□ 賈艷紅 覃孔韜

1 引言

美國軍事氣象衛(wèi)星DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）能夠探測到城市燈光、居民點(diǎn)以及車流發(fā)出的燈光，從而獲取人類夜間活動(dòng)狀況。DMSP衛(wèi)星作為較前衛(wèi)的數(shù)據(jù)信息獲取來源，受到了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的青睞。DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)主要運(yùn)用在獲取城市建成區(qū)[1-3]、城市化[4-5]、城市擴(kuò)張[6-7]以及社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)[8-9]等方面。目前利用夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用于GDP方面研究也非常成熟，Elvidge等[10]發(fā)現(xiàn)夜間燈光與GDP存在較強(qiáng)的相關(guān)性；韓向娣等[11]利用夜間燈光數(shù)據(jù)對GDP進(jìn)行建模和空間化分析；王琪等[12]利用夜間燈光數(shù)據(jù)對中國GDP總量進(jìn)行了分析；楊妮等[13]利用夜間燈光數(shù)據(jù)對廣西省域GDP進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析?；谇叭搜芯拷Y(jié)果，夜間燈光數(shù)據(jù)能更好地將GDP這一社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)空間化，其影像提取結(jié)果有助于直觀進(jìn)行GDP可視化分析。

本研究以廣西沿海地區(qū)—北海、防城港、欽州3個(gè)沿海城市為研究區(qū)域。隨著全國城市發(fā)展進(jìn)程的加快及沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)的快速發(fā)展，北海、防城港、欽州（簡稱為“北防欽”）3個(gè)沿海城市逐漸形成城市群，北部灣城市群的發(fā)展使北防欽3市逐漸成為廣西壯族自治區(qū)乃至我國西南沿海區(qū)域的核心經(jīng)濟(jì)地區(qū)。目前，北防欽3市在我國的經(jīng)濟(jì)政策部署下已成為重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域之一。因此，對廣西沿海城市的GDP進(jìn)行估算研究，分析廣西沿海城市GDP在時(shí)間和空間上的差異，系統(tǒng)認(rèn)識廣西沿海城市的城市化水平，對未來的土地規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃等區(qū)域發(fā)展決策和廣西沿海城市可持續(xù)發(fā)展及我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著重要意義。

2 研究區(qū)概況

廣西沿海城市主要位于廣西壯族自治區(qū)的最南端，包括北海、防城港、欽州3市，其中北海下轄合浦縣、海城區(qū)、銀海區(qū)、鐵山港區(qū)；防城港下轄東興市、上思縣、防城區(qū)、港口區(qū)；欽州市下轄欽北區(qū)、欽南區(qū)、靈山縣、浦北縣。上述3市面積約為2.22×104km2，港口眾多，水陸交通便利，城市化水平及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平均位于廣西14個(gè)地級市前列。

2008年國家批準(zhǔn)并實(shí)施了《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，北防欽3市的發(fā)展也成為廣西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)對象。此后，該區(qū)域城市土地需求不斷增加，城市擴(kuò)張速度不斷加快。2003年至2013年，北防欽3市經(jīng)濟(jì)總量逐年增長，北海市和防城港市經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主，北海市2013年的第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值分別為2003年的7.7倍、2.8倍，防城港市2013年的第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值分別為2003年的11.3倍、4.7倍，欽州市在2003年至2006年經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以第一產(chǎn)業(yè)為主，2007年之后第二、第三產(chǎn)業(yè)地位逐漸提升，2010年之后經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主。

3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心（http://www.noaa.gov/web.html）發(fā)布的2003—2013年的全球夜間燈光數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為1km左右，數(shù)據(jù)像元灰度值（DN）在0～63，飽和的灰度值為63，黑暗的或者不穩(wěn)定的燈光區(qū)域的灰度值為0。數(shù)據(jù)預(yù)處理是結(jié)合鄒進(jìn)貴等人[14]的方法對夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，步驟為提取夜間燈光影像亮值像元，再提取穩(wěn)定亮值像元影像，對穩(wěn)定亮值影像DN值進(jìn)行校正。廣西沿海地區(qū)各市GDP數(shù)據(jù)來源于《廣西統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2014）》。

4 研究方法

4.1 夜間燈光綜合指數(shù)的構(gòu)建

陳晉與楊眉[15]等提出了利用夜間燈光綜合指數(shù)（CNLI）的方法評價(jià)城市化水平，本文將利用夜間燈光綜合指數(shù)對GDP值進(jìn)行研究。

CNLI的計(jì)算公式為：

式中I為城市的平均燈光強(qiáng)度，S為城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例，P1、P2代表的是I與S的權(quán)重，通過相關(guān)分析得到P1=0.8，P2=0.2。

城市的平均燈光強(qiáng)度I的計(jì)算公式為：

式中DNi值是第i灰度等級的像元灰度值，Ni是第i灰度等級的所有像元數(shù)，Nt是63≤DN≤1的所有像元總數(shù)。

城市燈光像元面積占總城市像元面積的比例S計(jì)算公式：

式中Nt是63≤DN≤1的所有像元個(gè)數(shù)。N為區(qū)域內(nèi)總的像元個(gè)數(shù)。

4.2 GDP預(yù)測模型構(gòu)建

利用SPSS軟件對3市總的CNLI與GDP進(jìn)行相關(guān)分析，利用回歸分析模型分析北防欽3市夜間燈光數(shù)據(jù)與其GDP之間的關(guān)系，并建設(shè)北防欽3市的GDP預(yù)測模型，計(jì)算公式如下：

式中每個(gè)城市GDPi表示預(yù)測值，GDP真為實(shí)際GDP值，CNLIi代表每個(gè)城市的夜間燈光綜合指數(shù)。

式中λ 為GDP預(yù)測值與真實(shí)的誤差。

5 結(jié)果與分析

5.1 北防欽3市GDP-CNLI預(yù)測模型

根據(jù)公式（1）（2）（3）計(jì)算2003年至2012年廣西沿海城市的夜間燈光指數(shù)（CNLI），得到30個(gè)樣本值，并將查閱廣西統(tǒng)計(jì)年鑒得出的北防欽3市GDP與CNLI 進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖1所示。廣西沿海城市GDP與夜間燈光數(shù)據(jù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.6804，R2為0.606，說明夜間燈光數(shù)據(jù)可以預(yù)測廣西沿海城市的GDP，但其相關(guān)性一般，擬合度較低，北防欽3市GDP總體預(yù)測模型如下：

圖1 北防欽3市總體GDP樣本與CNLI線性擬合圖

針對北防欽3市30個(gè)樣本值總體擬合較低的情況，將分別建立北海、防城港、欽州的GDP預(yù)測模型，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)模型得出的北防欽3市GDP個(gè)體預(yù)測模型如下：

北海：

防城港：

欽州：

對比回歸模型的冪函數(shù)、一元一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式結(jié)果，其中多項(xiàng)式的擬合結(jié)果最好，因此GDP與CNLI的預(yù)測模型以y=ax2+bx+c的形式，x為夜間燈光的綜合指數(shù)，y 為各市的GDP 總量。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，北防欽3市與GDP的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.9243、0.9589、0.9317，北防欽各市總GDP與夜間燈光數(shù)據(jù)具有較大的相關(guān)性，其擬合優(yōu)度也非常高，說明夜間燈光綜合指數(shù)可以較好地表征北防欽3市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。因此，可利用夜間燈光數(shù)據(jù)預(yù)測北防欽3市的GDP。

圖2 北防欽3市GDP與CNLI線性擬合圖

5.2 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的北防欽3市GDP預(yù)測模型驗(yàn)證

圖3 為2013年廣西沿海城市—北海、防城港、欽州3個(gè)城市GDP預(yù)測值與真實(shí)值的誤差比較。從圖3可以看出：個(gè)體預(yù)測模型比總體預(yù)測模型效果好，總體預(yù)測模型得出北海市GDP預(yù)測值與真實(shí)值誤差為26%、防城港誤差為23%、欽州誤差為51%，北防欽3市的誤差都大于10%，說明北防欽3市GDP估計(jì)不適合運(yùn)用其3市綜合的預(yù)測模型。

相對比總體預(yù)測模型，個(gè)體預(yù)測模型誤差更小，北海市GDP預(yù)測值與真實(shí)值誤差為17%，防城港誤差為1%，欽州市誤差為6.5%，北海市GDP預(yù)測的誤差低于20%，防城港市和欽州市的誤差低于10%。總體上，個(gè)體預(yù)測模型的誤差較小，特別是防城港市，說明個(gè)體預(yù)測模型對北防欽3市GDP預(yù)測有效，且效果較好。

圖3 總體預(yù)測模型與個(gè)體預(yù)測模型精度對比圖

5.3 2003年至2013年北防欽3市GDP值時(shí)間變化特征

由圖4可知，2003—2013年欽州市的GDP總量一直居于首位，北海市次之，最后為防城港市。經(jīng)過計(jì)算3個(gè)城市的GDP絕對增長率［（GDP2013-GDP2003）/10］，其中絕對增長率最高也為欽州市，北海市次之，防城港市最低。但總體上北防欽3市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快。欽州市與北海市第二、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展差別不大，由于欽州市面積比北海市大得多，耕地林地面積多，其第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值比北海市高得多，因此欽州市總生產(chǎn)總值領(lǐng)先于北海市。防城港市面積是3市中最小，其耕地林地面積也是3市最少，其第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不及欽州、北海兩市。

北防欽3市的夜間燈光綜合指數(shù)變化與GDP值變化不同，北海燈光綜合指數(shù)居于首位，欽州市次之，防城港市最低，且2012年防城港市的夜間燈光指數(shù)高于欽州市；而防城港市燈光指數(shù)增長率最高，欽州市次之，北海市最低。夜間燈光數(shù)據(jù)反映人類夜間活動(dòng)的活躍程度，也反映了社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)程度。欽州市的GDP值比北海市高，而夜間燈光指數(shù)卻比北海市低，說明欽州市GDP對第一產(chǎn)業(yè)依賴性較強(qiáng)，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)的生產(chǎn)總值占據(jù)其總GDP的1/3以上，與人類夜間活動(dòng)關(guān)聯(lián)不大，而北海主要是服務(wù)業(yè)、商貿(mào)業(yè)等現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，能夠促進(jìn)人類夜間活動(dòng)。也說明北防欽3市GDP總值與夜間燈光綜合指數(shù)整體性關(guān)聯(lián)度不高，燈光指數(shù)不能整體反應(yīng)北防欽3市GDP總值變化，且僅有本市夜間燈光指數(shù)才能預(yù)測本市的GDP總值變化。

圖4 2003—2013年北防欽3市GDP值及燈光指數(shù)變化圖

5.4 基于2夜間燈光數(shù)據(jù)的北防欽3市GDP值空間化

由圖5可知，2003年北防欽3市北海市的夜間燈光分布最為廣泛，基本覆蓋了北海市區(qū)域的半壁江山，主要是集中于北海市的西側(cè)，以面狀形式存在，大致位于北海市市中心以及合浦縣縣城。而北海市東側(cè)夜間燈光以點(diǎn)狀形式存在。防城港市的夜間燈光分布最少，只有零星的幾個(gè)燈光區(qū)域，燈光點(diǎn)狀分布，最集中于防城港的防城區(qū)內(nèi)的主城區(qū)、港口沿海、上思縣城區(qū)還有東興市與越南交界的邊境地區(qū)。欽州市的面積在北防欽3市中最大，但是夜間燈光分布區(qū)域較少，也是只有零星的燈光區(qū)域，除了欽州市的市中心燈光區(qū)域以小面狀形式分布，其他區(qū)域燈光點(diǎn)狀分布，夜間燈光最集中的是在欽州市的市中心和靈山縣的縣城。2013年北防欽3市夜間燈光變化區(qū)域較小，但欽州市沿海地區(qū)以及北防欽3市的市中心的DN值都有較大幅度增長。

從夜間燈光空間分布來看，北海市GDP密度分布格局為西部高于東部，并且以北海市中心海城區(qū)和銀海區(qū)以及合浦縣縣城為聚集中心向四周離心擴(kuò)張。北海市海城區(qū)和銀海區(qū)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，銀海區(qū)和海城區(qū)現(xiàn)代化服務(wù)業(yè)（旅游業(yè)）、商貿(mào)業(yè)最能帶動(dòng)北海市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。防城港市GDP密度分布格局為東南部高于西北部，并以東興市邊境和防城港市防城區(qū)和港口區(qū)為聚集中心向四周擴(kuò)散，主要擴(kuò)展方向?yàn)槲鞅毕?。西北區(qū)上思縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展較弱，東興市與越南芒街相鄰，其旅游業(yè)、商貿(mào)業(yè)帶動(dòng)了東興市乃至防城港市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，防城港防城區(qū)和港口區(qū)現(xiàn)代化服務(wù)業(yè)、商貿(mào)業(yè)也為該市帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要力量。欽州市GDP密度分布格局為西南部高于東北部，主要集中于欽州市市中心并離心向四周擴(kuò)散，合浦縣縣城經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)了欽州市西北部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。此外，北防欽3市沿海港口進(jìn)出口貿(mào)易、物流業(yè)等服務(wù)業(yè)都帶動(dòng)了3市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其中北防欽連接南寧的高速公路G75也逐漸將北防欽3市的沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)連接起來，并逐漸發(fā)展融入各市的經(jīng)濟(jì)體系，從而帶動(dòng)各市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖5 2003年和2013年北防欽3市夜間燈光分布圖

6 結(jié)論

本文基于夜間燈光遙感數(shù)據(jù)及廣西統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)建立了廣西沿海地區(qū)GDP預(yù)測模型，并分析了廣西沿海北防欽3市的GDP空間化特征，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)內(nèi)北海市、防城港市、欽州市的GDP值與夜間燈光指數(shù)呈較強(qiáng)的相關(guān)性，各市的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.9以上，說明夜間燈光數(shù)據(jù)可以對各市未來GDP值進(jìn)行預(yù)測，且具有一定的科學(xué)性和參考性。

（2）北防欽3市所有GDP值與燈光指數(shù)總體上呈正相關(guān)，但其總體預(yù)測模型的估算值相對誤差較大，因此，總體預(yù)測模型并不適用北防欽3市。每個(gè)城市夜間燈光指數(shù)與其GDP值相關(guān)系數(shù)大，且預(yù)測模型相對誤差較小，因此個(gè)體預(yù)測模型可以用來預(yù)測各市的GDP值，其中防城港市、欽州市的GDP預(yù)測模型精度高，其誤差均少于10%，而北海市的GDP預(yù)測模型精度相對較低。

（3）根據(jù)各市GDP值及夜間燈光分布圖來看，2003年至2013年北防欽3市總體綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)，欽州市經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)，北海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展最均勻，各市經(jīng)濟(jì)發(fā)展均以城市經(jīng)濟(jì)中心帶動(dòng)周邊區(qū)縣經(jīng)濟(jì)模式展開。雖然北防欽3市縣域經(jīng)濟(jì)不斷升高，但北防欽3市的縣域經(jīng)濟(jì)實(shí)力仍不夠強(qiáng)，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整體支撐力度仍需加強(qiáng)。

夜間燈光數(shù)據(jù)顯示，欽州市和防城港市的縣城經(jīng)濟(jì)輻射能力較差，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域主要集中在城市中心，縣域經(jīng)濟(jì)主要以第一產(chǎn)業(yè)為主。因此發(fā)展廣西沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)，需要合理調(diào)節(jié)好縣域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，縣域經(jīng)濟(jì)中應(yīng)加大力度發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，完善縣城與周邊城鎮(zhèn)以及城市中心的交通網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)縣域經(jīng)濟(jì)輻射能力，以促進(jìn)其城鎮(zhèn)化建設(shè)。北防欽3市應(yīng)團(tuán)結(jié)協(xié)作，并結(jié)合南寧市發(fā)展城市群，各市之間形成良性競爭，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)作，創(chuàng)造共贏經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境。