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)閲量臻g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?、東偏北、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
自改革開放以來,中國城市化快速發(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)閲量臻g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)展過程中動(dòng)態(tài)時(shí)空格局研究以及國土空間規(guī)劃等政策的制定提供借鑒。
1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源
1.1 研究區(qū)概況
南京市位于中國東部,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,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850.00萬人,其中城鎮(zhèn)人口707.20萬人,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),均來源于美國國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??;高淳區(qū)和溧水區(qū)則在2015—2019年期間偏移量最小??傮w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?。未來?yīng)加強(qiáng)夜間燈光數(shù)據(jù)與規(guī)劃、國土調(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)