基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的新疆城鎮(zhèn)化進(jìn)程研究

陳 瑞，王一山

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046）

城鎮(zhèn)化是衡量一個(gè)地區(qū)社會生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)水平、人口及土地利用的綜合指標(biāo)［1］。改革開放后中國經(jīng)濟(jì)飛速增長，人口由農(nóng)村向城鎮(zhèn)集中，城市作為發(fā)展的中心，不斷擴(kuò)張發(fā)展［2］。許多學(xué)者從中國城鎮(zhèn)化政策、特征、動(dòng)力機(jī)制和空間分布等方面對城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)行了研究，其中應(yīng)用遙感手段對城鎮(zhèn)化監(jiān)測已成為主要研究方法之一［3-5］。

新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)，其面積占全國國土總面積的1/6，已有許多學(xué)者展開對新疆城鎮(zhèn)化水平及發(fā)展進(jìn)程的分析與討論［6-12］。安曉亮［7］、呂賓等［8］、李雪梅等［9］利用社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源分布、社會發(fā)展等諸多層面探討新疆城市化指標(biāo)體系建設(shè)，剖析了新疆城鎮(zhèn)化水平的制約因素及所處階段，從不同層面上衡量了新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平及驅(qū)動(dòng)因素。王長建等［10，11］、林紫榮等［12］以新疆區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征對城鎮(zhèn)化的影響展開研究，探究了城市化與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。通過不同維度對新疆的城市化進(jìn)程展開探討，能較為清晰地展示出不同驅(qū)動(dòng)因素對新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響。但僅通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，空間表達(dá)能力較差，且存在數(shù)據(jù)量大、易缺失等問題，無法準(zhǔn)確描述城鎮(zhèn)化在時(shí)間序列上的空間擴(kuò)展及變化趨勢。部分學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法開展城鎮(zhèn)化研究，但受到較高精度的遙感影像幅寬限制，僅對部分城市或區(qū)域進(jìn)行了分析探討［13-15］，對于新疆整體區(qū)域的城鎮(zhèn)化分析和區(qū)域性對比并沒有詳細(xì)分析，因此選取一個(gè)對新疆城鎮(zhèn)化整體性分析較為實(shí)用的遙感影像數(shù)據(jù)是必要的。

新疆大部分區(qū)域?yàn)闊o人居住區(qū)域，相較中國東部地區(qū)城市密度較低。普通的遙感影像雖能夠?qū)Τ擎?zhèn)面積、分布進(jìn)行提取，但對于城市離散程度較高、面積較大的新疆，普通光學(xué)遙感影像易受天氣、幅寬、存儲量限制，對新疆整體城鎮(zhèn)區(qū)域提取存在諸多不便。由美國國防部極軌衛(wèi)星項(xiàng)目研發(fā)的美國軍事氣 象 衛(wèi) 星（DMSP，Defense Meteorological Satellite Program）負(fù)載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)（OLS，Operational Linescan System）獲取的全球DMSP/OLS夜間燈光遙感影像具有時(shí)間跨度長、影像圖幅大，僅區(qū)分燈光區(qū)域及非燈光區(qū)域，能夠有效去除城市區(qū)域提取的干擾因素，凸顯城市區(qū)域，已被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)化監(jiān)測研究［16-20］。何春陽等［16］利用1992、1996、1998年3期夜間燈光數(shù)據(jù)，提取了環(huán)渤海區(qū)域20世紀(jì)90年代的城市空間特征信息，并通過夜間燈光斑塊數(shù)量、破碎度，分析了環(huán)渤海地區(qū)在20世紀(jì)90年代的城市化過程。此外，借助夜間燈光數(shù)據(jù)對中國大陸的城鎮(zhèn)化過程進(jìn)行重建，彌補(bǔ)了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺失的缺陷，證明了DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)在重建過程中的準(zhǔn)確性［17］。卓莉等［18］基于夜間燈光數(shù)據(jù)，在對城市空間擴(kuò)展類型的劃分及識別問題上，提出了燈光強(qiáng)度提取城市擴(kuò)展類型及識別方法，實(shí)現(xiàn)了大尺度的快速識別。徐夢潔等［19］通過夜間燈光數(shù)據(jù)及長江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口、土地利用等因素建立城市化水平指數(shù)，對其研究區(qū)域內(nèi)城市擴(kuò)張類型、擴(kuò)張模式、擴(kuò)張差距進(jìn)行了探究。馬廷［20］通過對夜間燈光數(shù)據(jù)的面積、亮度、時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)、空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和空間擴(kuò)展速度對中國1992—2013年城鎮(zhèn)化進(jìn)行綜合性評價(jià)。這些學(xué)者利用夜間燈光數(shù)據(jù)對城市進(jìn)行分析、應(yīng)用，證實(shí)了夜間燈光數(shù)據(jù)在城鎮(zhèn)化區(qū)域提取上是一種優(yōu)秀的數(shù)據(jù)源，尤其對城市分布分散、區(qū)域總體面積較大、非城鎮(zhèn)區(qū)域面積較多的新疆來說，夜間燈光數(shù)據(jù)對城鎮(zhèn)區(qū)域的提取效果是尤為顯著的。此外，在利用夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行研究時(shí)，多數(shù)學(xué)者主要以全國性綜合評價(jià)或中國東部發(fā)達(dá)城市為分析切入點(diǎn)，缺少對西部欠發(fā)達(dá)區(qū)域的探討。

因此，本研究提出一種基于新疆自然資源分布、以DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對新疆城鎮(zhèn)化進(jìn)程及區(qū)域性差異進(jìn)行研究的“象限4分法”。將新疆南北區(qū)域以“天山山脈”劃分、東西區(qū)域依據(jù)鄧銘江院士提出的西北水三線中劃分新疆水資源分布的“奇策線”劃分［21］，得出4個(gè)象限。在對新疆城鎮(zhèn)化進(jìn)程分析的同時(shí)，對比受到不同程度自然資源限制的4個(gè)象限城鎮(zhèn)化進(jìn)程的差異。對研究區(qū)1992—2013年的城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析，在時(shí)間序列上比較不同時(shí)期新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，在空間分布上對比4個(gè)象限城鎮(zhèn)化進(jìn)程的具體差異。探究不同區(qū)域、受不同環(huán)境條件限制下的新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展的區(qū)域差異，為新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展及西北地區(qū)部分省份城鎮(zhèn)化發(fā)展模式提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于中國西北、亞歐大陸腹地，地處73°40′E—96°18′E，34°25′N—48°10′N，是中國陸地邊界最長、面積最大的省份，面積約為166萬km2，約占全國面積的1/6，有著獨(dú)特的“三山夾兩盆”的地形地貌，擁有全國最大的流動(dòng)性沙漠和半固定沙漠，屬于典型的溫帶大陸性氣候。新疆地域遼闊，資源優(yōu)勢得天獨(dú)厚，有著豐富的光、熱、風(fēng)、土及礦產(chǎn)資源。由于氣候、地形及地理區(qū)位的影響，全區(qū)干旱少雨，降水分布不均衡，植被覆蓋率低，可利用耕地面積少。新疆水資源短缺，城市的發(fā)展大多依附綠洲，形成了獨(dú)特的綠洲城市生態(tài)，但由于綠洲生態(tài)環(huán)境脆弱，城市發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。改革開放以來新疆經(jīng)濟(jì)飛速增長，特別是實(shí)行西部大開發(fā)，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)良好態(tài)勢，但總體經(jīng)濟(jì)在全國仍處于相對落后狀態(tài)［2］。新疆面積較大，各區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展水平不均衡，鄧銘江院士按照新疆水資源、人口分布特點(diǎn)，以奇臺縣和策勒縣連線，簡稱奇策線，將新疆劃分為面積大致相等、水資源差異較大的東西2部分（圖1）［21］。奇策線之于新疆如胡煥庸線之于中國，胡煥庸線是中國人口密度及自然生態(tài)的分界線［22］，奇策線則是新疆水資源、經(jīng)濟(jì)、人口的分界線，2條分界線大致平行［21］。存在差異的是胡煥庸線東南一側(cè)擁有中國大部分的人口與經(jīng)濟(jì)，奇策線則是西北一側(cè)擁有新疆大部分的人口與經(jīng)濟(jì)［23］。與中國東部地區(qū)相比，新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展時(shí)間相對滯后，基礎(chǔ)較為薄弱。在以天山山脈為分界線劃分新疆南北區(qū)域的基礎(chǔ)上，采用奇策線劃分東西區(qū)域，對新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域性差異研究提供了新思路和新方向。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的DMSP/OLS數(shù)據(jù)集來自美國國家海洋與大氣管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）下屬的美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心（NGDC，National Geophysical Data Center）。該數(shù)據(jù)集包含了1992—2013年多個(gè)DMSP衛(wèi)星傳感器獲取的共34期影像，所有影像均可在NGDC的官方 網(wǎng) 站（https：//ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/down-load V4composites.html）下載［24］。選取的DMSP/OLS數(shù)據(jù)集中了全球年平均的穩(wěn)定燈光影像，該影像去除了光火、油氣燃燒等短暫光源的影響，只包含了城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等持久的光源。影像的參考系為WGS-84坐標(biāo)系，幅寬為3 000 km2，空間分辨率為30″秒。DN表示影像的燈光強(qiáng)度的大小，像元DN為1～63的區(qū)域表示人類夜間活動(dòng)區(qū)域，對應(yīng)像元的DN越大，表示該地區(qū)燈光強(qiáng)度值越大，DN為0則表示為無燈光區(qū)域［24］。

研究區(qū)的空間分析矢量數(shù)據(jù)來自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)的1∶100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采用2000國家大地坐標(biāo)系（下載地址：http：//www.webmap.cn/）。

2 研究方法

2.1 DMSP/OLS夜間燈光影像的預(yù)處理及校正

2.1.1 數(shù)據(jù)的重采樣與裁剪DMSP/OLS夜間燈光影像的影像范圍為全球，影像的網(wǎng)格會隨著緯度的增大而減小，為避免影像變形對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，需要對影像進(jìn)行重采樣，因此將所有影像的投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為蘭伯特等面積投影，空間分辨率統(tǒng)一為1 km2［24，25］。對影像進(jìn)行重采樣之后利用研究區(qū)矢量邊界對影像進(jìn)行裁剪，得到每年不同傳感器的研究區(qū)夜間燈光影像。

2.1.2 夜間燈光數(shù)據(jù)的過飽和校正及連續(xù)性校正

對影像進(jìn)行基本的預(yù)處理操作后，對研究區(qū)1992—2013年F10～F18傳感器原始燈光影像DN大于0的像元數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出：①同一年份不同傳感器獲取的像元總數(shù)不相等。②不同傳感器在不同年份獲取的像元總數(shù)不符合客觀的增長規(guī)律，具體表現(xiàn)為隨著年份的增加，像元總體數(shù)量呈現(xiàn)忽高忽低的態(tài)勢。③同一傳感器在獲取連續(xù)年份數(shù)據(jù)時(shí)像元數(shù)量出現(xiàn)較大的波動(dòng)（圖2）。由于這些問題的存在，DMSP/OLS數(shù)據(jù)不能直接使用，還需要對燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正和連續(xù)性校正，通過對燈光數(shù)據(jù)的處理，可以在一定程度上削弱這些問題在數(shù)據(jù)使用分析上造成的影響。

圖2 1992—2013年新疆校正前夜間燈光數(shù)據(jù)

本研究基于不變目標(biāo)區(qū)域法［26］，對研究區(qū)1992—2013年的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。黑龍江省雞西市在1992—2013年的變化相對穩(wěn)定且雞西市像元DN分布較廣，包含了從低到高的大部分像元，能夠保證模型相互校正的精度，雞西市1992年原始夜間燈光影像與2013年的夜間燈光影像之間有很好的相關(guān)性，故選擇雞西市為不變目標(biāo)區(qū)域（圖3）。

圖3 黑龍江省雞西市1992年F10與2013年F18傳感器夜間燈光像元DN的相關(guān)關(guān)系

在確定不變目標(biāo)區(qū)域后，選擇了像元數(shù)量平穩(wěn)且未發(fā)生突變的2009年F16作為參考影像，基于參考影像對研究區(qū)不同傳感器不同年份獲取的影像分別進(jìn)行校正。本研究選用二次多項(xiàng)式方程建立校正模型［27］，通過回歸分析，二次多項(xiàng)式的R2都在0.8以上，表示相關(guān)性較好。二次多項(xiàng)式方程為：

式中，DNCal表示校正后影像的像元值；DN表示待校正影像的像元值；a變量表示二次項(xiàng)系數(shù)；b變量表示一次項(xiàng)系數(shù)；c變量表示常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。

DMSP/OLS不同傳感器存在差異，且在獲取影像的過程中會產(chǎn)生各種偶然誤差，不同傳感器同一年獲取的影像像元總數(shù)和對應(yīng)像元的DN存在差異。因此，需要對不同傳感器的同年度的夜間燈光影像進(jìn)行相互校正。校正公式為：

式中，DN(n,i)表示校正后第n年i位置處的像元表示a傳感器在第n年獲取的位置i處的像元表示b傳感器在第n年獲取的位置i處的像元DN；n=1992，1993，1994，…，2013。

DMSP/OLS原始數(shù)據(jù)存在較大的數(shù)據(jù)波動(dòng)，不僅在不同傳感器之間，同一傳感器連續(xù)年份也存在數(shù)據(jù)波動(dòng)（圖2）。1992—2013年新疆燈光像元總數(shù)呈現(xiàn)出隨年份遞增的狀態(tài)。對不同年份的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性校正，遵循以下原則：①穩(wěn)定性原則。前一年存在的像元也應(yīng)在后一年持續(xù)存在。②增長性原則。相同位置的像元DN應(yīng)滿足后一年大于前一年。根據(jù)以上原則得出連續(xù)性校正公式為：

式中，DN(n-1,i)表示第n-1年，位置i處像元的DN；DN(n+1,i)表示第n+1年，位置i處像元的DN。

不變目標(biāo)區(qū)域法是在連續(xù)多時(shí)相夜間燈光遙感影像中提取相對穩(wěn)定區(qū)域的像元，對不同時(shí)相的穩(wěn)定區(qū)域燈光像元構(gòu)建函數(shù)關(guān)系，通過函數(shù)關(guān)系對整體影像進(jìn)行校正，得到相對穩(wěn)定的夜間燈光影像。在得到相對穩(wěn)定燈光像元的基礎(chǔ)上，利用前一年燈光影像范圍和像元DN不大于后一年的原則，對影像連續(xù)性進(jìn)行校正。經(jīng)過對影像飽和校正和連續(xù)性校正后得到了研究區(qū)穩(wěn)定夜間燈光影像（圖4）。

圖4 1992—2013年校正后新疆夜間燈光數(shù)據(jù)

2.2 城鎮(zhèn)燈光閾值確定

由于夜間燈光存在溢出效應(yīng)，校正后夜間燈光數(shù)據(jù)需要進(jìn)行閾值分割，將真實(shí)的夜間城鎮(zhèn)燈光數(shù)據(jù)與溢出像元值區(qū)分開，進(jìn)一步提高夜間燈光數(shù)據(jù)質(zhì)量［28，29］。對夜間燈光數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)區(qū)域提取主要有4種方法，分別是經(jīng)驗(yàn)閾值法［30］、突變檢測法［31］、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法［17］及較高分辨率影像空間比較法［32］。新疆幅員遼闊，不同區(qū)域城鎮(zhèn)化水平差異較大，上述方法對新疆城鎮(zhèn)區(qū)域提取存在適用性問題，難以提取城鎮(zhèn)化水平較低區(qū)域。本研究通過對研究區(qū)不同年份像元的DN分布狀況、不同類型及不同區(qū)域城鎮(zhèn)周邊進(jìn)行色彩填充，對城鎮(zhèn)燈光閾值進(jìn)行了確定。

分別選取1992、2002、2008、2010年4年不同傳感器獲取的夜間燈光遙感影像，對每年研究區(qū)的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行DN提取，得到DN分布的柱狀趨勢（圖5）。通過圖像可以看出，不同傳感器獲取的夜間燈光影像的DN分布是較為相似的，都呈先增高后降低的趨勢；隨著年份的增加，像元的總數(shù)數(shù)量級雖然在提升，但像元分布的變化趨勢沒有改變；影像像元的DN不存在低于3的部分，且DN在3～7時(shí)增長幅度大，達(dá)到了頂點(diǎn)，隨后隨著DN的增大像元數(shù)量不斷減少。由于低值像元是高值像元的基礎(chǔ)，低值像元數(shù)量應(yīng)較多，高值較少。

圖5 新疆夜間燈光影像DN分布

為了進(jìn)一步確定劃分城鎮(zhèn)閾值的DN，分別對研究區(qū)內(nèi)不同城市邊界夜間燈光影像DN較低的像元進(jìn)行色彩填充，通過對影像的直接目視，解譯不同年份研究區(qū)燈光像元的DN分布數(shù)據(jù)得出最終的城市燈光閾值。對夜間燈光影像城市閾值確定時(shí)，在研究區(qū)內(nèi)選擇不同類型的典型城市，綜合考慮兵團(tuán)城市、資源型城市、首府城市、南疆典型城市，分別選取奎屯、克拉瑪依、烏魯木齊、喀什4個(gè)城市為研究對象。在此基礎(chǔ)上對每個(gè)城市像元DN在4～8的像元進(jìn)行色彩填充，不同城市DN分級情況見圖6。

從圖6可以看出，DN為6的藍(lán)色像元零散分布在城市周邊、城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)連接道路附近，且連續(xù)性不強(qiáng)。DN為7的褐色像元分布于城市周邊，呈環(huán)形圍繞整個(gè)城市均勻分布，因此DN為7可以看作是城市外圍。此外，基于不同年份像元DN分布柱狀圖5得出的城市DN閾值為5～8，像元DN為7是一個(gè)比較合理的提取新疆城鎮(zhèn)燈光像元閾值，DN大于等于7視為城市燈光閾值，像元DN小于7則作為非城市像元。

圖6 新疆不同城市DN分級

2.3 城鎮(zhèn)化燈光指數(shù)分析

在對城鎮(zhèn)燈光閾值確定的基礎(chǔ)上對新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域進(jìn)行了整體提取，利用燈光指數(shù)對新疆不同年份城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)行分析。主要包括幾個(gè)常用的燈光指數(shù)：城鎮(zhèn)燈光像元總數(shù)量（TDN）、城鎮(zhèn)燈光總亮度值（TNL）、平均燈光強(qiáng)度（DNmean）。

城鎮(zhèn)燈光像元總數(shù)量：

式中，TDN表示燈光像元總數(shù)量；DNmax變量表示燈光亮度的最大值；DNmin變量表示燈光亮度的最小值；Ni表示對應(yīng)亮度值的像元數(shù)量。

城鎮(zhèn)燈光總亮度值：

式中，TNL表示燈光總強(qiáng)度；DNi變量表示像元亮度值。

平均燈光強(qiáng)度：

式中，DNmean表示燈光強(qiáng)度的平均值。

2.4 象限4分法分析

新疆面積遼闊，占全國面積的1/6，自然環(huán)境及資源區(qū)域性差異較大，不同區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展?fàn)顩r也不盡相同。在對新疆進(jìn)行城鎮(zhèn)化進(jìn)程研究的同時(shí)，應(yīng)考慮到區(qū)域發(fā)展的不協(xié)調(diào)、不均衡性。為充分比較不同區(qū)域城鎮(zhèn)化的差異，提出“象限4分法”對新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢及區(qū)域性差異進(jìn)行分析。其中，天山以北，奇策線東西兩側(cè)分別為第一、第二象限；天山以南，奇策線東西兩側(cè)分別為第四象限及第三象限，具體區(qū)域劃分情況見圖7。

圖7 新疆象限4分法區(qū)域劃分

以天山山脈為分界線，第一象限及第二象限的綜合自然環(huán)境優(yōu)于第三、第四象限。第二、第三象限在水資源分布上優(yōu)于第一、第四象限。第一象限以哈密市為代表，礦產(chǎn)資源豐富，耕地面積較少，水資源較少且分布不均，主要支柱產(chǎn)業(yè)為第二、第三產(chǎn)業(yè)。第二象限以天山北坡城市群為代表，該象限區(qū)域內(nèi)水資源豐富，集聚了新疆大部分人口，城鎮(zhèn)數(shù)量眾多、產(chǎn)業(yè)發(fā)展均衡、城鎮(zhèn)化水平較高。第三象限水資源優(yōu)于第一、第四象限，主要支柱產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)，人口稠密，集中分布在水源豐富區(qū)域。第四象限自然環(huán)境惡劣、水資源總量匱乏，人口數(shù)量較少，主要支柱產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)水平差，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城鎮(zhèn)化發(fā)展嚴(yán)重受水資源限制。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆總體城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程分析

為驗(yàn)證提取城鎮(zhèn)燈光準(zhǔn)確性，參考1990年新疆土地利用分類產(chǎn)品數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為4 630 km2，城鎮(zhèn)燈光提取面積為4 867 km2，誤差為4.8%；參考《新疆維吾爾自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃（1997—2010年）》，1996年新疆城鎮(zhèn)村及工礦用地總面積為8 680 km2，提取城鎮(zhèn)夜間燈光面積為7 975 km2，誤差為8.8%。提取的F10～F16傳感器在1992—2009年燈光面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)誤差較小，提取的F18傳感器在2010—2013年城鎮(zhèn)夜間燈光面積遠(yuǎn)高于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，較低的燈光閾值無法準(zhǔn)確獲取2010—2013年城鎮(zhèn)燈光面積，因傳感器自身原因?qū)е芦@取的影像DN偏高，獲取的燈光面積與其他傳感器相比差距較大（圖2）。因此，參考《新疆維吾爾自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）》中2014年新疆建設(shè)用地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)，其中建設(shè)用地面積為15 241 km2，占新疆土地總面積的0.93%，對2013年城鎮(zhèn)夜間燈光提取閾值重新劃定，調(diào)整后2013年城鎮(zhèn)夜間燈光面積為15 443 km2，誤差為1.2%?；谶B續(xù)校正對城鎮(zhèn)燈光面積重新提取，得到1992—2013年連續(xù)時(shí)間段的新疆夜間燈光數(shù)據(jù)。

基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)校正后的夜間燈光數(shù)據(jù)對新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)行分析，不僅能通過較為準(zhǔn)確的城鎮(zhèn)面積變化對城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)行評價(jià)，而且能在空間上更為直觀體現(xiàn)城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)張方向及區(qū)域。此外，夜間燈光數(shù)據(jù)在描繪城鎮(zhèn)空間變化的同時(shí)，基于夜間燈光的燈光強(qiáng)度能對區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展水平進(jìn)行評估，在城鎮(zhèn)面積變化的基礎(chǔ)上，能對城鎮(zhèn)發(fā)展水平在空間上縱向發(fā)展水平進(jìn)行比較。

由于新疆的城市分布不均，發(fā)展速率不一，為直觀顯示夜間燈光影像的擴(kuò)張趨勢及變化，取相等時(shí)間間隔，對新疆不同時(shí)期的區(qū)域進(jìn)行城鎮(zhèn)區(qū)域提取，通過疊加分析并制作三色圖（圖8）。從圖8可以直觀發(fā)現(xiàn)，新疆城鎮(zhèn)化主要區(qū)域在西北、東南區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展相對較慢。1992年新疆城鎮(zhèn)區(qū)域的范圍較小，城鎮(zhèn)面積僅為4 867 km2，表明1992年前的新疆城鎮(zhèn)化基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展較慢；1992—2002年增長的城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)?992年已有城鎮(zhèn)區(qū)域周邊，較1992年有了一定增長，增長面積5 204 km2；2002—2013年新疆城鎮(zhèn)面積持續(xù)擴(kuò)張，增長面積5 372 km2，不僅分布在2002年已有的城鎮(zhèn)周邊區(qū)域，且零散分布在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)。

圖8 1992—2013年新疆夜間燈光變化動(dòng)態(tài)

新疆城鎮(zhèn)面積在20年內(nèi)持續(xù)增長，為衡量城鎮(zhèn)發(fā)展的質(zhì)量是否也隨之提升，分析了新疆燈光像元值總數(shù)TNL和城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度DN均值的變化，具體情況見圖9。研究發(fā)現(xiàn)，新疆夜間燈光像元值總和與面積都呈增長趨勢，DN均值主要分布在20～35，其主要原因是新疆夜間城鎮(zhèn)發(fā)展的高值燈光區(qū)域較少，城鎮(zhèn)燈光DN大部分集中在低值區(qū)間。對城鎮(zhèn)燈光的統(tǒng)計(jì)分析顯示，新疆城鎮(zhèn)夜間燈光TNL及城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度由1992年的93 882和19.2增長至2013年的549 250和35.5，22年新疆城鎮(zhèn)面積增長10 576 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度增長16.3。結(jié)果表明，1992—2013年新疆城鎮(zhèn)面積逐年增長的同時(shí)，城鎮(zhèn)發(fā)展質(zhì)量也在逐年提高。

圖9 1992—2013年新疆城鎮(zhèn)燈化像元總值年際變化（a）、TNL與DN均值年際變化（b）情況

3.2 新疆城鎮(zhèn)化分區(qū)對比分析

新疆幅員遼闊，不同區(qū)域的城鎮(zhèn)化水平也各不相同，為了充分對比不同區(qū)域的城鎮(zhèn)化水平，按照自然分界線天山，將新疆劃分為南疆和北疆。對比分析新疆2013年城鎮(zhèn)區(qū)域發(fā)展差異，南疆城鎮(zhèn)化水平與北疆城鎮(zhèn)化水平相比較低，夜間燈光在體現(xiàn)南北疆城鎮(zhèn)化差異的同時(shí)也客觀反映了南疆、北疆的地貌與環(huán)境：北疆城鎮(zhèn)燈光像元主要沿天山北坡呈帶狀分布，城鎮(zhèn)分布相對較均勻（圖10a）；南疆城鎮(zhèn)燈光像元呈環(huán)狀分布，受自然環(huán)境影響，城鎮(zhèn)主要分布在水源充足的盆地周邊，總體呈環(huán)狀分布（圖10b）。新疆作為干旱區(qū)，水資源多寡限制了城市的發(fā)展和擴(kuò)張，將新疆按照奇策線劃分為水資源較為豐富的西疆和水資源匱乏的東疆，分析水資源對新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的影響。在水資源分布較為豐富的西疆，燈光像元數(shù)量占有絕對優(yōu)勢（圖10c）。東疆由于水資源匱乏，城鎮(zhèn)燈光像元呈零散分布，且城鎮(zhèn)燈光面積較小（圖10d）。

圖10 2013年新疆區(qū)域燈光分布情況

在區(qū)域的空間對比分析上（表1），新疆城鎮(zhèn)燈光像元數(shù)量和城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度均呈現(xiàn)北疆高于南疆、西疆高于東疆的特點(diǎn)。1992年，南疆、北疆城鎮(zhèn)面積分別為1 018 km2和3 849 km2，南疆、北疆差值為2 831 km2。2013年南疆、北疆城鎮(zhèn)燈光面積分別為5 697 km2和9 746 km2，南疆、北疆差值為4 049 km2，差距不斷增大。對比分析1992—2013年東疆、西疆2區(qū)域城鎮(zhèn)燈光面積，城鎮(zhèn)面積差值由1992年的3 689 km2增長到2013年的11 329 km2，其中東疆21年間城鎮(zhèn)燈光面積僅增長了1 468 km2。

表1 新疆不同區(qū)域燈光像元面積關(guān)系

1992年南疆、北疆城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別為18.5、19.5，2013年城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別增長至34.0和36.5。在此期間，南疆、北疆的城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度逐年增長，且北疆的燈光強(qiáng)度高于南疆。東疆、西疆在1992年城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別為16.0、19.7，在2013年城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別增長至34.8、35.7。綜合對比分析南疆、北疆，東疆、西疆在1992—2013年城鎮(zhèn)面積及城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度的變化趨勢，各區(qū)域均呈增長態(tài)勢。在2013年北疆城鎮(zhèn)面積及城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度均高于南疆，西疆城鎮(zhèn)面積及城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度均高于東疆。此外，東疆、西疆的區(qū)域面積的差值、比值高于南疆、北疆，表明奇策線與天山山脈相比劃分新疆城鎮(zhèn)化水平效果更為顯著。

3.3 新疆象限4分法局部差異性對比分析

為充分探討新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程在時(shí)間空間上的變化特征，本研究在對新疆整體研究的基礎(chǔ)上，提出了象限4分法分區(qū)域進(jìn)行討論。在時(shí)間序列上將1992—2013年等分為4個(gè)時(shí)間段，分別為1992—1997年、1998—2002年、2003—2008年、2009—2013年，探討在相同時(shí)間不同象限的城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程及區(qū)域性發(fā)展差異?？臻g上，象限4分法以天山山脈為橫軸、奇策線為縱軸將新疆劃分為4個(gè)象限（圖11、圖12）：第一象限主要包括哈密地區(qū)、吐魯番地區(qū)；第二象限主要包括阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、昌吉回族自治州、博爾塔拉蒙古自治州、伊犁哈薩克自治州、烏魯木齊市及克拉瑪依市；第三象限主要由阿克蘇地區(qū)、和田部分區(qū)域、喀什地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州組成；第四象限為且末縣、若羌縣、民豐縣、于田縣、尉犁縣等縣級行政區(qū)域。

第一象限位于天山北部、奇策線東部，以哈密市為代表，其區(qū)域內(nèi)還包含伊吾縣、奇臺縣、鄯善縣等縣級行政區(qū)域。在第一象限區(qū)域內(nèi)，1992—2002年城鎮(zhèn)分布整體區(qū)域夜間燈光斑塊相對分散，同一行政區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)像元分布集中于該行政區(qū)域的行政中心，且規(guī)模較?。▓D11a）。1992—2002年第一象限城鎮(zhèn)區(qū)域增長平緩，城鎮(zhèn)分布狀態(tài)沒有發(fā)生明顯變化，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度由16.7增長至21.6。在2003—2013年城鎮(zhèn)燈光像元面積（表2）及燈光強(qiáng)度進(jìn)一步增長，城鎮(zhèn)燈光面積增長了474 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度增長至32.7，表明第一象限城鎮(zhèn)發(fā)展水平逐漸提高。此外，巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣等縣級行政區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)像元很少，凸顯出第一象限內(nèi)部分城鎮(zhèn)發(fā)展水平較低，象限內(nèi)不同行政區(qū)域內(nèi)仍存在差異（圖12a）。

第二象限位于天山北部、奇策線西部，以天山北坡城市群為代表，包含伊犁、塔城、阿勒泰等地區(qū)。1992年第二象限內(nèi)城鎮(zhèn)像元主要分布在各級行政區(qū)域內(nèi)行政中心及主要城鎮(zhèn)，各行政區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)化規(guī)模較小，城鎮(zhèn)面積為3 331 km2（表2），城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度為19.9，城鎮(zhèn)區(qū)域主要分布于以烏魯木齊市為代表的天山北坡城市群，城鎮(zhèn)分布呈以天山北坡城市群為帶的均勻分布。1992—2002年第二象限城鎮(zhèn)區(qū)域面積擴(kuò)張至6 107 km2（表2），城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度增長至21.6。2003—2013年第二象限區(qū)域城鎮(zhèn)發(fā)展水平顯著提高，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度增長至35.1，城鎮(zhèn)化面積擴(kuò)張至8 218 km2，中小城鎮(zhèn)面積增加，城鎮(zhèn)呈點(diǎn)狀均勻分布于各級行政區(qū)域（圖11b、圖12b）。

圖11 1992—2002年新疆城鎮(zhèn)夜間燈光面積變化

圖12 2002—2013年新疆城鎮(zhèn)夜間燈光面積變化

第三象限位于天山南部、奇策線以西，主要由阿克蘇地區(qū)、和田部分區(qū)域、喀什地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州組成。區(qū)域內(nèi)主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，城鎮(zhèn)化水平低于第二象限，農(nóng)業(yè)發(fā)展受水資源限制，導(dǎo)致其城鎮(zhèn)分散，區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)離散程度高。1992年第三象限城鎮(zhèn)燈光面積為947 km2（表2），城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度為19.0，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度主要分布于各行政區(qū)域的行政中心，1992—2002年其城鎮(zhèn)燈光面積增長至2 646 km2，平均燈光強(qiáng)度增長較少，僅增長至20.3。在2003—2013年城鎮(zhèn)燈光像元面積增長至5 168 km2（表2），城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度增長為32.0，城鎮(zhèn)區(qū)域主要以原有城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，向周邊區(qū)域擴(kuò)散，新增長的燈光像元主要沿交通干線擴(kuò)張，串聯(lián)第三象限各行政區(qū)域（圖11c、圖12 c）。

第四象限位于天山以南、奇策線以西，自然環(huán)境惡劣，主要包含且末縣、若羌縣、民豐縣、于田縣、尉犁縣等縣級行政區(qū)域。環(huán)境資源嚴(yán)重制約了區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)化發(fā)展，其區(qū)域受自然環(huán)境影響，城鎮(zhèn)化基礎(chǔ)薄弱、發(fā)展水平很低，從表2可以看出，1992年城鎮(zhèn)區(qū)面積僅為71 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度僅為10.5，2013年城鎮(zhèn)化面積增長為529 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度提升至28.7。在此期間，城鎮(zhèn)面積僅分布于縣級行政中心，城鎮(zhèn)擴(kuò)張面積僅在原有城鎮(zhèn)周邊，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度逐漸提高（圖11d、圖12d）。

表2 1992—2013年不同象限新疆城鎮(zhèn)區(qū)域面積變化（單位：km2）

新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平差異較大，區(qū)域性差異明顯，嚴(yán)重受自然環(huán)境及水資源分布限制。利用象限4分法對新疆城鎮(zhèn)化進(jìn)行空間對比分析，能更加細(xì)致地區(qū)分新疆城鎮(zhèn)化水平區(qū)域性差異（圖13、圖14）。從圖13可以看出，第一象限水資源較少，城鎮(zhèn)發(fā)展較為緩慢；第二象限資源較為豐富，城鎮(zhèn)發(fā)展受資源制約較低，區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)分布以天山北坡城市群為帶，城鎮(zhèn)發(fā)展迅速；第三象限主要以農(nóng)業(yè)為主，城鎮(zhèn)分布分散，城鎮(zhèn)化水平僅次于第二象限；第四象限受資源限制嚴(yán)重，水資源分布少，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)差，城鎮(zhèn)化發(fā)展緩慢。對不同象限城鎮(zhèn)燈光像元總數(shù)對比分析，第二象限在1992年的發(fā)展水平相較于其他象限較高，且隨著時(shí)間增加，與第一、第四象限城鎮(zhèn)化水平及第三象限差距也不斷加大。從圖14可以看出，第一、第四象限城鎮(zhèn)化發(fā)展水平相較于其他象限發(fā)展水平較低，城鎮(zhèn)面積增速較慢。第一、第二、第三、第四象限城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度由1992年的16.7、19.9、19.0和10.5分別增長至2013年的32.7、35.1、32.0和28.7，各象限城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度都有所提升。綜合比較城鎮(zhèn)面積及城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度，新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平從高到低排序依次為第二象限、第三象限、第一象限、第四象限。

圖13 不同象限新疆城鎮(zhèn)燈光像元總數(shù)變化趨勢

圖14 不同象限新疆城鎮(zhèn)燈光像元DN均值變化趨勢

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究基于校正后的新疆DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，提取新疆夜間城鎮(zhèn)燈光區(qū)域，對新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展從整體-部分-局部展開分析，采用“象限4分法”對新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域性差異進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論。

1）通過對新疆城鎮(zhèn)夜間燈光的提取分析，新疆城鎮(zhèn)化水平在1992—2013年不斷提高，在此期間城鎮(zhèn)面積增長穩(wěn)定，城鎮(zhèn)燈光面積由4 867 km2擴(kuò)張至15 443 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度由1992年的19.2增長至2013年的35.5。通過對新疆城鎮(zhèn)化分析能掌握新疆城鎮(zhèn)化水平的總體發(fā)展趨勢，但難以展現(xiàn)城鎮(zhèn)化區(qū)域性差異。

2）以天山山脈、奇策線為分界線進(jìn)行城鎮(zhèn)化分析，新疆城鎮(zhèn)化水平具有北疆高于南疆、西疆高于東疆的特點(diǎn)。南疆、北疆在1992—2013年城鎮(zhèn)面積增長分別為4 679 km2和5 897 km2，東疆、西疆在1992—2013年城鎮(zhèn)面積增長分別為1 468 km2和9 108 km2。東疆、西疆城鎮(zhèn)化差異高于南疆、北疆，表明“奇策線”與天山山脈相比，對劃分新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展水平效果更為顯著。

3）基于象限4分法對新疆區(qū)域城鎮(zhèn)化水平進(jìn)行對比分析，在天山山脈、奇策線劃分新疆城鎮(zhèn)的基礎(chǔ)上，細(xì)化了新疆區(qū)域城鎮(zhèn)化水平差異。1992年第一、第二、第三、第四象限的城鎮(zhèn)面積分別為518、3 331、947、71 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別為16.7、19.9、19.0、10.5；1992—2013年 城 鎮(zhèn) 面 積 分 別 增 長 至1 528、8 218、5 168、529 km2，城鎮(zhèn)燈光強(qiáng)度分別增長至32.7、35.1、32.0、28.7。1992—2013年，4個(gè)象限城鎮(zhèn)面積及城鎮(zhèn)發(fā)展水平均有所提高，但不同象限區(qū)域城鎮(zhèn)化發(fā)展差異性顯著，城鎮(zhèn)化水平由高到低排序依次為第二象限、第三象限、第一象限、第四象限。

4.2 討論

DMSP/OLS夜間燈光影像具有時(shí)間序列長、范圍廣等特點(diǎn)，能較好地反映夜間人類活動(dòng)的變化，NPP-VIIRS夜間燈光遙感影像作為DMSP/OLS產(chǎn)品的延續(xù)，由于傳感器等諸多因素的差別，2種數(shù)據(jù)源沒有很好地銜接。本研究僅使用了單一的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，沒有達(dá)到最優(yōu)的時(shí)間序列。目前較多研究都以2種數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行分析研究，縮減了夜間燈光數(shù)據(jù)的時(shí)間序列［33，34］。為解決這一問題，許多學(xué)者展開了相關(guān)研究，使用不同方法對2種不同夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，對2種數(shù)據(jù)銜接和匹配的進(jìn)一步優(yōu)化將是一個(gè)亟待解決的問題［35，36］。

新疆區(qū)域范圍大，不同地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展程度懸殊，對新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域信息提取時(shí)，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)閾值法、突變檢測法、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較法及較高分辨率影像空間比較法等方法適用性仍存在問題。過高的閾值對新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域進(jìn)行提取時(shí)，難以提取城鎮(zhèn)化水平較低的區(qū)域。本研究以不同年份新疆DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的分布趨勢，并在研究區(qū)內(nèi)選取部分城市進(jìn)行色彩填充確定了新疆城鎮(zhèn)區(qū)域劃分閾值為7，能對F12～F16傳感器在1992—2009年新疆城鎮(zhèn)化區(qū)域進(jìn)行有效提取。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對F18傳感器在2010—2013年過低城鎮(zhèn)提取閾值進(jìn)行校正，得到1992—2013年新疆城鎮(zhèn)夜間燈光數(shù)據(jù)。

在對夜間燈光影像提取城鎮(zhèn)區(qū)域時(shí)，應(yīng)注意城鎮(zhèn)亮化工程和城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施增設(shè)等因素的影響，這些因素會對基于夜間燈光影像進(jìn)行城鎮(zhèn)化水平的評估造成影響。此外，對DMSP/OLS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析使用時(shí)，也應(yīng)考慮不同傳感器間差異，受傳感器自身差異的影響，不同傳感器獲取燈光可能存在較大偏差。本研究基于DMSP/OLS夜間燈光影像探究新疆城鎮(zhèn)化水平的變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)F18傳感器在2010—2013年對獲取的夜間燈光存在高估現(xiàn)象，因此參考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行校正。

新疆城鎮(zhèn)化發(fā)展的區(qū)域性差異顯著，在受到自然資源限制的區(qū)域，城鎮(zhèn)分布分散，較大程度上避免了城鎮(zhèn)發(fā)展受資源限制。在以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，城鎮(zhèn)及人口分散，人口向城鎮(zhèn)區(qū)域集中加速城鎮(zhèn)化發(fā)展的同時(shí)，能有效促進(jìn)農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)合并，并加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；l(fā)展的進(jìn)程，能大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。新疆“因地制宜”的城鎮(zhèn)發(fā)展模式，對中國西北地區(qū)其他省份城鎮(zhèn)化發(fā)展有較大的參考價(jià)值，尤其是自然資源分布不均、城鎮(zhèn)化發(fā)展差異性較大的省份。致謝：真誠感謝匿名評審專家在評審中所付出的時(shí)間和精力，評審專家對本研究的結(jié)構(gòu)、思路、方法等方面的修改意見，使筆者獲益匪淺。