基于夜间灯光数据的兰西城市群时空演变特征

张文斌，张志斌，周翼，董建红，高峰

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院，兰州 730070；2.兰州财经大学 财税与公共管理学院，兰州 730101；3.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193)

0 引言

2018年3月，国务院印发《兰州—西宁城市群发展规划》，要求到2035年兰西城市群协同发展格局基本形成，各领域发展取得长足进步，发展质量明显提升，在全国区域协调发展战略格局中的地位更加巩固[1-2]。兰西城市群是中国西部重要的跨省区城市群，也是黄河上游重要的城市群。该城市群是以兰州、西宁为中心，范围主要包括甘肃省兰州市，定西市安定区、陇西县、渭源县、临洮县，白银市白银区、平川区、靖远县、景泰县，临夏回族自治州临夏市、东乡族自治县、永靖县、积石山保安族东乡族撒拉族自治县，青海省西宁市，海东市，海南藏族自治州共和县、贵德县、贵南县，海北藏族自治州海晏县，黄南藏族自治州同仁县、尖扎县，总面积9.75 km2，占国土总面积的1.1%[3-5]。然而，目前鲜见兰西城市规模的相关研究，而掌握城市群城市规模变化特征则是促进城市群协调发展的基础。城市规模历来是城市研究的热点[6]，在城市规模测度方面，国内外学者通常利用城市人口[7-8]、建设用地规模[9-10]、GDP[11-13]等指标表征城市规模；在城市规模分析方面，则常利用分形理论[14]、网络空间模型[15]、水资源承载力[16]、引力模型[17-18]、Huff模型[19-21]、断裂点模型以及加权Voronoi图[22-23]等方法进行研究。综观上述研究发现，统计数据是城市规模测算的主要数据来源，但统计数据难免存在失真、时效性差等缺点，给准确测算城市规模带来不便[24]。在进行城市规模分析时，往往注重对城市体系以及城市联系进行分析，却忽略了城市规模的时空演变特征。随着遥感技术的发展，尤其是夜间灯光数据能直观地反映人类社会经济活动的强度与范围，与各类社会经济要素(人口[25]、GDP[26]、城市化水平[27]、不透水面[28]、城市扩张[29]、电力消费[30]、碳排放[31]等)存在显著的相关关系，具有时效性、客观性、易获取性等优点，因此，有部分学者[32-34]以夜间灯光指数表征城市规模，有效地弥补了统计数据的不足。基于此，本文利用平均夜间灯光强度来表征城市规模，采取核密度分析、标准差椭圆、莫兰指数以及热点分析等方法对2013—2018年的兰西城市群城市规模时空演变特征进行分析，以期丰富地理学研究的方法体系，同时为兰西城市群的高质量发展提供决策依据。

1 数据与分析方法

1.1 数据及处理方法

本文以县级单元作为研究的基本单元，行政区划数据来源于国家地理信息中心；NPP-VIIRS夜间灯光数据来源于NOAA/NGDC网站，空间分辨率为500 m，共选取72景2013—2018年各月的NPP-VIIRS夜间灯光数据，采取相关处理方法[24-35]对NPP-VIIRS数据进行处理，最终获得2013—2018年年度夜间灯光数据。

本研究在对夜间灯光数据预处理的基础之上，采取负值消除与年度均值图像合成、相对辐射校正、极高值消除以及不稳定光源消除等手段对夜间灯光数据进行处理[24-35],同时按照式(1)进行灯光指数计算。

(1)

式中：ANLI为平均灯光指数；Nmax为最大灯光亮度；DNi为区域内第i级的灯光亮度；N为区域内所有的亮值像元总数；ni为区域内第i级的灯光亮度的像元总数。

1.2 时空演变特征分析方法

1)核密度分析。核密度估计属于非参数检验方法之一，是在概率论中用来估计未知的密度函数。本研究利用核密度分析(式(2))对兰西城市群城市规模的空间演变特征进行分析[24-37]。

(2)

式中：f(s)为s处的核密度函数值；h为宽带；n为与位置s的距离小于或等于h的要素点数；k函数表示空间权重函数。

2)标准差椭圆。标准差椭圆分析法是一种定量描述研究对象时空分布特征与演变过程的方法[24-26，30-35]。椭圆中心表示地理要素空间分布的相对位置，方位角表示地理要素分布的主要方向，长轴与短轴标准差分别表示地理要素在主要方向与次要方向上的离散程度。具体表述为式(3)～式(6)。

(3)

方位角：

(4)

(5)

(6)

3)莫兰指数Moran’s I。本研究通过GeoDa 1.12软件计算兰西城市群城市规模的全局莫兰指数(式(7))，用以探讨城市规模的时空演变格局[24-26，30-35]。

(7)

4)热点分析。研究采用Ord和Getis提出的用于进行局部相关性分析的统计指数G*(式(8)、式(9))来识别兰西城市群城市规模关联特征[24-26，30-35]。

(8)

(9)

2 城市规模时空演变分析

2.1 城市规模时空演变特征分析

根据自然断点法，本文将兰西城市群城市规模核密度划分为5级，然后采取手动分类的方法，对后续年份城市规模核密度进行分类。发现在空间上，2013—2018年兰西城市群城市规模核密度呈现出以西宁、兰州2座城市为中心的两极特征，且城市规模核密度不断向外围扩张，在强度上则基本呈现出不断增强的趋势，说明整体上兰西城市群城市规模增长明显。具体来看，兰西城市群在2013年表现出以兰州主城区为主核心、西宁主城区为副核心的同心圆分布格局，且在乐都地区出现了明显的低密度区域，说明此时兰西城市群内部城市发展空间差异较大。在2014年时，以兰州主城区为主核心、西宁主城区为辅核心的同心圆分布格局虽未完全改变，但乐都地区城市规模核密度增强；同时，甘肃一侧的平川区与安定区城市规模也不断增强，表现出向东北、东南方向发展的趋势，说明此时部分中小型城市得到了发展。2015年其变化不太明显。至2016年，青海一侧的城北区、城东区、湟中县等地的核密度跃升到一级，城市规模的主次核心格局转变为两极格局，反映了西宁主城区及其周边部分县域的城市规模得到明显的发展。另外，2013年，兰州主城区城市规模呈现出城关区—西固区为核心的城市规模分布特征，但在2016年呈现出城关区—兰州新区的南北向城市规模分布的趋势，一方面反映了兰州新区的崛起，另一方面反映了西固区等老城区城市规模发展放缓的事实。2017年，兰州主城区的城关区—兰州新区的南北向城市规模分布的趋势已基本形成，2018年，青海一侧的尖扎县、化隆、民和等区域的城市规模进一步扩展。综上得出，2013—2018年兰西城市群的城市规模在不断发展的同时，其内部空间格局也在不断演化，尤其是兰州新区、西宁主城区以及城市群东部与南部的部分中小型城市，其城市规模增长对整个城市群城市规模空间格局演变起着重要作用。

2.2 城市规模时空分布方向分析

通过标准差椭圆分析发现，2013—2018年兰西城市群城市规模在研究时点中重心均位于甘肃境内，说明整个城市群中甘肃境内的城市规模更大。从重心的移动方向来看，虽然城市规模重心在西北、东北、西南3个方向都有迁移，但整体上以西北为主，这是研究时段中城市群西部尤其是西宁等地城市规模发展迅速所致；从重心的迁移距离来看，2017年之前，重心迁移距离较小，迁移方向为西北方向，说明城市群西北部的城市规模正在逐步增长，2017年城市规模重心迁移距离最大，达到11.15 km(表1)，且迁移方向为东北方向，说明此时城市规模增长的重心转移到城市群东北部，且增长较为迅速。2018年，城市规模的增长重心又重新回归到城市群的西部。从方位角来看，城市群城市规模的方位角始终处于107.12°到109.08°之间(表1)，说明城市规模空间分布呈现出西北—东南方向格局。从主轴方向看，主半轴长度由134.50 km增长到148.97 km(表1)，整体呈现出增长趋势，说明城市规模在主轴方向上发生了分散现象；从辅轴方向看，辅半轴长度由46.37 km增长到54.61 km(表1)，说明在辅轴方向上城市规模也发生了分散现象，体现了兰西城市群城市规模在研究时点中的离散程度加强，城市群内部之间的城市规模差异进一步拉大。

表1 2013—2018年兰西城市群城市规模标准差椭圆参数

2.3 城市规模时空演变格局分析

通过莫兰指数发现，兰西城市群2013年的莫兰指数为0.36(表2)，2018年莫兰指数为0.11，说明虽然兰西城市群城市规模存在正向空间分布特征，但是莫兰指数下降明显，空间聚集性减弱，城市群内部的城市规模差异不断变大，体现了虽然整体上在研究期内城市群城市规模得到普遍增长，但是由于资源禀赋以及政策驱动等因素使得如兰州新区、西宁主城区等地区发展更为迅速，造成了区域间城市规模发展速度失衡，加强了城市群城市规模的离散程度。

表2 2013—2018年兰西城市群城市规模莫兰指数

为进一步分析兰西城市群城市规模的空间格局演变特征，对城市规模进行热点分析，得到兰西城市群2013—2018年的城市规模变化热点表(表3)。不难发现，兰西城市群的城市热点区域不断降低，冷

表3 2013—2018年兰西城市群城市规模热点变化

点区域相对稳定。2013年兰西城市群城市规模的热点区域范围较大，共涉及8个区县，主要集中在兰州市主城区附近，在循化撒拉族自治县与同仁县则形成了城市规模的冷点区域，并一直持续到2017年；而在西宁等地的城市规模并没有形成冷热点，说明该区域城市规模空间聚集性较弱。到2018年时，城市规模热点区域由8个降低至4个，冷点区域保持不变。这一方面主要是由于兰州市部分县域城市规模有所降低，如西固区等传统工业型城市的大型工业企业不断外迁导致的；另一方面则是由于兰州新区的迅速扩张，拉大了与邻近城市的差距，城市规模差异性增强，导致了热点区域的减少。另外，兰州、西宁2座中心城市的热点区域不断减少(或未形成热点区域)，反映出城市群内中心城市对周边城市的辐射引领作用有待进一步加强。

3 结束语

本文以夜间灯光亮度表征城市规模，利用核密度分析、标准差椭圆分析、莫兰指数以及热点分析等方法对兰西城市群2013—2018年的城市规模进行分析，得出以下结论。

1)从时空演变特征来看，研究期兰西城市群城市规模整体增长明显，城市规模空间演变由兰州西宁为主次中心的同心圆分布格局逐渐转变为以兰州、西宁2座城市为中心的两极特征。其中，中小型城市的规模增长使城市群城市规模核密度集中连片程度增强，西宁主城区城市规模增长使城市群西部逐渐形成城市规模的一极，兰州新区的迅速发展以及西固等地区城市规模发展速度放缓使兰州主城区城市规模由以城关区—西固区为核心的东西向分布趋势逐渐转变为以城关区—兰州新区为核心的南北向分布趋势。

2)从时空分布方向来看，研究期兰西城市群城市规模重心均位于甘肃境内，表明城市群东部城市发育较为成熟，城市规模重心移动整体上以西北方向为主，说明西北部城市规模增长更为迅速，2017年城市规模重心迁移距离最大，达到11.15 km；从方位角来看，城市群城市规模的方位角始终处于107.12°到109.08°之间，反映出城市规模空间分布呈现出西北—东南方向格局；从主辅轴方向看，主辅半轴长度均有所增加，兰西城市群城市规模在主次方向上发生了分散现象，体现了兰西城市群城市规模在研究时点中的离散程度加强，城市群内部之间的城市规模差异进一步拉大。

3)从时空演变格局来看，研究期兰西城市群城市规模莫兰指数皆为正，但基本呈现出逐年降低的趋势，说明兰西城市群城市规模存在正向空间分布特征，但空间聚集性不断减弱，城市群内部的城市规模差异不断变大，这是由于资源禀赋以及政策驱动等因素使得如兰州新区、西宁主城区等地区发展更为迅速，造成了区域间城市规模发展速度失衡，加强了城市群城市规模的离散程度。从热点分析来看，兰西城市群城市规模的空间格局呈现出热点区域不断降低，冷点区域相对稳定的空间格局，这同样是城市群城市规模发展速度失衡所致，使相邻城市间城市规模差异不断拉大，热点区域不断减少，也体现了城市群内中心城市对周边城市的辐射引领作用有待进一步加强。

本文通过对兰西城市群2013—2018年城市规模时空演变进行分析，有利于掌握兰西城市群城市规模时空演变特征，为兰西城市群的高质量发展提供一定的理论借鉴和决策依据。文中关于兰西城市群城市规模在2016年之前形成了以“兰州为主核心，西宁为次核心”的空间分布特征，“城市群内中心城市对周边城市的辐射引领作用有待进一步加强”以及“城市群内部之间的城市规模差异进一步拉大”等结论与梁峰[38]关于兰西城市群“城市间相互联系强度空间发展不均衡”“兰西城市群城市体系呈现出明显的极化特征，中心城市对群内城市的辐射带动作用有限；兰西城市群中兰州市的集聚能力整体大于西宁市，且兰州市的中心地位高于西宁市”等结论相似，表明了利用夜间灯光数据表征城市规模的可行性，同时在一定程度上佐证了文章结论的科学性。另外，研究发现西固、安宁等地区的夜间灯光指数自2017年后不断降低，同时兰州新区灯光指数不断增长，造成了兰州市主城区附近的城市规模核密度空间分布格局呈现出由东西向南北转化的趋势，这有可能是由于天气或者数据质量的原因使得该地区的夜间灯光亮度未得以真实体现，也有可能是该地区出现了“城市收缩”的现象。因数据及资料等的限制，文章缺乏对兰西城市群城市规模时空演变特征驱动机制的探讨，未来资料充实后有待于进一步深入研究。