崔 陽,彭 俊,潘志成,姚 欣

(滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院,安徽 滁州 239000)

夜光遙感是近年來越來越被重視的一種新型遙感技術(shù),不同于常見的遙感技術(shù),夜光遙感能夠獲取無云條件下地表發(fā)射的可見光-近紅外電磁波信息,這些信息大部分由地表人類活動發(fā)出,因此,夜光遙感所反映的信息與人類活動高度相關(guān),由于其覆蓋面廣、效率高、客觀性強且與人類活動存在較高的相關(guān)性,并具備時空連續(xù)、獨立客觀等優(yōu)勢[1],夜光遙感影像不僅能夠為國民生產(chǎn)總值、人口、溫室氣體排放、電力消耗等社會經(jīng)濟參數(shù)提供重要依據(jù)[2],還可以應(yīng)用于區(qū)域城市發(fā)展研究、重大事件評估、漁業(yè)檢測等諸多領(lǐng)域。

國際上常用的遙感數(shù)據(jù)包括美國軍事氣象衛(wèi)星計劃(DMSP)搭載的OLS傳感器獲取的夜間燈光影像、國際機軌合作-可見光與紅外成像輻射計(NPP-VIIRS)、中國珞珈一號夜光遙感衛(wèi)星[3]。國內(nèi)外多位學(xué)者利用美國軍事氣象衛(wèi)星的線性掃描系統(tǒng)(DMSP/OLS)和可見紅外成像輻射儀(VIIRS)的夜光遙感影像對國民生產(chǎn)總值、人口、電量預(yù)測等進行研究[2]。王海君等[4]利用夜光遙感數(shù)據(jù)的DN值,應(yīng)用SEM方法對不同省份的人口進行回歸擬合和估算,從而預(yù)估城市從業(yè)人員的數(shù)量;陳慧娟等[5]以夜間燈光輻射亮度、觀測天頂角、地表燈光輻射亮度等為自變量,利用多種機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建夜間PM2.5遙感估算模型;汪韜陽等[6]通過夜光遙感計算城市建成區(qū)變化,對城市擴張驅(qū)動因素進行分析評估;李博等[7]基于NPP-VIIRS城市夜光遙感數(shù)據(jù)和市縣公開的統(tǒng)計年鑒構(gòu)建城市用電量預(yù)測模型;李德仁等[8]基于長時間序列的夜光遙感數(shù)據(jù)分析“一帶一路”沿線國家夜光規(guī)模分布時空動態(tài)和演變規(guī)律。夜光遙感技術(shù)在城市擴張分析、社會經(jīng)濟總量估算等方面有著重要的應(yīng)用。因此,文中以安徽省為研究區(qū),基于2012—2020年NPP-VIIRS獲取的夜光遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理后,采用GIS空間分析、標準差橢圓和重心遷移軌跡等方法,分析安徽省夜光時空分布和變化特征,并從時間和空間尺度上研究夜光與GDP的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

安徽省地處長江、淮河中下游,長江三角洲腹地,地理位置東經(jīng)114°54′～119°37′,北緯29°41′～34°38′,土地面積14.01萬km2,占全國的1.46%,居第22位(見圖1)。地勢由平原、丘陵、山地構(gòu)成,地跨長江、淮河、新安江三大流域[9]。安徽省包括合肥、蕪湖、滁州、蚌埠、宿州、淮北、亳州、阜陽、淮南、六安、馬鞍山、銅陵、安慶、宣城、池州、黃山16個地級市。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中所需要的數(shù)據(jù)有2012—2020年安徽省夜間燈光影像數(shù)據(jù)、2020年安徽省行政區(qū)劃圖、安徽省GDP數(shù)據(jù)(見表1),數(shù)據(jù)分別來源于地球觀測組(https://eogdata.mines.edu/products/vnl/)和國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng),其中,夜光遙感數(shù)據(jù)采用NPP-VIIRS獲取的2012—2020年Version2中夜間燈光影像。在NPP-VIIRS Version2中,以月為增量合成年度產(chǎn)品,但未去除短暫性光源和背景噪聲,導(dǎo)致出現(xiàn)極大異常值,文中參考相關(guān)研究[10]進行閾值處理。

表1 數(shù)據(jù)來源

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

VIIRS原始數(shù)據(jù)采用WGS1984坐標系,為避免由于坐標系造成的誤差,將下載的數(shù)據(jù)重投影為蘭伯特(Lambert)投影坐標系,并進行最鄰近重采樣,使像元分辨率為1 000 m。由于NPP-VIIRS獲取的2012—2020年Version2夜間燈光影像是全球夜光遙感影像,需要以安徽省行政區(qū)劃為基礎(chǔ)裁剪夜間遙感影像,利用行政區(qū)劃作為掩膜[11]提取安徽省夜光值,分區(qū)統(tǒng)計各區(qū)域夜光總值和平均值。

2.3 研究方法

2.3.1 區(qū)域夜光統(tǒng)計

統(tǒng)計各區(qū)域夜光總值(M)和平均值(N),采用趙政權(quán)等[12]的方法,計算公式為

(1)

N=M/n.

(2)

式中:ri為區(qū)域內(nèi)第i個像素的輻射亮度;n為區(qū)域的像元數(shù)。

2.3.2 空間可視化分析

參考李昱等[13]研究方法,計算2012年和2020年安徽省夜光值的差值,以像元級可視化方式顯示燈光增長率,分析安徽省夜光的空間變化特征。

2.3.3 標準差橢圓和重心遷移模型

重心遷移模型[14]是基于地理要素加權(quán)表達其時空演化規(guī)律。標準差橢圓法是基于研究對象的空間區(qū)位和空間結(jié)構(gòu)[15],從全局性空間的角度定量解釋地理要素空間分布的中心性、展布性、方向性和空間形態(tài)等特征,揭示地理要素的空間分布及其時空演化過程[8],計算公式為

(3)

(4)

(5)

式中:δx和δy為橢圓X軸和Y軸的標準差;α為橢圓方向角;n為總像元數(shù)。

3 結(jié)果和分析

3.1 夜光時間變化特征

2012—2020年安徽省夜光總值呈現(xiàn)顯著的增長趨勢(見圖2),由2012年的79.025 5×104W·cm-1·sr-1增長到2020年的166.185 5×104W·cm-1·sr-1,增長了87.16×104W·cm-1·sr-1,其中,2012—2016年夜光總值增長趨勢相對較緩,增長了30.772 2×104W·cm-1·sr-1,增長率為38.94%;2016—2020年夜光總值增長趨勢相對較快,增長了56.387 8×104W·cm-1·sr-1,增長率為51.36%。

圖2 2012—2020年安徽省的夜光總值

2012年安徽省夜光均值為5.7×104W·cm-1·sr-1,標準差為23.6×104W·cm-1·sr-1,2020年安徽省夜光均值為12×104W·cm-1·sr-1,標準差為40.4×104W·cm-1·sr-1。采用均值-標準差法[16]對2012年和2020年安徽省夜光值進行分級(見圖3),并統(tǒng)計各等級夜光值的個數(shù)與百分比(見表2)。2012年安徽省無光區(qū)占比最大,約67 411像元個數(shù),高達48.9%,中光區(qū)占比最小,僅有2 780個像元數(shù),占2%,與2012年相比,2020年安徽省低光區(qū)、中光區(qū)和高光區(qū)占比不斷增加,其中,低光區(qū)增加幅度最大,為20.4%,中光區(qū)增加0.6%,高光區(qū)增加0.8%,無光區(qū)占比不斷減少(21.8%)。

表2 安徽省夜光各等級個數(shù)及百分比

圖3 安徽省夜光分級

2012—2020年安徽省各地級市夜光總值均呈現(xiàn)增長趨勢(見圖4),夜光總值較高地區(qū)有合肥市、蕪湖市、滁州市和阜陽市,其中,合肥市在安徽省始終位居首位,從2012年的18.442 5 ×104W·cm-1·sr-1增長到2020年的37.981 7 ×104W·cm-1·sr-1,增長了19.539 2 ×104W·cm-1·sr-1,蕪湖市次之,由2012年8.094 3 ×104W·cm-1·sr-1增長到2020年11.832 8 ×104W·cm-1·sr-1,增長了3.788 5 ×104W·cm-1·sr-1。黃山市夜光總值在安徽省一直處于末位,從2012年的1.439 8 ×104W·cm-1·sr-1(為合肥市的7.81%)增長到2020年的1.469 6 ×104W·cm-1·sr-1(僅為合肥市的3.87%),僅增長了0.029 8 ×104W·cm-1·sr-1。從各地級市夜光總值的增長率來看,阜陽市、亳州市和六安市在安徽省內(nèi)排名前三位,夜光總值增長率分別為221%、213%和193%,黃山市、銅陵市和馬鞍山市在安徽省內(nèi)排名后三位,夜光總值增長率分別為2%、43%和45%(見圖4)。

圖4 2012—2020年安徽省各地級市夜光總值和增長率

3.2 夜光空間變化特征

2012—2020年安徽省夜光空間變化如圖5所示(圖中白色代表無光區(qū),藍色代表低光增長區(qū),黃色代表中光增長區(qū),紅色代表高光增長區(qū))。高光增長區(qū)主要分布在皖中地區(qū),低光增長區(qū)主要分布在皖北地區(qū),無光增長區(qū)主要分布在皖南地區(qū)。夜光空間變化整體呈現(xiàn)由中部向南北遞減的趨勢,長江以北亮度值高于長江以南,這是因為安徽省地勢南高北低,皖北地區(qū)大多是平原適合居住,皖南地區(qū)地形復(fù)雜,地勢高且多山,交通不便,不利于城市成片發(fā)展。

圖5 2012—2020年安徽省夜光空間變化

皖中地區(qū)高光增長區(qū)主要集中在合肥市,皖南地區(qū)黃山市、池州市、安慶市和六安市僅有少部分低光增長區(qū),大部分處于無光區(qū)。由于各地級市發(fā)展程度不同,夜光亮度也存在較大差異。文中選取合肥市(皖中)、阜陽市(皖北)和黃山市(皖南)3個代表城市各等級燈光的像元個數(shù)和百分比來說明夜光的區(qū)域變化特征,如表3所示。

表3 2012—2020年安徽省和各地級市夜光變化值

如圖5(q)所示,阜陽市夜光(像元個數(shù))增長了99.7%,其中,低光增長區(qū)為88.8%,中光增長區(qū)為6.1%,高光增長區(qū)為4.8%(見表3)。阜陽市被納入長三角區(qū)域一體化發(fā)展國家戰(zhàn)略以來,建成區(qū)面積從2012年的90.4 km2增加到2020年的152.6 km2,增加了62.2 km2,GDP從2012年的962.5億元增長到2020年的2 805.2億元,增長了1 842.7億元,帶動了整個皖北的經(jīng)濟發(fā)展。

如圖5(n)所示,合肥市夜光(像元個數(shù))增長了98%,其中,低光增長區(qū)為82.2%,中光增長區(qū)為5.9%,高光增長區(qū)為9.9%(見表3),主要集中在合肥市的包河區(qū)、瑤海區(qū)和廬陽區(qū)。在長三角一體化背景下,合肥市的科技創(chuàng)新能力處于快速發(fā)展階段,地鐵、高鐵等交通發(fā)達,與南京和上海等城市緊密相連,建成區(qū)面積從2012年的378 km2增加到2020年的502.5 km2,增加了124.5 km2,GDP從 2012 年的4 188.6億元增長到2020年的10 045.72億元,增長了5 857.12億元,城市規(guī)模和經(jīng)濟均快速發(fā)展。

如圖5(j)所示,黃山市夜光(像元個數(shù))增長了93.2%,其中,低光增長區(qū)為92.9%,中光增長區(qū)為0.3%,高光增長區(qū)為0%(見表3)。黃山地區(qū)地形復(fù)雜,交通相對不便,但旅游業(yè)發(fā)達,促進了黃山市的經(jīng)濟發(fā)展 ,建成區(qū)面積從2012年的53.5 km2增加到2020年的107.59 km2,增加了54.09 km2,GDP從2012年的424.9億元增長到2020年的850.4億元,增長了425.5億元,相比于阜陽市和合肥市,城市規(guī)模增加相對偏小,城市經(jīng)濟發(fā)展相對偏弱。

3.3 標準差橢圓結(jié)果分析

2012—2020年安徽省夜光分布的重心均位于合肥市,如圖6(a)所示,說明合肥市在安徽省社會經(jīng)濟發(fā)展中占絕對優(yōu)勢。標準差橢圓重心方位角呈逆時針方向旋轉(zhuǎn),橢圓重心向西南方向遷移(重心坐標2012年為117°14′08″E,32°13′31″N;2020年為117°11′40″E,32°08′55″N),其中,2012—2018年重心向西南偏南方向遷移,2018—2020年重心向西南偏西方向遷移,如圖6(b)所示,橢圓短軸由107.567 7 km增至111.833 5 km,長軸由193.557 5 km降至191.163 8 km,橢圓扁率維持在0.4左右,表明夜光變化的方向性不大。2012—2018年橢圓面積由65 404.392 68 km2增加到67 550.827 66 km2(見表4),呈現(xiàn)空間擴展的趨勢,如圖6(c)所示,2018—2020年橢圓面積由67 550.827 66 km2減小到67 157.530 29 km2(見表4),呈現(xiàn)空間收縮的趨勢,如圖6(c)所示,尤其2020年橢圓面積下降明顯,這可能是由于新型冠狀肺炎疫情爆發(fā),各城市實施管控,旅游業(yè)、貿(mào)易業(yè)和交通運輸業(yè)等受到較大影響,從而使城市夜光規(guī)模呈現(xiàn)空間收縮的趨勢。

表4 2012—2020年標準差橢圓變化

圖6 安徽省夜間燈光標準差橢圓及重心遷移

3.4 夜光值與GDP的相關(guān)性

2012—2020年安徽省GDP與夜光值呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性(見圖7),相關(guān)系數(shù)達到0.933。安徽省GDP與夜光值在時間上呈現(xiàn)同步增長趨勢,夜光值由2012年的79×104W·cm-1·sr-1增長到2020年的166×104W·cm-1·sr-1,增長了110%;GDP由2012年的18 316.58億元增長到2020年的38 163.44億元,增長了108%。

圖7 2012—2020年夜光值和GDP時間變化

圖8為安徽省2012—2020年GDP與夜光值的空間變化對比結(jié)果,圖中圓形大小代表變化幅度。2012—2020年安徽省GDP與夜光值的變化在空間上呈現(xiàn)同步增長趨勢,其中,皖中地區(qū)增加幅度最大,其次是皖北地區(qū),皖南地區(qū)增加幅度最小。皖中地區(qū)增加最大的是合肥市,GDP增加5 838億元,夜光值增加19.54 ×104W·cm-1·sr-1,皖南地區(qū)的銅陵市GDP增加幅度最小,增加374億元,夜光值增加1.06×104W·cm-1·sr-1,黃山市夜光值增加幅度最小,僅增加0.03×104W·cm-1·sr-1,GDP增加425億元。

圖8 2012—2020年夜光值和GDP空間變化對比

安徽省夜光分布不均及變化差異與GDP的差異呈現(xiàn)高度正相關(guān),體現(xiàn)了安徽省內(nèi)經(jīng)濟、城市發(fā)展不平衡,皖中地區(qū)合肥市、蕪湖市和滁州市等地區(qū)交通便利、科技發(fā)達,發(fā)展迅速。皖南地區(qū)山地居多不利于發(fā)展,經(jīng)濟相對落后,但隨著旅游業(yè)的興盛,帶動了皖南地區(qū)的發(fā)展。在未來安徽省不斷發(fā)展背景下,各個地級市的相互輻射作用將會增強。利用夜光遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)相結(jié)合獲取各地級市的社會經(jīng)濟情況,監(jiān)測安徽省發(fā)展動態(tài),可為各地級市資源分配和社會評估提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

文中以安徽省為研究區(qū),基于2012—2020年NPP-VIIRS獲取的夜光遙感數(shù)據(jù),運用GIS空間分析、標準差橢圓和重心遷移軌跡等方法,對安徽省夜光的時空分布和變化特征進行了分析,并從時間和空間尺度上研究夜光值與GDP的關(guān)系,得出以下結(jié)論:

1)2012—2020年安徽省夜光總值在時間序列上呈現(xiàn)“先緩慢上升后快速上升”的變化趨勢,低光區(qū)、中光區(qū)和高光區(qū)占比不斷增加,無光區(qū)占比不斷減少,夜光總值合肥市最大,黃山市最低,但夜光總值增長率阜陽市最高,黃山市最低。

2)2012—2020年安徽省夜光在空間上呈現(xiàn)擴展的變化趨勢,高光增長區(qū)主要分布在皖中地區(qū),低光增長區(qū)主要分布在皖北地區(qū),無光增長區(qū)主要分布在皖南地區(qū),整體表現(xiàn)為由中部向南北遞減的變化趨勢。

3)2012—2020年安徽省夜光重心均位于合肥市,呈現(xiàn)向西南方向遷移,其中,2012—2018年向西南偏南方向遷移,城市規(guī)模呈現(xiàn)空間擴展趨勢,2018—2020年向西南偏西方向遷移,城市規(guī)模呈現(xiàn)空間收縮趨勢,其中,2020年表現(xiàn)更為明顯,可能是受到新型冠狀肺炎疫情的影響。

4)安徽省夜光值與GDP在時間和空間上呈現(xiàn)高度正相關(guān),夜光值的變化在一定程度上可以反映GDP的變化,說明夜間燈光亮度與經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)。