基于DMSP/OLS长江中游城市群城区空间扩展与驱动力分析

张高华 谭 力 钟 鑫

1.湖南省地质环境监测总站，湖南长沙 410000；2.中国地质大学（武汉)公共管理学院，湖北武汉 430074

研究长江中游城市群的城区空间变化，准确获取城区面积的变化对于指导区域发展规划以及优化城镇化的空间格局具有重要意义。目前，基于遥感技术的城镇化研究被广泛应用于城市土地利用变化监测和城市空间格局分析等方面，然而从大尺度上研究城区空间扩展变化时，遥感数据存在获取成本高、处理过程耗费时间与人力等缺点[1]。美国军事气象卫星（DMSP）搭载的线扫描系统（OLS）传感器具有光电放大特性，该传感器对夜间低可见度的光源非常敏感，非常适合于利用夜间城市灯光来提取城市建成区和非建成区，具有数据量小并且数据容易获取、数据时间连续、适合大尺度城市动态监测的特点。Elvidge等[2-3]利用 DMSP/OLS 数据进行城市建成区的研究，说明了DMSP/OLS数据在社会、环境、经济等各方面的应用价值。曹伟超等[4]以三年的DMSP/OLS夜间灯光数据为例，利用二分法提取了西南地区城市空间信息，分析了其城市化发展的过程和趋势。杨洋等[5]利用DMSP/OLS 数据提取了环渤海地区1992～2010年城镇用地信息，从而分析了环渤海地区的城镇化水平和区域城镇化的空间特征。但是，在利用长时间序列DMSP/OLS数据对城市群空间格局变化驱动力的分析较少。在目前经济快速发展的趋势下，利用灯光数据对城市群空间格局的变化特征进行研究，从而揭示城市的发展趋势，具有一定的现实意义。

选取长江中游城市群1995～2013年的DMSP/OLS夜间灯光数据，从较大的时空尺度上分析长江中游城市群发展的空间格局变化。采用二次多项式校正模型对1995～2013年的DMSP/OLS稳定夜间灯光数据进行校正，利用Landsat-TM影像数据得到较为精确的城镇面积，再使用二分比较法提取长江中游城市群各城市的建成区，对城区空间拓展状况进行综合分析。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区分布特征

长江中游城市群是以武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群这三个为主体而形成的特大型城市群，土地面积约31.7万km2，长江中游城市群中各个城市的经济联系日趋紧密，其发展规划在我国中部区域经济发展中占有重要地位。该区域拥有优越的区位条件，是连接我国东部和西部经济发展的枢纽，交通发达，科技教育资源丰富，高科技产业发展迅速，与周边城市贸易往来密切。在我国经济快速发展的背景下，长江中游城市群是继长三角、珠三角、京津冀之后经济发展最迅速的城市群，该区域的城镇化进程迅速，了解区域空间格局的变化特征，对于今后发展规划和区域内城市产业结构调整、转型具有重要意义。

1.2 数据源

选用的遥感影像是1995～2013年中4年的DMSP/OLS非辐射定标的夜间稳定灯光数据，其下载自美国国家地球物理数据中心网站。非辐射定标的夜间稳定灯光数据的地面分辨率为0.0083333°，影像网格单元的DN值范围是0～63[6]。使用的数据来自4个不同的卫星 ：F12（1994～1999）、F15（2000～2007）、F16（2004～2009）和F18（2010～2013），由于不同卫星传感器之间灵敏度的差异，没有经过辐射定标的不同年份图像之间的DN值不具有可比性。采用公式（1）所示的二次多项式校正模型，选取F16（2007）数据集鸡西市的数据，分别对F12（1995）、F15（2001）、F18（2013）数据集的相同区域数据进行二次回归分析（见图1），得到校正参数（见表1）。本研究利用表 1，对1995、2001、2013长江中游城市群区域夜间稳定灯光数据进行校正，得到校正后的灯光数据。

DNL＝aDN2+bDN+c （1）

DN、DNL分别为校正前后像元灰度值，a、b、c为回归参数。

图1 鸡西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)数据相对F16（2007）的回归分析结果

表1 鸡西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)数据相对F16(2007)的校正参数

2 研究方法

2.1 长江中游城市群城区面积提取

城市建成区的面积提取一般采用阈值分割法，对于夜间灯光数据DN阈值的确定是利用夜间灯光数据研究建成区的关键[7]。利用同期Landsat卫星数据确定长江中游城市群城镇灯光DN阈值，提取城市建成区的面积。采用空间比较法中的二分法来确定灯光阈值，从而确定长江中游城市群的边界。图2中D Nmax和D Nmin分别是夜间灯光数据的最大亮度值和最小亮度值，S（DNT）是在阈值DNT下得到的城镇建设面积；S（TM）为使用TM 图像提取的城镇建设面积；△S（DNT）表示在阈值DNT条件下，计算夜间灯光数据提取的城镇建设面积与TM图像提取的城镇建设面积的差值。

图2 夜间灯光数据阈值确定流程

△S（DNT）min表示△S（DNT）与△S（DNT-1）和△S（DNT+1）的差值绝对值相比是否为最小值，如果是最小，DNT便是阈值；如果不是，再比较△S（DNT）与S（TM）的关系，如果大于S（TM），便用DNT值代替DNmin，相反则用DNT代替DNmax，重新比较，直到得出最佳阈值，大于最佳阈值DNT的值也就是通过 DMSP/OLS 夜间灯光数据提取的建成区面积。从长江中游城市群中选取襄阳市、长沙市和南昌市三个城市作为训练区，根据各自确定的阈值来确定最佳阈值DNT。1995年和2001年的最佳阈值都是50，2007年最佳阈值为54，2013年最佳阈值为60，根据最佳阈值最终得到1995年、2001年、2007年和2013年的城市群城区面积。

2.2 长江中游城市群城区扩展变化

由图3可见，长江中游城市群城区空间扩展比较剧烈，各时期扩展特征明显。1995年城区建设面积较大的主要是武汉、长沙和南昌等中心城市，从宏观上来看，城市分布零散，相互之间处于比较松散的状态，缺乏联系。而根据2001年监测到的夜间灯光数据，中心城区面积扩大，并且咸宁市、岳阳市、黄石市、九江市和宜春市等城市的发展将原来的武汉市、长沙市和南昌市等独立的点连接了起来。在城市发展的过程中，围绕武汉、长沙和南昌这三个省会城市，夜间稳定灯光呈现明显的聚集，并向外进行辐射式发展。2007年武汉市、长沙市和南昌市已经和中间发展的城区共同构成了一个三角形的发展形态，附近灯光迅速增长。之前已经监测到的灯光城市面积到2013年逐渐增大，围绕着武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群这三个城市群向外进行放射状发展。其中，湖北省内城市的发展主要围绕长江这条轴线，湖南省和江西省的发展分别围绕主要交通要道和赣江发展，从湖北到湖南沿着“襄阳-荆州-常德-娄底”二广发展轴发展，形成了轴线推动区域的发展的趋势。

从1995～2013年，长江中游城市群各个城区空间扩展变化具有不同特点。武汉市和长沙市扩展变化最快的是从2001～2007年，从长沙市、株洲市和湘潭市发展变化可以看出，株洲市在2007年城区扩展面积增大明显，到2013年城区空间随时间推移不断向西北方向扩展，湘潭市城区也在2013年快速向外扩展，这主要是因为2005年长株潭城市群区域规划的批准，长株潭面积扩展迅速。

图3 长江中游城市群四年夜间灯光数据

3 长江中游城市群城区变化驱动力分析

通过DMSP/OLS夜间灯光数据提取了中游城市各个城区空间扩展的信息，在对长江中游城市群时空变化分析的基础上，运用当前较为普遍的主成分分析法并结合SPSS工具的数据分析功能[8]，以武汉市为例分析研究影响城市扩展变化的驱动力因素。

3.1 武汉市城区变化驱动力分析

3.1.1 指标选取

以武汉市为例，从社会人口、社会经济和生活水平等方面综合考虑，参考前人相关研究成果构建指标体系[9-10]，选取指标包括：户籍人口、农业人口、非农业人口、地区生产总值、第一产业增加值占GDP比重、第二产业增加值占GDP比重、第三产业增加值占GDP比重、地方公共财政收入、城镇固定资产投资、农村居民人均纯收入、城市人均可支配收入、社会消费品零售总额、房地产开发投资、旅客周转量、城市人均住房建筑面积和货物周转量16个指标。

3.1.2 主成分分析结果

利用SPSS对选取的16项指标进行了主成分分析，得到特征值及主成分贡献率（见表2）。选取特征值大于1的2个主成分，2个主成分累积贡献率比例达到95%，说明了选取的2个主成分可以解释16个因子的95%，影响城区扩展的因素包括F1和F2两个主成分。

表2 特征值及主成分贡献率

表3 因子载荷矩阵

从因子载荷矩阵可以看出，户籍人口（X1）、非农业人口（X3）、地区生产总值（X4）、第二产业增加值占GDP比重（X6）、地方公共财政收入（X8）、城镇固定资产投资（X9）、农村居民人均纯收入（X10）、城市人均可支配收入（X11）、社会消费品零售总额（X12）、房地产开发投资（X13）、旅客周转量（X14）、城市人均住房建筑面积（X15）和货物周转量（X16）在第一主成分具有较大的载荷，主要反映了武汉市经济发展水平。农业人口（X2）、第一产业增加值占GDP比重（X5）和第三产业增加值占GDP比重（X7）在第二主成分具有较大的载荷，主要反映了城镇化水平。由此可见，每一个主成分都代表了特定的实质意义，2个主要成分从2个角度反映了城区的变化，因此，城区变化的驱动力主要是受经济发展水平和城镇化水平这2个因素的影响。

3.2 长江中游城市群空间扩展驱动力分析

3.2.1 经济发展是长江中游城市群空间扩展的主要原因

湖北省2003年生产总值5395.91亿元，2013年生产总值24668.49亿元，增长了446.13%；湖南省2003年生产总值4633.73亿元，2013年生产总值24501.7亿元，增长了428.77%；江西省2003年生产总值2830亿元，2013年生产总值14338.5亿元，增长了406.67%。经济的快速发展使人们的生活水平、基础设施建设和工业用地等改变，以前的城区空间已经满足不了经济发展的要求，那么城市必然需要对城市空间进行扩展。随着经济的发展，非农业人口增多，城市基础设施就会不断完善，需要修建道路、广场以及公园来满足人们的需求。经济的发展促使城市进行新的规划，长沙市、株洲市和湘潭市经济发展越来越紧密，实现经济一体化，直接影响了三个城市的扩展方向。

3.2.2 城镇化是长江中游城市群空间扩展的动力

城镇化使非农业人口集中、第一产业向处于城镇的第二产业和第三产业方向集中。湖北省第一产业比重从2003年的14.7%减少到2013年的12.6%；湖南省第一产业比重从2003年的19.1%减少到2013年的12.7%；江西省第一产业比重从2003年的19.8%减少到2013年的11.4%，农业占国内生产总值的比重减少，工业比重增加，农业用地转换成建设用地，是造成主城区扩展的动力。城镇化促使城市开发扩展，优化配置利用空间资源，推动城市的发展。

4 结语

以长江中游城市群为研究区，利用二分法对1995 、2001、2007年及2013年4个时期的夜间灯光数据进行城区面积提取，分析了1995～2013年长江中游城市群城区的扩张特征以及原因，主要结论如下：

（1） 基于1995～2013年夜间灯光数据，利用夜间灯光数据提取的城区建设面积与TM图像提取的城区建设面积最接近来确定阈值，运用二分法提取长江中游城市群城区建设面积。

（2）1995～2010年，长江中游城市群城区用地面积处于扩张状态。在城市发展的过程中，主要是围绕武汉、长沙和南昌这三个省会城市呈现明显的聚集，湖北省城市的发展主要围绕长江这条轴线，湖南省和江西省的发展分别围绕主要交通要道和赣江发展，从北往南沿着二广发展轴发展，形成了轴线推动区域的发展。

（3） 运用因子分析的方法进行定量研究，将影响长江中游城市群城区扩展的驱动力归纳为经济发展和城镇化等因素。经济发展是城区空间扩展的主要原因，工业的发展带来工业用地需求增加，城区周边的土地转变成建设用地来满足经济发展的需求。城镇化是造成主城区扩展的动力，农业人口迁入城镇，推动城区的空间扩展。

在这个研究基础上，应进一步研究城市空间扩展影响因素，政府的政策制度、科技发展和自然地理环境等因素难以量化研究，这些对城市空间扩展也有影响，需要研究这些因素的量化指标，进一步完善研究。

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