葉剛

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000)

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人類(lèi)文明進(jìn)入一個(gè)前所未有的繁榮階段，如何高效準(zhǔn)確地對(duì)當(dāng)前的人類(lèi)文明發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)就顯得尤為重要，經(jīng)濟(jì)參量就是評(píng)估人類(lèi)文明發(fā)展?fàn)顩r的一個(gè)不可或缺的指標(biāo)[1，2]。根據(jù)調(diào)查研究，多數(shù)國(guó)家在制定社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)時(shí)，都是按照各個(gè)國(guó)家自身的需求來(lái)建立，這就意味著數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行不同國(guó)家間的對(duì)比時(shí)，不能直接使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，降低了使用效率。此外，在進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)多以行政區(qū)域?yàn)閱卧獊?lái)實(shí)現(xiàn)，這種狀況使經(jīng)濟(jì)參量無(wú)法表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)部的差異性，缺乏反映經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空演變狀況的能力。而近年來(lái)，由于夜光遙感能夠定期快速獲取大尺度夜間燈光輻射亮度數(shù)據(jù)及空間觀測(cè)數(shù)據(jù)等的優(yōu)勢(shì)，使其成為多數(shù)學(xué)者專(zhuān)家的研究熱點(diǎn)之一[3～6]。

目前，利用夜間燈光影像來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)參量模擬研究已經(jīng)獲得了不小突破，其中，Elvidge等采用不變目標(biāo)區(qū)域法對(duì)DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行全球范圍的相互校正，在全球范圍內(nèi)篩選出具有代表性的21個(gè)國(guó)家，分別對(duì)其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夜光亮區(qū)面積與區(qū)域生產(chǎn)總值呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，為證明夜光遙感數(shù)據(jù)具有反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)的能力提供了有力依據(jù)[7]。Doll等利用夜光數(shù)據(jù)與多項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)參量在基于國(guó)家尺度上與夜光區(qū)域亮度值呈現(xiàn)相關(guān)性，燈光敏感經(jīng)濟(jì)參量有人口、GDP和二氧化碳含量等指標(biāo)，并以GDP為示例對(duì)燈光敏感經(jīng)濟(jì)參量進(jìn)行了空間分布模擬[8]。此外韓向娣等[9]、江威[10]、王琪等[11]均利用一定的模型建立研究夜光指數(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量之間的關(guān)系。但是在上述研究中關(guān)于實(shí)現(xiàn)敏感經(jīng)濟(jì)參量與燈光的時(shí)空模擬模型通常比較復(fù)雜，且對(duì)數(shù)據(jù)的要求相對(duì)較高，使得空間化模型的實(shí)現(xiàn)具有一定難度，本文則擬選取與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)性較強(qiáng)的幾個(gè)經(jīng)濟(jì)參量作為研究目標(biāo)，采用同一區(qū)域統(tǒng)一單位化燈光產(chǎn)值的線性空間模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)參量的時(shí)空模擬，分析模型結(jié)果與實(shí)際狀況的差異，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用夜間燈光影像模擬經(jīng)濟(jì)參量研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)變量空間變化、時(shí)間變化的目的。

2 研究方法

2.1 影像預(yù)處理

本文選取的是DSMP/OLS傳感器提供的夜光圖像數(shù)據(jù)，由于該數(shù)據(jù)是由多顆衛(wèi)星獲取，且OLS傳感器未做星上定標(biāo)，導(dǎo)致2種傳感器獲取的影像在同一位置DN值不盡相同[12]，為了降低由此造成的數(shù)據(jù)不連續(xù)性差異，因此本文采用圖像間相互校正法[8]對(duì)1992年～2013年21期夜光圖像進(jìn)行校正處理。F16(2007年)圖像DN累計(jì)值最高，選取其作為參考數(shù)據(jù)，結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)黑龍江省雞西市發(fā)展較為平穩(wěn)，DN值變化幅度較小的特點(diǎn)，選取雞西市地區(qū)作為不變目標(biāo)區(qū)(即定標(biāo)區(qū))，最終建立定標(biāo)區(qū)內(nèi)參考圖像與待校正圖像DN值一元二次回歸模型并計(jì)算回歸系數(shù)。其中，該回歸模型公式為式(1)，再利用式(1)中的回歸系數(shù)便可對(duì)1992年～2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正(校正采用ArcGIS 10空間分析模塊實(shí)現(xiàn))。

DNcorrect=a×DN2+b×DN+c

(1)

式中：DN值表示待校正影像的像元亮度值；DNcorrect表示校正后像元的亮度值；a，b，c表示回歸系數(shù)。

2.2 空間模型建立

經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空化模擬所選取空間化模型實(shí)現(xiàn)的難易程度，將直接影響空間化結(jié)果，文獻(xiàn)[10]中結(jié)合DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)區(qū)域的區(qū)域生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)總值、第二產(chǎn)業(yè)總值以及第三產(chǎn)業(yè)總值進(jìn)行線性回歸計(jì)算，并對(duì)夜間燈光敏感經(jīng)濟(jì)參量進(jìn)行空間化模型建立，模擬中國(guó)區(qū)經(jīng)濟(jì)參量的增長(zhǎng)狀況，采用區(qū)域經(jīng)濟(jì)參量統(tǒng)計(jì)值與區(qū)域燈光總值相除作為參數(shù)，構(gòu)建模擬經(jīng)濟(jì)參量值與像元之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這種空間模型實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，有一定的空間表現(xiàn)能力。因此，本文借鑒文獻(xiàn)[10]中使用的空間化模型進(jìn)行中國(guó)市級(jí)尺度的經(jīng)濟(jì)參量空間化模擬，建立4種經(jīng)濟(jì)參量(地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)，人均生產(chǎn)總值(PGDP)，第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值(SI)和第二產(chǎn)業(yè)比重(PSI))與夜間生產(chǎn)總值之間的線性回歸模型關(guān)系，表達(dá)式具體如下：

(2)

式(2)中ECp為模擬經(jīng)濟(jì)參量，ECt為統(tǒng)計(jì)資料中各個(gè)行政區(qū)域經(jīng)濟(jì)參量數(shù)量，TNL為各個(gè)行政區(qū)域夜間燈光總值，DN為圖上像元的灰度值。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 數(shù)據(jù)介紹

本文選用最為常見(jiàn)的DMSP/OLS無(wú)云穩(wěn)定夜間燈光影像進(jìn)行研究，該影像選用的參考系是WGS-84坐標(biāo)系；選取中國(guó)全國(guó)省級(jí)行政區(qū)劃圖作為底圖，其具體數(shù)據(jù)獲取如下：①測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介。中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r早在2010年已經(jīng)超過(guò)當(dāng)時(shí)的日本，成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度快、經(jīng)濟(jì)量大的特點(diǎn)，是亞洲地區(qū)最具有代表性的研究區(qū)域。因此選取中國(guó)作為研究區(qū)域一方面是因?yàn)橹袊?guó)國(guó)土面積適中、經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化明顯，另一原因是對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)參量的相關(guān)信息獲取比較方便。②數(shù)據(jù)選取。本文選取1997年～2012年27期DMSP/OLS傳感器獲取的夜光影像作為研究數(shù)據(jù)，DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)可以直接從美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局來(lái)進(jìn)行下載(下載網(wǎng)址https：//ngdc.noaa.gov/eog/index.html)，現(xiàn)有的DMSP/OLS數(shù)據(jù)為第四版時(shí)間序列數(shù)據(jù)。同時(shí)，行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)可以從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心獲取，從全國(guó) 1∶400萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中下載，為shp格式。此外，結(jié)合《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》以及篩選需要的經(jīng)濟(jì)參量信息進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量的整合。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

本文實(shí)驗(yàn)僅選擇1997年、2002年、2007年3期中國(guó)區(qū)域影像開(kāi)展經(jīng)濟(jì)參量的模擬，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析分別從敏感經(jīng)濟(jì)參量遴選以及時(shí)空模擬兩個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。

(1)遴選敏感經(jīng)濟(jì)參量

目前，針對(duì)不同年份的經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光總值回歸擬合結(jié)果評(píng)價(jià)中，通常根據(jù)回歸系數(shù)(R2)的大小以及是否通過(guò)顯著性檢驗(yàn)來(lái)判斷兩者之間線性關(guān)系是否可靠。在本文實(shí)驗(yàn)中，1997年、2002年、2007年的不同經(jīng)濟(jì)參量與夜間燈光總值TNL經(jīng)過(guò)擬合的回歸決定系數(shù)圖1所示，且均能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖1 4種經(jīng)濟(jì)參量回歸決定系數(shù)(R2)對(duì)比結(jié)果

由圖1中選取的不同年份地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)、第二生產(chǎn)總值(SI)與對(duì)應(yīng)的夜間燈光總值TNL線性回歸結(jié)果可知，回歸決定系數(shù)均高于0.600，說(shuō)明夜間燈光與地區(qū)生產(chǎn)總值以及第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值關(guān)聯(lián)密切，其中也是主要由于第二產(chǎn)業(yè)包含了采礦業(yè)、制造業(yè)、電力、燃?xì)庖约敖ㄖI(yè)，尤其是城市建筑業(yè)的快速發(fā)展，與夜間燈光擴(kuò)展直接關(guān)聯(lián)。此外，由圖1中展示的另外兩個(gè)經(jīng)濟(jì)參量指標(biāo)(人均生產(chǎn)總值PGDP以及第二產(chǎn)業(yè)比重PSI)在不同年份與TNL線性回歸結(jié)果雖然通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，但是其對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)數(shù)值最高為0.259，且2002年和2007年的PGDP與TNL的回歸決定系數(shù)分別僅為0.003、0.032，結(jié)果表明這兩類(lèi)經(jīng)濟(jì)參量指標(biāo)與TNL線性回歸關(guān)系比較弱，結(jié)果不具有統(tǒng)計(jì)意義，因此不可以作為敏感經(jīng)濟(jì)參量來(lái)進(jìn)行空間模擬。

(2)時(shí)空模擬

由上節(jié)遴選出來(lái)的敏感經(jīng)濟(jì)參量——GDP和SI，結(jié)合市級(jí)行政區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒經(jīng)濟(jì)參量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化夜間燈光影像數(shù)據(jù)，按照式(2)分別開(kāi)展2個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量時(shí)空模擬?？臻g化模型中為了減少變量，采用同一行政區(qū)域同一系數(shù)的辦法進(jìn)行模擬經(jīng)濟(jì)參量求解，該過(guò)程可在ArcGIS 10中空間分析模塊實(shí)現(xiàn)，GDP和SI的參量空間模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2中國(guó)GDP參量空間模擬結(jié)果

圖3 中國(guó)第二生產(chǎn)總值SI參量空間模擬結(jié)果

結(jié)論：①在空間化模擬圖中，選取紅色作為同一年限中GDP數(shù)值較高區(qū)域顏色，藍(lán)色代表區(qū)域GDP數(shù)值較低。經(jīng)過(guò)目視對(duì)比，可直接體現(xiàn)為GDP高值區(qū)域在不斷擴(kuò)大，即由1997年的少數(shù)地區(qū)GDP發(fā)展較快迅速轉(zhuǎn)變?yōu)?007年中心城市帶動(dòng)周邊城市發(fā)展的局面；同時(shí)，GDP最大值也不斷提升，從1997年的GDP最大值不超過(guò) 3 000萬(wàn)元轉(zhuǎn)變?yōu)?007年的最高值GDP可達(dá) 8 200萬(wàn)元左右，與實(shí)際情況基本相吻合。

②由圖2中1997、2002、2007三年GDP空間化模擬結(jié)果可知，GDP最大值由1997年的 2 885萬(wàn)元增長(zhǎng)到2007年的 8 236萬(wàn)元，增長(zhǎng)了1.85倍；從空間格局上來(lái)看，GDP超過(guò) 2 000萬(wàn)元的區(qū)域在逐年增加，且增長(zhǎng)較快的區(qū)域多沿海分布；增長(zhǎng)速度和經(jīng)濟(jì)參數(shù)空間分布狀況基本與實(shí)際相符合。從GDP空間模擬圖，可以直接看出GDP比較高、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)集中在珠江、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、北京、天津等，且由圖2可了解到，自1997年～2007年GDP較高的區(qū)域基本沒(méi)有出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)回退現(xiàn)象，部分中心城市GDP也有比較明顯的增長(zhǎng)，例如重慶。

③將中國(guó)區(qū)域劃分為東西中三部分來(lái)進(jìn)行GDP空間結(jié)果分析，從1997年～2007年這11年期間，東部地區(qū)的GDP增長(zhǎng)最為迅速，尤其是沿海地區(qū)，圖2中直觀體現(xiàn)為沿海地區(qū)生產(chǎn)總值均有明顯的提升；中部省會(huì)城市發(fā)展較好，GDP漲幅明顯，其他城市發(fā)展較省會(huì)城市相比比較遲緩；中部地區(qū)在這些年中也有一定提升，但是發(fā)展緩慢，GDP增長(zhǎng)并不是很明顯。西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩慢，城市擴(kuò)張速度相比中部、東部地區(qū)也略為不足。從空間模擬結(jié)果圖上，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展明顯存在東西差異較大的現(xiàn)象，并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展東西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)差距還在進(jìn)一步擴(kuò)大。

④圖3體現(xiàn)的第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值SI與夜間燈光總值進(jìn)行空間化結(jié)果同GDP空間模擬結(jié)果發(fā)展趨勢(shì)相似，即最大第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值從1997年的不到 1 500萬(wàn)元增長(zhǎng)到2007年的 4 532萬(wàn)元，第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值漲幅較大，與實(shí)際增長(zhǎng)趨勢(shì)基本吻合。從空間分布狀況來(lái)進(jìn)行分析：多數(shù)第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值高值區(qū)集中在長(zhǎng)江三角洲城市群、珠江三角洲城市群以及京津冀城市群；在中部地區(qū)，第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值高值區(qū)主要是省會(huì)城市，例如武漢、長(zhǎng)沙、鄭州等。對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)晗迌?nèi)的中東西部格局，我國(guó)第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)顯著的東高西低的格局，與GDP分布格局基本一致，其中，中部地區(qū)城市第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增速較快，西部地區(qū)增長(zhǎng)緩慢，依然存在隨著經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，東西部第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值差距在不斷拉大的局勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用時(shí)序DSM/OLS夜間遙感數(shù)據(jù)通過(guò)影像定標(biāo)、敏感經(jīng)濟(jì)參量遴選以及空間化模擬模型建立，實(shí)現(xiàn)了夜光數(shù)據(jù)直接反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的驗(yàn)證并得出有效結(jié)論，但是數(shù)據(jù)源以及空間化模型方面依然存在進(jìn)一步完善的問(wèn)題：①隨著夜光燈光影像數(shù)據(jù)分辨率的提高，如何保證影像時(shí)空一致性問(wèn)題顯得尤為重要，此外，需要對(duì)夜間燈光影像的光譜范圍、輻射定標(biāo)以及云和月光的影響進(jìn)一步研究，將會(huì)是實(shí)現(xiàn)夜間燈光遙感影像應(yīng)用必須優(yōu)化的問(wèn)題。②空間化模型的簡(jiǎn)化一定程度上減少了工作量，但同時(shí)會(huì)削弱燈光點(diǎn)對(duì)于不同區(qū)域的影像，降低同省區(qū)域間空間對(duì)比性。在今后如何建立空間模型，根據(jù)細(xì)節(jié)化的燈光信息來(lái)進(jìn)行空間化模型的篩選，將會(huì)成為另一個(gè)需要關(guān)注的重點(diǎn)。