圖爾蓀阿依·如孜 阿里木江·卡斯木,2* 高鵬文 趙孟辰

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院,烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學 絲綢之路經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心,烏魯木齊 830054)

城市擴展的空間形態(tài)變化是城市化發(fā)展的顯著標志[1-3]。改革開放以來，我國城市擴展變化呈快速增長趨勢，但同時城市地域空間分布也變得極不均衡,限制了區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展[4-5]。城市空間擴展作為衡量區(qū)域城市化發(fā)展水平高低的重要指標之一[6]，而城市空間的擴展及形態(tài)的變化也是城市形成和發(fā)展過程中的必經(jīng)階段[7]。促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，要了解和比較新疆城市擴展演變過程、區(qū)域城市擴展的空間格局以及變化特征進行研究。新疆城市空間變化的動態(tài)變化研究能為構(gòu)建科學合理的新疆城市體系結(jié)構(gòu)建設(shè)中提供一定的參考，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化新疆城市擴展空間格局。

低分辨率夜間燈光影像數(shù)據(jù)是記錄人類聚集活動在地表上燈光強度信息的反演，因此在城市化擴展研究中夜間燈光數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用[8-12]。在夜間燈光遙感影像數(shù)據(jù)中，像元的輻射亮度值的大小是受到所對應(yīng)地表上夜間各類型人造光源亮度強弱的直接反映，人類活動的強度越大時像元灰度值越大[13]。對于研究大尺度下的城市擴展變化特征， Kasimu等[14]結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)和 MODIS 數(shù)據(jù)對全球的城市化時空變化特征進行研究，得到了較好的評價精度，提供了低分辨率數(shù)據(jù)在大范圍區(qū)域城市擴展中的應(yīng)用思路。Zhang[15]利用夜間燈光數(shù)據(jù)對全球的城市擴展在時空動態(tài)演變特征進行了研究，在大尺度上的城市擴展演變分析中應(yīng)用低分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出低分辨率影像數(shù)據(jù)在空間和時間上的優(yōu)勢。李德仁等[16-17]利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)對 “一帶一路”沿線國家的城市體系進行了時空演化和空間結(jié)構(gòu)趨勢研究，通過對城市化發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的評估, 分析了1993—2012年 “一帶一路”沿線區(qū)域的發(fā)展規(guī)律以及擴展特征，在此基礎(chǔ)上評估經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量。在大尺度上對城市擴展演變進行研究，能夠揭示區(qū)域城市化發(fā)展規(guī)律及空間結(jié)構(gòu)演化，有助于制定城鎮(zhèn)空間格局的有效政策。對于城市化和城市擴展相關(guān)的研究來說，夜間燈光輻射信號是城市具體活動的綜合測量，在城市時空演化研究中具有可比性。

我國西北干旱區(qū)的新疆具有獨特的自然環(huán)境。新疆正處于構(gòu)建全方位的開放格局階段，正在加快“絲綢之路”經(jīng)濟帶核心區(qū)建設(shè)。已有研究受夜間燈光數(shù)據(jù)DMSP/OLS數(shù)據(jù)獲取時間限制的影響，研究時間限定為1992—2013年。本研究為了彌補DMSP/OLS數(shù)據(jù)在空間、時間以及輻射分辨率等方面的缺陷，更好揭示絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)之一的新疆城市在1993—2018年的城市擴展演變，結(jié)合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，以期更好，基于2 種夜間燈光數(shù)據(jù)提取人們生活聚集、活動頻繁的城市在空間上的擴展變化信息，開展對研究區(qū)城市擴展在1 km×1 km格網(wǎng)的空間格局變化；同時借助城市擴展動態(tài)度、標準差橢圓方法以及城市空間形態(tài)變化指標來分析研究區(qū)城市時空擴展演變規(guī)律，以期深入了解和闡釋城市擴展在空間上的變化以及發(fā)展，為促進“一帶一路”建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于亞歐大陸的中部，地處在我國的西北邊陲，現(xiàn)有14 個地、州、市，89個縣(市)，其中33個為邊境縣(市)。新疆由高山阻擋、暖濕氣流難以到達、呈現(xiàn)出典型的溫帶大陸性氣候。天山橫亙中部把新疆分成南北兩半,南部是塔里木盆地、北部是準噶爾盆地。由于自然條件惡劣，人群聚落主要分布在環(huán)繞準噶爾盆地和塔里木盆地的綠洲上。新疆綠洲的規(guī)模較小而且不集中，在荒漠中形成孤島狀分布。新疆以其獨特的自然和人文條件，是絲綢之路經(jīng)濟帶上重要的交通樞紐，作為連接中亞、西亞、南亞乃至通往歐洲的重要商貿(mào)通道，是我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點區(qū)域之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

夜間燈光數(shù)據(jù)：為確保研究時間序列的延續(xù)性，在美國國家海洋大氣局網(wǎng)站(https:∥www.ngdc.noaa.gov)下載DMSP/OLS和NPP/VIIRS 2種夜間燈光數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料。DMSP/OLS夜間燈光影像能獲取1992—2013年時間序列的年合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，像元灰度值范圍為0～63。NPP/VIIRS數(shù)據(jù)記錄夜間燈光強度，繼承了DMSP/OLS數(shù)據(jù)的基本特征，空間分辨率為0.5 km，彌補了 DMSP/OLS數(shù)據(jù)在空間、時間以及輻射分辨率等方面的缺陷，極大地拓展了夜間燈光數(shù)據(jù)的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域[18-19]。

Landsat-8影像：Landsat-8衛(wèi)星是美國航天局在2013年2月發(fā)射，成像寬幅為185 km×185 km，空間分辨率為30 m。本研究在地理空間數(shù)據(jù)云(https:∥www.gscloud.cn)上下載烏魯木齊市、伊寧市、庫爾勒市和和田市等4個城市2013年6—9月的Landsat-8遙感影像。

縣級行政矢量數(shù)據(jù):本研究采用1∶25萬的行政矢量數(shù)為基礎(chǔ)，裁剪其他研究區(qū)范圍的數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)來源于中國基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站(http:∥gts.shsm.gov.cn)。

2 研究方法

2.1 夜間燈光指數(shù)

由于2種夜間燈光數(shù)據(jù)像元灰度值范圍存在差異，為統(tǒng)一值域范圍，利用城市區(qū)域平均燈光強度指數(shù)和城市區(qū)域有效夜間燈光面積指數(shù)來構(gòu)建夜間燈光指數(shù)ANLI用以反映城市擴展水平[22-23]。計算2種數(shù)據(jù)的平均燈光灰度值，對DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間光數(shù)據(jù)進行值域范圍的統(tǒng)一[5]。

(1)

(2)

式(1)中：ANLI為平均燈光指數(shù)；DNi為研究區(qū)內(nèi)的i級像元灰度值；ni為研究區(qū)內(nèi)i級灰度值的像元總數(shù)；N為研究區(qū)的像元總數(shù)；Nmax為最大灰度值。

式(2)中：(ANLIcorr)i,t為NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的研究區(qū)t年份統(tǒng)一后的平均燈光強度；ANLIdmsp2013表示2013年DMSP/OLS數(shù)據(jù)的平均燈光強度總值；ANLInpp2013表示2013年NPP/VIIRS數(shù)據(jù)平均燈光強度的總值；(ANLInpp)i,t表示校正前的NPP/VIIRS數(shù)據(jù)平均燈光強度。

2.1 城市空間擴展度量

城市空間擴展的度量方式可以研究對象從時間和空間兩方面來考慮[24]。在一定時間段內(nèi)，城市區(qū)域的位置、面積、范圍以及分布等城市信息的變化特征。本研究利用常用的城市建成區(qū)面積增長量(AΔ)、變化率(M)、城市空間擴展速率(V)以及城市擴展動態(tài)度(R)等指標(表1)來分析新疆城市擴展時空變化。

表1 城市空間擴展時空特征測度指標Table 1 Spatial and temporal characteristic measurement index of urban spatial expansion

2.3 標準差橢圓方法

(3)

(4)

標準差橢圓的3 個要素為轉(zhuǎn)角θ、沿長軸的標準差以及短軸的標準差。轉(zhuǎn)角θ是正北方向順時針旋轉(zhuǎn)到長軸形成的夾角，計算公式如下：

(5)

x軸標準差δx和y軸標準差δy分別為：

(6)

(7)

2.4 城市空間形態(tài)變化指標

城市空間形態(tài)變化指標是城市規(guī)劃和建設(shè)過程中的重要依據(jù)之一。本研究由緊湊度和分形維數(shù)指數(shù)來研究新疆城市在空間上的形態(tài)變化以及特征。緊湊度(C)是反映城市空間形態(tài)中的各部分空間集聚程度的指標，以緊湊度數(shù)值的大小變化來分析城市用地的空間擴展規(guī)律。分形維數(shù)(E)通過城市邊界的分形特性分析，揭示不同規(guī)模城市產(chǎn)生和擴展的隱性特征[7]。分維系數(shù)范圍為1～2，分形維數(shù)值越大時城市形態(tài)越復(fù)雜，反而越小時城市形態(tài)越接近簡單的正方形。當分維系數(shù)等于1.5時，空間布局最不穩(wěn)定。計算公式為：

(8)

(9)

式中：C和E分別為緊湊度和分形維數(shù)指數(shù)；A和P為城市斑塊面積和周長。緊湊度(C)值是在0～1之間，緊湊度指數(shù)越接近1時城市形狀越接近圓形，說明城市空間形狀越緊湊。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆城市夜間燈光指數(shù)變化特征

本研究根據(jù)曹子陽等[18]的方法對DMSP/OLS數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括裁剪、重投影、重采樣和輻射校正，最終得到消除飽和的1993—2013年新疆區(qū)域DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)；因衛(wèi)星傳感器及地表非均勻特性等影響，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)存在少數(shù)像元值為負值、極高值、不穩(wěn)定光源現(xiàn)象。因此，對2013年和2018年所有月數(shù)據(jù)均值合成為年數(shù)據(jù)，為消除負值，利用NOAA國家地理數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2016年NPP/VIIRS合成數(shù)據(jù)灰度值大于0的部分對2013年和2018年數(shù)據(jù)掩膜提取，以像元分布較均衡且灰度值的變化幅度較小城市區(qū)為不變區(qū)域，通過不變區(qū)域法對年合成NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進行相對輻射校正，利用ArcGIS低通濾波工具消除極高的灰度值。為驗證2種夜間燈光數(shù)據(jù)擬合情況，對2013年的2 種夜間燈光數(shù)據(jù)進行冪函數(shù)擬合(圖1)，校正后的2 種夜間燈光數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)(R2)為0.79，有較好的擬合關(guān)系。

圖1 DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系Fig.1 Fitting relationship between DMSP/OLS and NPP/VIIRS data

對統(tǒng)一后的2013年DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)利用最佳閾值法進行新疆城市空間信息的提取，以烏魯木齊市、庫爾勒市、伊寧市和和田市等4個城市為例，提取的城市夜間燈光跟2013年的Landsat-8影像進行精度驗證，結(jié)果見圖2。

根據(jù)式(1)和(2)計算出新疆城市在各年的夜間燈光指數(shù)(ANLI)。從1993—2018年(以5年為時間間隔)新疆城市ANLI指數(shù)分別為0.809、0.826、0,829、0.831、0.855和0.982。總體上看，1993—2018年的新疆城市化水平持續(xù)升高，平均夜間燈光指數(shù)由1993年的0.809上升至2018年的0.982，且2013—2018年的平均夜間燈光指數(shù)明顯高于其他時期平均夜間燈光指數(shù)，說明1993—2013年新疆城市化水平較慢，2013—2018年城市化水平高?！耙粠б宦贰背h給絲綢之路核心區(qū)的新疆帶來了新的發(fā)展機遇，推進了新疆新型城市化發(fā)展。

(a)烏魯木齊市 Urumqi; (b)伊寧市 Yining; (c)庫爾勒市 Korla; (d)和田市 Hotan。圖2 提取的2013年城市夜間燈光與Landsat-8影像精度驗證Fig.2 Extracted city night lights and Landsat-8 image accuracy verification in 2013

3.2 新疆城市擴展時空變化

對預(yù)處理后的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進行閾值分割，得到1993—2018年新疆城市夜間燈光的時空演變信息(表2)。從城市擴展指標獲取的新疆城市擴展統(tǒng)計結(jié)果表明，新疆城市夜間燈光面積從1993年的571 km2增長到2018年的9 865 km2，面積擴張了17.28倍。由表2可見：新疆城市夜間燈光在近25年來總體上一直保持擴張趨勢，1998—2003年新疆城市夜間燈光面積增長量最低、動態(tài)度最小，此增長率比1993—1998年的低11倍，屬于低速擴展；2003—2008年的增長量比1993—2003年的高460 km2，增長率比1993—1998年的低66.84%，屬于緩慢擴展；2008—2013年和2013—2018年的增長量比前期高，尤其是2013—2018年增長量最高，擴展速率達到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的高9.7倍.在“一帶一路”倡議的背景下，2015年新疆與中亞五國之間的雙邊貿(mào)易總額達到110億美元，占到中國與這五國貿(mào)易總量的33.7%[26]。在新疆與中亞五國之間的貿(mào)易不斷加快的情況下，2013—2018年新疆城市的動態(tài)變化最明顯，表明新疆城市在2013—2018年擴展最快。整體的城市擴展指標計算結(jié)果表明，新疆2013—2018年的城市變化呈現(xiàn)中速-低速-緩慢-快速的擴展趨勢。

3.3 標準差橢圓分析

構(gòu)建標準差橢圓度量新疆城市夜間燈光在空間范圍內(nèi)擴展方向以及規(guī)模分布，結(jié)果見圖3。

從圖中可知新疆地、州、市的5個時期的標準差橢圓范圍大小與標準差橢圓重心遷移的空間變化。其中：1993—1998年標準差橢圓范圍以及重心移動最明顯；1993年的標準差橢圓重心從昌吉回族自治州遷移到巴音郭楞自治州，而2003—2008和2008—2013年沒有顯著性變化；從整個標準差橢圓長軸的方向來看，每個時期的標準差橢圓長軸方向是從東北-西南方向發(fā)展，說明5個時期的長軸方向都是一致的。從標準差橢圓法的參數(shù)來計算，可得新疆城市擴展的標準差橢圓的變化，結(jié)果見表3?？梢姡?993年的標準差橢圓范圍為18.33×104km2到1998年時增加了13.9×104km2，重心遷移方向是從東北向西南方向轉(zhuǎn)移，這個時間段內(nèi)標準差橢圓重心的移動距離最遠；1998—2003年標準差橢圓的面積增加了2.75×104km2，重心坐標由(85°52′ E， 42°58′ N)移至(84°55′ E， 42°46′ N)，重心移動距離為80.31 km；其中2008—2013年標準差橢圓的重心移動距離最短，標準差橢圓范圍比前一段時間段的大2.422.75×104km2，重心移動距離比2003—2008年短11.96 km，移動方向為東北方向；1993—2018年來新疆城市擴展的標準差橢圓范圍一直保持增加，呈現(xiàn)出重心移動距離先縮短后增長趨勢。

表2 城市空間擴展統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis of urban spatial expansion

圖3 新疆5個時期的城市擴展標準差橢圓及其重心變動Fig.3 Urban extension standard deviation ellipse and its center of gravity change in five periods in Xinjiang

表3 新疆城市擴展的標準差橢圓變化Table 3 Standard deviation elliptic variation of Xinjiang urban expansion

隨著我國城市的迅速發(fā)展，新疆城市規(guī)模也呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，1993—2018年來新疆城市標準差橢圓的面積與中心轉(zhuǎn)移方向變化顯著(圖4)，標準差橢圓面積從1993—2018年時增加了25.31×104km2，增長率為138.05%。標準差橢圓的方位角變大，標準差橢圓長軸的伸縮幅度較大。表明推動新疆城市體系夜間燈光演化的主要拉動力量為西南向。2017年“雙西公路”全稱為“歐洲西部—中國西部”公路的建成加快我國向西開放，標志著新疆東聯(lián)西出的通道運輸能力進一步增強，促進新疆城市發(fā)展。

圖4 1993—2018年新疆城市規(guī)模標準差橢圓及其中心變化Fig.4 Xinjiang city size standard deviation ellipse and its center change from 1993 to 2018

3.4 城市空間形態(tài)變化特征

根據(jù)分形維數(shù)指數(shù)和緊湊度指數(shù)的公式計算出新疆城市的時空變化特征。由圖5可知新疆城市的空間形態(tài)都處于不同的變化階段。新疆的生態(tài)環(huán)境極為脆弱，城市之間的距離較遠，相互聯(lián)系較脆弱。因此，在研究期間內(nèi)新疆城市外圍輪廓形態(tài)緊湊度值持續(xù)下降，從1993年的緊湊度值0.17到2018年時降到0.05，新疆城市緊湊度值接近于0，城市外圍輪廓的緊湊性差，城市結(jié)構(gòu)呈松散化趨勢。新疆城市的分形維數(shù)值大于1.5，范圍1.52～1.64，從1993—2018年新疆城市的分形維數(shù)有略微增長的趨勢，1993—2018年來新疆城市處于既不穩(wěn)定且復(fù)雜的狀態(tài)。

整體來說，新疆城市外延式擴展較明顯，城區(qū)外廓的破碎程度較高、城市空間形狀的不規(guī)則性強，相應(yīng)的穩(wěn)定性越來越弱，新疆城市的空間形狀為日益復(fù)雜的發(fā)展趨勢。

圖5 新疆城市各時段分形維數(shù)和緊湊度變化Fig.5 Changes in fractal dimension and compactness of Xinjiang cities at different time periods

4 結(jié) 論

本研究為了數(shù)據(jù)的連續(xù)性基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)(空間分辨率1km)和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)(空間分辨率1km)等2種夜間燈光數(shù)據(jù)相結(jié)合，提取新疆城市建成區(qū)的空間信息，利用平均夜間燈光指數(shù)、4種類型的城市擴展指標、標準差橢圓法和城市空間形態(tài)變化指數(shù)，對1993—2018年新疆城市擴展時空演變進行研究。得出的結(jié)論有以下幾點：

1)通過燈光指數(shù)對2種夜間燈光數(shù)據(jù)進行冪函數(shù)擬合，校正后的2種夜間燈光數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)(R2)為0.79，有較好的擬合關(guān)系。1993—2018年來，新疆城市的平均夜間燈光指數(shù)保持遞增趨勢，新疆城市化水平不斷上升。城市的建成區(qū)面積一直保持增長趨勢，尤其是2013年提出“一帶一路”建設(shè)以后，比起前些年的新疆城市建成區(qū)面積增長量最高，到2018年時增長量為6 111 km2，擴展速率達到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的9.7倍，動態(tài)變化最明顯。1998—2003年新疆城市增長量最少，發(fā)展速率緩慢，動態(tài)度最小。1993—2018年新疆城市擴展是從中速-低速-緩慢-快速的擴展趨勢。

2)構(gòu)建標準差橢圓，度量新疆城市空間的擴展方向以及空間分布趨勢。2003—2013年新疆城市標準差橢圓范圍和標準差橢圓重心轉(zhuǎn)移方向不明顯變化，為了更進一步分析新疆城市1993—2018年的整體擴展，構(gòu)建1993—2018年的標準差橢圓。結(jié)果表明1993—2018年新疆城市規(guī)模標準差橢圓的范圍與重心轉(zhuǎn)移方向有顯著變化，標準差橢圓面積從1993—2018年時增加了25.31×104km2，這期間標準差橢圓的面積增長率為138.05%。標準差橢圓的重心轉(zhuǎn)移方向是從1993—2018年由東北向西南。說明新疆城市1993—2018年來一直保持擴展趨勢。

3)1993—2018年新疆城市的緊湊度指數(shù)保持下降趨勢，分形維數(shù)指數(shù)隨著時間的變化呈遞增趨勢。新疆城市的緊湊度指數(shù)接近于0、空間形態(tài)不緊湊。分形維數(shù)指數(shù)都在1.5以上，新疆城市空間形態(tài)處于既不穩(wěn)定且復(fù)雜的狀態(tài)，外延式擴展較明顯，城市空間形狀的不規(guī)則性強，破碎程度較高，新疆城市的空間形狀為日益復(fù)雜的發(fā)展趨勢。

本研究為了彌補DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的空間分辨率和獲取數(shù)據(jù)時間限制性的缺點，利用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)。這2種夜間燈光數(shù)據(jù)雖然解決利用夜間燈光數(shù)據(jù)進行研究時時間的更新性和延長性，但是空間分辨率以及衛(wèi)星傳感器的不一致導(dǎo)致2種數(shù)據(jù)灰度值范圍的差異性。本研究利用同年份的2種數(shù)據(jù)重采樣、歸一化等預(yù)處理以及平均燈光指數(shù)進行統(tǒng)一，得到2種夜間燈光數(shù)據(jù)本研究較好的擬合性(R2=0.79),但是沒有完全解決這2種夜間燈光數(shù)據(jù)的差異性。2013年“一帶一路”倡議的提出以及東西雙向互濟的開放格局，為新疆經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)造了良好機遇，對新疆的城市發(fā)展帶來巨大變化。因此，研究結(jié)果有助于更好地認識和理解城市空間格局變化及發(fā)展，為促進“一帶一路”建設(shè)提供參考。