北京市第三十五中學 朱雯新 章銘悅 高付元 李 娜

1.引言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面，研究京津冀人口發(fā)展的演變，促進人口經(jīng)濟資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，具有十分重要的意義。

夜光遙感影像能直接反映人類活動，被廣泛應用于社會經(jīng)濟參量估算、城市監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境評估等領域。根據(jù)燈光與人口分布之間的線性關系，可以通過燈光來估算國家甚至城市尺度上的人口詳細分布。

2.技術流程

本文依托ArcGIS的數(shù)據(jù)分析與計算能力。獲取夜燈光遙感數(shù)據(jù)，人口、GDP數(shù)據(jù)，對所獲取的數(shù)據(jù)于ArcGIS中進行區(qū)域提取、重投影、重采樣。并通過公式計算出夜燈光數(shù)據(jù)平均值、差值、變化率，同時將獲取數(shù)據(jù)進行空間疊加，并將所得到的結果進行空間自相關分析、矢量統(tǒng)計分析，最終得出結論并提出建議。

3.數(shù)據(jù)源與預處理

3.1 數(shù)據(jù)源

本研究采用1992-2011年由DMSP衛(wèi)星搭載的OLS傳感器獲取的全球夜間燈光遙感數(shù)據(jù)。由于NPP-VIIRS在2011年11月發(fā)布了第一張圖像，數(shù)據(jù)從2012年開始。所以本研究2012前的數(shù)據(jù)采用DMSPOLS的數(shù)據(jù)，2012、2013兩年采用NPP-VIIRS的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均可以免費從NOAA的NCEI下載。最近版本的數(shù)據(jù)包中包含三個全球衛(wèi)星夜燈光圖像：無云時的全球衛(wèi)星頻率分布圖，全年夜燈光平均值和穩(wěn)定夜間照明圖像。我們選擇了DMSP-OLS的穩(wěn)定夜間照明圖像，干擾已被清除，并被替換為0。數(shù)據(jù)值范圍從0（背景）到63（最亮），此數(shù)值在城市的核心區(qū)域已飽和，為63。余下兩年我們選擇了NPP-VIIRS數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)包中三個圖像同上，包含城市、城鎮(zhèn)、燃氣等等人類活動而造成的夜間照明，失火等等自然現(xiàn)象而造成的照明數(shù)據(jù)已被清除。

本研究采用2005、2010年中國人口、GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局。

城市擴展矢量數(shù)據(jù)包括京津冀地區(qū)公路、鐵路分布圖；1980s末、1995、2000、2005、2010年京津冀居民點空間分布圖；數(shù)據(jù)來源于中國科學院遙感所。

3.2 數(shù)據(jù)預處理

本文應用的夜燈光原始數(shù)據(jù)是全球數(shù)據(jù)，本文的研究感興趣區(qū)域為京津冀地區(qū)，因此需要做影像裁切處理。應用ArcGIS空間分析模塊的提取功能，以京津冀空間邊界面狀數(shù)據(jù)為掩膜，提取1992-2013年京津冀區(qū)域的夜間燈光影像。并對獲取的京津冀區(qū)域的燈光影像數(shù)據(jù)，應用ArcGIS數(shù)據(jù)管理模塊的柵格屬性工具集，為其創(chuàng)造柵格數(shù)據(jù)的屬性表。并按屬性提取柵格數(shù)據(jù)中DN＞0的像元，獲取京津冀區(qū)域的亮值像元影像。

原始影像為UTM-WGS84投影坐標，這是一種國際上采用的地心坐標系，屬于等角投影。而本文需要獲取面積等信息，投影需要圖像的面積不改變，所以我們采用了阿爾勃斯（Albers Equal-Area Conic）等積投影。這是等面積割圓錐投影，可以保持面積不變。具體的投影參數(shù)如下：

因為經(jīng)過裁切處理的夜燈光數(shù)據(jù)主要是以行政單元為單位，無法體現(xiàn)各個行政單元內(nèi)部的空間分布差異。而我們需要分析的是特定范圍區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù),所以需要我們對夜燈光數(shù)據(jù)進行空間柵格化。在一般情況下，對于某一區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行空間柵格化的方法是將統(tǒng)計數(shù)據(jù)直接賦值給這個區(qū)域，也就是說在獲得的結果圖中，該研究區(qū)域內(nèi)的這一研究指標只有一個數(shù)值，這種結果有一個很顯著的特點：在同一個區(qū)域內(nèi)的所研究的統(tǒng)計指標只有唯一的值，而各個區(qū)域之間該統(tǒng)計指標的數(shù)值會發(fā)生變化。所以我們決定將京津冀地區(qū)劃分成1km*1km的區(qū)域進行研究，為此需要重采樣，即將矢量圖轉化成柵格圖層，同時獲得相同分辨率的影像，然后再分析各個柵格內(nèi)的數(shù)據(jù)。

4.研究方法

4.1 夜燈光相關評價參數(shù)

夜間燈光總值（TNL）代表夜間燈光的總體水平。本研究中采用夜間燈光平均值（MNL）作為分析夜間光變化的重要參數(shù)，公式如下：

其中DNi是DN值，Ci是對應于每個DN值的像素個數(shù)。

在兩個時間段內(nèi)顯示夜間燈光的空間變化，建立了指數(shù)(NLDI)。該指數(shù)通過計算兩個時間段內(nèi)圖像之間的差異用于證明夜間燈光的變化規(guī)律。公式如下∶

φt2和φt1分別表示t1和t2兩個時期的圖像。

在城市發(fā)展期間，夜間燈光數(shù)據(jù)通常會波動。因此，我們采用了夜間光變化率指數(shù)(NLCRI)定量評價夜間光變化，公式為：

4.2 人口、GDP與夜燈光數(shù)據(jù)的相關性分析

空間自相關指一種現(xiàn)象在空間分布上的相關性?？臻g自相關分析是認識空間分布特征的一種常用方法，它可以檢測兩種現(xiàn)象的變化是否存在相關性。一種現(xiàn)象的觀測值如果在空間分布上呈現(xiàn)出高的地方周圍也高，低的地方周圍也低,稱為空間正相關，表明這種現(xiàn)象具有空間擴散的特性；如果呈現(xiàn)出高的地方周圍低，低的地方周圍高，則稱為空間負相關，表明這種現(xiàn)象具有空間極化的特性；如果觀測值在空間分布上呈現(xiàn)出隨機性，表明空間相關性不明顯，是一種隨機分布的現(xiàn)象。

5.研究結果與分析

利用ArcGIS軟件，依據(jù)2005、2010年的數(shù)據(jù)，檢測出夜燈光數(shù)據(jù)與人口、GDP數(shù)據(jù)之間存在的相關性。

2005年夜燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)相關性為65.6%，2005年夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關性為74.0%，2010年夜燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)相關性為61.4%，2010年夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關性為76.2%。夜燈光與人口、GDP數(shù)據(jù)的相關性均大于50%，由此可得夜燈光數(shù)據(jù)與人口、GDP數(shù)據(jù)呈正相關。進而我們可以看出，夜燈光數(shù)據(jù)可以有效反映城市的發(fā)展程度。

通過NLDI指數(shù)反映出在本文選取時間段的初末期，即1993年和2013年，同一區(qū)域內(nèi)夜燈光總值的變化情況，可以得出結論：京津冀范圍內(nèi)絕大部分區(qū)域夜燈光變亮，即區(qū)域內(nèi)夜燈光總值變高。由上文得出的夜燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)呈正相關可以看出，1992-2013年中，京津冀區(qū)域內(nèi)各個城市發(fā)展程度均有提升。

TNL可用于展示區(qū)域的總體夜間照明水平，與人類活動有關。而MNL能反映區(qū)域亮度的平均水平，更具有普遍性。通過公式計算得出1992年到2013年京津冀、北京MNL數(shù)據(jù)反應的結論是：1992-2013年京津冀、北京MNL總體呈現(xiàn)增長趨勢。但在增長過程中，也有一些波動，包括個別年份呈現(xiàn)下降趨勢。例如2011年北京市TNL明顯下降。通過查閱資料，2011年中國開始實施“十二五”規(guī)劃。其中，要求按照城市總體規(guī)劃確定的空間發(fā)展格局，積極促進人口按功能區(qū)域合理分布，著力緩解中心城人口過度集聚帶來的運行管理和資源環(huán)境壓力。由于“十二五”規(guī)劃的實施，給北京市帶來一定的緩解，從而使得MNL數(shù)據(jù)下降。

此外，NLCRI是基于TNL來定量評估夜間光線的改變。通過公式計算得出1992-2013年京津冀、北京NLCRI數(shù)據(jù)。得出結論是：2011年北京市TNL損失13%，這與MNL數(shù)據(jù)所示的下降期一致。在大多數(shù)區(qū)域的NLCRI數(shù)據(jù)呈現(xiàn)大幅度波動時，我們注意到，2007-2013年，北京市城六區(qū)NLCRI較為平緩，尤其是北京市市區(qū)，2007、2008、2011、2012年增長率為0%，說明這幾年北京市市區(qū)TNL值在高峰值保持不變。由此，我們可以推斷出，北京城市夜燈光亮度值已達到飽和程度。而北京市遠郊區(qū)縣及河北省各個地區(qū)的NLCRI上下波動范圍較大且波動趨勢大體相同，說明這些地區(qū)TNL數(shù)值沒有達到最高值，仍有繼續(xù)發(fā)展的空間。

6.結論

1、北京市中心城區(qū)夜燈光總值已經(jīng)達到飽和，城市發(fā)展會受到限制。而北京市遠郊區(qū)縣夜燈光總值仍有增長潛力。由此可見，北京市城市發(fā)展可向遠郊區(qū)縣轉移，遠郊區(qū)縣承接中心城區(qū)溢出的功能，比如說：人口等，建立城市副中心，緩解中心城區(qū)壓力。

2、京津冀區(qū)域內(nèi)除北京外，其他河北省的各個地區(qū)夜燈光總值呈上升趨勢，且都具有增長潛力。而北京城市承載力嚴重不足，應將非首都功能向外遷移至河北省，比如：河北省保定市的雄安。雄安將成為北京非首都功能疏解的集中承載地，這樣做可以推進京津冀協(xié)同發(fā)展的重要布局，大大拓展京津冀區(qū)域發(fā)展新空間，調(diào)整優(yōu)化京津冀城市布局和空間結構，促進京津冀區(qū)域內(nèi)整體發(fā)展水平提升。