張高華 譚 力 鐘 鑫

1.湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南長(zhǎng)沙 410000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢)公共管理學(xué)院，湖北武漢 430074

研究長(zhǎng)江中游城市群的城區(qū)空間變化，準(zhǔn)確獲取城區(qū)面積的變化對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃以及優(yōu)化城鎮(zhèn)化的空間格局具有重要意義。目前，基于遙感技術(shù)的城鎮(zhèn)化研究被廣泛應(yīng)用于城市土地利用變化監(jiān)測(cè)和城市空間格局分析等方面，然而從大尺度上研究城區(qū)空間擴(kuò)展變化時(shí)，遙感數(shù)據(jù)存在獲取成本高、處理過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間與人力等缺點(diǎn)[1]。美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星（DMSP）搭載的線掃描系統(tǒng)（OLS）傳感器具有光電放大特性，該傳感器對(duì)夜間低可見(jiàn)度的光源非常敏感，非常適合于利用夜間城市燈光來(lái)提取城市建成區(qū)和非建成區(qū)，具有數(shù)據(jù)量小并且數(shù)據(jù)容易獲取、數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)、適合大尺度城市動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。Elvidge等[2-3]利用 DMSP/OLS 數(shù)據(jù)進(jìn)行城市建成區(qū)的研究，說(shuō)明了DMSP/OLS數(shù)據(jù)在社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等各方面的應(yīng)用價(jià)值。曹偉超等[4]以三年的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)為例，利用二分法提取了西南地區(qū)城市空間信息，分析了其城市化發(fā)展的過(guò)程和趨勢(shì)。楊洋等[5]利用DMSP/OLS 數(shù)據(jù)提取了環(huán)渤海地區(qū)1992～2010年城鎮(zhèn)用地信息，從而分析了環(huán)渤海地區(qū)的城鎮(zhèn)化水平和區(qū)域城鎮(zhèn)化的空間特征。但是，在利用長(zhǎng)時(shí)間序列DMSP/OLS數(shù)據(jù)對(duì)城市群空間格局變化驅(qū)動(dòng)力的分析較少。在目前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下，利用燈光數(shù)據(jù)對(duì)城市群空間格局的變化特征進(jìn)行研究，從而揭示城市的發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

選取長(zhǎng)江中游城市群1995～2013年的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，從較大的時(shí)空尺度上分析長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展的空間格局變化。采用二次多項(xiàng)式校正模型對(duì)1995～2013年的DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，利用Landsat-TM影像數(shù)據(jù)得到較為精確的城鎮(zhèn)面積，再使用二分比較法提取長(zhǎng)江中游城市群各城市的建成區(qū)，對(duì)城區(qū)空間拓展?fàn)顩r進(jìn)行綜合分析。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)分布特征

長(zhǎng)江中游城市群是以武漢城市圈、環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群這三個(gè)為主體而形成的特大型城市群，土地面積約31.7萬(wàn)km2，長(zhǎng)江中游城市群中各個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系日趨緊密，其發(fā)展規(guī)劃在我國(guó)中部區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。該區(qū)域擁有優(yōu)越的區(qū)位條件，是連接我國(guó)東部和西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的樞紐，交通發(fā)達(dá)，科技教育資源豐富，高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，與周邊城市貿(mào)易往來(lái)密切。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，長(zhǎng)江中游城市群是繼長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀之后經(jīng)濟(jì)發(fā)展最迅速的城市群，該區(qū)域的城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，了解區(qū)域空間格局的變化特征，對(duì)于今后發(fā)展規(guī)劃和區(qū)域內(nèi)城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)源

選用的遙感影像是1995～2013年中4年的DMSP/OLS非輻射定標(biāo)的夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)，其下載自美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。非輻射定標(biāo)的夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)的地面分辨率為0.0083333°，影像網(wǎng)格單元的DN值范圍是0～63[6]。使用的數(shù)據(jù)來(lái)自4個(gè)不同的衛(wèi)星 ：F12（1994～1999）、F15（2000～2007）、F16（2004～2009）和F18（2010～2013），由于不同衛(wèi)星傳感器之間靈敏度的差異，沒(méi)有經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)的不同年份圖像之間的DN值不具有可比性。采用公式（1）所示的二次多項(xiàng)式校正模型，選取F16（2007）數(shù)據(jù)集雞西市的數(shù)據(jù)，分別對(duì)F12（1995）、F15（2001）、F18（2013）數(shù)據(jù)集的相同區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析（見(jiàn)圖1），得到校正參數(shù)（見(jiàn)表1）。本研究利用表 1，對(duì)1995、2001、2013長(zhǎng)江中游城市群區(qū)域夜間穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到校正后的燈光數(shù)據(jù)。

DNL＝aDN2+bDN+c （1）

DN、DNL分別為校正前后像元灰度值，a、b、c為回歸參數(shù)。

圖1 雞西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)數(shù)據(jù)相對(duì)F16（2007）的回歸分析結(jié)果

表1 雞西市F12(1995)、F15(2001)和F18(2013)數(shù)據(jù)相對(duì)F16(2007)的校正參數(shù)

2 研究方法

2.1 長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)面積提取

城市建成區(qū)的面積提取一般采用閾值分割法，對(duì)于夜間燈光數(shù)據(jù)DN閾值的確定是利用夜間燈光數(shù)據(jù)研究建成區(qū)的關(guān)鍵[7]。利用同期Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)確定長(zhǎng)江中游城市群城鎮(zhèn)燈光DN閾值，提取城市建成區(qū)的面積。采用空間比較法中的二分法來(lái)確定燈光閾值，從而確定長(zhǎng)江中游城市群的邊界。圖2中D Nmax和D Nmin分別是夜間燈光數(shù)據(jù)的最大亮度值和最小亮度值，S（DNT）是在閾值DNT下得到的城鎮(zhèn)建設(shè)面積；S（TM）為使用TM 圖像提取的城鎮(zhèn)建設(shè)面積；△S（DNT）表示在閾值DNT條件下，計(jì)算夜間燈光數(shù)據(jù)提取的城鎮(zhèn)建設(shè)面積與TM圖像提取的城鎮(zhèn)建設(shè)面積的差值。

圖2 夜間燈光數(shù)據(jù)閾值確定流程

△S（DNT）min表示△S（DNT）與△S（DNT-1）和△S（DNT+1）的差值絕對(duì)值相比是否為最小值，如果是最小，DNT便是閾值；如果不是，再比較△S（DNT）與S（TM）的關(guān)系，如果大于S（TM），便用DNT值代替DNmin，相反則用DNT代替DNmax，重新比較，直到得出最佳閾值，大于最佳閾值DNT的值也就是通過(guò) DMSP/OLS 夜間燈光數(shù)據(jù)提取的建成區(qū)面積。從長(zhǎng)江中游城市群中選取襄陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市和南昌市三個(gè)城市作為訓(xùn)練區(qū)，根據(jù)各自確定的閾值來(lái)確定最佳閾值DNT。1995年和2001年的最佳閾值都是50，2007年最佳閾值為54，2013年最佳閾值為60，根據(jù)最佳閾值最終得到1995年、2001年、2007年和2013年的城市群城區(qū)面積。

2.2 長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)擴(kuò)展變化

由圖3可見(jiàn)，長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)空間擴(kuò)展比較劇烈，各時(shí)期擴(kuò)展特征明顯。1995年城區(qū)建設(shè)面積較大的主要是武漢、長(zhǎng)沙和南昌等中心城市，從宏觀上來(lái)看，城市分布零散，相互之間處于比較松散的狀態(tài)，缺乏聯(lián)系。而根據(jù)2001年監(jiān)測(cè)到的夜間燈光數(shù)據(jù)，中心城區(qū)面積擴(kuò)大，并且咸寧市、岳陽(yáng)市、黃石市、九江市和宜春市等城市的發(fā)展將原來(lái)的武漢市、長(zhǎng)沙市和南昌市等獨(dú)立的點(diǎn)連接了起來(lái)。在城市發(fā)展的過(guò)程中，圍繞武漢、長(zhǎng)沙和南昌這三個(gè)省會(huì)城市，夜間穩(wěn)定燈光呈現(xiàn)明顯的聚集，并向外進(jìn)行輻射式發(fā)展。2007年武漢市、長(zhǎng)沙市和南昌市已經(jīng)和中間發(fā)展的城區(qū)共同構(gòu)成了一個(gè)三角形的發(fā)展形態(tài)，附近燈光迅速增長(zhǎng)。之前已經(jīng)監(jiān)測(cè)到的燈光城市面積到2013年逐漸增大，圍繞著武漢城市圈、環(huán)長(zhǎng)株潭城市群、環(huán)鄱陽(yáng)湖城市群這三個(gè)城市群向外進(jìn)行放射狀發(fā)展。其中，湖北省內(nèi)城市的發(fā)展主要圍繞長(zhǎng)江這條軸線，湖南省和江西省的發(fā)展分別圍繞主要交通要道和贛江發(fā)展，從湖北到湖南沿著“襄陽(yáng)-荊州-常德-婁底”二廣發(fā)展軸發(fā)展，形成了軸線推動(dòng)區(qū)域的發(fā)展的趨勢(shì)。

從1995～2013年，長(zhǎng)江中游城市群各個(gè)城區(qū)空間擴(kuò)展變化具有不同特點(diǎn)。武漢市和長(zhǎng)沙市擴(kuò)展變化最快的是從2001～2007年，從長(zhǎng)沙市、株洲市和湘潭市發(fā)展變化可以看出，株洲市在2007年城區(qū)擴(kuò)展面積增大明顯，到2013年城區(qū)空間隨時(shí)間推移不斷向西北方向擴(kuò)展，湘潭市城區(qū)也在2013年快速向外擴(kuò)展，這主要是因?yàn)?005年長(zhǎng)株潭城市群區(qū)域規(guī)劃的批準(zhǔn)，長(zhǎng)株潭面積擴(kuò)展迅速。

圖3 長(zhǎng)江中游城市群四年夜間燈光數(shù)據(jù)

3 長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)變化驅(qū)動(dòng)力分析

通過(guò)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)提取了中游城市各個(gè)城區(qū)空間擴(kuò)展的信息，在對(duì)長(zhǎng)江中游城市群時(shí)空變化分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用當(dāng)前較為普遍的主成分分析法并結(jié)合SPSS工具的數(shù)據(jù)分析功能[8]，以武漢市為例分析研究影響城市擴(kuò)展變化的驅(qū)動(dòng)力因素。

3.1 武漢市城區(qū)變化驅(qū)動(dòng)力分析

3.1.1 指標(biāo)選取

以武漢市為例，從社會(huì)人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活水平等方面綜合考慮，參考前人相關(guān)研究成果構(gòu)建指標(biāo)體系[9-10]，選取指標(biāo)包括：戶籍人口、農(nóng)業(yè)人口、非農(nóng)業(yè)人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重、第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重、第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重、地方公共財(cái)政收入、城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資、農(nóng)村居民人均純收入、城市人均可支配收入、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資、旅客周轉(zhuǎn)量、城市人均住房建筑面積和貨物周轉(zhuǎn)量16個(gè)指標(biāo)。

3.1.2 主成分分析結(jié)果

利用SPSS對(duì)選取的16項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，得到特征值及主成分貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表2）。選取特征值大于1的2個(gè)主成分，2個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率比例達(dá)到95%，說(shuō)明了選取的2個(gè)主成分可以解釋16個(gè)因子的95%，影響城區(qū)擴(kuò)展的因素包括F1和F2兩個(gè)主成分。

表2 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

表3 因子載荷矩陣

從因子載荷矩陣可以看出，戶籍人口（X1）、非農(nóng)業(yè)人口（X3）、地區(qū)生產(chǎn)總值（X4）、第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重（X6）、地方公共財(cái)政收入（X8）、城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資（X9）、農(nóng)村居民人均純收入（X10）、城市人均可支配收入（X11）、社會(huì)消費(fèi)品零售總額（X12）、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資（X13）、旅客周轉(zhuǎn)量（X14）、城市人均住房建筑面積（X15）和貨物周轉(zhuǎn)量（X16）在第一主成分具有較大的載荷，主要反映了武漢市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。農(nóng)業(yè)人口（X2）、第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重（X5）和第三產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重（X7）在第二主成分具有較大的載荷，主要反映了城鎮(zhèn)化水平。由此可見(jiàn)，每一個(gè)主成分都代表了特定的實(shí)質(zhì)意義，2個(gè)主要成分從2個(gè)角度反映了城區(qū)的變化，因此，城區(qū)變化的驅(qū)動(dòng)力主要是受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化水平這2個(gè)因素的影響。

3.2 長(zhǎng)江中游城市群空間擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展是長(zhǎng)江中游城市群空間擴(kuò)展的主要原因

湖北省2003年生產(chǎn)總值5395.91億元，2013年生產(chǎn)總值24668.49億元，增長(zhǎng)了446.13%；湖南省2003年生產(chǎn)總值4633.73億元，2013年生產(chǎn)總值24501.7億元，增長(zhǎng)了428.77%；江西省2003年生產(chǎn)總值2830億元，2013年生產(chǎn)總值14338.5億元，增長(zhǎng)了406.67%。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使人們的生活水平、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)用地等改變，以前的城區(qū)空間已經(jīng)滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，那么城市必然需要對(duì)城市空間進(jìn)行擴(kuò)展。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非農(nóng)業(yè)人口增多，城市基礎(chǔ)設(shè)施就會(huì)不斷完善，需要修建道路、廣場(chǎng)以及公園來(lái)滿足人們的需求。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使城市進(jìn)行新的規(guī)劃，長(zhǎng)沙市、株洲市和湘潭市經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越緊密，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)一體化，直接影響了三個(gè)城市的擴(kuò)展方向。

3.2.2 城鎮(zhèn)化是長(zhǎng)江中游城市群空間擴(kuò)展的動(dòng)力

城鎮(zhèn)化使非農(nóng)業(yè)人口集中、第一產(chǎn)業(yè)向處于城鎮(zhèn)的第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)方向集中。湖北省第一產(chǎn)業(yè)比重從2003年的14.7%減少到2013年的12.6%；湖南省第一產(chǎn)業(yè)比重從2003年的19.1%減少到2013年的12.7%；江西省第一產(chǎn)業(yè)比重從2003年的19.8%減少到2013年的11.4%，農(nóng)業(yè)占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比重減少，工業(yè)比重增加，農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地，是造成主城區(qū)擴(kuò)展的動(dòng)力。城鎮(zhèn)化促使城市開(kāi)發(fā)擴(kuò)展，優(yōu)化配置利用空間資源，推動(dòng)城市的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

以長(zhǎng)江中游城市群為研究區(qū)，利用二分法對(duì)1995 、2001、2007年及2013年4個(gè)時(shí)期的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行城區(qū)面積提取，分析了1995～2013年長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)的擴(kuò)張?zhí)卣饕约霸?，主要結(jié)論如下：

（1） 基于1995～2013年夜間燈光數(shù)據(jù)，利用夜間燈光數(shù)據(jù)提取的城區(qū)建設(shè)面積與TM圖像提取的城區(qū)建設(shè)面積最接近來(lái)確定閾值，運(yùn)用二分法提取長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)建設(shè)面積。

（2）1995～2010年，長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)用地面積處于擴(kuò)張狀態(tài)。在城市發(fā)展的過(guò)程中，主要是圍繞武漢、長(zhǎng)沙和南昌這三個(gè)省會(huì)城市呈現(xiàn)明顯的聚集，湖北省城市的發(fā)展主要圍繞長(zhǎng)江這條軸線，湖南省和江西省的發(fā)展分別圍繞主要交通要道和贛江發(fā)展，從北往南沿著二廣發(fā)展軸發(fā)展，形成了軸線推動(dòng)區(qū)域的發(fā)展。

（3） 運(yùn)用因子分析的方法進(jìn)行定量研究，將影響長(zhǎng)江中游城市群城區(qū)擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力歸納為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化等因素。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是城區(qū)空間擴(kuò)展的主要原因，工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)工業(yè)用地需求增加，城區(qū)周邊的土地轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地來(lái)滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。城鎮(zhèn)化是造成主城區(qū)擴(kuò)展的動(dòng)力，農(nóng)業(yè)人口遷入城鎮(zhèn)，推動(dòng)城區(qū)的空間擴(kuò)展。

在這個(gè)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步研究城市空間擴(kuò)展影響因素，政府的政策制度、科技發(fā)展和自然地理環(huán)境等因素難以量化研究，這些對(duì)城市空間擴(kuò)展也有影響，需要研究這些因素的量化指標(biāo)，進(jìn)一步完善研究。

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