基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:赵安周张向蕊相恺政等.基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析.自然资源遥感():.(.():.)基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析赵安周 张向蕊 相恺政 刘宪锋 张靓涵(.河北工程大学矿业与测绘工程学院邯郸 .河北工程大学水生态文明及社会治理研究中心邯郸 .陕西师范大学地理科学与旅游学院西安)摘要:城镇化水平时空演变研究对城市空间结构优化有重要意义 通过对/和/夜间灯光遥感数据的饱和校正和一致性校正构建了 年黄土高原夜间灯光遥感数据集计算了黄土高原不同空间尺度的综合夜间灯光指数()并利用二分模型提取了黄土高原建成区面积在此基础上利用标准差椭圆等方法分析了其空间演变格局 结果表明:基于夜间灯光指数构建的黄土高原 与统计数据构建的城镇化综合发展水平指数()及各分指标的相关系数均较高 年整个黄土高原及 个城市群 值均呈现显著上升趋势空间上呈从东南向西北递减的趋势基于二分模型提取的黄土高原建成区绝对误差和相对误差的均值分别为.和.黄土高原建成区重心在 年期间呈现向东南方向移动的趋势标准差椭圆的覆盖面积表现为显著下降的趋势(./()()()其他()式中()()和()分别为第 和 年影像中的第 个像元值 同时为保持影像原来的值域将 值大于 的像元都赋值为 异常值校正以.为阈值去除/数据中的微小灯光同时以每期影像中西安市城区影像最大 值为阈值过滤掉偶然出现的异常极大值/和/联合校正对 年/和/这 种数据之间的关系进行模拟(表)选取最优的拟合函数二次多项式模型对 年的/数据进行校正进而实现 种数据的一致性和可比性年际间再校正由于校正后不同年份之间像元存在不连续的现象进行年际间再校正从而得到 年黄土高原长时间序列经过校正的夜间灯光数据集表 年黄土高原/和/数据拟合结果./函数类型模型表达式线性函数.指数函数.对数函数.二次多项式.研究方法.计算 指某一地区灯光面积占比()与平均灯光强度()的乘积 该指数可以反映社会发展进程和人类活动的剧烈程度其具体计算公式为:()()()式中:和 分别为灯光区域面积和研究区域的总面积 为第 个灰度级所对应的像元值为灰度级为 的像元数量.计算为消除指标之间数量级差异及量纲差异采用极值法对原始数据进行标准化处理在此基础上利用熵值法确定准则层和指标层权重(表)进而计算黄土高原各年份的 其计算公式为:()()式中:为黄土高原第 年的城镇化发展指数为第 个指标所占权重()为第 年第 个指标进行标准化后的值 为指标个数.建成区提取和精度评价采用二分模型对建成区进行提取该方法计算简单且精度较高已被广泛应用在城市建成区提取中 其基本思想是根据设定的建成区面积参数将数据分割为 部分动态调整阈值并计算夜间灯光遥感数据提取的建成区面积与统计数据面积之间的误差直至迭代至最小则该值可认为是该年提取该城市建成区的最优阈值 同时使用绝对误差 和相对误差 来评价建成区提取的精度即 ()()式中 为统计年鉴数据提取的城市建成区自 然 资 源 遥 感 年面积.城镇空间扩张强度城镇空间扩张强度可以从一定程度上反映城市扩展的强弱和快慢适用于不同城市及区域之间的比较具体计算公式为:()式中:为城镇空间扩张强度 和 分别为第 和 年城市建成区的面积 为研究时间跨度.标准差椭圆标准差椭圆可以直观分析城镇空间扩张形态椭圆重心可以代表整个地区城市建成区分布重心椭圆面积可以表征城市的集中或分散 方位角可以分析整个地区城市扩张的主驱动力方向 椭圆重心、面积和方位角的计算公式分别为:()式中:和 分别为第 个要素的位置坐标 为第 个要素的权重 和 分别为标准化椭圆的重心坐标 为总像元数()()()()()()式中:和 分别为 和 的算数平均中心 和 分别为标准化椭圆的长轴和短轴 为标准差椭圆的面积()()()()()()()式中:为标准差椭圆的方位角以正北方向顺时针旋转为正 和 分别为 和 同 和 之差 和 分别为 轴和 轴的标准差.相关分析利用 相关系数计算 年黄土高原 与 的相关性计算公式为:()()()()()式中:为相关系数 和 分别为 年 和 的值 和 分别表示 和 的均值 为样本数目 结果与分析.相关性分析图 显示了 年黄土高原 与 的相关系数 整体来看二者相关性较高其值高达.(.)从黄土高原 与人口、经济、空间和社会城镇化的相关系数来看其相关系数的值均在.以上分别达到.和.以上结果表明本文构建的 可以较好反映黄土高原城镇化水平可以用于后续分析图 年黄土高原 与 散点图.时空演变趋势 年整个黄土高原及 个城市群 时间变化如图 所示 由图 可知 年期间黄土高原的 呈波动上升的趋势第 期赵安周等:基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析其值由 年的.增加至 年的.年增加速率为.(.)(图()从各个城市群来看其 值均表现为波动上升的趋势增加速率最大的为关中平原城市群其年增速为.(.)兰西城市群得 年增速最小其值仅为.()主要位于黄土高原东南部的太原和西安等地(图()到 年夜间灯光强度高值区开始向西北方向的呼和浩特、大同和银川等地扩张(图()到 年夜间灯光强度高值区在黄土高原东南部及省会(首府)城市附近持续扩展中部地区的夜间灯光强度高值区也有了实质性提升(图()从城市尺度来看黄土高原 值呈现从东南向西北递减的趋势高值区主要分布在省会城市及其附近区域 年除东南部的太原和西安等少数城市的 值高于.外其他城市均小于.表明黄土高原城镇化发展水平较低(图()到 年东南部的西安、洛阳和太原、北部的包头和呼和浩特以及西北部的银川等地的 值快速上升其值均超过了.西安、洛阳和太原和包头的 值甚至超过了.逐步形成了以西安为中心的关中平原城市群、以太原为中心的晋中城市群、以呼和浩特和包头为中心的呼榆包鄂城市群以及以银川为中心的宁夏沿黄城市群(图()到 年 值大于.的城市在西安及其附近城市连片出现西部的兰州和西宁的 值也超过.(图()()年夜间灯光强度()年夜间灯光强度()年夜间灯光强度()年 值()年 值()年 值图 年黄土高原夜间灯光指数 值及其 的空间分布.自 然 资 源 遥 感 年.黄土高原城市建成区提取结果为进一步分析黄土高原城镇空间格局演变本文提取了 年黄土高原 个地级市城市建成区面积并进一步计算了其绝对误差和相对误差(图)从图 中可以看出所有城市建成区提取的绝对误差均值为.其中 座城市的绝对误差低于 从相对误差来看所有城市建成区提取的相对误差均值为.其中有 座城市的相对误差低于 总体来看基于二分模型提取的建成区面积与统计的面积较为接近但由于夜间灯光遥感数据饱和校正和背景噪声去除存在一定误差会使城市建成区内的 值变化相对较小城市建成区像元与城市绿地、水体等非建成区像元区分效果较差因此西安和银川等城市的建成区提取面积绝对误差偏大()绝对误差()相对误差图 年黄土高原各城市建成区提取的绝对误差和相对误差.城镇空间格局分析.城镇空间扩展强度考虑到城镇扩展强度及空间形态变化是城镇化的主要标志对黄土高原建成区扩展强度及空间形态变化进行了分析 图 显示了 年黄土高原建成区空间扩张态势 整体而言 年黄土高原建成区扩张强度呈快速增加的趋势其值为.分时间段来看 年和 年的城镇扩张强度分别为.和.前一阶段的值高于后一阶段(表)()西安市()太原市()西宁市()银川市()呼和浩特市()兰州市图 年黄土高原及省会(首府)城市城镇建成区空间扩张态势.第 期赵安周等:基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析()黄土高原图 年黄土高原及省会(首府)城市城镇建成区空间扩张态势.表 不同阶段整个黄土高原和 个城市群及省会(首府)建成区扩展强度值.()区域 年 年 年黄土高原.关中平原城市群.晋中城市群.呼榆包鄂城市群.宁夏沿黄城市群.兰西城市群.西安.太原.呼和浩特.银川.兰州.西宁.从不同的城市群来看 年宁夏沿黄城市群和关中平原城市群的城镇空间扩展强度值较高分别为.和.兰西城市群和晋中城市群的值较低仅为.和.分阶段来看 年关中平原城市群、呼榆包鄂城市群和宁夏沿黄城市群的城镇空间扩展强度明显高于 年晋中城市群和兰西城市群呈相反的态势(表)从省会(首府)城市来看年银川和西安的城镇扩张强度值较大分别达到.和.西宁的城镇扩张强度值最低仅为.分阶段来看 年西安、兰州和西宁的城镇扩张强度的值高于 年而银川和呼和浩特呈现相反的态势(图 和表).建成区空间演变趋势图 显示了 年黄土高原城市建成区扩张的标准差椭圆及重心的移动轨迹 从图 中可以看出黄土高原建成区标准差椭圆大致呈东()标准差椭圆()标准差椭圆重心图 年黄土高原建成区面积标准差椭圆重心、覆盖面积及方位角变化趋势.自 然 资 源 遥 感 年()标准差椭圆覆盖面积()标准差椭圆方位角图 年黄土高原建成区面积标准差椭圆重心、覆盖面积及方位角变化趋势.西走向其重心在 年期间呈现向东南方向移动的趋势由 年的()移动至 年的()表明该地区东南部的建成区扩张强度领先于西北部(图()()从标准差椭圆的覆盖面积来看其值由 年的.下降为 年的.年下降速率为.(.)表明黄土高原建成区扩张呈逐渐集中的态势(图()从标准差椭圆的方位角来看其值由北偏东.变化为.进一步表明黄土高原建成区整体呈现向东南方向集中扩张的态势(图()讨论作为落实黄河流域高质量发展的主体区域黄土高原城镇化建设一方面会改变地表下垫面性质引发区域植被破坏等生态环境问题另一方面则会促进社会经济的发展累计诸多资金和技术等用于生态的治理和修复提高区域的生态承载力 相比于遥感影像提取的城市不透水表面数据夜间灯光遥感数据与人类活动和社会经济密切相关可以更加准确反映城市区域的人类活动 目前已有诸多学者利用/或/夜间灯光数据对我国省、市、县等多个空间尺度的城镇化水平进行了评估认为灯光强度与城镇化水平具有较好的相关性 在构建的 年黄土高原长时间序列的夜间灯光遥感数据的基础上本文进一步分析了 的时空演变及城市建成区的时空格局相比与以往的研究本文采用统计数据进一步验证了 在黄土高原的适用性陈晋等认为基于夜间灯光指数构建的 同复合城镇化指标具有显著相关性 本文从黄土高原整体、城市群及城市等不同尺度分析了其时空演变研究结果可为长时间序列的城镇化研究提供数据和方法支撑宋永永等构建了 年黄土高原夜间灯光数据认为黄土高原城镇化空间扩展显著但该研究并未从多空间尺度分析其城镇化时空演变 周亮等认为 年期间黄土高原城镇扩张迅速但该研究仅基于遥感提取的建设用地面积 本文的研究结果表明黄土高原 值呈现从东南向西北递减的趋势表明黄土高原城镇化水平空间分布不均整体呈现东南高、西北低的规律基本符合黄土高原城镇化水平的实际情况 主要原因是由于东南部的关中平原城市群是该区域唯一的区域级城市群其人口密度和城镇密度都是 个城市群中最大的城镇化发展水平最高研究结果同 等的研究结果类似 从建成区的时空演变格局来看城镇扩张强度呈明显的阶段性年期间的扩张强度小于 年在呼榆包鄂城市群和宁夏沿黄城市群尤为突出主要是由于资源的推动、政策引导以及行政区划的调整等 研究结果同史海金等的研究结果类似 此外城镇扩展强度也会受到地形、交通和社会经济等其他因素的影响 李俊峰等认为兰州市的城镇扩张强度受到河谷地形的限制 季顺伟等认为城镇扩张强度受公共财政支出和固定资产投入等社会经济的影响 从建成区扩张方向来看黄土高原建成区整体呈现向东南方向集中扩张的态势主要是由于西安、太原等黄土高原核心城市建成区扩张对标准差椭圆重心的拉动作用建成区空间集聚性趋于增强这与赵雪雁等得出的结论一致值得注意的是采用夜间灯光遥感数据对城镇化水平进行估算也存在一定的限制和不足 首先相同城镇化水平的区域由于地理位置、生活方式等不同会导致夜间灯光亮度不同同时常用的夜间灯光遥感数据(/和/)存在辐射饱和、背景噪声、云层遮蔽以及月光污染等问题这些问题 均 会 对 计 算 的 准 确 性 带 来 一 定 影第 期赵安周等:基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析响 其次对建成区提取结果的精度评价主要依据统计年鉴数据统计年鉴数据主观性及相关年份的缺失会对结果的准确性造成一定的影响虽然夜间灯光遥感数据衡量城镇化水平并非完全准确但借助该数据可以克服人为干扰对城镇化发展水平评价的影响为分析城镇化发展提供了新的研究视角 结论利用/和/数据本文构建了 年黄土高原夜间灯光遥感数据集分析了黄土高原 以及建成区扩张的时空演变格局可以得出以下结论:)基于夜间灯光遥感数据构建的黄土高原 与统计数据构建的 及人口城镇化、经济城镇化、空间城镇化和社会城镇化的相关系数均高于.表明本文所构建的 可以较好反映黄土高原的城镇化水平)年整个黄土高原及 个城市群的 值均呈显著上升的趋势关中平原城市群的增速最大兰西城市群的增速最小 空间上黄土高原 值呈现从东南向西北递减的趋势)黄土高原建成区提取的绝对误差和相对误差的均值分别为.和.其中 座城市建成区提取结果的绝对误差低于 座城市建成区提取结果的相对误差低于 表明该方法提取的建成区精度较高)黄土高原建成区大致呈东西走向其标准差椭圆重心在 年期间呈现向东南方向移动的趋势 标准差椭圆覆盖面积表现为显著下降的趋势方位角的值由北偏东.变化为.参考文献():樊 杰郭 锐.新型城镇化前置条件与驱动机制的重新认知.地理研究():.():.():.():.:.:.许正森徐永明.整合/和/夜间灯光遥感数据的长江三角洲城市格局时空演化研究.地球信息科学学报():./.():.吴建楠程绍铂姚士谋.中国城市群空间结构研究进展.现代城市研究():.():.():.赵安周刘宪锋裴 韬等.京津冀地区不透水表面覆盖率的时空演变及其对植被的影响.地理研究():.():.董鹤松李仁杰李建明等.基于 与 整合数据的中国三大城市群城市空间扩展时空格局.地球信息科学学报():.():.陈颖彪郑子豪吴志峰等.夜间灯光遥感数据应用综述和展望.地理科学进展():.():.余柏蒗王丛笑宫文康等.夜间灯光遥感与城市问题研究:数据、方法、应用和展望.遥感学报():.:.():./.():.杜海波魏 伟张学渊等.黄河流域能源消费碳排放时空格局演变及影响因素 基于/与/夜间灯光数据.地理研究():.:/.():./自 然 资 源 遥 感 年 .():./.():.宋永永薛东前马蓓蓓等.黄土高原城镇化过程及其生态环境响应格局.经济地理():.():.周 亮唐建军刘兴科等.黄土高原人口密集区城镇扩张对生境质量的影响 以兰州、西安咸阳及太原为例.应用生态学报():.:.():.:.:.方创琳.黄河流域城市群形成发育的空间组织格局与高质量发展.经济地理():.():.().():.孙 阳刘 新苏亚聪等.基于夜间灯光数据估算安徽省县级尺度城镇化水平.地球信息科学学报():.():.方创琳.城市群地区城镇化与生态环境耦合机理及规律.北京:科学出版社:.:.赵雪雁杜昱璇李 花等.黄河中游城镇化与生态系统服务耦合关系的时空变化.自然资源学报():.():.():.().():.陈 晋卓 莉史培军等.基于/数据的中国城市化过程研究 反映区域城市化水平的灯光指数的构建.遥感学报():./:.():.冯雨雪李广东.青藏高原城镇化与生态环境交互影响关系分析.地理学报():.():.江 原郝媛媛黄祎宸.基于夜间灯光数据的甘青宁城市扩展及其建成区植被变化特征研究.生态学报():.():.:/.():.路春燕许燕婷林晓晴等.基于/夜间灯光数据的环渤海城市群时空演变研究.国土资源遥感():.:././.():.:./.卓 莉史培军陈 晋等.世纪 年代中国城市时空变化特征 基于灯光指数 方法的探讨.地理学报:./.:.李俊峰潘竟虎.基于夜间灯光的 年甘肃省城市空间扩展研究.冰川冻土():.():.布自强白林波张佳瑜.基于夜光遥感的宁夏沿黄城市群时空演变.自然资源遥感():.:./.第 期赵安周等:基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析():.:./.史海金吴文恒李 研等.基于夜间灯光影像数据的黄河流域中心城市建成区空间扩展及动力因子分析.中国沙漠():.():.季顺伟马仁锋任丽燕.年以来宁波城市空间扩展特征及其驱动力分析.宁波大学学报(理工版)():.()():.(.):./.().().:().(./.).:(责任编辑:陈 理)