基于夜间灯光遥感的城市垂直空间扩展研究——以武汉为例

0　引　言

美国针对城市“郊区化”发展带来的城市问题提出了“精明增长”城市规划理念，该理念中“城市内部废弃地”是最精明的，可深层次挖掘城市土地的潜力。我国城市化进程中城市空间呈现“摊大饼”的扩展趋势，也亟需根据国外前车之鉴采取有效的措施进行控制，因此需要对我国城市空间扩展的模式给予更多更全面的关注，对“城市内部废弃地”进行挖掘，促进以外延式为主导的空间扩展模式向“精明增长”模式的转变。

城市空间扩展是“城市内在外力作用下”的空间推进，包括平面的外延和垂直空间上的填充。平面的外延即城市空间在地表平面上的扩展，垂直空间上的填充即城市向地上和地下的伸展。城市垂直空间扩展模式即表征既有城市空间在同一地点的开发和活动强度随时间的变化规律。

自1998年美国学者Helen Couclelis开创性地将细胞自动机模型应用在城市扩展动态模拟研究中后，我国张显峰、何春阳、黎夏等学者基于城市地理国情、统计年鉴等数据，结合3S技术与元胞自动机对城市空间扩展机制进行了大量研究，但大多限于平面外延模式的研究，对于垂直空间的填充模式较少涉及。2006年何春阳、史培军等利用DMSP/OLS夜间灯光数据重建了中国20世纪90年代的城市化空间过程，并用Landsat TM数据提取结果与其比较，证明了DMSP/OLS夜间灯光数据在区域城市化过程研究中足够可信，应给予重视。卓莉、李强等利用DMSP/OLS夜间灯光数据的时间变化特征监测城市土地利用强度的变化并对城市用地空间扩展类型进行了分类，但并未在时间序列上深入探讨其变化的模式与机制，城市垂直空间扩展模式研究还有待补充。

本文基于DMSP/OLS夜间灯光数据，根据其灯光强度属性，探究夜间灯光强度变化与城市空间扩展的关系，以期深化夜间灯光遥感在城市空间扩展模式探究方面的应用。并对其发展阶段进行模拟和预测，解读其发展背后的动力，以期增强对城镇化发展进程的把握。自武汉城市圈概念的提出到武汉大都市区空间发展格局理念的提出，武汉市域及其周边城市的实体空间扩展迅速，周边城市逐步与其对接融合。武汉市实体空间在平面和垂直空间上都有极大的发展，以武汉为研究对象能在平面空间和垂直空间上探测出明显的变化，有利于测度夜间灯光数据与城市实体空间扩展的关系。

1　数据概况

1）DMSP/OLS夜间灯光数据：于美国国家地理信息中心（http：//ngdc.noaa.gov）下载由6个不同的DMSP卫星获取的1992～2013年共22年34期影像。每期影像包括3种全年平均影像，其中稳定灯光影像包括城市、乡镇的灯光及其他场所的持久光源，且滤除了月光云、火光及汽油燃烧等偶然噪声的影响，是适合本次实验的影像数据。参考系为WGS-84坐标系，空间分辨率1 km，DN（Digital Number，在夜间灯光影像中指灯光强度）值范围为0～63。由于该长时间序列的数据集由6个不同的卫星获取，因此存在影像间没有连续性的问题，同时出现了饱和现象。

2）Landsat TM数据：选取2009年武汉市范围低云量的影像进行监督分类提取建成区，并与校正后的DMSP/OLS夜间灯光数据进行比较，评价其校正结果。

3）统计年鉴数据：于湖北省统计局（http://tjj.hubei.gov.cn/）获取武汉市1992～2013年的GDP总值数据，用于和夜间灯光数据进行灰度关联分析，提取出武汉市不变目标区域。

2　数据处理

2.1 校正

针对DMSP/OLS夜间灯光数据集存在的像元灯光强度值不连续和饱和的问题，Elvidge提出了一种不变目标区域法的全球范围的相互校正法，Liu在其基础上提出了中国区域的相互校正法，但校正后的影像中像元灯光强度值的饱和现象并没有得到削弱。曹子阳提出一种不变目标区域法的幂函数相互校正法，改善了DMSP/OLS夜间灯光数据的饱和问题，并针对数据集不连续的问题进行了连续性校正。本文基于曹子阳提出的校正方法，根据本次实验性质，对DMSP/OLS夜间灯光数据集做出以下校正处理：

1）提取不变目标区域：有多个传感器获取夜间灯光数据的年份，其夜间灯光数据取其多幅影像的均值，由34期影像得到22期影像。将22年同一处像元的灯光强度值变化与武汉市22年的GDP数据进行灰度关联分析，提取出与经济变化规律一致的灯光区域，该区域即为不变目标区域。

2）相互校正

不同于曹子阳的待校正影像与参考影像幂函数回归得到回归系数的相互校正法，本文采用22期待校正影像分别除以22期不变目标区域的均值，相互校正的同时，进行了标准化。前者默认了夜间灯光强度变化遵循幂函数的规律，后者则避免了这种预设。

3）不连续校正

相互校正后的22期影像削弱了灯光强度值饱和的程度，但不同年度的影像同一位置的像元灯光强度值依然存在不连续的问题。根据武汉市过去22年城市化发展状况，可以假设夜间灯光数据中灯光像元不会在第二年变为非灯光像元，且第二年像元的灯光强度值不会比第一年小。不符合假设的现象定义为异常波动现象。因此用式（1）来进行不连续校正。

式中，DN (n,i)表示第n年经相互校正的22期夜间灯光影像中i像元的灯光强度值。

4）校正结果检验

利用Landsat TM影像监督分类提取出建成区，将原始灯光影像、校正后的灯光影像、获取的建成区影像三者进行对比，如图1所示，可以看出，像元灯光强度值的饱和溢出现象被削弱，与建成区边界的重合程度得到提高。

图1　校正结果的对比检验

Fig.1 Comparative test of correction results

2.2 灯光强度变化规律

将校正后的22期灯光影像对值处理，并以0为分割阈值提取出高亮度区域。将第一年为非高亮度像元、第二年为高亮度像元的像元定义为外延像元。从两个方面探测灯光强度的变化规律，一是以第一年为基期，第二年为末期，探测历年外延像元灯光强度变化规律；二是以1992年为基期，2013年为末期，结合政策变化，分斑块探测1992～2003年的外延像元灯光强度变化规律。

3　结果与分析

如图2所示，是历年外延像元灯光强度的变化曲线。可以看出，每年的外延像元灯光强度的变化规律不完全一致，但均有“外延-增强-减速增强-稳定不变”的规律。其中，“增强”阶段的速率随着城市发展状况而变化，因此灯光强度平均值的变化曲线会出现许多减速和增速的拐点；“稳定不变”阶段，外延像元随着片区停止发展而稳定在一个高值，但图2中高值高低不一，这是因为随着时间变化，历年提取出的外延像元数量越来越少，其灯光强度值的统计特征越来越不明显，导致像元灯光强度平均值稳定在一个低值。

图2　武汉市历年外延像元灯光强度变化图

Fig.2 Light intensity variation of epitaxial pixels of Wuhan city

图2中没有明显的统一变化的拐点，无法判断出其拐点发生的动力，因此，需要分斑块进行统计。武汉市“九五”规划到“十二五”规划先后提出了一批新城建设和开发区建设。“九五”规划仍以优化主城区功能分区为主要任务，武汉市空间拓展以内聚为主；“十五”规划时，武汉城市圈已显雏形，武汉市加大了新城和开发区的建设力度，开始有重点地与周边城镇联动发展，城市空间扩展开始由内聚转变为外拓；“十一五”规划重点建设新城群组，形成了五大产业区，包含了城市外围的多个开发区和卫星城，武汉市空间扩展转变为以外拓为主；到“十二五”规划，武汉形成以新城和经济开发区相结合的城市扩张模式发展。以新城和开发区的空间斑块为分析对象，可以洞悉城市发展政策与规划对其灯光强度变化的影响，见表1。

表1　武汉城市建设发展策略汇总表

Tab.1 List of urban development strategies of Wuhan city

图3是以1992为基期，2013为末期提取的外延像元，按街道行政边界划分提取出蔡甸、花山、前川、临空、阳逻、邾城、纸坊、沌口共８个新城和开发区的斑块，统计其1992～2013年22年间的灯光强度变化规律，结果如图4所示。

图3 1992～2013年的外延像元分布图

Fig.3 Spatial distribution of the epitaxial pixels of Wuhan city from 1992 to 2013

图4 1992～2013年武汉市外延像元灯光强度变化图

Fig.4 Light intensity variation of epitaxial pixels of Wuhan city from 1992 to 2013

根据图4b所示，分斑块的外延像元灯光强度变化基本符合“外延-增强-减速增强-稳定不变”的规律。考虑是斑块提取的像元数量问题，纸坊和沌口斑块的灯光强度变化较明显，其他斑块的灯光强度在1997年之后基本不变。

可以看出，1993～2002年沌口斑块灯光强度的增强速度高于其他斑块。这是因为在20世纪90年代，沌口斑块邻近汉口火车站，具有良好的区位优势，是汽车、家电等企业的聚集地，由此发展了一批工业制造业，奠定了良好的经济基础。1991年武汉市在此建立经济技术开发区，1993年经国务院批准为国家级经济技术开发区，2000年经国务院批准设立湖北武汉出口加工区。良好的经济基础和政策扶持，使得沌口斑块发展的速度高于其他斑块。

沌口斑块自1994年探测到外延灯光像元后，1995年灯光强度增速增强，其后到2000年基本保持匀速增强，2000年到2001年灯光强度平均值增强有一年的停滞期，之后增速增强，2002年增强放缓，2004年之后基本保持不变。纸坊斑块自1993年探测到外延灯光像元后，灯光强度呈阶梯式增强，2000年之后，增强速度变快，持续时间变长，到2004年之后基本保持不变。可以看出，自2000年后，武汉市转变空间扩展方式，将建设重点转移到主城区外围，促进了沌口和纸坊斑块的发展。2004年后，提取的沌口和纸坊斑块转变为内部斑块，发展趋于稳定，像元的灯光强度变化不再明显。可见战略决策对城市垂直空间的发展有着推动促进的作用。

4　结束语

本文利用长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光数据，探测了城市垂直空间扩展规律，主要工作包括：夜间灯光数据的饱和校正和不连续校正、武汉市范围不变目标区域的提取、统计城市像元灯光强度值的变化特征并探测其规律。实验分析表明，城市像元灯光强度增强速度的统计特征与其所处的城市发展阶段有明显的关联性，并且符合“外延-增强-减速增强-稳定不变”的规律，其中“增强”阶段受城市发展规划和政策的影响明显。

通过本文的实证研究，弥补了传统的城市空间扩展模式研究在城市垂直空间扩展模式研究中的不足，拓宽了城市空间扩展研究的思路。在理论方面，可以对“精明增长”理论进行拓展和实证应用研究，在模型预测方面，可以结合元胞自动机模型，对城市实体空间扩展做出预测。

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