羅 虹,趙政權(quán)
(1.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 國(guó)土空間信息學(xué)院,云南 昆明 652501)
隨著人類社會(huì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快,長(zhǎng)時(shí)間序列夜光數(shù)據(jù)便于獲取、處理方便,對(duì)于評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特征等具有巨大優(yōu)勢(shì)。因此,如何利用夜光數(shù)據(jù)衡量區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,深度挖掘區(qū)域經(jīng)濟(jì)特性,顯得越來(lái)越重要。目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用夜光數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了大量研究,主要是基于DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、城市位序—規(guī)模法、引力模型與區(qū)位度、Getis-Ord Gi*分析和人均夜光發(fā)展指數(shù)等方法對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的時(shí)空格局發(fā)展進(jìn)行分析[1-5],多集中在京津翼、長(zhǎng)三角和珠三角三大城市群區(qū)域,對(duì)西部城市發(fā)展的研究較少。還有學(xué)者基于夜光數(shù)據(jù)構(gòu)建回歸模型,并與興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)相結(jié)合,研究區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)特征,模擬經(jīng)濟(jì)參量[6-11]。基于2012-2019年NPP-VIIRS預(yù)處理后的夜光數(shù)據(jù),以燈光總量、燈光增長(zhǎng)率和平均燈光指數(shù)為統(tǒng)計(jì)指標(biāo),本文采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、城市位序—規(guī)模法、Getis-Ord Gi*分析和空間引力模型等方法計(jì)算分析了8 a間云南省城市經(jīng)濟(jì)空間格局的演變情況。
云南省位于西南地區(qū),藏、川、黔、桂交界處,介于 21°8′~29°15′N、 97°31′~106°11′E 之間;屬山區(qū)高原地形,由北向南地勢(shì)逐漸降低,最高點(diǎn)卡瓦格博峰海拔為6 740 m,最低點(diǎn)位于河口縣境內(nèi),海拔為76.4 m;自然資源豐富,總面積約為39.4萬(wàn)km2,下轄16個(gè)地級(jí)行政區(qū)、129個(gè)縣級(jí)區(qū)劃。作為我國(guó)通往東南亞的門戶,滇西部與緬甸接壤,滇南部和老撾、越南毗鄰,屬于西南經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分,主要包括滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)、沿邊經(jīng)濟(jì)帶等。
目前,長(zhǎng)時(shí)間序列夜光產(chǎn)品主要包括DMSP-OLS和NPP-VIIRS,其中DMSP-OLS的空間分辨率約為1 km,但在2013年已停止更新,且產(chǎn)品有溢出現(xiàn)象;NPP-VIIRS數(shù)據(jù)從2012年4月開(kāi)始更新,空間分辨率約為500 m,可識(shí)別更多的燈光細(xì)節(jié)。NPP-VIIRS數(shù)據(jù)提供VCM和VCMSL兩種產(chǎn)品,前者已排除受雜散光影響的數(shù)據(jù),后者已經(jīng)過(guò)雜散光校正,有更多的數(shù)據(jù)覆蓋到極點(diǎn),但降低了質(zhì)量,因此利用VCM月度數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù)作為結(jié)果使用。行政區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)(https://www.ynmap.cn/);夜光NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(https://ngdc.noaa.gov/eog/download.html)。
NPP的月產(chǎn)品中未去除負(fù)值、火點(diǎn)、不穩(wěn)定值和背景噪聲,而年產(chǎn)品只提供了2015年和2016年的年數(shù)據(jù),年度數(shù)據(jù)包含無(wú)云平均燈光,且去除了暫時(shí)性燈光。本文在整理其他學(xué)者經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;①DMSP-OLS不存在負(fù)值,因此可利用2012年的DMSP數(shù)據(jù)替換2012年NPP月產(chǎn)品中的負(fù)值,并求出年平均值,再利用2012年NPP年產(chǎn)品替換2013年月數(shù)據(jù)中的負(fù)值,以此類推,直到所有月數(shù)據(jù)中的負(fù)值全部被替換;②極高值的處理,首先提取出不同年度中燈光強(qiáng)度最高城市的最大值,一般認(rèn)為生產(chǎn)總值越高、燈光強(qiáng)度越強(qiáng),提取出極高值像元,再采用均值濾波,以5×5的單元計(jì)算均值進(jìn)行替換;③消除微光,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.4 nanoW/(cm2·sr)為閾值[12-13];④對(duì)處理后的月數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,生成年產(chǎn)品。由于NPP數(shù)據(jù)為WGS84地理坐標(biāo)系,影像的格網(wǎng)會(huì)隨著緯度的增大而變小,因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換,重投影為Albers等積圓錐投影,重采樣的像元分辨率為500 m。
城市夜間燈光統(tǒng)計(jì)可通過(guò)夜間燈光總量(TL)、平均燈光指數(shù)(ALI)[14]和燈光增長(zhǎng)率(GR)來(lái)衡量,計(jì)算公式為;
式中,ri為第i個(gè)像元的輻射亮度值;n為區(qū)域的像元個(gè)數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)差橢圓(SDE)可反映事物空間特征的分布趨勢(shì),是對(duì)區(qū)域方向進(jìn)行分析的一種經(jīng)典算法。通過(guò)橢圓中心、橢圓面積、長(zhǎng)短軸和旋轉(zhuǎn)角度可度量云南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局變化情況,其中橢圓中心代表經(jīng)濟(jì)區(qū)重心,橢圓面積代表聚集和離散程度,長(zhǎng)短軸反映經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)張、收縮狀態(tài),旋轉(zhuǎn)角度反映經(jīng)濟(jì)主要趨勢(shì)方向變化。
式中,SDx為X軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差;SDy為Y軸方向的標(biāo)準(zhǔn)差;(xi,yi)為區(qū)域?qū)ο蟮淖鴺?biāo);θ為方位角;Wi為權(quán)重;(xi,yi)為區(qū)位至橢圓重心(SDEx,SDEy)的坐標(biāo)差。
城市位序—規(guī)模法可用來(lái)衡量區(qū)域城市規(guī)模發(fā)展的集中和分散程度。本文以夜光總量來(lái)探討2012-2019年云南省城市規(guī)模的變化情況。
式中,Pi為城市i的夜光總量;P1為排名第一的城市夜光總量規(guī)模;Si為城市i的位序;q為Zipf指數(shù),可反映城市與位序之間的關(guān)系(集中或分散)。|q|越接近于1,說(shuō)明城市規(guī)模越接近于理想狀態(tài),城市發(fā)展較均衡、理想,|q|<1表明低位序城市發(fā)展較好,分散力量大于集中的力量;|q|>1表明高位序城市發(fā)展較好,集中力量大于分散的力量。
Getis-Ord Gi* 分析可識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。本文利用夜光數(shù)據(jù)空間權(quán)重矩陣來(lái)統(tǒng)計(jì)云南省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)。
對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,則有;
式中,xi、xj分別為區(qū)域i和區(qū)域j的規(guī)模;Wij(a)為區(qū)域i和區(qū)域j的連接矩陣;Exp(G)為數(shù)學(xué)期望;Var(Gi*)為變異系數(shù)。Z值得分越高,表示有高值的空間聚類;Z值得分越低,表示有低值的空間聚類;Z得分越高或越低,表示聚類程度越大;Z值接近于0,則表示不存在明顯的空間聚類。
引力模型主要反映城市間經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度,可計(jì)算城市間的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系強(qiáng)弱。區(qū)位度可反映該城市在云南省內(nèi)的重要程度。
式中,Mij為城市i、j之間的經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)強(qiáng)度;K為引力常數(shù);Pi、Pj分別為城市i、j的規(guī)模,可利用夜光總量來(lái)替代;f為摩擦系數(shù),本文以省級(jí)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,f=2;dij為兩城市間的距離,由于云南省屬山地高原地形,兩城市間距離近不一定時(shí)間短,因此利用時(shí)間距離來(lái)替代空間距離對(duì)于復(fù)雜山地地形更為準(zhǔn)確。
本文參考云南省汽車時(shí)刻表,并以百度地圖規(guī)劃路徑算法的最低時(shí)間成本為補(bǔ)充,綜合衡量?jī)蓚€(gè)城市間的時(shí)間距離[15]。
式中,LDi為城市的區(qū)位度,反映了城市在區(qū)域中的重要程度。
2012年和2019年云南省各地級(jí)行政區(qū)夜光數(shù)據(jù)總量如圖1所示,可以看出,昆明市的夜光數(shù)據(jù)總量在2012年和2019年均遙遙領(lǐng)先,曲靖市、玉溪市、紅河洲緊跟其后;2019年各地級(jí)行政區(qū)的夜光數(shù)據(jù)總量較2012年均有很大提升;怒江州和迪慶州在兩個(gè)年度中的夜光數(shù)據(jù)總量均較落后。對(duì)于平均燈光指數(shù)的統(tǒng)計(jì),由于計(jì)算值較小,因此利用自然斷點(diǎn)法將平均燈光指數(shù)分為低、中、高3個(gè)等級(jí),對(duì)各地級(jí)行政區(qū)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖2所示,可以看出,2012年只有昆明市處于高等級(jí),2019年曲靖市和玉溪市由于滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展較好,高等級(jí)區(qū)域增加到3個(gè);中等級(jí)由2012年的5個(gè)區(qū)域增加為2019年的8個(gè),保山市、麗江市、楚雄州、文山州和昭通市由低等級(jí)提升至中等級(jí),發(fā)展良好;由于高原地形、風(fēng)俗、政策等原因,迪慶州、怒江州、普洱市、臨滄市和西雙版納州保持低等級(jí)指數(shù)不變。2012-2019年云南省燈光增長(zhǎng)率為78%,其中增長(zhǎng)最多的是保山市,如圖3所示,超過(guò)200%,作為滇西城市群的中心城市之一,近年來(lái)保山市充分發(fā)揮旅游資源,燈光增長(zhǎng)較快,其余區(qū)域也保持穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。從縣級(jí)尺度來(lái)看,整體上圍繞昆明市縣域增長(zhǎng)較為平穩(wěn),滇西北、滇南、昭通方向增長(zhǎng)較快;昭通市增長(zhǎng)較快的縣為魯?shù)榭h、巧家縣和鹽津縣;楚雄市近年來(lái)也增長(zhǎng)較快,主要源于滇中城市群以及打造特色民族風(fēng)情生態(tài)城市政策的帶動(dòng);寧洱縣和鎮(zhèn)沅縣曾是“茶馬古道”上的重要驛站,燈光增長(zhǎng)較快;滇西北部的香格里拉、貢山縣、福貢縣增長(zhǎng)明顯;滇南的西雙版納勐臘縣因地域、政策和旅游業(yè)的影響,明顯大幅增長(zhǎng);文山州的西疇縣也增長(zhǎng)較快。
圖1 2012年和2019年云南省各地級(jí)行政區(qū)夜光數(shù)據(jù)總量
圖2 云南省各地級(jí)行政區(qū)平均燈光指數(shù)分級(jí)(審圖號(hào):云S(2017)046)
圖3 2012-2019年不同尺度行政區(qū)燈光增長(zhǎng)率(審圖號(hào):云S(2017)046)
本文根據(jù)云南省2012-2019年夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行各區(qū)域經(jīng)濟(jì)重心分布變化分析,采用SDE方法進(jìn)行云南省經(jīng)濟(jì)空間格局演化分析,如圖4所示。從重心變化移動(dòng)的路徑分析,2012-2019年總體向西北方向移動(dòng),橢圓中心坐標(biāo)由2012年的102.093E、25.137N移至2019年的102.021E、25.159N(表1),約向西北方向移動(dòng)了7.6 km,其中2012-2014年重心向西南方向移動(dòng)較大,2014-2016年受滇中城市群的輻射影響向昆明方向移動(dòng),2017年后受到滇西城市群的影響向西移動(dòng)。從橢圓面積來(lái)看,2012-2019年的總體橢圓面積增加,從2012年的131 945.430 km2增加到2019年的144 041.793 km2,增長(zhǎng)率為9.2%,呈空間擴(kuò)張態(tài)勢(shì),分散的力度大于集中的趨勢(shì),表明滇西地區(qū)中小城市的拉動(dòng)力較大。從旋轉(zhuǎn)角度來(lái)看,2012-2019年的旋轉(zhuǎn)角度在83.660°~86.333°之間,分布主要為東西格局,略偏向東北—西南方向。橢圓長(zhǎng)軸基本是東西向分布,長(zhǎng)軸變長(zhǎng),表明夜光數(shù)據(jù)的主要拉動(dòng)力為東西方向,2012-2019年各年份長(zhǎng)短軸之比變化較小,說(shuō)明增長(zhǎng)較平穩(wěn)。2019年的長(zhǎng)短軸之比小于2012年,表明不僅有東西方向的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力,還有其他地區(qū)、方向的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力影響,整個(gè)省份經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)力趨于多元化。
圖4 2012-2019年云南省SDE和經(jīng)濟(jì)重心(審圖號(hào):云S(2017)046)
表1 2012-2019年SDE變化
2012-2019 年雙對(duì)數(shù)的回歸模型R2均大于0.8,q值均在1附近,說(shuō)明符合城市位序—規(guī)模法的分布特征。從總體來(lái)看,q值全部大于1(圖5),表明區(qū)域城市分布為首位型分布,首位型城市的壟斷性地位突出,滇中城市群仍在省內(nèi)發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。2012-2019年q值逐年降低,說(shuō)明分散的力量逐年增加,中小城市的發(fā)展進(jìn)程加快,首位城市的功能正在削弱,云南省的城市發(fā)展逐漸趨于多元化。
圖5 城市位序—規(guī)模法各年度q值統(tǒng)計(jì)圖
以縣域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元,采用自然斷點(diǎn)法計(jì)算Getis-Ord Gi*指數(shù),并將Z值分為5個(gè)級(jí)別進(jìn)行Getis-Ord Gi*分析,如圖6所示,從整體來(lái)看,熱點(diǎn)區(qū)域仍集中在以昆明市為中心的滇中城市群,這也與云南省的GDP發(fā)展相吻合,且符合之前SDE和城市位序—規(guī)模法的結(jié)果;2014-2016年相較于2012-2014年,Z值的高值降低,昭通市部分區(qū)域出現(xiàn)短暫的次熱點(diǎn)區(qū),說(shuō)明城市聚集效應(yīng)下降,冷點(diǎn)和不顯著區(qū)域增多;2016-2019年Z值的高值回升,說(shuō)明熱點(diǎn)區(qū)域增多,但仍聚集在滇中城市群,且有向四周城市擴(kuò)展的趨勢(shì)。
本文按照結(jié)果高低將區(qū)位度分為高區(qū)位度、中等區(qū)位度、低區(qū)位度3個(gè)等級(jí);按照計(jì)算的引力模型結(jié)果將引力線分為一級(jí)聯(lián)系(最高)、二級(jí)聯(lián)系、三級(jí)聯(lián)系3個(gè)等級(jí)。就區(qū)位度而言,2012-2019年各城市仍保持穩(wěn)定狀態(tài),以昆明—玉溪為中心向外輻射(圖7),昆明市、玉溪市仍處于高區(qū)位度,保持強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力;受昆明市、玉溪市經(jīng)濟(jì)圈輻射影響,大理市、楚雄市、曲靖市、文山市和蒙自市保持中等區(qū)位度;其余一些沿邊城市受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響較小,處于低區(qū)位度。就引力線而言,2012年的一級(jí)聯(lián)系引力線以昆明市為中心共有4條,2019年的一級(jí)聯(lián)系引力線增加到14條,仍位于滇中城市群;同時(shí)因受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響,2019年的二級(jí)聯(lián)系引力線數(shù)量大幅增加,幾乎翻了一番;三級(jí)聯(lián)系引力線仍以沿邊城市為中心,說(shuō)明受滇中城市群的輻射影響不夠明顯,且沿邊經(jīng)濟(jì)城市開(kāi)放有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
圖7 城市區(qū)位度和引力聯(lián)系強(qiáng)度
基于NPP-VIIRS夜光數(shù)據(jù),本文采用多種方法計(jì)算分析了2012-2019年云南省經(jīng)濟(jì)空間格局的演變情況,得出的結(jié)論為;
1)2012-2019 年云南省的夜光數(shù)據(jù)總量逐年增加,昆明市增量最多,平均燈光指數(shù)也最強(qiáng),但燈光增長(zhǎng)率不是最高,一些中小城市因政策原因增長(zhǎng)率較高。
2)雖然省內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有分散的趨勢(shì),但仍為首位型分布,云南省的經(jīng)濟(jì)重心仍位于昆明市周邊,說(shuō)明經(jīng)濟(jì)仍受傳統(tǒng)城市群影響較多。
3)從整體來(lái)看,截至2019年,熱點(diǎn)區(qū)域仍集中在以昆明市為中心的滇中城市群,熱點(diǎn)區(qū)明顯增多,且有向四周城市擴(kuò)展的趨勢(shì);區(qū)位度以昆明—玉溪為中心向外輻射,未形成新的高區(qū)位度城市,其余一些沿邊城市受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響較小,且未形成有規(guī)模的經(jīng)濟(jì)帶(圈),處于低區(qū)位度;2019年的一級(jí)聯(lián)系引力線數(shù)量增加到14條,但仍位于滇中城市群,同時(shí)因受滇中經(jīng)濟(jì)圈的輻射影響,2019年的二級(jí)聯(lián)系引力線幾乎翻了一番,三級(jí)聯(lián)系引力線仍以沿邊城市為中心。
綜上所述,云南省經(jīng)濟(jì)仍以滇中城市群為主要拉動(dòng)力,雖然沿邊城市也因政策影響出現(xiàn)了增長(zhǎng)較快、指數(shù)較高的中小城市,但未形成有影響力的經(jīng)濟(jì)帶(圈),經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍不夠理想。如何挖掘沿邊中小城市的特色與潛力,是下一步研究的重點(diǎn)和方向。