基于DMSP／OLS 數據的山西省典型城市發展狀況的遙感動態監測

趙尚民，章詩芳

（太原理工大學 礦業工程學院，太原030024）

城鎮化是由于社會生產力的發展而引起的城市空間增長、城市規模擴大和農村人口向城市集中的過程。改革開放以來，我國城市建設快速發展，城鎮化率從1978年的17.9%上升到2012年的52.6%。在快速城鎮化進程中，能否處理好城市建設與人口、資源、環境的關系成為影響城市發展的重要議題［1-3］。而了解城市發展進程和規律則是城市可持續發展的基礎和關鍵。美國國防部氣象衛星（defense meteorological satellite program，DMSP）上搭載的線性掃描業務系統傳感器（operational linescan system，OLS）可以獲取長時間序列的夜間燈光數據，并且在多個領域得到廣泛應用［4-9］，特別是在城市化擴展領域［10-18］。同時，由武漢大學研發的全球首顆專業夜光遙感衛星于2018年6月在酒泉發射，這更加大了夜光動態變化遙感監測的應用深度和范圍。

因此，本研究以山西省典型城市（太原市、大同市和運城市）為研究區，基于DMSP／OLS數據亮度的空間分布變化分析其經濟發展過程，并對其經濟發展狀態進行對比分析。研究分析并對比了山西省北、中、南3個典型城市的長時間發展軌跡，為了解山西省經濟發展進程和動態變化規律提供了科學依據，同時也為山西省城市化建設和科學發展提供理論支持，具有重要的科學意義和實踐價值。

1 研究區概況

山西省典型城市——太原市、大同市和運城市的基本情況如下：

太原市位于山西省境中央，太原盆地的北端，是山西省的省會（見圖1）.太原市境總面積約6 988 km2，2012年太原市中心城區建成區面積約為310 km2（中國城市第24名）。2005年太原市GDP達893.16億元，比2000年增長了一倍多，到2013年增加到2 219.08億元［19］。

大同市位于山西省最北端，與河北省和內蒙古自治區毗鄰（見圖1）.作為山西省第二大城市和省域副中心城市，大同市2016年人口約為342.19萬，面積約14 176km2，2012年全市GDP為931.3億元，到2016年超過1 000億元［19］，經濟發展比較迅速。

運城市位于山西省南端的運城盆地及太行山南部地區，與陜西省和河南省毗鄰（見圖1）.運城市是3個國家級經濟示范區疊加的地級市，2016年人口約為530.52萬，總面積為14 233km2，2013年GDP約為1 140億元，到2016年達到1 222億元［19］，經濟增長迅速。

通過對山西省3個典型城市的燈光變化狀況進行對比，進一步了解其經濟發展過程，為探索山西省經濟發展規律提供基礎數據和借鑒。

圖1 山西省典型城市位置和地勢圖Fig.1 Location and relief map of typical cities in Shanxi Province

2 主要數據源

本研究所用的數據源主要為研究區域1992-2013年的DMSP／OLS夜間燈光數據，它源自美國國家地理信息中心2015年發布的可免費下載的第四版本的穩定燈光強度數據（http：／／ngdc.noaa.gov／eog／dmsp／downloadV4composites.htm）.該數據為全球夜間燈光數據，空間分辨率1km.OLS傳感器于1976年首次搭載在DMSP衛星上，最初的目的是檢測氣象，用于探測月光照射下的云。由于具有較高的增益，OLS不僅能監測云，還能探測城鎮燈光、火光、漁船燈光等電磁波，因此逐漸被應用于監測城市的夜間燈光、火災等。監測夜間城市燈光、小規模居民點、交通道路、車流等發出的低強度燈光，可以綜合反映人類活動信息，從而為城市化和城市擴張的長時間序列遙感動態監測提供基礎數據。基于長時間序列DMSP／OLS的亮度大小和分布范圍變化可以推測區域特別是城市區的發展狀況。

3 研究方法

圖2 技術路線Fig.2 Technical routes

本研究的技術路線如圖2所示。從圖2可以看出：本研究首先通過美國國家地理信息中心網站下載第四版本的1992-2013年的DMSP／OLS數據，并將其從原始的地理投影轉換到Albers等積投影（以計算面積），然后基于山西省行政界線數據提取其典型城市的行政界線，再通過行政界線裁剪經過投影的DMSP／OLS數據獲得典型城市的DMSP／OLS數據；最后基于典型城市1992-2013年的DMSP／OLS數據，并按照5年的平均亮度變化和不同等級亮度的面積變化分析，并將其與對應時期的GDP變化進行對比，獲得典型城市不同時期的城市發展狀況。

DMSP／OLS數據在 城市擴 張［12，18］、城市化過程［6，13］、城市人口估算［5］、GDP 分析和能源消費［7，9］等方面的應用研究，為本文研究山西省典型城市發展狀況的遙感動態監測提供了有效參考，同時本研究可為了解山西省不同區域經濟發展規律，山西省典型城市的合理規劃和可持續發展提供一定的科學依據。

4 研究結果與分析

4.1 太原市1992-2013年的城市發展動態

4.1.1 太原市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

利用太原市行政界線對DMSP／OLS全球1992-2013年間的數據進行裁剪，獲得太原市長時間序列的DMSP／OLS夜間燈光數據。由于不同年份之間的數據存在明顯波動，為了減小這種波動，更容易發現亮度的變化規律，研究以5年為1個時期進行平均，從而獲得太原市1992-2013年不同時期的亮度均值數據，如圖3所示。

圖3 太原市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.3 DMSP／OLS data in different periods in Taiyuan City

從圖3可以看出：太原市東南方的主城區最亮，且面積不斷擴大；其他區域的亮度也在逐漸提高。對太原市各時期DMSP／OLS數據的亮度值進行數理統計，結果如表1所示。

從表1可以看出：各個時期亮度的平均值和標準偏差持續增加，且增速越來越大。這說明，太原市1992-2013年一直在持續發展，且發展速度越來越快。

表1 太原市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 1 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Taiyuan City

4.1.2 太原市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

為了更好地了解亮度的變化情況，參考太原市城區的面積和范圍，將DMSP／OLS數據按照亮度值劃分為（0～5）、（5～10）、（10～20）、（20～35）和（＞35）5個等級，并對各個等級的空間分布面積進行統計，獲得太原市1992-2013年不同時期各等級亮度的分布面積，如表2所示。

從表2可以看出：在各個時期的5個等級中，（0～5）等級的亮度分布面積從2007年以后開始明顯減小；中間3個等級的空間分布面積存在波動；（5～10）和（10～20）等級的亮度分布面積波動明顯；（20～35）等級的亮度分布面積整體增加；（＞35）等級的亮度分布面積持續增加，增加了約2.5倍，且增加速度越來越快。

表2 太原市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 2 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Taiyuan City km2

4.2 大同市1992-2013年的城市發展動態

4.2.1 大同市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

基于獲取的大同市行政界線對全球1992-2013年的DMSP／OLS數據進行裁剪，并以5年為1個時期進行平均，得到大同市1992-2013年不同時期的亮度均值數據，如圖4所示。

圖4 大同市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.4 DMSP／OLS data in different periods in Datong City

從圖4可以看出：大同地區的主要城鎮亮度持續增加，主要體現在大同市主城區范圍擴大，亮度更加均勻，同時幾個縣城區的亮度也有明顯增大。

對圖4中不同時期的亮度數據進行數理統計，結果如表3所示。

表3 大同市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 3 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Datong City

從表3可以看出：大同市前3個時期發展緩慢，亮度和平均值增長不大；后2個時期發展迅速，平均亮度值從3.134增加到5.946，標準偏差也很大。

4.2.2 大同市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數據分級標準，對大同市不同時期的亮度數據進行分級，并統計各個等級在不同時期的分布面積，結果如表4所示。

從表4可以看出：從1992-2013年，大同市（0～5）等級的亮度分布面積中，前3個時期減少不大，而后2個時期則快速減少；（5～10）和（10～20）等級的亮度分布面積持續增加，特別是后2個時期；（20～35）等級的分布面積整體呈增加趨勢，但有明顯波動，如第3時期面積有明顯減少；（＞35）等級的亮度分布面積整體呈增加趨勢，但前3個時期變化不大，甚至呈下降趨勢，后2個時期則快速增加。

表4 大同市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 4 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Datong City km2

4.3 運城市1992-2013年的城市發展動態

4.3.1 運城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化

利用運城市行政界線裁剪全球1992-2013年間的DMSP／OLS亮度數據，并對裁剪結果以5年為1個時期進行平均，得到運城市不同時期的亮度均值數據，如圖5所示。

從圖5可以看出：從第1個時期到第5個時期，不僅亮度區的范圍明顯增大，亮度數據的數值范圍也明顯變大，從第1時期的0～50增加到第5時期的0～62.這說明運城市這20多年來發展顯著。

對運城市各時期不同等級的DMSP／OLS數據的亮度值進行數理統計，結果如表5所示。

圖5 運城市不同時期的DMSP／OLS數據Fig.5 DMSP／OLS data in different periods in Yuncheng City

從表5可以看出：從第1時期到第5時期，數值范圍持續增大；平均值和標準偏差也持續增大，特別是平均值，增速越來越快；另外，最后2個時期的增速明顯加快。

表5 運城市各個時期DMSP／OLS數據亮度值數理統計結果Table 5 Numerical statistics resultsto the intensity of DMSP／OLS data during each period in Yuncheng City

4.3.2 運城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據各等級的面積變化

按照太原市DMSP／OLS亮度數據分級標準，對運城市DMSP／OLS數據的亮度等級進行分級，并統計不同時期各個等級的分布面積，結果如表6所示。

表6 運城市燈光數據1992-2013年不同時期各等級分布面積Table 6 Area distribution of each class of DMSP／OLS data during different periods from 1992-2013in Yuncheng City km2

從表6可以看出：運城市（0～5）等級的亮度分布面積持續減少，且呈加速減少趨勢；（5～10）等級的分布面積略有波動，但整體呈加速增長趨勢；其他3個等級均呈現快速增加的發展過程，這也體現出運城市這20多年來經濟的快速發展。

4.4 典型城市間發展動態對比

4.4.1 典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度變化對比

在對典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據亮度統計和分析時，平均值是重要的一項指標，對比3個典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的平均值，結果如圖6所示。

圖6 典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的平均值對比Fig.6 Mean value comparison to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖6可以看出：3個城市均呈發展狀態，其中太原市整體發展程度最高，發展速度也最快，運城市和大同市起點相近，但運城市發展速度要快于大同市，大同市發展速度最慢，特別是在前3個時期。

4.4.2 典型城市1992-2013年不同時期DMSP／OLS數據重要等級的面積變化對比

在DMSP／OLS亮度數據的幾個等級中，（＞35）是最重要的等級，它代表城市最發達區域的空間分布。把典型城市的DMSP／OLS數據中（＞35）等級的分布面積進行對比，結果如圖7所示。

圖7 典型城市不同時期DMSP／OLS數據亮度的重要等級面積對比Fig.7 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

從圖7可以看出：太原市經濟基礎最好，發展速度最快，整體呈最優發展態勢；大同市經濟基礎次之，但前3個時期發展不太好，甚至呈降低趨勢，后面2個時期發展速度極快；運城市經濟基礎最差，但發展速度一直非常快，甚至一度超過了大同市，最終經濟發展水平與大同市相近。

4.4.3 典型城市2000-2013年不同年份GDP對比

GDP是反映城市發展狀況最重要的經濟指標之一。通過山西省統計局的統計年鑒，獲得了太原市、大同市和運城市2000-2013年之間各年份的GDP數據［19］，其對比情況如圖8所示。

圖8 典型城市對比Fig.8 Area comparison of important degree to DMSP／OLS data in different periods for typical cities

由于統計局網站只給出了2000年以后的GDP數據，本研究中的DMSP／OLS數據截止到2013年，因此選取2000-2013年的GDP數據進行對比分析。從圖8可以看出：2000-2013年，太原市GDP持續快速增長；運城市和大同市2000年的GDP接近，但運城市發展速度整體快于大同市，大同市發展速度最慢。由此可見，典型城市2000—2013年GDP的對比情況與同時期DMSP／OLS數據的亮度變化對比情況基本一致。

5 結論

基于DMSP／OLS全球數據分析了山西省典型城市1992-2013年的城市發展過程，并對典型城市的發展狀況進行了對比，結論如下：

1）太原市城市發展速度很快，城市夜間亮度持續變大，且變大的速度越來越快。亮度平均值從第1個時期的6.936增加到第5個時期的11.514，（＞35）這個等級的面積也從第1時期的313.37 km2迅速增加到第5時期的768.42km2，增加了約2.5倍，這說明太原市這段時期一直呈加速發展態勢。

2）大同市前3個時期發展緩慢，后2個時期發展迅速，平均亮度值從第1時期的2.949增加到第3時期的3.134，第5時期迅速增加到5.946；對于（＞35）等級的面積變化，前3個時期甚至略有下降，從第1時期的210.15km2降到第3時期的181.52 km2，到第5時期則迅速增加到569.71km2，這說明大同市前期發展緩慢、后期發展極為迅速。

3）運城市呈現快速發展狀態。夜間燈光亮度的平均值從第1時期的2.870迅速增加到第5時期的6.864；（0～5）等級的亮度分布面積快速減少，（5～10）等級的面積稍有波動，其他3個等級的面積則呈迅速增加趨勢，特別是（＞35）等級的面積，從第1時期的36.90km2增加到第5時期的526.52km2，增加了近15倍，由此說明運城市的整體發展迅速。

4）山西省3個典型城市的夜間燈光亮度變化狀況與同時期GDP的變化規律基本一致，由此獲得各城市發展狀況：太原市經濟基礎最強，發展速度也呈現持續快速發展趨勢，是整體實力最強和發展態勢最好的城市；大同市經濟基礎次之，前期發展速度緩慢，后2個時期發展極其迅速；運城市經濟基礎最差，但是一直在持續快速發展，甚至一度超過大同市，是整體發展速度最快的城市。