基于DMSP/OLS的城市化进程与产业结构演变的关联分析

2020-11-16敬莉李天然

牡丹江师范学院学报（哲学社会科学版） 2020年5期

敬莉李天然

[摘要]城市化水平的高低直接衡量着区域经济发展水平和现代化程度，而城市化进程与产业结构演变之间的匹配性是城市化水平稳定提升的重要条件。利用DMSP和NPP综合夜间灯光指数测度城市化水平，并通过与产业结构偏离度和结构变动值回归，发现乌鲁木齐城市化水平与产业结构变动高度匹配，但是城市化发展质量不高。应该以供给侧结构改革为主线，继续强化产业结构调整力度，提升乌鲁木齐高质量城市化水平，才能继续保持推动新疆经济增长的区域增长极地位。

[关键词]城市化;产业结构演变;乌鲁木齐

[中图分类号]F293.1 [文献标志码]A

城市化水平已经成为区域经济发展的衡量指标，也是解决不平衡不充分发展的关键领域。十九大报告强调充分发挥城市带动能力，切实推动城市化发展，满足人们对美好生活的期待。由于城市化水平的提升与城市产业结构优化升级相关联，如果城市化进程不能与相应的产业结构演变相匹配，将阻碍城市化水平的进一步提升，進而减弱城市化持续推动区域经济发展的能力。

有关测度城市化水平的方法较多，各种方法所得结论差异也较大，这种差异多数来自于统计数据的不足。夜间灯光数据在一定程度上解决了这一统计数据不足的难题，从而得到广泛应用。夜间灯光数据主要依靠气象卫星搭载的传感器提供的数据来衡量区域城市化水平，该方法通过采集夜间灯光的辐射信号，探测包括道路交通、小规模居民地、城市灯光甚至车流等低强度灯光，能够准确、直接地监测人类社会经济活动等[1]87。

目前，夜间灯光数据的研究主要集中在提取城市建成区[2]358、估算GDP[3]3057、估算能源消费[4]4443、检测碳排放量[5]143以及识别贫困人口[6]124等领域。卓莉[7]893等首次采用夜间灯光数据研究省级层面上城市化问题，验证了城市化水平综合指数与夜间灯光数据具有较高的相关性。华忆迪[8]154、廖祖君[9]106等学者从城市扩张和城市蔓延的角度探究其对经济增长的影响，将灯光数据作为城市蔓延指数的替代变量，研究发现城市蔓延在一定程度上会拉大各城市的发展水平，尤其是会对西部地区经济的高质量发展产生负面影响。黄鸿健[10]2、李南锦[11]35等采用不同的灯光图像处理方法，构建综合夜间灯光指数，侧重研究了东中部经济发达地区和西南中心城市。宗慧隽[12]125等在研究我国与“一带一路”沿线国家的贸易效率中，利用夜间灯光数据很好地解决了“一带一路”沿线各国由于存在跨度广、GDP核算体系不完全相同以及部分国家由于战乱导致数据的缺失等一系列问题，增强了结果的可靠性。张俊[13]1533利用灯光数据这一优势研究了高铁开通对其沿线的县级市经济发展的影响。

魏敏[14]128、李书峰[15]2等基于耦合视角研究了城市化与产业结构之间的协调程度，探讨两者之间的相互作用，并指出第三产业是提升城市化水平的主要动力。张颖[16]38等探究了在经济集聚作用下，产业结构升级对城市化的影响。郭晓蓓[17]46等探究比较了中国与主要发达经济体产业结构发展趋势，应当积极参与国际贸易优化资源配置以促进产业结构优化升级。

虽然上述研究涉及面较广，但通过夜间灯光数据与城市化的拟合，再进一步探究城市化与产业结构的内在关联的文献相对较少。本文第一部分讨论传统意义上的乌鲁木齐市城市化水平复合指数，第二部分专注于基于DMSP和NPP夜间灯光数据，在较长时间尺度中利用夜间灯光强度影像构建综合灯光指数拟合并测度新疆乌鲁木齐市城市化水平，第三部分专注于基于夜间灯光指数和城市化水平复合指数的乌鲁木齐城市化水平综合分析，第四部分专注于产业结构演变以及乌鲁木齐市城市化与产业结构水平之间的匹配性问题，深入探究城市化与产业结构之间的内在联系。第五部分作为结论，提出相应的对策建议。

一、乌鲁木齐市城市化水平复合指数

（一）城市化水平复合指数的构建

在参考薛俊菲等学者的工作基础上[18]2005，选取经济城市化率、人口城市化率、社会生活城市化率和环境城市化率四个城市化指标构成城市化水平复合指数，分别采用第二产业增加值和第三产业增加值占GDP的比重、非农业人口占总人口的比重、城镇居民人均消费支出和建成区绿化覆盖率计算上述四个指标，并将这四个指标进行最大值标准化归一化处理，最终配以对应权重得到城市化水平复合指数：

（二）乌鲁木齐城市化水平复合指数

由于新疆的经济、人口、社会生活和环境城市化指标发展不均衡，经济城市化相对而言具有较大优势，人口城市化和环境城市化与其有一定差距，所以在参考于波等学者研究的基础上[19]33选取较为客观的熵值赋权法确定各指标权重为：WP=0.2，WE=0.41，WS=0.22，WC=0.17。根据所确定的指标权重，利用城市化水平测度指标，则可计算得到历年的乌鲁木齐城市化水平复合指数（见表2）。

由表2可以看出，乌鲁木齐1995-2018年城市化水平复合指数从1995年的0.1034增长到2018年的1.000，城市化水平稳步提升。其中人口因子和经济因子所占比重无明显变化，而社会因子和环境因子所占比重具有明显提升，对于城市化进程具有较大影响及带动作用。

二、乌鲁木齐市综合夜间灯光指数

（一）数据源与数据预处理

本文利用ArcGIS软件首先对1995年、2000年、2005年、2012年四年的夜间灯光数据与乌鲁木齐市行政区划矢量图分别进行Albert等面积圆锥投影，然后剪裁投影转换过后的图形，最终得到各年份的夜间灯光数据并提取其属性数据。根据DMSP/OLS方法提取的乌鲁木齐市对应的夜间灯光图发现乌鲁木齐市夜晚光斑的分布随着年份增加变得越来越多，城市化在一定程度上有所发展。本研究中所用到的数据如表3所示。需要说明的是，虽然DMSP/OLS数据能够为大尺度城市化研究提供数据源，但是时序仅到2013年，而NPP/VIIRS数据自2012年开始更新，两者重合时段为拟合长时序（1995-2018）灯光数据提供了可能。因此本文拟合两种灯光数据，为研究提供数据支撑。

DMSP和NPP灯光数据处理包含基础处理和数据拟合两部分：基础处理。DMSP为年度数据，数据剔除了月光等噪音的干扰，但由于传感器衰退以及并未进行星上定标，导致数据存在异常波动[20]595;NPP/VIIRS数据为月度数据，其探测通道提高了空间分辨率，过滤了云、闪电等无关扰动。基于上述说明，本文借助已有研究对两种数据分别进行降噪处理[21]1092，从而可使单一数据的精度得到保证。本文借助李雪萍[22]138等提出的不变区域校正法对两数据进行提取，然后建立回归模型对重合期NPP数据进行修正，以实现两者的有效拟合。

（二）构建综合夜间灯光指数

对夜间灯光数据的有效提取，突破以往仅采用统计数据的研究瓶颈，能够综合体现影响城市化的多方面因素相互作用产生的影响。本文从区域灯光面积（A）与区域平均灯光强度（M）这两方面属性构建综合夜间灯光指数以反映乌鲁木齐的城市化水平。

（三）乌鲁木齐综合夜间灯光指数计算

综合夜间灯光指数是由区域灯光面积与区域平均灯光强度分别配以各自的权重再相加求和得到，而权重又因为不同城市的城市化水平差异而有所不同。权重按照WA+WM=1并且保持0.1的间隔进行组合。本文发现，当权重分别为WA=0.6和WM=0.4时，综合夜间灯光指数与城市化综合指标之间的相关系数达到最大为0.971，说明综合夜间灯光指数能够较好反映城市化水平。所以综合考虑，最终将权重确定为WA=0.6和WM=0.4。根据式（1）计算得到最终的综合夜间灯光指数，见表4。

由表4可知，乌鲁木齐综合夜间灯光指数从1995年的0.201上升到2018年的0.344，扩大约1.7倍，尤其是2008年后综合夜间灯光指数增速较快，城市化推动力强劲。其中区域平均灯光强度（M）变动趋势整体表现为波动上升，1995年区域灯光强度开始有所下降，1999年达到较低水平，2000年后区域灯光强度逐步增强达到2018年的0.421。类似地，区域灯光面积（A）变动也表现为波动上升趋势，城市化水平整体表现为稳步提高。

三、基于夜间灯光指数和复合指数的乌鲁木齊城市化水平综合分析

通过利用SPSS软件对乌鲁木齐市综合夜间灯光指数和乌鲁木齐城市化水平复合指数之间进行的双变量回归分析结果见表5。城市化夜间灯光指数和城市化水平综合指数在0.01水平上显著正相关，相关系数为0.971。因此，夜间灯光指数能够用来测度城市化水平，很好地克服了统计数据所存在的遗漏缺失以及易受人为因素干扰等问题，具有较好的年际可比性和易获取性。

根据SPSS软件结果，城市化夜间灯光指数与城市化水平综合指标显著相关，可以直接利用夜间灯光数据来替代统计数据分析城市化进程。夜间灯光指数值越高，表明该区域经济发展和城市化水平越高，经济活动越活跃。根据表4画出的乌鲁木齐城市化水平变动趋势图1。

由图1可以看出，乌鲁木齐综合夜间灯光指数整体表现为稳步上升，1995年到2008年为止，综合夜间灯光指数系数比较平稳上升，2008年后，趋势图斜率开始变得陡峭，城市化推动力强劲。如果把区域平均灯光强度（M）变动趋势和区域灯光面积（A）变动趋势综合考虑会发现，区域灯光覆盖面积和区域平均灯光强度也逐年扩大和增强，城市化水平稳步提高。但是，从区域灯光面积与区域平均灯光强度这两个指标在乌鲁木齐

综合夜间灯光指数中各自的权重可以发现，区域灯光面积指标所占比重较大，而区域平均灯光强度指标占比相对较小。从整体上来说，虽然不同城市之间区域灯光面积指标与区域平均灯光强度指标会有所差异，但总体规律是趋于一致的，也就是城市化水平越高的城市，区域平均灯光强度占比就越大，可能的解释是在城市面积一定的前提下，往往会选择增加单位面积的经济建设或资本投入等以提升城市化水平，从而平均灯光强度也会随之提高;而对于城市化水平比较低的区域或城市而言，可能主要是靠大面积增加建设用地而不是单位面积的经济建设或资本投入来提高城市化水平。说明从综合灯光指数的角度来看，乌鲁木齐虽然城市化水平不断提高，但高质量高效率城市化发展能力有待提高。

四、关联分析

以上通过夜间灯光数据拟合测度了城市化水平，为了说明乌鲁木齐市城市化水平提升与产业结构演变之间的匹配度问题，下面通过回归分析深入探究基于夜间灯光的城市化水平与产业结构演变之间的联系。

（一）产业结构现状

从乌鲁木齐三次产业产值变动趋势来看，1995年到2018年为止，乌鲁木齐产业产值比重结构始终保持三产大于二产大于一产的趋势。其中第一产业表现出稳定的下降趋势，相比之下第二产业和第三产业的波动较大。如图2所示。

由图2可以看出，乌鲁木齐第一产业产值增加值占GDP的比重逐步降低，从1995年的3.35%到2018年的0.83%;第二产业产值增加值占比从1995年的37.79%小幅下降到2002年的33.33%，之后稳步上升到2011年的45.99%，然后小幅下降到2018年的30.68%;第三产业产值增加值比重逐步增加，2018年达到68.49%，总体来说，乌鲁木齐第三产业产值占地区生产总值比重较大。

从乌鲁木齐三次产业就业比重变动趋势来看，乌鲁木齐产业就业比重结构也始终保持三产大于二产大于一产的趋势。其中第一产业就业比重维持在较低水平，相比之下第二产业整体呈现下降趋势，相反第三产业就业比重整体趋于稳步上升。具体请看图3。

由图3可以看出，第一产业就业比重从1995年的9.6%小幅下降到2018年的4.7%，而第二产业的就业比重却大幅降低，从1995年的43.4%下降到2001年的26.6%，之后虽缓慢上升到2004年的29.8%，之后逐步下降到2018年的20.3%;而第三产业吸纳劳动力的能力逐步增强，从1995年的47%增加到2018年的74.9%。从三次产业产值增加值占比和就业占比可以看出，乌鲁木齐属于典型的三二一发展格局。

（二）产业结构偏离度

产业结构偏离度作为分析产业结构与就业结构之间协调关系的常用工具和衡量指标，是指就业比重和产值比重的差值，反映了就业结构和产值结构之间的偏离程度，二者之间差值越大说明协调性越差。计算公式为：

其中，P为产业结构偏离度，Yi/Y为第i产业的产值占地区生产总值的比重，Li/L表示第i产业的劳动力占比。偏离度越大，说明二者之间越不协调;当偏离度趋于零时，二者高度协调。

由表6可以看出，乌鲁木齐第一产业的产业结构偏离度一直表现为负数，1995-2018年结构偏离度绝对值逐渐减小，从2003年开始逐渐增大，2012年达到-6.247，之后逐步减小至2018年的-3.868。第二产业在1995-1999年期间，结构偏离度逐渐趋近于零，从2000年开始则逐渐增大，2011年乌鲁木齐结构偏离度达到20.894，整体基本保持逐年上升，由负值变为正值，2012年之后出现小幅下降，2018年第二产业结构偏离度达到10.378。第三产业结构偏离度从2001年开始变为负值，2002年恢复到零值附近，之后便一直呈现为下降走势，2014年之后结构偏离度绝对值逐渐减小。

由图4可以看出，乌鲁木齐第三产业的偏离度在1995-2000年间表现为正值，2001年变为负值，虽然2002年有所缓和，回升到0.783的结构偏离度，短期表现良好，就业和产值比重较合理，但是之后持续为负值，并且偏离度的绝对值逐步变大，从2002年的0.783下降到2018年的-6.410，年均下降0.44，说明劳动力比重仍然过大，劳动力效率较低，而劳动力效率低的部门应该是劳动力走出去的部门，所以存在着劳动力转出的压力;而第二产业的偏离度变化趋势则相反，从2002年的3.127上升到2018年的10.378，年均增长0.45，说明其产值比重大于劳动力就业比重，存在着劳动力转入的压力。第一产业的产业结构偏离度一直表现为负数，说明其产值比重小于劳动力比重，劳动生产率水平较低。

（三）产业结构变动度

其中，K表示产业结构变动值，qi1表示报告期产业结构构成比，qi0表示基期产业结构构成比，i表示产业序号。如果K值越大，则表示产业结构变动的幅度也越大;反之，则表示产业结构的变动幅度就越小，当K值趋于零时，表示产业结构基本保持不变。

由图5可以看出，乌鲁木齐第一产业结构波动数值较小，均低于0.5，2008年达到最高点0.463，总体而言波动幅度较小，而第二、三产业结构变动速率相对较大，波动较频繁，呈高低相间排列，2005年之前处于快速调整期，但整体保持着稳定上升的趋势。

（四）城市化水平与产业结构协调度分析

为了进一步探究城市化水平与产业结构演变的关联，本文引入“协调度”的概念，定量地描述乌鲁木齐城市化水平与产业结构之间的协调程度。计算公式为：

其中，U为协调度，L为城市化发展水平，Ki为三次产业结构变动值（i=1，2，3）。U值越大，则说明两个子系统协调性越好;U值越小，则说明协调性越差。本文选取城市化综合夜间灯光指数作为衡量城市化发展水平的指标，观察其反映的城市化发展水平与产业结构演变之间的协调关系。详见表7。

（五）回归分析

借助Stata软件将乌鲁木齐城市化综合夜间灯光指数作为解释变量，依次对产业产值比重、劳动力占比、产业结构偏离度进行回归分析。回归结果如表9所示。

由表9可知，对于产业产值比重方面，乌鲁木齐城市化综合夜间灯光指数每增加1%，第一产业的产值比重则平均下降2.15%，第二产业产值所占比重平均增加0.54%，第三产业产值所占比重平均下降0.31%。在劳动力占比方面，乌鲁木齐城市化综合夜间灯光指数每增加1%，则第二产业的劳动力占比平均下降0.96%，而第三产业的劳动力占比则平均增加0.54%。在产业结构偏离度方面，乌鲁木齐城市化综合夜间灯光指数每增加1%，第二产业结构偏离度增加52.46×10-2，第三产业结构偏离度减少49.25×10-2。回归结果表明随着城市化水平的提高，第二产业结构偏离度继续增加，即产值比重与就业比重的差值继续增加，劳动力效率也随之提高，即城市化带动了工业化发展，工业化反过来又促进了城市化水平的提高。從回归函数来看，第三产业结构偏离度仍表现为负值，即产值比重小于就业比重，且随着城市化水平的提高，其结构偏离度愈加不平衡，说明如果进一步增强服务业等低端传统领域以促进并带动第三产业发展，不能够解决就业问题，三大产业扩张带来新增就业的能力有所减弱，乌鲁木齐第三产业已经基本处于饱和状态，需要进一步加大新兴行业的比重，开拓新的领域。

这一分析恰恰解释了前面的结论：城市化质量提升与城市化水平提高是两个存在差异的概念，不能因为城市化水平的提升而得出城市高质量高效率发展。同时说明城市化水平与产业结构之间的协调系数虽然处于良好协调性，但是回归结果却说明了与常理不太一致的结果。比如城市化水平的提高与第三产业之间的反方向变动说明，乌鲁木齐市的城市化率提升，不但没有带动第三产业的快速发展，反而导致下降。究其根本原因就是城市化水平提升的过程中没有关注以内涵式发展为主的城市化质量，反而注重了以城市面积扩大为主的粗放型城市经济增长。

五、结论与建议

（一）结论

第一，乌鲁木齐市城市化水平不断提高。本文基于DMSP和NPP夜间灯光数据构建了综合夜间灯光指数，通过相关分析发现，乌鲁木齐市城市化复合指数和夜间灯光指数二者具有显著的相关性。从综合夜间灯光指数值来看，乌鲁木齐城市化水平较高，且处于逐年提升之趋势。

第二，乌鲁木齐市城市化水平与产业结构变动之间表现出了较强的良好协调性发展趋势。通过产业结构偏离度、产业结构变动速率、产业结构协调度之间的回归分析发现，1995-2018年间乌鲁木齐城市化水平和产业结构变动表现出正相关上升趋势。

第三，乌鲁木齐市城市化水平虽有提高，但是城市化水平并没有表现出高质量高效率城市化特征。乌鲁木齐城市化水平呈上升趋势，城市化综合指数与夜间灯光指数显著相关，但城市化质量不高，区域灯光面积比重大于区域平均灯光强度比重。说明继续依靠粗放式扩张面积的城市化水平提高方式行不通。只能通过转变城市化水平提升方式，转变产业内部结构转换方式来提高城市化水平，实现高质量高效率城市化发展目标。

第四，城市化水平的提高过程并没有对第三产业的高质量提升提供动力。前面的分析指出，城市化夜间灯光指数的提升对第三产业的带动作用是负面的。其中的原因在于第三产业内部结构不合理，城市化推进中城市面积扩张与第三产业跟进速度不一致所导致。所以更加注重带动三次产业协调发展成为关注重点。

第五，乌鲁木齐市城市化水平提升的过程伴随的是乌鲁木齐的就业结构与产值结构不对称。分析结果表明，乌鲁木齐城市化进程中的产业结构偏离度愈加不平衡，第一产业和第三产业存在剩余劳动力，劳动生产率较低。从回归的结果可以看出，随着城市化水平的提高，乌鲁木齐的产业结构内部愈加缺乏合理性，调整二者之间的关系成为重点。

（二）建议

第一，调整乌鲁木齐市城市化水平提升方式。城市化水平的提高更加注重城市单位面积开发效率和城市经济发展质量提升。为此改变扩张城市面积为主的城市化推动模式，实现深入挖掘单位面积经济效率为主的内涵式发展方式。

第二，改变从量化调整为主的产业结构调整方式，改为质量效率优先的产业结构调整方式，加大创新驱动、全要素生产率提升为主的产业内部结构和产业间结构相匹配的产业发展方式。为此以推进信息化与工业化深度融合为契机，按照第三产业需要第二产业的支撑的基本规律，加快产业转型升级，实施创新驱动发展战略，改造传统产业，坚持发展特色优势工业以及高新技术产业，实现经济高质量发展。

第三，城市化水平的提升与城市化发展高质量高效率目标相匹配，城市化发展质量与产业结构优化升级目标相匹配的协调发展作为今后提升城市化水平的重点目标。虽然从新疆内部而言，乌鲁木齐城市化水平以及城市化水平与产业结构的协调度较好，但是相对于经济较发达的区域而言，乌鲁木齐经济发展仍然较落后，经济增长方式亟待转变，创新要素和全要素生产率的贡献率不高，直接制约着乌鲁木齐市高质量城市化水平，所以应当把重点放在内涵式发展路径上。

第四，高质量高效率城市化水平提升必须与乌鲁木齐市产业内部结构的优化升级为基础，以提升劳动生产效率为抓手，进一步优化第三产业内部结构为切入点，进一步释放第一产业边际产出较低劳动力活力为重点，快速形成第二产业创业驱动发展能力，实现三次产业生产率全面提升和全方位提升。

第五，作为我国向西开放的重要交通、商贸、物流中心，乌鲁木齐仍需不断加强和完善软硬件基础设施建设。我国基础设施的完善为旅游业提供了便利，尤其是近年来乌鲁木齐跨入了高铁时代，大大缩短了与其他地区的时空距离，更好地发挥旅游资源优势。同时，铁路的通畅也增强了各地区之间的经济联系以及联合协作，促进产业升级和物流业发展的同时发挥中心城市的作用，带动周边地区经济发展。

[参考文献]

[1]Croft A.Nighttime images of the earth from space[J].Scientific American，1978（1）：86-98.

[2]Shi K，Huang C，Yu B，et al.Evaluation of NPP-VIIRS night-time light composite data for extracting built-up urban areas[J]. Remote Sensing Letters，2014（4）：358-366.

[3]Li X，Xu H，Chen X，et al.Potential of NPP-VIIRS nighttime light imagery for modeling the regional economy of China[J].Remote Sensing，2013（6）：3057-3081.

[4]Le H，Hara M，Yagi H，et al.Estimating energy consumption from nighttime DMPS/OLS imagery after correcting for saturation effect[J].International Journal of Remote Sensing，2010（16）：4443-4458.

[5]馬忠玉，肖宏伟.基于卫星夜间灯光数据的中国分省碳排放时空模拟[J].中国人口·资源与环境，2017（9）：143-150.

[6]潘竟虎，胡艳兴.基于夜间灯光数据的中国多维贫困空间识别[J].经济地理，2016（11）：124-131.

[7]卓莉，史培军，陈晋，等.20 世纪 90 年代中国城市时空变化特征——基于灯光指数CNLI方法的探讨[J].地理学报，2003（6）：893-902.

[8]华忆迪，陈海涛.基于卫星灯光数据的城市扩展效应分析——以武汉市为例[J].商业经济研究，2019（15）：154-157.

[9]廖祖君，王理.城市蔓延与区域经济高质量发展——基于DMSP/OLS夜间灯光数据的研究[J].财经科学，2019（6）：106-119.

[10]黄鸿健，王芳，解学通.基于灯光遥感数据的广东省20年城市化进程研究[J].城市学刊，2016（1）：1-8.

[11]李南锦.基于夜间灯光数据的重庆城镇化进程分析[J].城市，2018（12）：35-45.

[12]宗慧隽，王明益.中国与“一带一路”沿线国家的贸易潜力和贸易效率——基于夜间灯光数据的实证考察[J].中南财经政法大学学报，2018（6）：125-133.

[13]张俊.高铁建设与县域经济发展——基于卫星灯光数据的研究[J].经济学（季刊），2017（4）：1533-1562.

[14]魏敏，胡振华.区域新型城镇化与产业结构演变耦合协调性研究[J].中国科技论坛，2019（10）：128-136.

[15]李书峰，王维才.产业结构演变与新型城镇化互动机理及其反馈机制[J].城市发展研究，2016（3）：1-4.

[16]张颖，陈维.经济集聚下产业结构升级对城镇化的影响研究[J].现代管理科学，2019（9）：38-40.