基于夜光遙感的哈長城市群城市建城區(qū)時空格局變化研究

趙 琦 朱紫琳 矯 健 丁文杰

吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院 吉林長春 130118

城市化正處于快速發(fā)展階段，城市化最主要表現(xiàn)就是城市建成區(qū)的擴張變大。城市建成區(qū)的變化是進行城市群內(nèi)部變化格局分析和其他城市化分析的前提基礎(chǔ)。哈長城市群是我國東北地區(qū)最大的城市群，國家層面上已確立了哈長城市群是東北老工業(yè)基地振興發(fā)展的重要增長極和北方開放重要門戶等戰(zhàn)略地位。當(dāng)下正值國家深入實施區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略和推進全面振興東北老工業(yè)基地的背景下，哈長城市群城市化進程必然成為國家和社會關(guān)注的熱點，因此研究哈長城市群城市化進程具有重要的意義。遙感數(shù)據(jù)是進行城市擴展變化監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源，利用遙感技術(shù)監(jiān)測城市擴展變化被廣泛應(yīng)用。近年來，在城市化進程研究上，人們越來越關(guān)注對夜光遙感數(shù)據(jù)的信息挖掘。夜光遙感能夠探測低光能力，在夜間城市與鄉(xiāng)村形成明顯的明暗對比，有利于識別城市地區(qū),夜光遙感在城市化進程相關(guān)研究中具有獨特的優(yōu)勢。利用夜光遙感研究城市群城市化發(fā)展已是一個熱點話題，已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，諸如長江中游城市群、環(huán)渤海城市群、京津冀、長三角城市群、珠三角城市群、東北三省城市群等空間格局演變研究等。

目前，常用的夜光遙感數(shù)據(jù)有：DMPS-OLS數(shù)據(jù)(時間跨度：1992—2013年)和NPP-VIIRS(時間跨度：2011年—今)，但由于二者時間跨度不統(tǒng)一且不可比，我國學(xué)者陳佐旗博士和余柏蒗教授等人生產(chǎn)了首套2000—2018年覆蓋全球500米分辨率的“類NPP-VIIRS”夜間燈光數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集解決了DMPS-OLS和NPP-VIIRS無法同時使用的問題并已經(jīng)通過了不同空間尺度下的精度質(zhì)量驗證，為城鎮(zhèn)化研究提供了新的可靠的、連續(xù)長時間序列數(shù)據(jù)源。綜上，本文基于2000—2018年的“類NPP-VIIRS”夜間燈光數(shù)據(jù)集，從城市建成區(qū)面積變化和面積增長率等方面來分析近二十年來哈長城市群空間變化格局的規(guī)律特點。

一、研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)

(一)研究區(qū)概況

哈長城市群是國家級城市群之一，包括黑龍江省哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市，吉林省長春市、吉林市、四平市、遼源市、松原市、延邊朝鮮族自治州。哈長城市群發(fā)展規(guī)劃明確指出，加強哈爾濱、長春兩地的核心輻射作用，以哈長發(fā)展為主軸，以哈大齊牡、長吉圖為發(fā)展帶，構(gòu)建“兩核一軸兩帶”的城市群發(fā)展空間布局。

(二)數(shù)據(jù)源概況

本文使用數(shù)據(jù)源包括以下：(1)2000—2018年的類“NPP-VIIRS”夜間燈光數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)通過網(wǎng)上(https：//doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD)獲取，其空間分辨率為15弧秒，空間坐標(biāo)系為WGS 84坐標(biāo)系；(2)2000—2018年哈長城市群城市建成區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)：來源于吉林省統(tǒng)計局、黑龍江省統(tǒng)計局平臺統(tǒng)計年鑒，用于確定提取城市建成區(qū)的最優(yōu)閾值；(3)哈長城市群的行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)：來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)，比例尺1∶25萬。

二、研究方法與分析

(一)研究方法

本研究的主要流程：數(shù)據(jù)裁剪、基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比法進行城市建成區(qū)提取、城市群空間變化分析。城市建成區(qū)提取流程如圖1。

圖1 城市建成區(qū)提取流程

首先將哈長城市群內(nèi)各市行政區(qū)劃邊界矢量化，并投影為WGS 84坐標(biāo)系，獲得哈長城市群行政區(qū)劃邊界。其次，基于哈長城市群行政區(qū)劃邊界裁剪夜間燈光數(shù)據(jù)，獲得哈長城市群夜間燈光數(shù)據(jù)。在黑龍江省統(tǒng)計年鑒和吉林省統(tǒng)計年鑒中統(tǒng)計整理出2000—2018年各市城市建成區(qū)面積。

目前，國內(nèi)外利用夜光遙感影像提取城市建成區(qū)的主要方法是利用閾值對影像進行分類，主要方法有：突變檢測法、經(jīng)驗閾值法、統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比法和較高分辨率影像空間對比法。由于突變檢測法確定閾值的實際工作量大、經(jīng)驗閾值法受主觀影響較大，閾值確定不穩(wěn)定，造成誤差較大、較高分辨率影像空間對比法在大區(qū)域研究中成本較高、工作量大等因素影響。相比于上述三種方法，統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比法以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)具有較強的客觀性、統(tǒng)計數(shù)據(jù)易獲得、精度較高的優(yōu)點。故本研究選擇了統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比法作為確定閾值的方法。

在ArcGIS中依次分別計算出2000—2018年哈長城市群夜間燈光數(shù)據(jù)的燈光亮度值與面積。在分別統(tǒng)計將各年計算面積與統(tǒng)計數(shù)據(jù)中建成區(qū)面積差值最小的閾值，作為最優(yōu)閾值。在最優(yōu)閾值下提取的面積即為哈長城市群城市建成區(qū)面積。圖2為提取的城市建成區(qū)，針對哈長城市群城市建城區(qū)的提取結(jié)果，采用面積誤差統(tǒng)計進行精度驗證，各年城市建成區(qū)提取誤差的絕對值均在10%以內(nèi)，提取的平均精度誤差為1.4%，符合精度要求。

圖2 哈長城市群2001、2006、2012、2018年城市空間格局變化

(二)分析

本文基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)法對2000—2018年哈長城市群城市建成區(qū)進行提取，計算城市群建成區(qū)面積變化率及各城市面積變化率。面積變化率計算公式如下：

(1)

其中、為城市建成區(qū)初期和末期的面積；為時間間隔。

2000—2018年哈長城市群城市建成區(qū)面積持續(xù)增長，但各城市之間有著較大差距。哈爾濱、長春的城市建成區(qū)面積遠大于城市群內(nèi)其他城市建成區(qū)面積。大慶、齊齊哈爾、牡丹江、吉林、延邊的城市規(guī)模中等，綏化、松原、遼源的城市建成區(qū)面積較小。從城市群總體來看，城市建成區(qū)面積變化處于一個“增長—保持穩(wěn)定—增長”的狀態(tài)(見圖3)。2000—2007年哈長城市群城市化建設(shè)呈上升階段，2007—2015年哈長城市群城市化發(fā)展較平穩(wěn)，2016年后有增長趨勢。從哈長城市群總體空間格局來看，目前已形成以哈爾濱、長春為核心城市，哈爾濱長春為發(fā)展主軸。大慶市、齊齊哈爾市、綏化市、牡丹江市、吉林市、四平市、遼源市、松原市、延邊朝鮮族自治州為圍繞城市的“兩核一軸兩帶”的城市群發(fā)展空間布局。

圖3 2000—2018哈長城市群城市建成區(qū)變化率

三、結(jié)論

本文利用2000—2018年“類NPP-VIIRS”夜間燈光數(shù)據(jù)集、城市建成區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)法對哈長城市群城市建成區(qū)進行提取，從城市群面積變化率、各城市面積變化率分析哈長城市群城市化進程情況。結(jié)果如下：

(1)2000—2018年哈長城市群整體城市化進程處于“增長—保持穩(wěn)定—增長”的狀態(tài)，整體保持城市化上升發(fā)展。

(2)從各城市建成區(qū)面積變化來看，以長春、哈爾濱為核心的城市，正在以哈爾濱長春為發(fā)展主軸向周邊城市擴張，形成“兩核一軸兩帶”的城市群發(fā)展空間布局。

(3)哈長城市群整體發(fā)展趨勢較好，但城市群內(nèi)部發(fā)展卻處于一個不平衡狀態(tài)，如遼源、綏化、松原等城市建成區(qū)變化較小，發(fā)展水平較低。

目前哈長城市群發(fā)展已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，正值國家深入實施區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略和推進全面振興東北老工業(yè)基地的背景下，未來哈長城市群要繼續(xù)以《哈長城市群發(fā)展規(guī)劃》為引導(dǎo)，深化“兩核一軸兩帶”的空間結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮長春哈爾濱核心城市的作用，加強內(nèi)部城市之間的聯(lián)系及協(xié)調(diào)發(fā)展，繼續(xù)加強長春、哈爾濱的核心作用，輻射周邊城市，提升核心力量，形成內(nèi)部城市聯(lián)動的發(fā)展局面，實現(xiàn)東北經(jīng)濟振興發(fā)展的宏偉目標(biāo)。