基于長(zhǎng)時(shí)序夜間燈光數(shù)據(jù)的南京市城區(qū)范圍時(shí)空分異研究

摘要：隨著城市化水平的不斷提高，城市時(shí)空格局演變已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要研究方面，能夠?yàn)閲?guó)土空間規(guī)劃提供直接的輔助作用。文章以南京市三大主要城區(qū)（主城區(qū)、高淳區(qū)、溧水區(qū)）為研究對(duì)象，基于2000—2019年長(zhǎng)時(shí)序夜間燈光影像提取城區(qū)范圍，綜合城市緊湊度、分形維數(shù)、重心坐標(biāo)轉(zhuǎn)移模型和扇形分析法等指標(biāo)方法研究南京市城區(qū)時(shí)空演變過(guò)程以及城區(qū)擴(kuò)張空間差異。結(jié)果表明：夜間燈光能夠較好地表征城區(qū)空間演變趨勢(shì)；主城區(qū)擴(kuò)張主要方向?yàn)槟喜俊|偏北、北部，溧水區(qū)為北部、北偏東，高淳區(qū)為東偏北。

關(guān)鍵詞：夜間燈光數(shù)據(jù)；城區(qū)擴(kuò)張；時(shí)空格局；南京市

中圖分類號(hào)：F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)城市化快速發(fā)展，城市化率從1978年的17.92%躍升至2019年的62.71%，城市規(guī)模迅速擴(kuò)張。城市擴(kuò)張是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的演化過(guò)程，人口、建設(shè)用地、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)要素相互作用、相互耦合，共同決定著城市發(fā)展?fàn)顟B(tài)演進(jìn)。如何剖析城市發(fā)展的深層肌理，不同來(lái)源數(shù)據(jù)可能會(huì)得到不同的結(jié)果。在空間規(guī)劃改革和“多規(guī)合一”的背景下，城市時(shí)空格局演變已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要研究方面，能夠?yàn)閲?guó)土空間規(guī)劃提供直接的輔助作用。

除政府主管部門基于一定的統(tǒng)計(jì)口徑收集整理的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)外，基于夜間燈光數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)源數(shù)據(jù)、手機(jī)信令等多源數(shù)據(jù)在城市時(shí)空格局演變、城市空間格局優(yōu)化方面的應(yīng)用成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，有關(guān)多源數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市發(fā)展的研究主要集中在3個(gè)方面。城市聯(lián)系方面，楊藝等［1］基于通信數(shù)據(jù)和重力模型，構(gòu)建了中國(guó)城市網(wǎng)絡(luò)體系。城市空間結(jié)構(gòu)方面，鈕心毅等［2］、王波［3］利用手機(jī)信令和微博簽到數(shù)據(jù)，結(jié)合信息密度或頻次得到城市空間結(jié)構(gòu)。城市土地利用方面，陳映雪等［4］、甄峰等［5］和池嬌等［6］通過(guò)微博數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)等借助泰森多邊形、頻率統(tǒng)計(jì)等方法識(shí)別了城市實(shí)際土地利用類型與范圍。Croft于1978年提出基于 DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行城市建成區(qū)提取，早期研究多集中在對(duì)閾值法的研究上，后期涌現(xiàn)了一些新的方法，例如基于像元的圖像分類法、鄰近統(tǒng)計(jì)分析法等［6-8］。蔡博峰等［9］和楊亮潔等［10］利用多時(shí)相遙感影像，借助GIS技術(shù)對(duì)城市空間格局演變特征進(jìn)行分析。

夜間燈光作為新型數(shù)據(jù)，在捕獲城市、居民地等方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此被廣泛應(yīng)用于空間擴(kuò)展研究中，為城市空間變化分析提供了便捷的途徑。因此，本文以南京市三大主要城區(qū)（主城區(qū)、高淳區(qū)、溧水區(qū)）為例，選取2000—2019年的夜間燈光數(shù)據(jù)，宏觀上分析城區(qū)空間形態(tài)時(shí)序演變以及擴(kuò)張空間差異性，可為城市發(fā)展過(guò)程中動(dòng)態(tài)時(shí)空格局研究以及國(guó)土空間規(guī)劃等政策的制定提供借鑒。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

南京市位于中國(guó)東部，長(zhǎng)江下游中部地區(qū)（31°14′～32°37′N，118°22′～119°14′E），東西最大橫距約70 km，南北最大縱距約150 km，市域平面呈南北長(zhǎng)東西窄展開(kāi)，面積6 587.02 km2，是長(zhǎng)三角輻射帶動(dòng)中西部地區(qū)發(fā)展的國(guó)家重要門戶城市。南京屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，低山占土地總面積的3.5%，丘陵占4.3%，崗地占53%，平原、洼地及河流湖泊占39.2%。南京市市轄11個(gè)行政區(qū)，2019年建成區(qū)面積971.62 km2，全市常住人口850.00萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口707.20萬(wàn)人，常住人口城鎮(zhèn)化率83.2%。地區(qū)生產(chǎn)總值14 030.15億元，常住人口人均地區(qū)生產(chǎn)總值為16.6萬(wàn)元。

1.2 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

考慮到城區(qū)范圍年度變化較小，本文以5年為周期利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取城區(qū)面積，收集了2000、2005、2010、2015和2019年的夜間燈光數(shù)據(jù)，均來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局官網(wǎng)（https：//www.ngdc.noaa.gov/eog）。其中：2000年、2005年和2010年的數(shù)據(jù)為DMSP/OLS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為30弧秒；2015和2019年為NPP-VIIRS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為15弧秒。對(duì)DMSP/OLS數(shù)據(jù)采用年平均法進(jìn)行連續(xù)性校正，得到年度影像數(shù)據(jù)，對(duì)NPP-VIIRS數(shù)據(jù)通過(guò)冪函數(shù)和高斯低通濾波處理，并結(jié)合研究區(qū)進(jìn)行重采樣、地理裁剪等處理，最終輸出分辨率為1 km×1 km的柵格數(shù)據(jù)。本文還收集了南京市2015年和2019年的地理國(guó)情數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由行業(yè)主管部門提供，用于提取真實(shí)的南京市城區(qū)范圍輔助夜間燈光數(shù)據(jù)確認(rèn)城區(qū)范圍的像素閾值。本文借助夜間燈光數(shù)據(jù)從宏觀上分析南京市從2000—2019年近20年的城區(qū)空間格局演變及城區(qū)擴(kuò)張的空間差異性，不能作為真實(shí)的城區(qū)范圍。

2 研究方法

2.1 城區(qū)范圍提取方法

普通的閾值法則能夠一定程度上識(shí)別城市內(nèi)部面積較大的非城鎮(zhèn)區(qū)域，但精度不高，所獲得的城區(qū)范圍明顯大于實(shí)際的城區(qū)范圍。因此，本文利用地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)對(duì)閾值法提取的城區(qū)范圍進(jìn)行約束和修正，以此減少道路以及零星城鎮(zhèn)區(qū)對(duì)城區(qū)空間特征分析的影像，從而獲得較為主要集中連片的城區(qū)區(qū)域。首先利用先驗(yàn)知識(shí)，根據(jù)各年的夜間燈光數(shù)據(jù)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值，獲取各年的初始城區(qū)范圍；然后將2015和2019年的地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)處理成城區(qū)及非城區(qū)的二值圖像，不包括零星分布且面積較小的城鎮(zhèn)區(qū)域；再利用2015和2019年地理國(guó)情獲取的城區(qū)范圍分別約束燈光數(shù)據(jù)獲取的初始城區(qū)范圍，適當(dāng)調(diào)整閾值后再進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

2.2 城區(qū)時(shí)空分異性分析

本文采用城市緊湊度、分形維數(shù)、城市重心、扇形分析等方法指標(biāo)反映城區(qū)空間格局變化趨勢(shì)，并對(duì)比分析南京市3個(gè)主要城區(qū)之間的差異性。

2.2.1 城市緊湊度

城市緊湊度［11-13］是反映圖形聚攏程度的重要指標(biāo)，圓形是最緊湊的圖形，其值為1。緊湊度一般在0～1之間，數(shù)值越接近1，說(shuō)明地物形態(tài)越近似圓，緊湊度越好，反之則越差。緊湊度可用來(lái)分析城市用地的集聚與離散程度，公式如下：

2.2.2 分形維數(shù)

分形維數(shù)用來(lái)反映地物形態(tài)的規(guī)則程度、復(fù)雜程度與邊界的曲折性。分形維數(shù)數(shù)值一般在1～2之間，其值越接近2，說(shuō)明該圖形邊界越不規(guī)則，反之，分形維數(shù)越小則空間形態(tài)越規(guī)則［1］。分形維數(shù)計(jì)算公式：

2.2.3 重心坐標(biāo)轉(zhuǎn)移

重心坐標(biāo)是指研究時(shí)段內(nèi)的城市重心經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算歷年城市重心坐標(biāo)，分析其轉(zhuǎn)移方向與趨勢(shì)，可了解在不同時(shí)期內(nèi)城區(qū)擴(kuò)張的方向，且在一定程度上也可說(shuō)明城區(qū)擴(kuò)張的強(qiáng)度［14-17］。其公式為：

式（3）～（5）中：Xt、Xi分別為t時(shí)段內(nèi)城市重心與幾何中心的經(jīng)度坐標(biāo)；Yt、Yi分別為t時(shí)段內(nèi)城市重心與幾何中心的緯度坐標(biāo)；Cti為第i個(gè)片區(qū)的面積；Lt+i表示t～t+1時(shí)期的重心轉(zhuǎn)移距離。

2.2.4 扇形分析法

本文采用扇形分析法分析城區(qū)擴(kuò)張的空間分異。通過(guò)選定圓心，選擇能夠覆蓋城市用地面積的半徑，將城區(qū)劃分為若干相同大小的扇形區(qū)域，疊加歷年城區(qū)面積，用扇形區(qū)域切割城區(qū)范圍，進(jìn)而得到不同時(shí)期、不同方位的城區(qū)面積。

首先基于ArcGIS，以2000年南京市主城區(qū)（包括鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺(tái)區(qū)、棲霞區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)、江寧區(qū)）、溧水區(qū)、高淳區(qū)的幾何中心為圓心，分別作20 km，10 km，10 km半徑，覆蓋南京市全部城區(qū)范圍。然后以東偏北15°為起點(diǎn)，作12個(gè)每個(gè)夾角為30°的扇形圖層，而后用該圖層分別與歷期影像作相交運(yùn)算，分別統(tǒng)計(jì)各方位各時(shí)相城區(qū)面積。最后，用后一期用地面積減去同一方位前一期面積，得到該方位研究時(shí)段內(nèi)增加的城區(qū)面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 夜間燈光表征城區(qū)范圍

結(jié)合2000年—2019年的夜間燈光數(shù)據(jù)，并用2015年和2019年的地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)作為約束，獲取了南京市主城區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)主要集中連片的城區(qū)范圍，如圖1所示?？梢钥闯觯暇┲鞒菂^(qū)的城區(qū)范圍主要集中在長(zhǎng)江以南地區(qū)，2015年以后隨著南京江北國(guó)家級(jí)新區(qū)成立以及板橋新城的快速發(fā)展，江北和板橋地區(qū)的城區(qū)規(guī)模有明顯的擴(kuò)大，燈光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。高淳區(qū)和溧水區(qū)在2000年—2019年期間夜間燈光數(shù)據(jù)也有顯著增強(qiáng)，城區(qū)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。利用夜間燈光數(shù)據(jù)獲取的南京市城區(qū)范圍與實(shí)際城區(qū)空間分布總體走勢(shì)符合度較高，可以用來(lái)分析城區(qū)空間形態(tài)演變情況。

3.2 城區(qū)空間形態(tài)時(shí)序演變

（1）緊湊度與分形維數(shù)分析。由圖2分析可知，南京市3個(gè)城區(qū)的緊湊度均小于0.6，表明南京市城區(qū)空間形態(tài)布局不緊湊。其中，南京主城區(qū)在2000—2019年期間，城區(qū)緊湊度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，城區(qū)空間形態(tài)離散程度升高；高淳區(qū)和溧水區(qū)的城區(qū)緊湊度分別在2005—2015年、2010—2019年期間略有上升，但2000—2019年期間總體呈下降趨勢(shì)。從分形維數(shù)指標(biāo)看，主城區(qū)的分形維數(shù)始終處于較高的水平，表明主城區(qū)的邊界復(fù)雜性高于高淳區(qū)和溧水區(qū)。從變化趨勢(shì)看，主城區(qū)的分形維數(shù)變化不大，而高淳區(qū)和溧水區(qū)的分形維數(shù)處于快速增加時(shí)期，預(yù)計(jì)南京市主城區(qū)邊界在未來(lái)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將保持較高的復(fù)雜性，而高淳區(qū)和溧水區(qū)的城區(qū)邊界復(fù)雜程度仍在增加但有望趨向平穩(wěn)。

（2）重心轉(zhuǎn)移情況。根據(jù)城區(qū)范圍計(jì)算2000—2019年三大主要城區(qū)的重心坐標(biāo)，獲取城區(qū)重心轉(zhuǎn)移方向。由圖3分析可知，從重心偏移方向看，南京主城區(qū)的城區(qū)重心轉(zhuǎn)移先南后北，其中2000—2005年向東南偏移而后從2005—2015年，逐漸向東北偏移，2015—2019年則向西南偏移。高淳區(qū)和溧水區(qū)的城區(qū)重心總體向東北偏移。高淳區(qū)2000—2005年向東北偏移，2005—2010年略向西北偏移，2010—2015年又向東北偏移，2015—2019年略向東南偏移。溧水區(qū)2000—2005年向北偏移，2005—2010年向東北偏移，2010—2015年又向北偏移，2015—2019年向南偏移。從偏移量看，主城區(qū)和高淳區(qū)城區(qū)重心在2000—2005年期間偏移量最大，而溧水區(qū)在2005—2010年期間最大；主城區(qū)城區(qū)重心在2005—2010年期間偏移量最小；高淳區(qū)和溧水區(qū)則在2015—2019年期間偏移量最小。總體而言，主城區(qū)重心偏移方向變化較大，而高淳區(qū)和溧水區(qū)整體向東北方向偏移。由于主城區(qū)整體城區(qū)規(guī)模遠(yuǎn)大于高淳區(qū)和溧水區(qū)，偏移距離也相對(duì)較大。

3.3 城區(qū)擴(kuò)張空間差異

在2000—2019年期間，南京市主城區(qū)擴(kuò)張有明顯的空間分異，S、SE是拓展面積最大的方向，其次是SW、EN，再次是NW和N，而其余方向擴(kuò)張面積相對(duì)一般，尤其是WS方向，擴(kuò)張面積較小，強(qiáng)度較低。研究時(shí)段內(nèi)，高淳區(qū)城區(qū)擴(kuò)張空間分異不大，EN方位城區(qū)面積保持了較高的增長(zhǎng)，NE與E的擴(kuò)張強(qiáng)度其次，而其余方向擴(kuò)張面積相對(duì)一般，尤其是WS、SW、S和SE 4個(gè)方向的擴(kuò)張面積較小，強(qiáng)度較低。溧水區(qū)城區(qū)擴(kuò)張有明顯的空間分異，N和NE兩個(gè)方向城區(qū)面積均保持了較高的增長(zhǎng)，NW與EN的擴(kuò)張強(qiáng)度其次，而其余方向擴(kuò)張面積相對(duì)一般，尤其是E和W方向城區(qū)擴(kuò)張面積較小，強(qiáng)度較低?？傮w而言，南京市主城區(qū)城區(qū)擴(kuò)張先向南再向北，而溧水區(qū)主要擴(kuò)張方向在北偏東方位，高淳區(qū)主要擴(kuò)張方向在東偏北方位。

4 結(jié)論

本文以夜間燈光數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)集，對(duì)南京市3個(gè)主要城區(qū)（主城區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)）的城市緊湊度、分形維數(shù)、重心坐標(biāo)轉(zhuǎn)移以及城區(qū)擴(kuò)張空間差異性進(jìn)行了分析，旨在探究夜間燈光數(shù)據(jù)在表征城區(qū)空間格局演變中的有效性。主要結(jié)論如下：

（1）夜間燈光數(shù)據(jù)相比于其他高精度數(shù)據(jù)，雖然獲取的城區(qū)范圍精度不高，但同樣能夠較好地表征城區(qū)時(shí)空演變趨勢(shì)，具有成本低、提取方法簡(jiǎn)單快速等優(yōu)點(diǎn)，適合大區(qū)域尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的城市化進(jìn)程研究，尤其是在歷史資料缺失的情況下，可以作為較可靠的替代數(shù)據(jù)。

（2）基于長(zhǎng)時(shí)序夜間燈光數(shù)據(jù)獲取的南京市城區(qū)范圍分析，隨著城市化進(jìn)程加快，2000—2019年期間南京市城區(qū)的緊湊度逐漸下降，城區(qū)邊界較為復(fù)雜，在未來(lái)仍然具有優(yōu)化空間。南京主城區(qū)城區(qū)重心偏移是先南后北，溧水區(qū)和高淳區(qū)的城區(qū)重心一直轉(zhuǎn)移至東北方向。從擴(kuò)張方向上來(lái)看，主城區(qū)擴(kuò)張主要方向?yàn)槟喜?、東偏北、北部，溧水區(qū)為北部、北偏東，高淳區(qū)為東偏北。隨著《南京市國(guó)土空間總體規(guī)劃（2021—2035年）》草案的正式發(fā)布，南京市城區(qū)在永久基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界3條控制線的剛性約束下必然朝著高效空間結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，因此，南京市的城區(qū)空間形態(tài)演變?nèi)匀恢档蒙钊胙芯俊Ｎ磥?lái)應(yīng)加強(qiáng)夜間燈光數(shù)據(jù)與規(guī)劃、國(guó)土調(diào)查、互聯(lián)網(wǎng)等多源數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高城市空間演變與發(fā)展研究結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。

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（編輯 李春燕）