陳 凝， 匡丕東， 宋 婷， 吳 楠， 馮朝陽

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230071；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

70年滄桑巨變，中國的城鎮(zhèn)化讓一個“鄉(xiāng)土中國”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺鞘兄袊?，走出了一條具有中國特色的新型城鎮(zhèn)化道路[1]。從單純的城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù)看，中國城鎮(zhèn)化建設(shè)已經(jīng)超過世界平均水平[2]，為經(jīng)濟(jì)增長帶來巨大紅利的同時，伴生的生態(tài)環(huán)境和土地利用效率等矛盾問題也日益凸顯[3-4]。因此，分析把握城市空間動態(tài)擴(kuò)張的特征和趨勢并因地制宜、因城施策，在解決唯“土地城鎮(zhèn)化”的弊端，推動城市可持續(xù)發(fā)展的問題上具有重要意義。

基于遙感和GIS的區(qū)域尺度土地覆被變化同步觀測，為長時間序列城市空間動態(tài)變化研究提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐[5-6]。美國軍事氣象衛(wèi)星(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP)搭載的OLS(Operational Linescan System,OLS)傳感器所獲取的穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)，具有靶向城鎮(zhèn)、時相連續(xù)、數(shù)據(jù)量小、易于獲得的優(yōu)勢，進(jìn)一步豐富了大尺度城市化研究的數(shù)據(jù)源?；谄湓诜从橙祟惿鐣顒由系莫?dú)特能力，該夜間燈光數(shù)據(jù)已在人口估算[7-10]、GDP測算[11-12]、城市擴(kuò)張監(jiān)測[13-14]、城市經(jīng)濟(jì)效率評估[15]、城市能源消費(fèi)[16]和城市發(fā)展空間特征[17-18]等人類活動及城市空間相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于DMSP/OLS影像數(shù)據(jù)的空間分辨率和輻射分辨率均較低，像元灰度值的空間溢出效應(yīng)較為明顯，對形狀較為復(fù)雜的城市邊界細(xì)節(jié)表達(dá)可能不夠理想。同時，由于傳感器系統(tǒng)誤差存在，長時間序列正向城鎮(zhèn)化過程中，同一斑塊亮度數(shù)值可能并非處于持續(xù)增加的態(tài)勢。鑒于此，本文嘗試設(shè)定規(guī)則對時間序列上影像之間開展連續(xù)性校正，同時引入統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)作為輔助，合理設(shè)置建成區(qū)亮度閾值，從而快速簡易、科學(xué)準(zhǔn)確地提取城市建成區(qū)。

安徽地處全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略要沖和國內(nèi)幾大經(jīng)濟(jì)板塊的對接地帶，近年來，其城鎮(zhèn)化進(jìn)程也出現(xiàn)了較高的增長速率和蔓延式的空間擴(kuò)張[19]，本文基于連續(xù)性校正后的DMSP/OLS夜間燈光時間序列數(shù)據(jù)，并參考改進(jìn)的“動態(tài)閾值法”[20]提取安徽省各市建成區(qū)范圍，刻畫和分析了2000—2013年省域內(nèi)各城市空間格局動態(tài)演變特征和趨勢，為省域范圍內(nèi)城市體系規(guī)劃和優(yōu)化協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考借鑒，同時也為全省各級政府制定科學(xué)合理的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和城市國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安徽地處我國東南部，是長三角的重要組成部分，土地面積14.01萬km2。省域地跨長江、淮河和新安江三大流域，地勢西南高、東北低，地形南北迥異，復(fù)雜多樣，自北向南依次為淮北平原、江淮丘陵、皖西大別山區(qū)、沿江平原和皖南山區(qū)等5大自然區(qū)域。截至2019年末，安徽生產(chǎn)總值37114億元，比上年增長7.5%，三產(chǎn)結(jié)構(gòu)7.8∶41.4∶50.8。人均GDP達(dá)58496元，折合8480美元[21]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

DMSP/OLS夜間燈光影像來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center,NGDC)發(fā)布的第4版非輻射定標(biāo)夜間穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)屬于全球年度柵格影像，標(biāo)定了包括居民地及其他場所的持久性夜間平均光強(qiáng)，且排除了云層、光火等噪點(diǎn)影響。選擇F14、F15、F16、F18衛(wèi)星2000—2013年的22幅DMSP/OLS穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)作為夜間燈光數(shù)據(jù)源，影像地理坐標(biāo)系為WGS84，影像的DN(digital number)值取值范圍為0～63。同年兩顆衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)由Elvidge[24]提出的不變目標(biāo)區(qū)域法進(jìn)行相互校正，數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。安徽省域和各市域矢量邊界取自天地圖數(shù)據(jù)庫，來源于測繪部門，地理坐標(biāo)系為CGCS2000，投影坐標(biāo)系采用Gauss-Kruger投影6度分帶，中央經(jīng)線東經(jīng)117°。對全球范圍的DMSP/OLS夜間燈光影像按照安徽省域邊界進(jìn)行裁剪和坐標(biāo)系投影轉(zhuǎn)換，重采樣影像至空間分辨率為1000m，得到各年份安徽省DMSP/OLS夜間燈光影像。2000—2013年全省和各市建成區(qū)面積來源于安徽省統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站(http://tjj.ah.gov.cn/)公布的安徽統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 影像間的連續(xù)性校正

2000年以后，安徽全省的城市化進(jìn)程逐漸加快，特別是合肥都市圈和沿江地區(qū)發(fā)展迅速，這一期間全省縣級及以上城區(qū)均不存在“逆城市化”的現(xiàn)象，因此，本研究假設(shè)第n年影像中探測到亮度像元，在第n+1年的影像中依然保持為亮度像元，并且第n年的像元DN值不大于第n+1年同一位置的像元DN值。據(jù)此利用式(1)[25]，對影像進(jìn)行校正：

(1)

式中，DN(n-1,i)、DN(n,i)、DN(n+1,i)分別為第n-1年、第n年和第n+1年安徽省DMSP/OLS夜間燈光影像中的i像元DN值，校正后2001、2004、2007、2010、2013年全省夜間燈光影像參見圖1。

2.3 夜間燈光增長指標(biāo)計(jì)算

平均燈光亮度：

(2)

式中，DNmean、DNmin、DNmax分別表示燈光亮度的平均值、最小值、最大值，ni表示亮度為DNi的像元個數(shù)，Nj為總像元個數(shù)。

圖1 校正后的2001—2013年安徽省夜間燈光影像Fig.1 Corrected nighttime light imagery in Anhui Province from 2001 to 2013

平均燈光亮度增長速度：

選取高硫鋁土礦試樣，分別考察了鹽酸(1+1)和水對試樣的溶樣效果，結(jié)果見表1。由表1可見，用鹽酸(1+1)溶樣的結(jié)果比用水的均高；隨著鹽酸(1+1)用量的增加，硫酸根的測定結(jié)果隨之增大后保持穩(wěn)定；當(dāng)鹽酸(1+1)用量為40～60mL時，濾液的顏色最深，表明被硫酸根置換出的鉻酸根濃度最高，說明此時試樣中硫酸根可基本被提取完全。實(shí)驗(yàn)選擇40mL鹽酸(1+1)溶解試樣。

RDN=(DNmean_m-DNmean_n)/(m-n)

(3)

式中，RDN表示平均燈光亮度增長速度，DNmean_m和DNmean_n分別表示年份為m和n的平均燈光亮度。

為了研究逐個像元2000—2013年安徽省夜間燈光DN值的年際變化趨勢，對省域每個像元均建立其夜間燈光DN值的線性回歸模型，從而每個像元DN值年際變化的線性回歸系數(shù)就有

(4)

2.4 城市建成區(qū)的提取及重心轉(zhuǎn)移

對2001—2013年間全省建成區(qū)范圍和面積信息的提取，主要參考了改進(jìn)的“動態(tài)閾值法”[20]，以統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為輔助資料，將2000年(基線年)動態(tài)閾值下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中建成區(qū)面積與遙感燈光面積差異最小的閾值設(shè)定為最佳閾值。

將提取的建成區(qū)柵格像元用ArcGIS 10.3的柵格轉(zhuǎn)面(raster to polygon)工具轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，以16個市域邊界劃分單元，用要素轉(zhuǎn)點(diǎn)(feature to point)工具提取16個市域內(nèi)建成區(qū)面要素的重心(質(zhì)心)點(diǎn)，作為該市重心。

城市重心偏移距離：

(5)

式中，Xj和Xk分別代表兩點(diǎn)的X坐標(biāo)值，Yj和Yk分別代表兩點(diǎn)的Y坐標(biāo)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市燈光亮度變化

從2000—2013年安徽省城市燈光的空間分布(圖1、圖3a)來看，夜間燈光亮度呈現(xiàn)明顯動態(tài)擴(kuò)張趨勢。省域中部以省會合肥為中心，沿交通廊道東向滁州、北向淮(南)蚌(埠)、西向六安、南向安(慶)池(州)銅(陵)、東南向蕪(湖)馬(鞍山)，整體呈現(xiàn)放射狀輻射。同時，沿江五市(安慶、池州、銅陵、蕪湖、馬鞍山)及沿淮的淮(南)蚌(埠)城市群建成區(qū)急劇擴(kuò)張，夜間城市燈光呈由點(diǎn)連線成面的蔓延變化，至2013年已經(jīng)基本形成以合肥市中心為圓心，沿交通廊道150km為半徑涵蓋上述中小城市的大合肥都市圈，具備較為明顯的圈層式地域結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)一體化趨勢。皖北平原的亳州、阜陽、淮北、宿州和皖南山區(qū)的黃山、宣城主要還是以市轄區(qū)和縣城為中心，燈光亮度整體呈離散點(diǎn)狀蔓延態(tài)勢，由于山區(qū)可用建設(shè)用地受限，皖南城市燈光擴(kuò)張速度明顯慢于皖北。

從平均燈光亮度的年際變化(表1、圖2)來看，13年間全省和各市域內(nèi)平均燈光亮度值均呈現(xiàn)大幅增長，全省的平均燈光亮度增長速度達(dá)到46.30%。增長速度最快(超過60%)的市是沿江的馬鞍山、蕪湖，皖北的淮北，沿淮的淮南和省會合肥，主要原因是馬鞍山和蕪湖本身市域面積比較小，市區(qū)建成區(qū)面積大且集中連片，同時下轄的縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且增長迅速，與之相比的兩淮(淮南、淮北)經(jīng)濟(jì)實(shí)力雖較弱，發(fā)展稍慢，但由于市域和農(nóng)村地區(qū)面積小，整體的平均燈光亮度增長速度也比較快。省會合肥市雖然市域面積較大，但在打造長三角世界級城市群副中心的定位下，近年來人口大規(guī)模集聚，創(chuàng)新驅(qū)動下的產(chǎn)業(yè)新城蓬勃發(fā)展，特別是城區(qū)范圍擴(kuò)張強(qiáng)度劇烈，帶動提升了全市亮度增長速度。皖南山區(qū)的黃山、池州、宣城，皖西大別山區(qū)的安慶、六安，由于市域范圍內(nèi)分布有大量山區(qū)，不利于城鎮(zhèn)擴(kuò)展和交通網(wǎng)絡(luò)布局，一定程度上阻礙了城市的發(fā)展，平均燈光亮度的增長速率普遍在30%以下。

表1 安徽省各市域范圍內(nèi)平均燈光亮度增長速度Table 1 Average light intensity growth rate of cities in Anhui Province

圖2 安徽省各市域平均燈光亮度柱狀圖Fig.2 Average light intensity histogram of cities in Anhui Province

3.2 城市建成區(qū)格局及重心變化

參考改進(jìn)的“動態(tài)閾值法”，提取2000—2013年安徽省各個城市建成區(qū)面積變化(圖3b、圖4)，各個城市建成區(qū)面積持續(xù)增長，年增長率出現(xiàn)“先升后降再升”的階梯狀提升狀態(tài)，2007年和2010年為面積增長率的高值期。省會合肥市城市規(guī)模和增長面積“一枝獨(dú)秀”，遠(yuǎn)大于省內(nèi)其他城市，蕪湖、滁州和馬鞍山緊隨其后，池州、銅陵、黃山和淮北等城市建成區(qū)面積則相對較小。2006年國家“中部崛起”戰(zhàn)略正式實(shí)施[26]，位于中部腹地的安徽省經(jīng)濟(jì)發(fā)展顯著提速的同時，城鎮(zhèn)化水平也全面跟進(jìn)、加速發(fā)展，形成了中部地區(qū)跨越轉(zhuǎn)型發(fā)展的強(qiáng)大引擎，對中部崛起戰(zhàn)略實(shí)施形成了有力支撐。同年，合肥濱湖新區(qū)正式啟動建設(shè)，省內(nèi)其他各城市新區(qū)發(fā)展擴(kuò)張勢頭也極為強(qiáng)勁，在2007—2010年間，合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵等市建成區(qū)面積快速增長。2010年安徽皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)建設(shè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略[27]，區(qū)域二、三產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)格局，吸引了大量人口的涌入，對建設(shè)、工業(yè)、居住用地的需求急劇增加，持續(xù)刺激了全省特別是示范區(qū)內(nèi)的城市擴(kuò)張。以建成區(qū)面積增長率數(shù)據(jù)來看，2000—2013年間，小城市(宣城、池州、黃山)因處于發(fā)展成長階段，故而增長率相對較高，均在260%以上。而大中城市(合肥、蕪湖、蚌埠)因基礎(chǔ)實(shí)力較強(qiáng)且發(fā)展相對穩(wěn)定，增長較為平緩，增長率低于50%。

圖3 2000～2013年安徽省夜間燈光亮度變化趨勢(a)及各市建成區(qū)時空變化(b)Fig.3 Spatiotemporal changes of nighttime light brightness and the built-up areas of cities in Anhui Province

圖4 安徽省各城市提取建成區(qū)面積變化

圖5 安徽省各城市建成區(qū)重心偏移距離

由2000—2013年安徽省各城市重心偏移距離(圖5)可知，2002、2007和2010年各城市重心的偏移距離出現(xiàn)峰值，且峰值高度逐漸回落。2000年伊始，各城市建成區(qū)規(guī)模普遍較小，市區(qū)與縣城差異不大，特別是小城市(宣城、池州等)市域建成區(qū)的重心波動對其下轄縣城擴(kuò)張的響應(yīng)極為敏感，因此，重心遷移距離容易產(chǎn)生較大波動。2007和2010年重心遷移距離波動主要受國家相關(guān)政策(中部崛起、承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移)影響，伴隨著多數(shù)城市建成區(qū)面積的快速增長而產(chǎn)生。

從圖6可以看出，2000—2013年全省建成區(qū)重心分布于省域的中部、合肥城區(qū)的東北角，這主要是由于合肥南部沿江城市群與合肥北部沿淮和皖北城市區(qū)位權(quán)重相互抵消的結(jié)果。13年間，全省建成區(qū)重心的整體遷移方向是南偏東，體現(xiàn)了安徽積極參與長三角地區(qū)一體化發(fā)展，主動融入長三角的主體發(fā)展戰(zhàn)略。分時段來看，2001—2004年全省建成區(qū)重心呈明顯南偏東大幅移動的過程，這是由于相比沿淮淮北，沿江城市在這期間建成區(qū)范圍有大面積的擴(kuò)展。2006年以后中部崛起戰(zhàn)略加速推進(jìn)，皖北地區(qū)積極融入國家中原經(jīng)濟(jì)區(qū)，市區(qū)特別是下轄縣城建設(shè)加速，2004—2007年，全省重心繼而調(diào)頭轉(zhuǎn)向北偏西方向偏移。2007—2010年，全省重心又繼續(xù)向南偏東移動，其中在2009年出現(xiàn)一次折返，最終在2010年抵達(dá)最南端，而后至2013年又向北偏西方向折返。

圖6 安徽省及典型城市重心遷移路徑示意Fig.6 Schematic diagram for migration path of the gravity centers of typical cities and Anhui Province

13年間，全省集中力量建設(shè)的省會合肥，首位度一路飆升，市域內(nèi)建成區(qū)重心的遷移過程與全省較為一致，只是由于2011年地級巢湖市撤銷，巢湖市區(qū)擴(kuò)張速度明顯放緩，2011年以后合肥市重心向西北方向折返幅度大于全省(圖6合肥市)。緊鄰長三角的蕪(湖)馬(鞍山)地區(qū)建成區(qū)重心的遷移路徑相對單一，13年間，馬鞍山市區(qū)經(jīng)當(dāng)涂縣城與蕪湖市區(qū)聯(lián)通發(fā)展的趨勢愈發(fā)明顯，重心不斷南移，2007年以后兩市城區(qū)就已經(jīng)連片，蕪馬地區(qū)也成為繼合肥之后建成區(qū)面積增長最快的兩市。蕪湖則是由于市轄區(qū)南擴(kuò)和下轄縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，重心也呈現(xiàn)南移趨勢，在2011年無為市劃歸管轄后，重心向西方偏轉(zhuǎn)(圖6蕪湖、馬鞍山市)。黃山3個市轄區(qū)雖然面積較大，但實(shí)際建成區(qū)規(guī)模很小，2007年以前集中分布在屯溪區(qū)新安江兩岸。隨著北部的徽州區(qū)、黃山區(qū)以及東北方向歙縣縣城和西北方向休寧縣城城區(qū)的加速擴(kuò)張，整個黃山市建成區(qū)重心呈現(xiàn)規(guī)則北移的趨勢(圖6黃山市)。

4 討論

通過對DMSP/OLS夜間燈光影像進(jìn)行連續(xù)性校正，長時間序列夜間燈光數(shù)據(jù)中像元亮度值不連續(xù)的問題及灰度值波動異常問題得到了一定程度上的緩解。但由于DMSP/OLS夜間燈光影像空間分辨率(1km×1km)的限制，在對城市建成區(qū)的邊緣進(jìn)行細(xì)節(jié)處理時易造成錯誤。此外，由于燈光的溢出效應(yīng)[28]，影像中所呈現(xiàn)的燈光通量通常是以中心點(diǎn)向外圍擴(kuò)散減弱，這對于形狀較為規(guī)則集中的城市建成區(qū)來說，邊緣提取精度高于邊緣呈齒狀或不規(guī)則的建成區(qū)。此外，本研究采用目前最新的行政區(qū)劃邊界來進(jìn)行各市數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，考慮到2011年行政區(qū)劃調(diào)整(撤銷地級巢湖市)，所以基于統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)的動態(tài)閾值法提取的建成區(qū)面積可能會存在一定誤差。

2018年6月由武漢大學(xué)牽頭研制的“珞珈一號”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星01星(Luojia 1-01)成功發(fā)射，并開始提供130 m分辨率、250 km幅寬的燈光影像[29]。新一代光通量數(shù)據(jù)很大程度上提高改善了傳統(tǒng)夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率精度不足以及光溢問題，在時空分辨率上均有大幅度提升，在后續(xù)的研究中需注意燈光數(shù)據(jù)換代后可能出現(xiàn)的光通量數(shù)據(jù)銜接問題，并在此基礎(chǔ)上探索發(fā)展新夜間燈光數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

(1)2000—2013年安徽省城市夜間燈光亮度呈現(xiàn)明顯動態(tài)擴(kuò)張趨勢，形成了以合肥為圓心，沿交通廊道呈現(xiàn)放射狀輻射150km的大合肥都市圈。全省的平均燈光亮度增長速度達(dá)到46.30%。增長速度最快的市是馬鞍山、蕪湖、淮北、淮南和合肥市。

(2)由燈光影像提取的各個城市建成區(qū)面積持續(xù)增長，年增長率整體呈現(xiàn)“先升后降再升”的趨勢，受“中部崛起”和“承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移”等重大戰(zhàn)略實(shí)施影響，2007年和2010年為面積增長率的高值期。13年間，合肥、蕪湖、滁州和馬鞍山城市規(guī)模和面積增長較大。

(3)安徽省各城市重心偏移距離在2002、2007和2010年出現(xiàn)峰值，且峰值高度逐漸回落。全省建成區(qū)重心分布于省域的中部，13年間，重心整體遷移方向是南偏東，期間出現(xiàn)折返。典型城市中，合肥市建成區(qū)重心的遷移過程與全省較為一致，蕪湖、馬鞍山市的重心持續(xù)南移，黃山市重心持續(xù)北移。