基于多源燈光數(shù)據(jù)的城市擴張驅(qū)動機理分析
——以長江經(jīng)濟帶三大城市群為例

周 侗，王佳琳，2

（1.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226007；2.南通大學 經(jīng)濟與管理學院，江蘇 南通 226019）

一 研究綜述

城市擴張是城鎮(zhèn)化發(fā)展的必經(jīng)階段，也是城鎮(zhèn)化水平的評價因素之一。21世紀以來，我國城鎮(zhèn)化率逐年提升，城市發(fā)展進入了快速擴張時期。城市之間的競爭逐漸過渡為城市群之間的博弈，城市群是高度發(fā)達的空間一體化城市形態(tài)，是國家工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進入高級階段的產(chǎn)物[1]。作為雙循環(huán)增長極“由點到面”轉(zhuǎn)變的空間載體，城市群在推進新型城鎮(zhèn)化進程中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[2]。但城市群內(nèi)部城市的快速擴張引發(fā)了土地資源浪費[3]、城市熱島效應[4]、生態(tài)環(huán)境惡化[5]等系列問題，加劇了國土空間矛盾。因此，以城市群為切入點研究城市擴張的空間格局和驅(qū)動機理，對整合城市群資源、推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要參考意義。

快速城市化進程背景下，城市擴張問題成為學術界關注的焦點，并逐漸形成了“內(nèi)涵界定—擴張格局—驅(qū)動機理—擴張模擬”的研究框架。從數(shù)據(jù)來源看，建成區(qū)面積獲取的途徑更加豐富，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃b感影像為主的多時相數(shù)據(jù)[6]。從研究尺度看，由單一城市[7]、省域[8]逐步發(fā)散至城市群[9-10]等更大尺度。從擴張驅(qū)動因素看，城市擴張是自然環(huán)境[11]、經(jīng)濟[12]、社會和交通[13]等多種因素綜合作用的結果，不同城市擴張的驅(qū)動因子、作用強度均有差異[14]。從研究方法看，定量分析逐漸取代定性分析成為城市擴張研究的主流，常見的線性分析方法有多元線性回歸、地理加權回歸（Geographically weighted regression）和貝葉斯嶺回歸（Bayesian ridge regression）等。而地理探測器（GeoDetecor）作為非線性模型的代表，在數(shù)據(jù)屬性的包容度和變量關系上有較強的擬合能力[15]，且能夠處理因子間的多重共線性問題。

目前傳統(tǒng)的統(tǒng)計面板數(shù)據(jù)存在區(qū)域誤差及空間信息缺失等問題，而美國軍事氣象衛(wèi)星（NOAA）的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，具有時間跨度長和空間范圍覆蓋廣等優(yōu)勢，在社會經(jīng)濟估算[16]、城市擴張[17]、災害預警[18]、能源勘探等方面[19]廣泛應用，有效彌補了面板數(shù)據(jù)存在的不足。

因此，本文基于多源夜光遙感影像，提取長時間序列的城市擴張數(shù)據(jù)，以長江經(jīng)濟帶三大城市群為研究區(qū)，采用城市擴張動態(tài)度、景觀格局指數(shù)、地理探測器等方法，分析城市擴張格局的時空演變特征，并進一步挖掘擴張驅(qū)動因子，對比三大城市群城市在不同階段擴張驅(qū)動的內(nèi)在機理，以期為城市群協(xié)調(diào)一體化進程及長江經(jīng)濟帶發(fā)展提供技術支持和數(shù)據(jù)參考。

二 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

（一）研究區(qū)域

長江經(jīng)濟帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省市，約占國土總面積的21.27%，地區(qū)生產(chǎn)總值達45.8億元，人均GDP達到78 276元，同比增長3.4%。長江三角洲、長江中游和成渝城市群是長江經(jīng)濟帶的三大國家級城市群（圖1），肩負著溝通萬里黃金水道的重要使命，是構建“一軸、兩翼、三極、多點”格局的關鍵一環(huán)。

（二）數(shù)據(jù)來源及處理

1.數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要為NOAA的DMSP/OLS年均燈光影像、NPP/VIIRS月均燈光影像數(shù)據(jù)，見表1。DMSP/OLS影像數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性、燈光飽和、像元溢出等缺陷[20]，實驗中采用不變目標區(qū)域法計算校正系數(shù)，并根據(jù)校正系數(shù)進行飽和校正[21]，采用閾值法去除NPP/VIIRS影像存在的異常極大值。DMSP/OLS數(shù)據(jù)覆蓋時間為1992—2013年，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)覆蓋時間為2012—2018年，為獲得長時間連續(xù)的影像，通過擬合最優(yōu)冪函數(shù)曲線進行整合處理[22]。選擇DMSP/OLS搭載的4個傳感器（F14、F15、F16、F18）獲取2002—2012年影像，通過NPP/VIIRS獲取2012—2018年影像，選取時間為每年的12月份。最后運用形態(tài)學濾波法確定最佳分割閾值[23]，進行研究時序內(nèi)建成區(qū)面積提取。

表1 夜光遙感數(shù)據(jù)集

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于長江經(jīng)濟帶三大城市群70個城市的《城市統(tǒng)計年鑒》，其中仙桃、潛江和天門為縣級市，不屬研究范圍。行政區(qū)矢量邊界來自國家基礎地理信息系統(tǒng)1:400萬數(shù)據(jù)集。

2.數(shù)據(jù)預處理

采用不變目標區(qū)域法對DMSP/OLS數(shù)據(jù)進行相互、連續(xù)性校正，選擇多年經(jīng)濟發(fā)展穩(wěn)定和夜間燈光變化較小的黑龍江鶴崗為不變目標區(qū)域。采用閾值法對NPP/VIIRS影像進行降噪處理，其中像元值小于0.3無法被OLS傳感器感應，因此選取0.3為經(jīng)驗閾值。參考中國經(jīng)濟最為發(fā)達的北京、上海和廣州三座城市，定義最大值。

通過對DMSP/OLS和NPP/VIIRS在重合年份的影像進行值相關性分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在冪函數(shù)相關關系，故采用2012年擬合方程校正2012—2018年NPP/VIIRS影像，公式為：

式中：M表示NPP/VIIRS影像DN值，F(xiàn)表示模擬DMSP/OLS影像DN值。通過高斯低通濾波函數(shù)對校正完成后的影像進行降噪處理。以2013年DMSP/OLS影像為基礎，將NPP/VIIRS影像DN值大于63的像元賦值為63。

三 研究方法

（一）城市擴張分析

1．建成區(qū)擴張面積指數(shù)

建成區(qū)擴張面積指數(shù)反映研究時段內(nèi)，平均每階段增加的城市面積，公式為：

式中：UA表示城市建成區(qū)面積年擴張速度；UAn和UAm分別代表研究初期和研究末期的城市建成區(qū)面積；T表示以研究階段為單位的時間間隔。

2．建成區(qū)擴張動態(tài)度

建成區(qū)擴張動態(tài)度表示在一定的研究時序內(nèi)，非建成區(qū)向城市建成區(qū)轉(zhuǎn)化的變化幅度。該指標能夠反映人類活動對城市擴張的影響[24]，公式為：

式中：UK表示建成區(qū)擴張動態(tài)度；UKn和UKm分別表示研究區(qū)初期和末期的城市建成區(qū)面積。

（二）景觀格局指數(shù)

運用景觀格局指數(shù)可以描述建成區(qū)空間形態(tài)特征，通過提取2002年、2006年、2010年、2014年和2018年長江經(jīng)濟帶三大城市群建成區(qū)，運用Fragstats4.2中類型模塊進行景觀格局分析，分別選擇NP（斑塊數(shù)量）、AI（聚集度指數(shù)）表征建成區(qū)景觀破碎化和聚集程度，LSI（景觀形狀指數(shù)）表征建成區(qū)形狀的復雜程度。

（三）標準差橢圓

標準差橢圓（Standard Deviational Ellipse）空間統(tǒng)計方法能夠精確地揭示地理要素空間分布整體特征[25]，公式為：

式中：xi和yi為特征i的空間坐標位置；和表示特征的中位數(shù)中心；n是特征總數(shù)。方向角的計算公式為：

（四）地理探測器

地理探測器是探測和利用空間分異性的工具[26]，其中因子探測器可以探明具有顯著性因子的自變量對因變量的解釋力，公式為：式中：L為因變量Y或自變量X的分區(qū)；Nh為第h層的單元數(shù)；σh2為第h層Y值的方差。q的值域為[0,1]，值越小表示因子X對變量Y的解釋力越弱，反之越強。

交互探測器可以解釋兩個自變量共同作用下對因變量的解釋力，并探測自變量之間是否為獨立作用。兩個因子間的關系可以分為以下5類，其中min（q（X1）,q（X2））表示在q（X1），q（X2）兩者中取最小值；max（q（X1）,q（X2））表 示 在q（X1），q（X2）兩者中取最大值；q（X1）+q（X2）表示q（X1），q（X2）兩者求和；q（X1∩X2）表示q（X1），q（X2）兩者交互，見表2。

表2 交互作用類型

四 結果分析

（一）長江經(jīng)濟帶三大城市群城市擴張時空分異特征

1.城市規(guī)模結構演變分析

通過夜光遙感影像提取了70個地級市的建成區(qū)面積，為統(tǒng)一各研究階段時間間隔，將研究期劃分為階段I（2003—2006年）、階段Ⅱ（2007—2010年）、階段Ⅲ（2011—2014年）和階段Ⅳ（2015—2018年）。分別計算各階段建成區(qū)擴張面積指數(shù)和擴張動態(tài)度，見圖2。研究期內(nèi)，三大城市群城市擴張的規(guī)模結構特征各異，但具有一定的規(guī)律性。

圖2 2003—2018年長江經(jīng)濟帶三大城市群規(guī)模結構演變

階段I，長江三角洲城市群城市土地擴容進入高速增長時期，擴張面積指數(shù)和擴張動態(tài)度處于三大城市群首位。長江中游和成渝城市群城市建成區(qū)擴張面積指數(shù)相對較低，但擴張動態(tài)度高，說明城市建成區(qū)體量雖小，但擴張勢頭劇烈。階段Ⅱ，三大城市群城市均處于低位的擴張時期，擴張面積指數(shù)和擴張動態(tài)度均大幅度下降，其中長江三角洲城市群下降狀態(tài)最為明顯。階段Ⅲ，長江三角洲城市群城市擴張面積指數(shù)雖有所回升，但城市擴張動態(tài)度仍處于持續(xù)下降狀態(tài)。成渝城市群進入城市高速擴張時期，擴張面積指數(shù)和擴張動態(tài)度均居于首位。長江中游城市群城市建成區(qū)擴張面積和動態(tài)度指數(shù)均有所回升，但上升勢頭弱于成渝城市群，處于低速擴張階段。階段Ⅳ，長江三角洲和長江中游城市群城市擴張面積指數(shù)保持穩(wěn)定，成渝城市群城市擴張面積指數(shù)下降明顯。該階段三大城市群城市建成區(qū)擴張動態(tài)度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

研究期內(nèi)長江經(jīng)濟帶三大城市群城市建成區(qū)規(guī)模結構發(fā)展具有一定的規(guī)律性，第Ⅱ階段為三大城市群城市低速擴張時期，第Ⅲ階段除長江三角洲城市群城市擴張動態(tài)度持續(xù)下降外，其他均處于中高速擴張時期。

2.城市景觀格局演變分析

景觀格局分析結果見圖3，圖中A、B、C、D、E分別表示2002年、2006年、2010年、2014年、2018年。建成區(qū)NP分析結果見圖3（a），長江三角洲城市群建成區(qū)NP值均保持在較高水平，表明該城市群城市建成區(qū)的景觀破碎度最高，新增土地呈填充式擴張狀態(tài)。長江中游城市群和成渝城市群城市建成區(qū)在2002—2010年間NP值增速緩慢，2014—2018年間呈明顯增加趨勢，城市發(fā)展由填充式向外延式擴張轉(zhuǎn)變。

圖3 2002—2018年三大城市群建成區(qū)擴張格局指數(shù)變化

研究期內(nèi)長江經(jīng)濟帶三大城市群城市建成區(qū)的LSI均呈增加趨勢，但三大城市群的景觀形狀存在較大差異，見圖3（b）。長江三角洲城市群城市建成區(qū)LSI值始終處于高位穩(wěn)定狀態(tài)，表明該城市群城市內(nèi)部建成區(qū)景觀形態(tài)不規(guī)則且復雜，人類活動對城市擴張有較強干擾性。長江中游城市群和成渝城市群城市建成區(qū)LSI值變化具有明顯的階段性特征，2002—2010年LSI值較低且變化不大，2011—2018年LSI值顯著增加，表明城市擴張形態(tài)逐漸破碎且不規(guī)則，其原因是城市發(fā)展速度不一、規(guī)劃和建設差異等因素影響。

研究期內(nèi)，長江三角洲城市群城市建成區(qū)AI值呈穩(wěn)定上升趨勢，表明該區(qū)域集約化程度高。長江中游城市群和成渝城市群城市建成區(qū)AI值呈先增加后減小的趨勢，表明城市群內(nèi)部穩(wěn)定性降低，景觀異質(zhì)性增強，結構逐漸松散，見圖3（c）。

3.城市擴張時空演變分析

為進一步明晰三大城市群城市建成區(qū)擴張的時空趨勢，利用標準差橢圓計算城市建成區(qū)擴張的變動方向和重心轉(zhuǎn)移路徑，見圖4。

圖4 長江經(jīng)濟帶三大城市群標準差橢圓示意

其中，長三角城市群城市橢圓重心移動路徑為“西—東—西”走向，總體呈現(xiàn)向西分圈層的發(fā)展模式，上海對周邊城市的輻射作用逐步增強，城市間的聯(lián)動發(fā)展狀態(tài)日趨明顯。長江中游城市群橢圓重心移動距離最大，橢圓長短軸差距不明顯，城市擴張沒有表現(xiàn)出明顯的方向特征。該城市群著力于構建以武漢、長沙和南昌三市為核心呈“品”字形的“多中心”發(fā)展模式，“中心”城市主導與“外圍”城市融入的協(xié)調(diào)互補機制。成渝城市群橢圓重心移動距離僅次于長江中游城市群，且橢圓長短軸差距明顯。成渝城市群城市建成區(qū)擴張的整體走向為“西—東（偏南）”，建成區(qū)在地理空間分布的向心力較強。

（二）長江經(jīng)濟帶三大城市群城市擴張驅(qū)動機理

1.城市擴張驅(qū)動因子選取

城市建成區(qū)擴張是城市發(fā)展過程中規(guī)模結構和空間布局變化的綜合反映，受到自然條件、經(jīng)濟發(fā)展、交通布局等多種因素的影響[27]。參考相關研究文獻，選擇自然基底、人口、經(jīng)濟和交通水平4個維度共9項指標為自變量[28]，以城市建成區(qū)擴張率為因變量對三大城市群建成區(qū)擴張驅(qū)動力進行分析，見表3。

表3 變量和指標說明

自然基底維度的指標包括海拔因素（G1）和至河流距離（G2）；人口維度因子選擇年末總?cè)丝谧兓剩≒1）衡量；經(jīng)濟維度以國民生產(chǎn)總值變化率（E1），固定資產(chǎn)投資總額變化率（E2），國民生產(chǎn)總值中二、三產(chǎn)業(yè)比重變化率（E3）和職工平均收入變化率（E4）4個指標表征；交通水平維度通過鐵路客運量變化率（T1）和公路客運量變化率（T2）表征。

2.城市擴張驅(qū)動因素分析

借助地理探測器分別對影響研究區(qū)城市擴張的各項自變量進行因子及交互作用探測，海拔因素對各城市群建成區(qū)擴張驅(qū)動解釋力最弱，圖中未顯示。階段I、Ⅱ，長江三角洲城市群城市擴張的首要驅(qū)動因子為人口規(guī)模（P1），次要驅(qū)動因子分別為至河流距離（G2）、產(chǎn)業(yè)發(fā)展（E3）和投資建設（E2）。階段Ⅲ、Ⅳ，城市擴張主要驅(qū)動因子轉(zhuǎn)變?yōu)橥顿Y建設，其次為人口規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展，見圖5（a）。早期長江三角洲城市群依靠優(yōu)越的地理位置吸引了大量人口聚集，加快了城市產(chǎn)業(yè)建設和經(jīng)濟發(fā)展，產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)規(guī)模擴大需要大量土地資源投入。同時人口匯入擴大了城市的空間承載力，城市需要擴張土地滿足人口增加帶來的住房需求。中后期城市內(nèi)部人口飽和，產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式由早期依賴勞動力轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又?、自動化生產(chǎn)，大量企業(yè)工廠落地建設，刺激城市土地進一步擴張。

長江中游城市群城市建成區(qū)擴張驅(qū)動的經(jīng)濟因素較為顯著，該驅(qū)動力表現(xiàn)為人口因素影響下的經(jīng)濟發(fā)展，表現(xiàn)為該區(qū)域4個階段擴張的首要驅(qū)動因子均為經(jīng)濟維度下的二級指標，分別為產(chǎn)業(yè)發(fā)展（E3）、投資建設（E2）、產(chǎn)業(yè)發(fā)展（E3）和經(jīng)濟發(fā)展（E1），次要驅(qū)動因子為人口規(guī)模，見圖5（b）。該區(qū)域勞動力資源豐富，加之勞動密集型產(chǎn)業(yè)多在此區(qū)域集群，城市擴張多表現(xiàn)為第二、三產(chǎn)業(yè)投資建設帶來的土地利用方式轉(zhuǎn)變。但在第Ⅳ階段，首要驅(qū)動力由產(chǎn)業(yè)發(fā)展和投資建設轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟發(fā)展，表明企業(yè)用地逐步由以往的粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型布局，城市擴張也逐步由傳統(tǒng)的無序擴張轉(zhuǎn)變?yōu)楦呗?lián)動性的有序擴張。

通過圖5（c）可知，第I、Ⅱ階段成渝城市群城市擴張的首要驅(qū)動因子均為交通通達度（T2），次要驅(qū)動因子為至河流距離（G2）和產(chǎn)業(yè)發(fā)展（E3）。階段Ⅲ、Ⅳ，城市擴張主要驅(qū)動因子轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟發(fā)展和居民收入水平，其次為投資建設和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。該城市群處于第一、二階梯的分界處，山體阻擋、江河分割的自然環(huán)境致使城市發(fā)展呈沿江、沿河分布，而非平原地區(qū)“攤大餅”式的連續(xù)擴張。鐵路、公路等交通建設使城市發(fā)展逐步由“條帶狀”分割形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘀行摹⒔M團式”擴張，同時交通系統(tǒng)的完備縮短了各區(qū)域間的時空距離，加快了城市土地向外擴張速度。中后期城市交通體系建設已較為完備，對城市擴張驅(qū)動解釋力逐漸降低，經(jīng)濟要素對城市擴張的影響逐漸增強。經(jīng)濟規(guī)模的擴大一方面會帶來大量投資，提高了二、三產(chǎn)業(yè)用地需求，引起城市土地擴張；另一方面也會促進城市空間形態(tài)和規(guī)模結構的重新整合。

圖5 長江經(jīng)濟帶三大城市群擴張驅(qū)動力探測示意

通過對比三大城市群城市擴張驅(qū)動因子的變化過程，可以得出以下規(guī)律。（1）不同階段城市擴張驅(qū)動因子的影響程度不一，早期驅(qū)動因子的解釋力均較低，且因子所處維度各不相同；中后期驅(qū)動因子的解釋力逐漸增強，并逐步統(tǒng)一為經(jīng)濟維度下的各二級因子，說明經(jīng)濟因素對城市內(nèi)部空間結構整合和外部擴張均起到了關鍵影響。（2）交互探測結果表明，多因子交互作用的解釋力普遍強于單一因子，同一維度的二級因子產(chǎn)生的交互效果解釋力更強，并呈現(xiàn)出雙因子增強和非線性增強的交互效果，表明城市擴張是一個綜合復雜的動態(tài)過程。（3）城市擴張的首要誘因是突破障礙因子，其次通過整合城市內(nèi)部固有資源、吸引人口匯聚等方式促進城市進一步擴張，最后以成熟城市機器體系進行資源再整合，如通過產(chǎn)業(yè)結構升級、土地利用優(yōu)化等方式使城市擴張更具有條理性和科學性。

五 結論與建議

以多源夜光遙感影像為基礎數(shù)據(jù)源，綜合運用景觀格局指數(shù)、地理探測器模型，揭示了長江經(jīng)濟帶三大城市群不同發(fā)展階段城市建成區(qū)外部規(guī)模結構和內(nèi)在驅(qū)動因子的變化，主要結論如下。（1）三大城市群城市擴張的時空分異特征各有差異，長江三角洲城市群城市在第I階段擴張速度最快，其后速度逐漸變緩，該城市群內(nèi)部城市景觀格局較為破碎，城市建成區(qū)集約化程度高；長江中游城市群和成渝城市群城市擴張?zhí)卣鬏^為一致，前期擴張速度較慢，城市形態(tài)較為規(guī)整，中后期擴張速度加快，結構趨于分散。（2）在城市擴張初期階段，驅(qū)動因子分別隸屬于不同維度，其中長江三角洲城市群城市擴張驅(qū)動力最強的因子為人口規(guī)模；長江中游城市群城市擴張的首要驅(qū)動因子由第I階段的投資建設轉(zhuǎn)變?yōu)榈冖螂A段的產(chǎn)業(yè)發(fā)展；成渝城市群城市擴張解釋力最強的驅(qū)動因子為交通通達度。在城市擴張中后期，驅(qū)動因子的解釋力逐漸增強，并逐步統(tǒng)一為經(jīng)濟維度下的各二級因子。（3）城市擴張是多種因素綜合作用的結果，多因子的交互作用的解釋力普遍強于單一因子，并呈現(xiàn)出雙因子增強和非線性增強的交互效果。

參照“城市群內(nèi)部協(xié)調(diào)發(fā)展，區(qū)域間合作共聯(lián)”的發(fā)展思路，為長江經(jīng)濟帶三大城市群區(qū)域發(fā)展提出以下建議。（1）區(qū)域發(fā)展應合理考慮城市群發(fā)育程度差異，在空間上處理好上、中、下游的產(chǎn)業(yè)分布，合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移路徑。（2）應合理考量各發(fā)展階段的城市規(guī)劃政策，規(guī)避城市間產(chǎn)業(yè)結構趨同、資源供需不平衡等問題。