馮先超，唐麗玉*，陳曉玲，江 鋒，彭 巍，胡 穎

(1.福州大學(xué) 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350108； 2.福州大學(xué) 地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 福州 350108)

中國城市化正處于不斷發(fā)展階段，城市化建設(shè)的不斷推進對于吸引人才和推動經(jīng)濟發(fā)展有著不可或缺的作用。掌握區(qū)域內(nèi)城市時空演變過程對于優(yōu)化區(qū)域城市布局，促進城市間的協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要意義[1]。河南省是我國農(nóng)業(yè)大省，城市化率較低，不僅是連通境內(nèi)外、輻射東西的重要物流通道樞紐，也是東部發(fā)達地區(qū)和西部欠發(fā)達地區(qū)的過渡地帶，其對于協(xié)調(diào)我國整體發(fā)展有著獨特作用。了解并掌握河南省空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變特征及規(guī)律，有助于理解和優(yōu)化區(qū)域空間布局[2]，推動其協(xié)調(diào)發(fā)展。

目前，城市時空演變進程的研究主要是依賴于傳統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)[3-5]。其中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)由于缺乏必要的空間信息且統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑不一而難以滿足研究需求，而遙感數(shù)據(jù)則能提供時效性好的空間信息，夜間燈光影像的出現(xiàn)為大尺度范圍城市發(fā)展研究提供了新的數(shù)據(jù)手段。目前最為常用的兩種夜間燈光影像分別為美國軍事氣象衛(wèi)星所搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS)和索米國家極地衛(wèi)星(Suomi national polar-orbiting partnership，Suomi NPP)所搭載的可見光/紅外輻射成像儀(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)所獲得的遙感數(shù)據(jù)[6]，以其時間序列長、數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)處理簡單、與人類活動具有強烈的相關(guān)性[7]等特點而受到眾多學(xué)者青睞，常被用來進行區(qū)域內(nèi)、國家乃至全球范圍內(nèi)人口[8-9]、城市擴張[10]、經(jīng)濟[11]、污染[12]以及能源消耗[13]等方面研究。李德仁等[14]利用DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對“一帶一路”沿線國家城市時空演變進程進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS數(shù)據(jù)可以有效地反映城市發(fā)展規(guī)律；徐慧敏等[15]利用燈光數(shù)據(jù)對中國城市規(guī)模的演化特征進行研究，發(fā)現(xiàn)中國除東北經(jīng)濟區(qū)外的其他經(jīng)濟區(qū)的城市聚集程度正在削減；晁靜等[16]對長江經(jīng)濟帶城市群結(jié)構(gòu)研究后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)部相對差異降低，城市規(guī)模分布逐漸合理；楊洋等[17]通過對環(huán)渤海三大城市群城市用地規(guī)模時空演變進行研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)三大城市群城市用地規(guī)?？傮w上的差異逐漸縮小；王利偉等[18]以夜間燈光數(shù)據(jù)揭示了京津冀地區(qū)的時空擴展格局和驅(qū)動力機制；王翠平等[19]從城市擴張強度、類型及方向性等方面研究了京津冀、長三角和珠三角城市群的空間演變特征。

結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，夜間燈光數(shù)據(jù)能夠?qū)Τ鞘幸?guī)模進行表征并可應(yīng)用于不同尺度的城市發(fā)展演變研究，研究區(qū)域多選擇京津冀[20]、長三角[21-22]和珠三角[23]等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，“中部崛起”戰(zhàn)略已成為我國的重要布局之一。而現(xiàn)階段對于河南省城市空間展布性、規(guī)模結(jié)構(gòu)等研究較為匱乏，無法滿足不斷增長的現(xiàn)實需求。雖然有學(xué)者對河南省建成區(qū)擴張進行研究[24]，但較多基于缺乏空間性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和未校準(zhǔn)的燈光數(shù)據(jù)，使研究存在一些不合理之處，且由于DMSP/OLS數(shù)據(jù)已經(jīng)停止更新，難以反映近年來的發(fā)展?fàn)顩r，而兩種燈光數(shù)據(jù)存在的差異性[25]導(dǎo)致現(xiàn)有研究較少綜合利用DMSP/OLS和NPP/VIIRS兩種數(shù)據(jù)進行區(qū)域結(jié)構(gòu)演變分析。因此，需要采用一種技術(shù)手段有效整合兩種夜間燈光數(shù)據(jù)，以確保研究的時序性和實效性。

本文利用Sigmoid模型結(jié)合核函數(shù)方法將NPP/VIIRS數(shù)據(jù)模擬為DMSP/OLS數(shù)據(jù)，生成一致性夜間燈光數(shù)據(jù)，延長夜間燈光數(shù)據(jù)的可用性，以燈光規(guī)模變化、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模法則等方法分析河南省1992—2018年城市規(guī)模結(jié)構(gòu)變化的時空特征，揭示其發(fā)展規(guī)律，為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中部地區(qū)，位于北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間，周邊與安徽、山東、河北、山西、陜西和湖北相連，為我國東部和中西部地區(qū)的過渡地段，氣候以溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候為主，地貌主要以平原為主，西南部多山。河南省由18地市組成，總面積超過16萬平方公里，是我國人口最為密集的區(qū)域之一和“一帶一路”的重要組成部分，在中原城市群的發(fā)展、中部崛起戰(zhàn)略和輻射中西部發(fā)展中有著重要的作用，近年來經(jīng)濟發(fā)展迅猛，截至2019年，河南省生產(chǎn)總值突破5萬億，也是我國農(nóng)業(yè)大省、人口大省，糧食產(chǎn)量常年占據(jù)全國10%左右，人口占全國總?cè)丝诔^10%。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)源

DMSP/OLS數(shù)據(jù)分為經(jīng)過輻射定標(biāo)的影像、無云觀測頻數(shù)影像、平均燈光影像和穩(wěn)定燈光影像幾種數(shù)據(jù)類型，其中經(jīng)過輻射定標(biāo)的年數(shù)據(jù)時序較短，因此不做選擇。綜合考慮數(shù)據(jù)可靠性和完整性，本文選擇1992—2012年第四版穩(wěn)定無云覆蓋的DMSP/OLS夜間燈光影像，該影像從美國國家地理信息中心網(wǎng)站下載(http://www.ngdc.noaa.gov)；產(chǎn)品空間分辨率約為1 km，點亮的像元灰度值(digital number,DN)在1～63之間，無燈光覆蓋區(qū)域的背景值為0，該影像拋棄了月光、天然氣燃燒和極光等偶然光源的影響，記錄了城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民地等穩(wěn)定光源發(fā)出的年平均燈光數(shù)據(jù)，其中DMSP/OLS遙感影像如圖1(a)所示。

圖1 河南省DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜間燈光影像Fig.1 Nightime light image of DMSP/OLS and NPP/VIIRS in Henan Province

NPP/VIIRS數(shù)據(jù)為DMSP/OLS數(shù)據(jù)的替代產(chǎn)品，空間分辨率約為0.5 km。數(shù)據(jù)從2012年每月發(fā)布一次，與上一代夜間燈光數(shù)據(jù)相比具有更強的燈光探測能力，共分為VCMCFG和VCMSLCFG兩種類型數(shù)據(jù)。雖然后者覆蓋范圍更廣，但數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，因此本文選擇前者進行研究，時間范圍為2012—2018年。由于該數(shù)據(jù)發(fā)布時并未對其他非必要燈光進行消除，導(dǎo)致難以直接使用，需要進一步處理。NPP/VIIRS夜間燈光影像如圖1(b)所示。

兩種燈光數(shù)據(jù)存在空間分辨率、時間分辨率和輻射分辨率的差異，且各自數(shù)據(jù)所存在的問題不同，DMSP/OLS數(shù)據(jù)存在燈光溢出、過飽和和不連續(xù)性；NPP/VIIRS數(shù)據(jù)存在背景噪聲和異常值等問題，因此，在生成長時序燈光數(shù)據(jù)之前應(yīng)綜合考慮不同的數(shù)據(jù)特征，分別進行處理。

1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

為克服數(shù)據(jù)由于緯度變化對結(jié)果產(chǎn)生影響，將夜間燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Albers等積投影，并將DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)分別重采樣至1 km和0.5 km分辨率。利用分步校正法實現(xiàn)對DMSP/OLS數(shù)據(jù)進行時序校正[26]，較少文獻進行NPP/VIIRS數(shù)據(jù)年度合成時并未考慮到其在某些月份由于雜散光影響導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，拋棄這些月份的數(shù)據(jù)后進行均值合成年數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)由于未對其他非必要燈光進行排除，導(dǎo)致背景噪聲和異常值的出現(xiàn)，而DMSP/OLS數(shù)據(jù)不存在異常燈光，利用2012年的DMSP/OLS數(shù)據(jù)為掩膜去除同年度NPP/VIIRS噪聲，并以0.3為閾值進一步去除微弱噪聲[27-28]，對2015和2018年數(shù)據(jù)采取同樣方法處理。對于異常值現(xiàn)象采用八鄰域法替代，即選擇胡為安等[29]所述的各年份中國最大值像元作為極大值，將超過此值像元的認(rèn)定為異常值像元，利用此像元周邊非異常像元的平均值替代。

2 方法

2.1 DMSP/OLS與NPP/VIIRS時序構(gòu)建

若要保證DMSP/OLS與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的一致性，需主要解決NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的空間降解和兩種數(shù)據(jù)的輻射一致性調(diào)整兩個問題。已有研究[30]表明，DMSP/OLS夜間燈光影像的模糊性是由高斯點擴散函數(shù)所控制的(Gaussian point-spread function，PSF)。因此，本文利用移動的四次核函數(shù)實現(xiàn)NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的空間降解，以五倍于數(shù)據(jù)分辨率大小的數(shù)值作為核函數(shù)移動窗口值[25]，以各像元的灰度值大小決定參與運算次數(shù)。

NPP/VIIRS數(shù)據(jù)由于傳感器過于敏感，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的跳躍性較為嚴(yán)重，數(shù)據(jù)不夠平滑。對數(shù)變換[31]可以對數(shù)據(jù)的劇烈變化有一定的緩解作用。因此，利用對數(shù)變換對降解后的NPP/VIIRS數(shù)據(jù)進行處理，為了保證數(shù)據(jù)的非負(fù)性，在統(tǒng)一對數(shù)變換之前對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一添加常數(shù)值。通過觀察對數(shù)變換后的像元點，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間存在一種類似生長型曲線的關(guān)系。因此，采用如圖2所示的一種變換的Sigmoid曲線模型[25]進行模擬。變換的生長曲線模型如式(1)所示：

(1)

式中：x是對數(shù)處理后的數(shù)據(jù)值，a、b、c和d是變換的S模型的參數(shù)，f(x)是最終的模擬值。將上述方法應(yīng)用于其他所用年份的數(shù)據(jù)中，統(tǒng)一對夜光數(shù)據(jù)進行年際校正處理[32]后應(yīng)用。

圖2 2012年兩種燈光數(shù)據(jù)S模型擬合Fig.2 Sigmoid model fitting of two nighttime light data in 2012

2.2 夜間燈光統(tǒng)計

以河南省各地級市的總體燈光亮度(sum of nighttime light，SNL)、平均燈光亮度(mean of nighttime light，MNL)為統(tǒng)計的主要指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，其計算公式如下：

(2)

M=S/n。

(3)

其中：Di表示某個區(qū)域內(nèi)第i個像元的DN值，n表示區(qū)域內(nèi)的總像元個數(shù)，S表示區(qū)域總體燈光亮度，M表示區(qū)域平均燈光亮度。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

地理要素空間演變的一個非常重要的特征就是其重心的動態(tài)變化[33]。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(standard deviational ellipse，SDE)可以揭示地理要素空間演化的多個特征演變。這種方法常用來揭示地理要素空間分布的整體性、中心性、展布性、方向性和空間形態(tài)等特征，并用來判斷不同地區(qū)或同地區(qū)不同時間的發(fā)展差異和水平，被廣泛應(yīng)用于城市和經(jīng)濟空間格局[1,34]研究等領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的基本參數(shù)主要包括重心、方位角和長短半軸，分別用來表示區(qū)域內(nèi)地理空間要素的重心、區(qū)域主趨勢變化方向和區(qū)域發(fā)展的主次方向上驅(qū)動力的強弱。橢圓面積大小變化表示區(qū)域總體燈光的擴張和收縮程度，橢圓面積越大則表示燈光分布越分散，反之則越集中。

2.4 位序-規(guī)模法則

規(guī)模變化也是區(qū)域城市發(fā)展變化的重要特征之一，而位序-規(guī)模法則[14,35]常用來進行區(qū)域內(nèi)城市格局方面的研究，可以反映出各組成部分之間的分散或集中程度。與已有研究相同，利用夜光總量刻畫城市規(guī)模[16, 22]，基于夜間燈光影像，利用位序-規(guī)模法則對河南省各市規(guī)模進行量化，其中位序-規(guī)模法則的描述形式如下：

Pi=P1·Ri-q。

(4)

對其進行對數(shù)變換可得：

lnPi=lnP1-qlnRi。

(5)

式中：Pi為第i個城市的夜光數(shù)據(jù)總體規(guī)模；P1為區(qū)域內(nèi)理論上最大城市的夜光數(shù)據(jù)總體規(guī)模；Ri為第i個城市的位序；q為捷夫指數(shù)，可以用來表示城市規(guī)模和位序的集中和分散的程度。|q|值越接近于1，則表示夜間燈光規(guī)模分布接近捷夫的理想狀態(tài)，城市規(guī)模的差異性較??；若|q|值大于1時，則表示城市規(guī)模分布為首位型，高位序城市的發(fā)展較為突出且用地規(guī)模相對集中，中小型城市發(fā)育則不足；若|q|值小于1時，則表明城市規(guī)模分布為位次型，城市規(guī)模分布相對分散，高位次城市發(fā)育不夠突出，而中小城市較為發(fā)育。同時對河南省長時間序列的|q|值變化情況進行分析，若|q|值增大，則研究區(qū)內(nèi)城市趨于集中的力量大于分散力量；反之，則表明趨于集中的力量小于分散的力量。

3 結(jié)果分析

3.1 一致性效果評價

將DMSP/OLS與模擬前后的NPP/VIIRS兩種數(shù)據(jù)進行影像特征分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析，以影像特征相似程度和相關(guān)系數(shù)大小評估模擬結(jié)果的可靠性。研究區(qū)部分區(qū)域的夜間燈光遙感影像特征對比如圖3所示。

圖3 2012年NPP/VIIRS影像、模擬的DMSP/OLS影像和DMSP/OLS影像對比圖Fig.3 Comparison of NPP/VIIRS images, simulated DMSP/OLS images and DMSP/OLS images in 2012

模擬生成的2012年夜間燈光影像與原始的DMSP/OLS影像在空間分布特征和影像特征上具有高度相似性。在像元水平上，選擇2012年DMSP/OLS和NPP/VIIRS模擬前后的數(shù)據(jù)在像元尺度上進行相關(guān)性分析，為保證像元數(shù)量的一致性，將模擬和原始的DMSP/OLS數(shù)據(jù)重采樣至與NPP/VIIRS分辨率等同，結(jié)果如圖4和表1所示。在未進行處理之前，2012年NPP/VIIRS數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)之間存在一定的相關(guān)性，說明存在可以利用后者對前者進行模擬的可能性，但兩者之間的相關(guān)性相對較弱，皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.62；而經(jīng)過處理后得到的模擬DMSP/OLS數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)之間存在較強的相關(guān)性，其關(guān)系系數(shù)達到0.93，相關(guān)性明顯增強，說明模擬得到的結(jié)果是可靠的，具有一定的可行性。這種一致性處理后的燈光數(shù)據(jù)可以用來對區(qū)域內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r進行評估。

圖4 原始和模擬的DMSP/OLS散點密度圖對比Fig.4 Comparison of the original and simulated DMSP/OLS scatter density map

表1 模型參數(shù)表Tab.1 The table of model parameter

3.2 分區(qū)發(fā)展變化

城市的發(fā)展變化是多種因素共同參與和促進的，而夜間燈光也是多種因素的集中體現(xiàn)，其變化可以在一定程度上揭示河南省的發(fā)展規(guī)律。其中夜間燈光在研究區(qū)空間分布上如圖1所示，可見河南省夜間燈光的高亮度區(qū)域形成了以鄭州市為中心，以京廣線和隴海線等交通線為骨架的分布狀況，說明了交通對于區(qū)域城市發(fā)展所起到的作用是積極的。河南省各地級市的燈光總量和平均燈光變化如圖5所示。

圖5 1992和2018年燈光總量和均值變化圖Fig.5 Total and average light changes in 1992 and 2018

由圖5，河南省各地級市的燈光總量和平均燈光亮度值均有所增長，在燈光總量上，增長量最大的包括鄭州市和南陽市，而濟源市和鶴壁市轄區(qū)面積較小，總體燈光增長量偏低。綜合來說，南部地區(qū)燈光總量相對增加較多。從燈光平均值來看，河南省范圍內(nèi)除許昌市有較大波動外，其余各市排名并未發(fā)生明顯變化。鄭州、焦作和濮陽三市是全省平均燈光最高的地區(qū)，而信陽、駐馬店和南陽三市夜間燈光平均值基本為省內(nèi)最低。從空間位置上來看，這些燈光平均值較大的區(qū)域普遍分布在河南省中北部等工業(yè)基礎(chǔ)較好的地區(qū)；而平均燈光較小的市基本位于西南和南部，這些區(qū)域存在轄區(qū)面積較大，地形多山導(dǎo)致交通不便或第一產(chǎn)業(yè)占比較重等特點。值得一提的是洛陽市和南陽市的燈光總量在省內(nèi)靠前，但平均燈光卻相對偏低，綜合考慮主要是由于轄區(qū)面積過大和地形原因?qū)е聼艄饩奂容^高而發(fā)展均衡程度相對較低。

3.3 空間演變分析

本文利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的面積、重心、扁率等參數(shù)的變化對河南省區(qū)域內(nèi)夜間燈光時空變化總體趨勢進行分析，判斷河南省在地理規(guī)模整體上的分布情況。研究區(qū)1992—2018年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分布如圖6所示。

表2 河南省1992—2018年標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)表Tab.2 Henan Province standard deviation ellipse parameter table from 1992 to 2018

河南省整體上燈光空間演變過程呈現(xiàn)由北向南的趨勢。如表2和圖6，1992—2018年夜間燈光的重心逐漸實現(xiàn)了從(113.603°E，34.585°N)至(113.788°E，34.240°N)的轉(zhuǎn)移過程，重心位置逐漸從鄭州市境內(nèi)移動到許昌市境內(nèi)，向幾何中心靠近，多年來重心移動距離為42.40 km，平均每年移動約1.63 km，移動方向為持續(xù)由北向南、由西向東，時間范圍內(nèi)東部和南部地區(qū)所占的比重相對1992年逐步提高。與行政區(qū)幾何中心相比，各期燈光重心均位于幾何中心北方向，北部地區(qū)所占比例相較于南部地區(qū)更大，相對發(fā)展更好，但存在重心在向南移動的速度總體變緩的情況，說明就全省而言仍然是鄭州市在重心的遷移中占據(jù)重要地位。可以預(yù)見，在后續(xù)一段時間內(nèi)全省重心不會發(fā)生過于劇烈的變化。研究時間范圍內(nèi)，重心持續(xù)向東轉(zhuǎn)移可能與鄭州持續(xù)向東擴張和“鄭汴一體化”政策有關(guān)。

圖6 1992—2018年河南省標(biāo)準(zhǔn)差橢圓及其重心變動圖Fig.6 The standard deviation ellipse and center of gravity change in Henan Province from 1992 to 2018

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的覆蓋范圍不斷擴大，從1992年的62 718 km2增加至2018年的76 095 km2，空間增長率為21.33%，整體呈現(xiàn)擴張態(tài)勢，說明河南省總體發(fā)展較為迅速，這也與中小城市數(shù)量較多的現(xiàn)狀是分不開的。從標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的形狀分布來看，多年來橢圓短軸和長軸之比總體上有所增加，且標(biāo)準(zhǔn)差橢圓方位角總體呈現(xiàn)減小趨勢，但始終是東北-西南方向，表明推動河南省夜間燈光不斷演化的力量仍然是以南北方向為主，但是存在東西方向的作用力逐漸增強的現(xiàn)象。

3.4 位序規(guī)模分布

受限于夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率的影響，本文在地級市尺度下利用位序-規(guī)模法則分析河南省范圍內(nèi)的城市規(guī)模特征，其中，以各地級市年度燈光規(guī)模總和的大小進行排序。如表3，1992—2018年間位序-規(guī)模法則分析雙對數(shù)回歸的擬合情況較好，回歸后的決定系數(shù)R2均在0.7以上，說明河南省各城市發(fā)展比較符合位序-規(guī)模法則分布特征，正在形成較為合理的位序規(guī)模體系。

表3 1992—2018年河南省城市位序-規(guī)模雙對數(shù)回歸結(jié)果Tab.3 The regression results of the rank-scale logarithmic of Henan Province from 1992 to 2018

1992—2018年間，河南省位序-規(guī)模法則雙對數(shù)回歸結(jié)果的|q|值均小于1，說明河南省城市規(guī)模仍處于“位次型”分布，高位序城市的聚集效應(yīng)不夠明顯，夜間燈光的壟斷性不夠突出且相對來說不夠發(fā)育，對周邊城市發(fā)展的帶動能力較弱；而中小規(guī)模城市數(shù)量較多且發(fā)展規(guī)模差異不大，相對較為發(fā)育，區(qū)域內(nèi)各市總體規(guī)模分布比較分散。從時間序列上來看，河南省高位城市處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，而|q|值的變化以2000年為界可以分成先降后升兩個時期。在2000年之前，|q|值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明河南省范圍內(nèi)城市規(guī)模趨于分散的力量超過趨于集中的力量；在2000年之后，|q|值逐漸變大，由夜間燈光所代表的河南省各市規(guī)模分布逐漸呈現(xiàn)由趨于分散轉(zhuǎn)為趨于集中的態(tài)勢，究其原因可能是河南省不斷推動“中原崛起”戰(zhàn)略的逐步實施所致?？傮w來說，該區(qū)域內(nèi)高位序城市的輻射帶動能力雖然不夠明顯，但隨時間變化總體上略有增加，說明河南省正在形成較為合理的規(guī)模等級結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

本文以河南省為研究區(qū)，以DMSP/OLS和NPP/VIIRS多源夜間燈光數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)，采用核函數(shù)結(jié)合變換的Sigmoid曲線模型方法，完成了DMSP/OLS和NPP/VIIRS兩種夜間燈光數(shù)據(jù)的一致性處理，改善了夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境，借助燈光統(tǒng)計方法、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓和位序-規(guī)模法則等方法對河南省1992—2018年的城市發(fā)展進程和規(guī)律進行系統(tǒng)性分析，揭示了其規(guī)模結(jié)構(gòu)演變趨勢，結(jié)論如下：

在研究時期內(nèi)，河南省各市的夜間燈光總量和平均燈光亮度都呈現(xiàn)增長的趨勢。鄭州、洛陽和南陽市的總體燈光增長量最為突出，而濟源和漯河等小城市的燈光增長量相對較??；中北部各市夜間燈光平均值相對較高?？傮w而言，南部大城市燈光總量相對較高，但平均值相對較低。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析結(jié)果可知，夜間燈光標(biāo)準(zhǔn)差橢圓具有明顯的南北軸向性，空間范圍呈擴張態(tài)勢，1992—2018年空間增長率為21.33%，河南省燈光重心多年來均位于幾何中心北方，演變方向為從北向南、由西向東，移動速度總體變緩，推動河南省整體演變的力量以南北為主，但東西方向作用力也逐漸加強。

由位序-規(guī)模法則分析結(jié)果可知，1992—2018年河南省區(qū)域內(nèi)的時序捷夫指數(shù)|q|值均不超過1，區(qū)域內(nèi)各市規(guī)模始終呈位次型分布，其中|q|值以2000年為分界線，分別呈現(xiàn)先減小后增加的態(tài)勢，區(qū)域城市規(guī)模分布由趨于分散轉(zhuǎn)為趨于集中的趨勢。此外，高位序城市發(fā)育不夠突出，無法形成有效的輻射帶動能力，中小城市數(shù)量較多。

夜間燈光在區(qū)域發(fā)展的研究中具有其特色和優(yōu)勢，可以在一定程度上反映區(qū)域各市的發(fā)展情況，但受限于數(shù)據(jù)分辨率影響，難以進行更為細(xì)致的探究，珞珈一號星夜間燈光影像的使用將有望解決這一問題。此外，本文的工作僅揭示了河南省城市空間格局演變規(guī)律，并未深入挖掘其背后機制。今后將對引起發(fā)展變化的因素進一步探究，更深入地理解河南省發(fā)展進程。