期間，天山北坡城市群城市夜間燈光擴(kuò)展強(qiáng)度值呈高-低-高變化趨勢(shì)。

2）從緊湊度分析來(lái)看，1992—2018年天山北坡城市群的緊湊度值在0.15～0.3之間，緊湊度呈遞減態(tài)勢(shì)，在空間上向外部延展型為主導(dǎo)的類型發(fā)展，城區(qū)外廓的破碎程度較高、城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結(jié)構(gòu)呈松散化趨勢(shì)。說(shuō)明隨著天山北坡城市群城市不斷向外擴(kuò)展，城市的空間形狀越不規(guī)則。

3）1992—2018年天山北坡城市群的城市重心在烏魯木齊和昌吉回族自治州區(qū)域，烏昌一體化戰(zhàn)略的實(shí)施促使烏魯木齊和昌吉回族自治州在天山北坡城市群城市發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)出帶頭作用。研究期間天山北坡城市群的總重心轉(zhuǎn)移距離為133.177 km，重心轉(zhuǎn)移方向是東北-西北-西南。

本文利用的2種夜間燈光數(shù)據(jù)雖然能填補(bǔ)研究時(shí)間的連續(xù)性，但是空間分辨率以及衛(wèi)星傳感器的不一致導(dǎo)致2個(gè)數(shù)據(jù)灰度值范圍的差異性。通過(guò)2012年和2013年的DMSP/OLS和NPP/VIIRS提取城市夜間燈光數(shù)據(jù)，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)比結(jié)果擬合狀態(tài)較好，但是2種夜間燈光提取的城市夜間燈光信息存在一些偏差。天山北坡城市群是重點(diǎn)建設(shè)的兩個(gè)邊疆地區(qū)城市群和絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)建設(shè)的城市群，因此，研究結(jié)果有助于更好地認(rèn)識(shí)和理解城市空間格局變化及發(fā)展，為促進(jìn)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)提供參考。