2012—2017年呼包鄂城市群夜間燈光動態變化特征及其驅動因素分析

艾麗婭，馬勇，陳甫，姚武韜，3，包亮

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094；3 中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

隨著經濟快速發展和人口持續增長，作為新型城鎮化建設主體的城市群空間也在不斷擴張。準確地了解城市發展狀況，監測城市群的發展演變規律對于評估城市化進程和規劃未來城市發展至關重要，對提升區域的綜合競爭力、推進一體化、優化其空間結構具有重要意義[1-2]。一個城市的發展狀況與其社會經濟密切相關，而城市的夜間燈光能夠直接體現城市的社會經濟情況[3]，因此夜間燈光遙感數據可以很好地應用于監測城市擴張演變規律，從而分析城市的發展狀況[4-5]。

自20世紀90年代美國軍事氣象衛星計劃(defence meteoro，suo’yial satellite program，DMSP)的線性掃描業務系統(operational linescan system，OLS)問世以來[6]，人們開始意識到夜間燈光遙感數據在研究城市問題方面的優勢。Henderson等[7]早在2003年利用DMSP/OLS對城市邊界進行劃分，并得出不同城市邊界的最佳閾值范圍；文獻[8-10]基于DMSP/OLS數據，探討了長時間序列的城市建成區時空演變規律；2011年美國“索米”(Suomi)國家極地軌道合作伙伴關系(S/NPP)搭載的可見紅外成像輻射計套件(VIIRS)發射成功[11]，NPP/VIIRS更高的分辨率、更多的灰度級，進一步拓展了夜間燈光的應用領域。如劉智麗等[12]利用NPP/VIIRS影像數據，提高了提取城市建成區的精度；王博[13]利用NPP-VIIRS夜間燈光遙感影像數據對杭州市發展的結構變化進行了分析探究；葛偉[14]基于NPP-VIIRS，對中國城市中心在3個尺度下進行了時間演化和空間格局的對比分析。

上述研究中，從數據角度看，學者們大多還是沿用DMSP/OLS數據，此數據集的時間跨度為1992年至2013年，時間序列長達22年，因此很多夜間燈光研究是基于DMSP/OLS展開的，但該數據在2013年停止更新了。DMSP/OLS本身存在空間分辨率低，缺少傳感器輻射定標和燈光溢出等問題，往往夸大了實際的夜間燈光情況，難以精確提取城市信息[15]。NPP衛星繼承并優化了DMSP/OLS的微光探測能力，具有更小的瞬時視場、更多的灰度級以及更高的空間分辨率(500 m)，而且采用了與VIIRS 其他波段相一致的輻射校正，消除了之前的過飽和、過亮和缺乏空中對準的問題，有效提高了燈光影像的質量[16]。由于NPP/VIIRS數據的上述優點，一些學者采用NPP/VIIRS數據來研究城市發展狀況和評估城市動態[17-20]，除此之外還有聯合DMSP/OLS和NPP/VIIRS數據開展城市化監測的研究[21]。但是，NPP/VIIRS數據也存在一些局限性，由于大氣云霧和外部光源的干擾，數據產品在高緯度地區很多月份是空缺的，而在低緯度地區的數據失真和噪聲較多，數據質量仍有提升的空間。在研究區域方面，目前國內學術界對城市群的空間研究多集中在京津冀[22]、長三角[23]、珠三角[24]等經濟高度成熟發達的地區，而對于諸如呼包鄂這類新興城市群相對關注較少。了解和認知新興城市群發展的驅動因素，對于挖掘城市群的潛在動能以及城市群未來發展規劃等具有重要的意義。因此本研究選取呼包鄂城市群為研究區，以進行過一致性處理的NPP/VIIRS數據為基礎數據源，利用標準差橢圓、夜間燈光值統計和線性回歸等分析方法探討了呼包鄂城市群夜間燈光的時空特征和驅動因素，從空間內部探究城市夜間燈光整體空間格局變化，揭示城市群夜間燈光規模分布和時空動態演變規律。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

呼包鄂城市群(106°28′31″E ～112°17′25″E，37°36′51″N ～42°43′33″N)，位于內蒙古自治區中西部的核心區，屬溫帶大陸性氣候[25]。轄區總人口數約700多萬，區域面積達130 000 km2，包括呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市，擁有豐富的煤炭、石油、天然氣等礦產資源，是目前內蒙古自治區最具影響力的城市經濟圈。

1.2 數據及處理

1)使用中科院版2012—2017年間的地球夜間燈光數據集作為研究的基礎數據源。對NPP/VIIRSS月度數據進行一致性標準化處理后得到的數據的灰度值范圍為0～255，空間分辨率為500 m。

針對NPP/VIIRS夜間燈光衛星月度產品在高緯度地區存在數據空缺、在低緯度地區存在數據失真和噪聲較多的問題，建立時序夜間燈光數據平滑約束模型(圖1)。首先，對獲得的2012—2017年長達6年的時序NPP/VIIRS夜間燈光強度數據，針對高低維度地區的噪聲和缺失的數據部分統計取樣；之后，通過時序間的關系擬合和平均降噪，對年份產品之間建立約束條件，對缺失數據、異常值以及不同年份之間地表因素以外的干擾進行平滑約束處理，使得年份產品之間的差異基本等效于地表亮光的差異；最后，獲得一致性的數據產品。該夜間燈光數據集產品在去除噪聲、缺失數據修補方面的工作，有助于提高依靠時序夜間燈光數據對比進行的城市群變化研究的精度。

圖1 夜間燈光數據預處理流程圖

利用該數據集制作的呼包鄂城市群2012—2017年 WGS1984 UTM 投影下的的夜間燈光遙感影像如圖2所示。

2)經濟統計數據來自2012—2017年《內蒙古統計年鑒》，主要使用呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市的2012—2017年的GDP總值、第一產業總值、第二產業總值、第三產業總值、能源消費總量、年末就業人員、城鎮年末就業人員和非城鎮年末就業人員8類數據。

3)高分一號影像數據。2017年12月20日、22日和23日獲取的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市范圍的高分一號影像數據，分辨率為2 m。在數據使用前做了輻射校正、圖像融合、幾何校正、正射校正等標準化處理。

4)市級行政邊界數據來自內蒙古自治區自然資源廳(http：//zrzy.nmg.gov.cn/bsfw/bzdt/)。

注：該圖基于內蒙古自治區自然資源廳標準地圖服務下載的審圖號為蒙S(2017)028號的標準地圖制作，底圖無修改。圖2 2012—2017年呼包鄂城市群夜間燈光影像

1.3 研究方法

1)標準差橢圓方法。標準差橢圓方法是根據研究對象的點要素分布來分析區域空間的分布特性。點要素在X方向和Y方向的標準差作為橢圓的長軸和短軸，用來度量一組數據的方向和分布。橢圓長軸由正北方向順時針旋轉的角度作為方位角，用以表示要素主趨勢方向，根據橢圓面積的大小變化和重心移動距離來分析城市規模在空間上的集中程度和方向變化趨勢[26]。本文基于2012—2017年夜間燈光影像，對比分析呼包鄂城市群夜間燈光動態變化。

2)夜間燈光值統計方法。根據呼包鄂城市群夜間燈光遙感影像亮值像元，統計各分區2012—2017年夜間燈光總值，來表征不同區域夜間燈光分布強度變化情況。

3)線性回歸方法。線性回歸是利用數理統計中回歸分析來確定2種或2種以上變量間相互依賴的定量關系的一種統計分析方法[27]。本文使用線性回歸方法中精度較高的線性回歸模型，根據統計年鑒收集到的2012—2017年呼包鄂城市群8種社會經濟參量，構建夜間燈光總值和各經濟參量之間的線性回歸模型關系，說明二者之間的關聯程度。

2 結果與分析

2.1 呼包鄂城市群夜間燈光強度趨勢分析

圖3展示了2012—2017年呼包鄂城市群總體夜間燈光總值和年度增長率變化的結果。從圖2(a)可以看出：2012—2017年間呼包鄂城市群夜間燈光總值總體上呈現先降后升的“V”字形態勢，2012年為這6年的最高值，之后下降，到2015年降至最低；從2016年開始，夜間燈光總值開始有所恢復。從圖2(b)則可以看出：呼包鄂城市群夜間燈光增長率在2013—2015年間為負增長，最低點在2014年，為-0.32%；2014年之后呼包鄂城市群夜間燈光增長率呈現持續上升的趨勢，2016年之后呈正增長趨勢。

呼包鄂三大城市各自的夜間燈光增長率變化趨勢與城市群整體變化趨勢較為一致，如圖4所示。2012—2015年間，除包頭市在2013年呈正增長外，其他均為負增長，且在2014年達到最低值，增長率從低到高依次為呼和浩特市(-0.48%)、鄂爾多斯市為(-0.29%)、包頭市(-0.28%)；2015年夜間燈光增長率整體有所上升，至2016年呼和浩特市和鄂爾多斯市夜見燈光實現正增長，增長率分別為0.20%和0.05%，且鄂爾多斯市增速高于呼和浩特市。

圖3 呼包鄂城市群總體夜間燈光總值和增長率變化

圖4 呼包鄂城市群分區夜間燈光增長率對比

圖5顯示了3個城市夜間燈光總值分屬2種不同的變化趨勢。①先降后升形。在2012—2015年間鄂爾多斯市夜間燈光總值在整體上呈現先下降后上升的“U”字形態勢，2012年為其最高值，2013—2015年間持續下降之后，2016年開始大幅上升。②逐步下降型。呼和浩特市夜間燈光總值在2012—2015年間持續下降，從2016年開始有所上升，但上升幅度不明顯。包頭市夜間燈光總值在2013年達到其最高值之后，2014—2016年間持續下降，直到2017年也沒有明顯恢復的趨勢。由此可見，鄂爾多斯市前期存在大量下降情況，但整體有所上升，后期發展潛力與后勁十足，而呼和浩特市和包頭市的夜間燈光增速逐漸降低甚至有持續下降趨勢。

圖5 呼包鄂城市群分區夜間燈光總值變化趨勢分析

2.2 呼包鄂城市群夜間燈光空間變化分析

注：該圖基于內蒙古自治區自然資源廳標準地圖服務下載的審圖號為蒙S(2017)028號的標準地圖制作，底圖無修改。圖6 2012—2017呼包鄂城市群夜間燈光變化分布圖

1)夜間燈光空間變化格局特征計算。利用2012年和2017年的差值，本文得到了2012—2017年呼包鄂城市群夜間燈光強度的變化圖，如圖6所示。圖中黑白區域表示沒有變化的穩定燈光；綠色矢量區域是夜間燈光強度增加區域；紅色矢量區域的是夜間燈光強度減少區域。可以觀察到，夜間燈光以市轄區為中心在呼和浩特、包頭和鄂爾多斯3市之間形成夜間燈光綿延區，在空間上擴展組成夜間燈光連接帶，明顯區別于其他獨立的夜間燈光區域。可以發現，城市中心區域夜間燈光變化比較穩定，局部地區存在夜間燈光的波動變化，如呼包鄂城市周邊地區夜間燈光增長較明顯，且呼和浩特市南部、包頭市北部和鄂爾多斯市東南部還存在夜間燈光下降區域。

為客觀揭示呼包鄂城市群夜間燈光總體變化趨勢，采用閾值法對燈光強度值增長10以上和10以下的變化區域進行了提取，細節效果如圖6(b)所示。同時將提取出來的燈光圖斑疊加到呼包鄂市級矢量圖上，依據其斑塊數量、斑塊總面積、平均斑塊面積和最大斑塊面積，統計了呼包鄂城市群2012—2017年燈光斑塊變化的分布情況(表1)，以此反映呼包鄂城市群夜間燈光變化的斑塊疏密程度、斑塊的擴張收縮情況、斑塊規模的平均水平和斑塊規模的極端情況。

表1 呼包鄂城市群分區燈光變化的斑塊統計

針對呼包鄂城市群分區燈光變化的斑塊屬性進行了統計分析，如圖7所示。2012—2017年間呼包鄂城市群共計有427處減少的燈光，總減少面積約為904.53 km2；187處增加的燈光，總增加面積約為496.04 km2。區域內燈光減少的平均斑塊面積范圍為1.91～2.61 km2；燈光增加平均斑塊面積范圍為1.64～3.20 km2。6年間呼包鄂城市群夜間燈光熄滅面積多于夜間燈光增加的面積，其中鄂爾多斯市的燈光增減的波動變化最為明顯。

圖7 呼包鄂城市群分區燈光變化的斑塊屬性統計

2)標準差橢圓分析。2012—2017年間，呼包鄂城市群城市夜間燈光重心呈現由東北向西南的演化特征，夜間燈光標準差橢圓規模分布范圍由41 397.08 km2增大到43 262.06 km2，增長率為4.5%，呈現空間擴張的趨勢(圖8)。分區研究發現，3市夜間燈光空間分布格局變化趨勢存在差異(圖9和表2)。其中，呼和浩特市與包頭市呈收縮趨勢，標準差橢圓面積分別減少了1 439 km2和685 km2，增長率分別為-28%和-22%，城市夜間燈光重心分別移動了4 km(西南—東北)和4 km(北—南)。鄂爾多斯市呈擴張趨勢，標準差橢圓面積增加了4 278 km2，城市夜間燈光重心由東北向西南移動了10 km。總體上，2012—2017年間只有鄂爾多斯市夜間燈光空間分布呈現空間擴張的趨勢，且夜間燈光重心移動方向與呼包鄂城市群的趨勢相一致，說明鄂爾多斯市對呼包鄂城市群體系空間規模拉動作用較強。

注：該圖基于內蒙古自治區自然資源廳標準地圖服務下載的審圖號為蒙S(2017)028號的標準地圖制作，底圖無修改。圖8 基于標準差橢圓的呼包鄂城市群夜間燈光規模及其重心變動(UTM投影)

注：該圖基于內蒙古自治區自然資源廳標準地圖服務下載的審圖號為蒙S(2017)028號的標準地圖制作，底圖無修改。圖9 分區域夜間燈光規模標準差橢圓及其重心變動(UTM投影)

表2 子區域標準差橢圓變化

2.3 呼包鄂城市群夜間燈光驅動因子分析

為客觀揭示呼包鄂城市群夜間燈光總體變化趨勢，本章采用線性回歸方法擬合夜間燈光總值與(a)GDP總值、(b)能源消費總量、(c)第一產業總值、(d)第二產業總值、(e)第三產業總值、(f)年末就業人員、(g)城鎮年末就業人員、(h)非城鎮年末就業人員共8種不同的社會經濟參量，來反映2012—2017年間呼包鄂城市群夜間燈光的動態特征，并分析其驅動因素。

各經濟參量與夜間燈光總值之間的回歸分析結果如圖10所示。GDP 總值、能源消費總量、第二產業總值、第三產業總值和城鎮年末就業人員與夜間燈光總值之間具有顯著性差異。從回歸系數上看，GDP總值和能源消費總量與夜間燈光總值的相關性最強，均高于0.8；其次是第三產業和第二產業總值，回歸系數分別為0.707 0和0.531 1，而與第一產業的關系不大，說明夜間燈光能夠很好地反映服務和工業等產業的發展水平。而年末就業人員中，城鎮年末就業人員與夜間燈光的回歸系數最高，為0.798 9；其次是非城鎮年末就業人員，為0.563 7；最低是年末就業人員，為0.463 8，這說明夜間燈光能夠很好地反映燈光集中的城市區域人口聚集狀況。再將5個通過顯著性檢驗的社會經濟參量與夜間燈光總值進行多元線性回歸分析，如表3所示。10種經濟參量組合中有5種的回歸系數高于0.9，其中夜間燈光總值與能源消費量和第二產業總值的組合具有最佳的線性回歸結果，多元回歸決定系數為0.951 9；其次為夜間燈光總值與能源消費總量和GDP總值的回歸結果，回歸決定系數為0.937 8；然后為夜間燈光總值與能源消費總量和城鎮年末就業人員的回歸結果，回歸決定系數為0.933 2。其中能源消費總量作為增強因子，在兩兩組合中都能提高相關性，說明能源消費量與夜間燈光變化強相關，呼包鄂城市群的發展受能源消費總量的驅動作用最強，能源消費是呼包鄂城市群發展的主要驅動因子。

圖10 8種經濟參量與夜間燈光總值回歸結果

表3 經濟參量組合分析結果

3 結果與分析

將研究區內燈光減少面積大于4 km2的區域與高分辨率光學遙感數據疊加，發現夜間燈光下降的54處中41處為能源開采區域。其中，選取8處典型的燈光減少斑塊，如圖11所示，可以看出燈光下降區域主要為煤炭開采礦場和煤炭生產加工的公司，同時經過網絡信息搜查和部分的走訪研究發現，這些能源開采區域為因煤礦資源開采下降導致關停的礦場或者暫停生產的礦場。

注：該圖基于內蒙古自治區自然資源廳標準地圖服務下載的審圖號為蒙S(2017)028號的標準地圖制作，底圖無修改。A為111°30′E，40°34′N；B為110°22′E，40°32′N；C為110°30′E，40°40′N；D為110°15′E，41°00′N；E為110°36′E，40°38′N；F為110°13′E，39°46′N；G為110°50′E，39°41′N ；H為110°23′E，39°24′N。圖11 夜間燈光下降區高分1號影像數據驗證

結合2012—2017年內蒙古自治區煤炭價格的走勢圖(圖12(a))，可以看出：2012年為整個煤炭經濟行業的最高點，煤炭價格最高點高達441.67元/噸；2013—2015年期間煤炭行情陷入艱難處境，煤炭價格以年均26.19%的降幅快速下降；2016—2017年煤炭價格開始回暖，但是較2012年最高價格還是低了35%，這是因為受經濟增速下滑及行業供應過剩的影響，同時國家和地方政府出臺的一系列去產能、去庫存、經濟供給側改革政策最終導致了煤炭價格的暴跌。圖12(b)展示的是呼包鄂城市群的夜間燈光總值與內蒙古自治區煤炭價格之間的對比。由于煤炭價格的波動性很大，本文將煤炭價格一年中的最高值和最低值的平均值視為當年的煤炭價格。可以發現，2012—2017年間的煤炭價格的走勢與夜間燈光總值變化具有高度的一致性。

綜合驅動因子分析，相比較其他社會經濟參量，呼包鄂城市群的夜間燈光更能體現第二產業的發展狀況，尤其是與第二產業中的能源消費總量有較高的相關性，同時結合高分辨率光學遙感數據和實地調研發現夜間燈光下降區域主要為關停的礦場。由此推斷，在2012—2017年間，由于國家基于產能的改革和升級及能源價格的大幅下跌，能源開采強度下降，一些小的礦場和礦山的關停，導致了城市群部分區域的夜間燈光消失以及總體燈光在這7年中一直波段起伏。

圖12 呼包鄂城市群煤炭價格與夜間燈光總值變化趨勢

4 結束語

本文以2012—2017年夜間燈光影像數據為數據源，探討了呼包鄂城市群夜間燈光時空變化及驅動因素，主要結論如下。

在2012—2017年間，呼包鄂城市群夜間燈光強度呈現“V”型曲線，這和呼包鄂城市群GDP的發展趨勢是一致的。夜間燈光總體呈下降趨勢，最高值出現在2012年，最低值出現在2015年，從2016年開始夜間燈光總值開始回升，但2017年總值相較于2012年還是低了0.24%。這主要和呼包鄂城市群3個城市在2012—2017年經歷了經濟改革、結構調整和產業升級有關。在歷經了2013—2015年的經濟陣痛，熬過了2015年的經濟低谷期后，2016年呼包鄂城市群整個經濟明顯有所復蘇，且發展強勁，后續潛力十足。

從呼包鄂城市群的夜間燈光強度趨勢分析來看，過去6年間，呼包鄂城市群燈光減少區域的總面積和總數量均要高于燈光增加區域的總面積和總數量，其中鄂爾多斯市的燈光增減波動最大。根據標準差橢圓分析發現呼和浩特市和包頭市呈現明顯縮小趨勢，而鄂爾多斯市呈現擴張態勢，這一趨勢與3個城市6年GDP的總體變化趨勢一致。從橢圓分析城市群的整體來看，6年間，城市群的橢圓面積有所擴展，重心向西南方向移動，即向鄂爾多斯城市核心區移動，這說明目前鄂爾多斯市對整個城市群的貢獻較大，對城市群的經濟發展起著較強的拉動作用。

通過對呼包鄂城市群夜間燈光驅動因子分析，結果表明，GDP總值、能源消費總量、第三產業總值、第二產業總值和城鎮年末就業人員與夜間燈光總值具有較高的相關性，說明夜間燈光在呼包鄂城市群城市區域不僅能夠很好地反映服務和工業等發展水平，而且可以較好地反映城鎮人口的活動情況。利用多元線性回歸分析發現，能源消費總量作為增強因子在兩兩組合中都能提高相關性，說明能源消費量與夜間燈光變化強相關。結合高分辨率遙感數據及輔助數據，對燈光減弱處進行了疊加分析，結果表明煤炭等資源產業依舊是呼包鄂城市群發展的最大驅動因素，整個城市群還是能源型城市群，能源價格會明顯影響城市群的發展，因此呼包鄂城市群在未來發展中應當在充分利用能源產業優勢的基礎上，發展更多元的經濟產業，以此提高城市的發展水平以及抗風險的能力。

總之，夜間燈光數據能夠較好反映新型城市群的發展狀況及趨勢，通過對其發展特征及驅動因素的分析，能夠更加清晰地了解城市群的發展特征和影響因素，為挖掘城市群的潛在動力和制定城市群的發展規劃提供重要的決策支撐。今后，可以利用時效更強、分辨率更高的夜間燈光數據分析經濟社會發展，以期快速了解經濟狀況，使得夜間燈光數據能夠真正成為經濟的指示燈。