基于夜光遥感的辽宁省城镇化动态特征

李鹏飞, 杨光福, 任天智, 王蒙

(辽宁省城乡建设规划设计院有限责任公司信息中心, 沈阳 110006)

城镇化进程往往伴随着人口增长、社会经济活动加剧、相关基础设施增长完善[1]。与此同时,城镇化快速发展带来了许多相关问题,诸如空气污染、城市热岛效应、自然资源退化、温室气体排放等。为减轻上述问题带来的影响,有必要对城镇化进程和其发展特征进行研究,进一步监测城镇化动态[2]。社会经济与人口普查数据是相当有效可靠的统计数据,在城镇化研究中发挥了重要作用,然而其宏观且滞后的特征为城镇化进一步研究带来了障碍。卫星夜间灯光遥感影像作为动态更新的新型数据源,能够有效反映人口动态、社会经济增长和城镇化带来的人类活动强度信息,因此被广泛用于研究更加全面细致的城镇化动态时空特征[3]。

近年来,已有学者将夜间灯光(nighttime light, NTL)遥感影像与城镇化研究方法相结合,为感知人类活动与环境变化等提供了新的思路[4]。NPP/VIIRS(national polar-orbiting partnership/visible infrared imaging radiometer suite)夜间灯光遥感数据具有长时间序列储存、便于获得的特点,借助阈值法、监督分类模型或者与其他数据结合的方式,可对人类活动密集的城市建成区进行提取与可视化[5]。夜间灯光数据也是研究人口、国内生产总值(gross domestic product,GDP)和其他经济数据的重要途径[6-7],能够有效反映社会经济活动的动态变化。除此之外在渔业、能源、环境与碳排放等领域也有广泛的应用[8]。在诸多研究领域中,使用夜间灯光分析城镇化水平与时空特征是一个重要的分支,并产生了许多研究成果。吴健生等[9]证明了通过夜间灯光遥感数据对城市体系与空间结构进行研究的可行性,孙阳等[10]在多种尺度下对社会经济活动与夜间光照情况的相关关系进行研究,分析了人口、经济、社会生活等城镇化指标,揭示了夜间灯光分析城镇化进程的合理性。夜间灯光遥感数据具有时间和空间两层属性,王慧娟等[11]使用空间引力模型在内的多种分析方法,分析了长江中游城市的城镇空间演化特征,陈梦根等[12]借助夜间灯光研究了1992—2016年中国经济发展演化,并分析了产业、教育、交通等因素的影响。更多的研究趋向于从时空角度综合分析,徐涛等[13]使用NPP/VIIRS夜间灯光数据,从紧凑度与分形维度等方面探讨了川渝地区城市建成区扩展的时空分布;奥勇等[14]通过对粤港澳大湾区城市建成区时空动态特征的研究,揭示了区域城市扩张的速度与空间方位;布自强等[15]分析了城市建成区的形态、规模和结构,得出宁夏沿黄城市群的时空演变特征。除了对城市现状的分析研判之外,夜间灯光数据也被用于预测未来的城镇化指标[16]。

现基于辽宁省夜间灯光遥感数据,通过相关性分析与地理探测器验证夜间灯光监测城市建成区的合理性,采用Thei-Sen Median法与Mann-Kendall检验评估2012—2020年城镇建成区的变化特征,Hurst指数用以预测城镇灯光所暗示的城镇未来发展趋势,为辽宁省城镇未来高质量发展提供支撑。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

辽宁省位于东北地区南部,地理坐标为东经118°53′～125°46′,北纬38°43′～43°26′,属温带大陆性季风气候。全省面积14.8万km2,大陆海岸线长2 292 km,近海水域面积6.8万km2。辽宁省是东北地区唯一的既沿海又沿边的省份,也是东北及内蒙古自治区东部地区对外开放的门户。为打破空间枷锁,推动产业协作与经济合作,辽宁省在“十四五”规划期间力争构建沈阳、大连“双核”牵引的“一圈一带两区”区域发展格局,“一圈”即沈阳现代化都市圈,“一带”即辽宁沿海经济带,“两区”即辽西融入京津冀协同发展战略先导区和辽东绿色经济区。

1.2 数据来源

NPP-VIIRS传感器是高分辨率辐射仪AVHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进,用于收集陆地、大气、冰层和海洋在可见光和红外波段的辐射图像。研究使用了2012—2020年的年度夜间灯光数据,数据来源于地球观测组织网站(https://eogdata.mines.edu),该数据已经去除了杂散光、月光和云层覆盖等的影响。在研究前,使用辽宁省行政边界数据裁取到辽宁省2012—2020年夜间灯光数据。

为确定夜间灯光强度对城镇化发展演变研究的支撑作用,选择GDP数据、道路密度和人口密度等城镇化评价指标[17-18]进行相关性分析。GDP网格数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn),道路数据来源于Openstreetmap(https://www.openstreetmap.org),并提取绘制与夜间灯光尺度一致的道路密度栅格,人口密度数据取自WorldPop(https://www.worldpop.org)。上述数据最终统一为分辨率为1 km×1 km的栅格。此外,其他相关数据均来自辽宁省统计年鉴。

2 研究方法

2.1 相关性分析

计算夜间灯光与GDP数据、道路密度与人口密度的皮尔逊相关系数,用以揭示夜间灯光与城镇化之间的关系[19]。皮尔逊相关系数可以用P来表示,P为正表明夜间灯光与城镇化指标是正相关关系,反之亦然,P的绝对值越大代表着相关性越强,具体计算公式为

(1)

2.2 地理探测器

地理探测器是一种度量要素空间分层异质性,探讨其潜在驱动因素的统计学方法。地理探测器包含因子探测与交互探测等,因子探测用以揭示空间层面城镇化指标对夜间灯光影响程度的强弱,交互探测检验不同城镇化指标共同作用时对夜间灯光影响的交互作用[20]。因子探测通过计算驱动力q,度量某个城镇化指标会在多大程度上影响夜间灯光的空间分异性,q的计算公式为

(2)

交互探测的原理是先分别计算两个城镇化指标的q,后将两个城镇化指标图层叠加在一起计算q,对比叠加后的q与原始两个指标的q之间的关系判断因子交互的类型。

2.3 变异系数

变异系数是一种无量纲的数据离散程度衡量指标,能够很好反映空间数据的时间差异和变化程度,用以评价夜间灯光数据的稳定性[21]。变异系数值越大,夜间灯光亮度值分布越分散,人类活动程度变化越剧烈;变异系数值越小,夜间灯光亮度值分布越集中,人类活动程度保持稳定。以像元为单位计算夜间灯光值的变异系数,公式为

(3)

2.4 趋势分析与显著性检验

Thei-Sen Median分析是一种非参数趋势计算模型,常与Mann-Kendall检验结合评估时间序列数据的变化趋势与显著性[22],可用于夜间灯光影像亮度长时间序列数据的趋势分析中。Thei-Sen Median法计算公式为

(4)

式(4)中:βa为夜间灯光影像像元亮度变化趋势。βa>0时,像元亮度呈增长趋势;βa=0时,像元亮度保持不变;βa<0时,像元亮度呈下降趋势。像元亮度趋势结果可分为显著降低、轻微降低、保持不变、轻微提升和显著提升五类。

使用Mann-Kendall检验趋势分析的显著性,计算公式如下。

(5)

(6)

(7)

式中:ai和aj分别为夜间灯光影像像元在研究年份i和j的亮度值;sgn()为符号函数;Z为标准化后的检验统计值。在双边检验中,对于给定的显著性水平α,若|Z|>Zα/2,则在α的显著性水平下夜间灯光序列亮度值存在显著的变化趋势。研究中,显著性水平取0.05。

2.5 Hurst指数

Hurst指数是一种基于分形理论的时间序列分析方法,在气候变化与城镇化扩张分析等领域具有广泛的应用[17]。该方法可以用来预测夜间灯光亮度时间序列的未来变化趋势。计算Hurst指数需要定义夜间灯光像元亮度时间序列{at},t=1,2,…,n,同时利用式(8)计算出其像元序列平均亮度值,即

(8)

在此基础上,计算其累计高差、极差以及标准差,公式如下。

(9)

R(τ)=max1≤t≤τX(t,τ)-min1≤t≤τX(t,τ),τ=1,2,…,n

(10)

(11)

故可求出Hurst指数,公式为

(12)

式(12)中:H为Hurst指数,通过最小二乘法计算;c为常数。当0.5

3 城镇化驱动因子相关性与异质性

3.1 夜间灯光格局

辽宁省夜间灯光的空间结构以省内城市为核心,呈散点状分布,大致形成以沈阳—大连为轴线的集中连片区域,如图1所示。亮度高值分布在城市和部分城镇,以及将它们相互连接的重要道路,反映了辽宁省域城镇的空间分布特征。

图1 辽宁省夜间灯光分布

为初步判断辽宁省夜间灯光与城镇发展的关系,绘制了全省年均夜间灯光亮度值与城镇建成区面积变化趋势图,如图2所示。辽宁省年均夜间灯光亮度值在0.8～1.2变化,2012—2015年呈明显的波动态势,自2015年起,全省夜间灯光亮度均值持续增长。城镇建成区面积由2 329.1 km2增长至3 105.5 km2,与夜间灯光保持较为同步的增长趋势。

图2 夜间灯光与城镇建成区年际变化趋势

3.2 相关性分析

2012—2020年,辽宁省总人口保持在4 200万人左右,GDP总量从1.7万亿元上升至2.5万亿元,GDP年均增速约为4.2%,道路长度从1.55万km增加至2.15万km。人口的变化趋势与GDP、道路长度不同,经济不断发展,总人口却处于流失减少状态,与此同时,60岁以上人口由771万人上升到1 116.8万人,老龄化率较高。从城镇化角度来看,城镇人口自2 872万人增长至3 064万人,人口不断向城市集中,城镇化水平不断提升。

GDP、道路密度和人口密度与夜间灯光强度呈正相关,相关系数分别为0.58、0.66、0.65(P<0.05)。结果表明,GDP值与道路密度对夜间灯光强度具有显著影响,虽然人口总体发展趋势与夜间灯光发展趋势不一致,城镇化人口却保持稳定增长,人口密度也是城镇夜间灯光强度变化的重要驱动因素。

3.3 空间异质性

为了进一步探索夜间灯光与多个城镇化指标之间的关系,了解夜间灯光强度的空间分布特征,使用地理探测器对夜间灯光强度与城镇化指标进行因子探测与交互探测,结果见表1。可以看出,经济水平和道路密度对灯光强度具有较高的解释力,驱动力值分别为0.48和0.40,表明经济活动水平与道路密度的差异是夜间灯光强度呈现空间差异性的重要因素;人口密度的解释力相对较低,这是由于高密度人口并非是产生强灯光的必要条件,如夜间人口稀疏的一些路口、工厂、广场等区域,同样会展现出较高的夜间灯光强度。

表1 因子探测与交互探测结果

夜间灯光强度同样是多重影响因素共同作用的结果。交互探测的结果表明,经济水平、人口密度和道路密度都存在双因子增强的交互关系,即双因子共同作用明显比单因子驱动力更高。与单个驱动因子相比,任意两个驱动因子之间共同交互的驱动力值都有不同程度的升高,其中GDP与道路密度之间的交互提升效果较为明显,表明在经济活动较强的区域改善交通条件,或者提升道路附近的经济活动强度均能对夜间灯光的提升产生促进效应,更有助于提升城镇化水平。

综上,城镇化发展指标与夜间灯光具有较高的匹配度,夜间灯光的分布特征一定程度上反映了城镇发展与空间布局特征,因此使用夜间灯光研究城镇化特征是合理的。

4 城镇格局演化

4.1 城镇化时空变化

为体现辽宁省城镇化发展的活跃程度,对夜间灯光强度的变异系数进行像元计算与可视化,结果如图3所示。全省夜间灯光强度变异系数均值为0.36,表现出较高波动程度的像元数占总像元数的81.7%。空间位置上靠近城市核心区的像元,其变异系数值相对较低,像元夜间灯光亮度较为稳定;空间上位于城乡交界处的像元,夜间灯光亮度变化较为显著,表示在2012—2020年,这些区域的社会经济增长和城镇化发展较为明显;远离城市的广大乡村区域,变异系数保持在较低的水平。

图3 变异系数的省域分布

从区域层面来看,不同区域灯光亮度变异系数的均值差异较大,侧面反映了城镇发展速度与活力的地区差异性。沈阳现代化都市圈与辽宁沿海经济带的变异系数均值低于辽西融入京津冀协同发展战略先导区和辽东绿色经济区,如图4所示。在沈阳和大连的带动下,“一圈一带”范围内经济活跃程度与城镇化已经处于较高水平,因此灯光强度变异系数整体偏小。“两区”范围内由于地理位置相对不利,基础设施建设水平较低,较高的变异系数体现了较高的城镇化发展潜力。

图4 变异系数的区域分布

4.2 城镇化趋势分析

辽宁省夜间灯光趋势揭示了空间分布的区域差异。从全省层面看,90%以上的像元都呈现增长趋势,且多分布在广袤的乡村区域,如图5所示,这佐证了2012—2020年乡镇人民生活水平的提升。然而呈现亮度降低趋势的像元总占比不到10%,却多分布于城市建成区范围内,这些区域集中了多数的夜间灯光亮度高值,人类活动强度已基本饱和,夜间灯光值很难进一步提升,面临城镇化转型与发展的双重困局。

图5 变化趋势的省域分布

从区域层面来看,辽东绿色经济区的城镇发展水平与其他地区的差距较为明显,如图6所示。辽东绿色经济区城镇区域范围内,灯光亮度降低趋势的像元占比接近50%,相较于其他区域内的该数据约为25%,该区域在过去近10年中城镇发展面临较大挑战。辽东地区多山且为重要的林业生态区域,限制性开发政策阻碍了当地的经济发展,城镇化重点在于协调区域发展与保护的矛盾。

4.3 城镇化发展的可持续性

将夜间灯光亮度趋势与Hurst指数分析结果叠加耦合,得到辽宁省夜间灯光像元亮度变化趋势及其持久性,如图7所示。从全省范围来看,辽宁省夜间灯光的平均Hurst指数为0.71,整体发展呈现一定的可持续性。全省90%的像元夜间灯光亮度在未来保持增长,而建成区范围内仅有68%的像元保持增长,已城镇化区域的发展可持续性不足,这与现状的高城镇化率、高老龄化率密切相关。

图7 可持续性的省域分布

将夜间灯光亮度可持续轻微减小的像元与可持续显著减小的像元合并为可持续减小的像元,并在此基础上进行统计,并与过去9年的发展态势进行对比,如图8所示。从区域层面看,辽东绿色经济区城镇范围在2012—2020年有49%的像元数保持降低趋势,耦合后的数据显示仅有41%的像元存在亮度降低态势,说明辽东城镇发展状态有所改善,不过未来夜间灯光亮度降低的像元数占比依旧高于其他3个区域。沈阳现代化都市圈、辽宁沿海经济带和辽西融入京津冀协同发展战略先导区灯光亮度降低区域占比在未来均有所增加,城镇化速度会有所放缓,甚至不乏逆城镇化的情况出现。

图8 可持续性的区域分布

5 结论

(1)经济水平、人口密度与道路密度作为城镇化指标,是夜间灯光亮度变化的重要影响因素,可以使用夜间灯光对城镇化变化进行时空分析。

(2)在2012—2020年,辽宁省的夜间灯光均值有所增长,省域层面城镇化发展不断向前。然而城镇区域发展面临压力,核心区的灯光变异系数不高,增长驱动力缺失,部分区域灯光亮度保持下降的趋势,城镇化发展缺乏活力。

(3)从区域层面来看,辽东绿色经济区城镇灯光亮度降低的像元占比接近50%,整体城镇化发展水平不及其他区域,由于以绿色低碳发展为主,城镇化率偏低,因此其未来城镇化发展具有相对较大的空间;沈阳现代化都市圈、辽宁沿海经济带和辽西融入京津冀协同发展战略先导区城镇化发展保持相对稳定,但在也面临灯光亮度增长区域面积下降等问题,“一圈一带”是辽宁省高度发达地区,目前城镇化发展进入中后期,未来应以城市更新高质量、精细化发展为主;辽西资源枯竭型城市较多,部分城市在收缩,面临着转型发展的巨大压力,如何借助地理与交通优势融入京津冀一体化发展,成为未来城镇化发展的关键。

因此,辽宁省还需进一步优化城市空间布局,兼顾区域化和差异化发展的同时,提升城市功能品级,激发内生活力,为城镇化高质量发展提供新的动力。