西部陸海新通道城市發展時空格局演變研究
——基于夜間燈光數據

張 斌，尹 劍，邱遠宏，姜洪濤

（貴州財經大學a.大數據應用與經濟學院；b.西部現代化研究中心，貴州 貴陽 550025）

0 引言

我國“十四五”規劃綱要明確提出要以城市群和都市圈為依托，促進大中小城市和小城鎮協調聯動、特色化發展。作為支撐經濟增長的主陣地和主平臺［1］，改革開放以來我國城市化進程快速推進，區域集群化趨勢日益顯著［2］。然而，限于自然條件和經濟發展水平等因素的影響，中西部地區仍然存在城鎮化水平較低、城鎮化發展不平衡等問題。2019 年8 月，國家發改委正式發布《西部陸海新通道總體規劃》，為我國西部地區深度參與區域經濟交流與合作帶來了新契機。在新的歷史發展機遇期，如何構建西部陸海新通道發展新格局，發揮全方位承東啟西、連南接北的戰略功能，是促進中西部地區戰略崛起和全面深化改革開放的核心要義。因此，聚焦西部陸海新通道城市規模變化趨勢，了解城市規模體系時空演變規律，對于合理優化城市規模空間布局，深入推進區域協調發展戰略實施和推進新型城鎮化建設具有重要意義。

當前，對于西部陸海新通道區域的研究主要集中于城市網絡特性［3］、交通物流建設［4］和區域協作機制構建［5，6］等方面。自西部陸海新通道戰略正式實施以來，如何實現該區域協調高質量發展逐漸成為國內學者的研究熱點。宗會明等［7］運用可達性分析和重力模型等方法對我國西南地區與東南亞國家陸路交通可達性進行了研究；馬子紅［8］就西部陸海新通道建設與西部開發格局關系重塑進行了探究。但綜合當前學者對西部陸海新通道的研究可以看出，研究多從理論探討等視角展開［9］，實證分析也多聚焦于研究區域整體層面，微觀尺度下的實證研究較少。為實現“完善新型城鎮化戰略，提升城鎮化發展質量”的發展目標，立足西部陸海新通道區域內城市視角，探討城市規模及其空間結構變化特征的實證研究亟待開展。

國內外關于城市規模空間結構的研究已取得較為豐富的成果，研究方法由基于傳統統計數據的空間分析轉變為綜合空間大數據的多維分析。其中，以夜間燈光為代表的遙感影像數據在城市空間規模研究中的應用日益受到學者關注。與傳統統計數據相比，夜間燈光數據具有數據量小、時間分辨率高、時序穩定性［10］等特點，能夠有效反映城市的多維特征。在分析城市規模體系分布，探討城市空間發展格局方面具有明顯優勢。Jiang 等［11］基于DMSP/OLS數據對非洲地區城市增長特征進行了分析研究；沈潔［12］借助夜間燈光數據考察了我國城市集中度及其分異特征；徐慧敏等［13］探討了1993—2012 年我國省級行政區和經濟區的城市規模分布特征。從研究內容看，主要集中于城市群空間結構［14-16］、城市規模時空演變［17］和城市核心區域測度［18］等方面；從研究方法看，主要運用核密度估計［12］、空間數據分析［19］、城市位序—規模分布［20］、探索性空間數據分析［21］等 方 法；從 研 究 尺 度 看，逐 漸 由 大 洲［22］、國家［13］等較大尺度區域向城市群［23］、經濟區［18，24］等微觀尺度轉變，部分學者從縣域層面［25］對城市發展特征進行了分析。然而，聚焦于經濟欠發達地區城市時空格局變化的研究相對較少。

本文從西部陸海新通道整體和區域內城市出發，基于1998—2018 年夜間燈光數據，利用統計分析、方向性分析、位序—規模法則、空間自相關和修正引力模型等方法，在研究區域城市發展時空格局演化特征基礎上，分析了區域經濟聯系協調變化趨勢，以期為推進西部地區實現綠色和高質量發展提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

《西部陸海新通道總體規劃》涉及內蒙古、新疆、西藏、青海、陜西、寧夏、甘肅、云南、貴州、四川、重慶、廣西、海南13 個省份和廣東省湛江市，地理范圍跨度較大，各地區在經濟發展水平、城鎮化率和資源稟賦等方面差異較大。截至2020 年末，研究區域內地區生產總值達21.33 萬億元，常住總人口約3.82億人。基于各地區地理區位和當前經濟社會發展實際，本文選取內蒙古、新疆、西藏、青海、陜西、寧夏、甘肅、云南、貴州、四川、重慶、廣西12 個經濟欠發達、需要加強開發的省份作為研究區域，探究其城市空間格局演變規律（圖1）。

圖1 研究區行政區劃Figure 1 Administrative division of the study area

1.2 數據來源

本文所使用的夜間燈光數據來源于中國研究數據服務平臺（CNRDS）全球夜間燈光數據庫（GNLD）。該數據庫基于美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）發布的DMSP/OLS 和VIIRS/DNB 夜間燈光遙感影像開發而成，提供了校正后我國不同層級尺度夜間燈光數據。由于本文研究時期跨度較大，研究區域內存在個別市縣成立、合并和更名等情況，考慮到研究數據的可比性、連續性和可得性，統一按照2020 年行政區劃進行調整。鑒于夜間燈光數據的可獲得性，本文選取1998 年、2008 年、2018 年3 個年度作為研究時期。經濟社會和人口數據來源于對應年份的《中國城市統計年鑒》，對于個別缺失數據采用插值法進行補齊。城市群行政區劃范圍來自各城市群發展規劃。

2 研究方法

首先，本文基于夜間燈光數據構建城市夜間燈光平均強度和夜間燈光平均強度增長率指標，分析西部陸海新通道城市夜間燈光變化趨勢，并運用標準差橢圓方法探討了城市規模空間演變特征。其次，運用位序—規模法則分析西部陸海新通道區域內城市發育情況及其等級體系變化趨勢，綜合人口統計數據與夜間燈光數據進行局域空間自相關分析，以有效識別人口和夜間燈光在局部尺度上的空間差異情況。最后，本文立足于城市群視角，通過構建修正引力模型分析和探討研究區域城市群空間的關聯特征。

2.1 夜間燈光平均強度

全球衛星觀測夜間燈光數據是一種遙感數據，能很好地表征人類活動，目前已成為科學界應用最為廣泛的地理空間數據產品之一。夜間燈光在一定程度上彌補了傳統統計數據存在的統計口徑不一致等問題，廣泛應用于城市規模測度等領域。為分析西部陸海新通道區域內城市夜間燈光增長規模和分布特征，參考相關研究［17，26］，本文構建了夜間燈光平均強度和夜間燈光平均強度增長率兩個指標。計算公式為：

式中：DNi為區域內第i 個柵格單元的DN 值；n 為柵格的數目；ANLI 即為區域內夜間燈光平均強度；r 為夜間燈光平均強度增長率。

2.2 標準差橢圓

空間要素在一定時間尺度上的整體特征可能具有不同的動態特征，從多維視角對研究區域城市擴張特征進行探究，可為描述和理解城市規模的空間分布及時空演化過程提供支撐［27］。當前，標準差橢圓方法已經被廣泛應用于空間要素在特定范圍內的整體分布及其方向性趨勢的識別，因此本文擬采用標準差橢圓方法來揭示研究區域城市整體發展方向性特征及其重心遷移規律［26］。標準差橢圓重心計算公式為：

2.3 城市位序—規模法則

完善合理的城市體系分布結構有利于城市職能分工和經濟社會整體發展［28］。本文采用位序—規模法則分析和探究西部陸海新通道區域內城市規模體系變化特征。位序—規模法則是指一個城市的規模和該城市在國家所有城市按人口規模排序存在的規律，作為當前研究等級體系最廣泛和最經典的方法［29］，在一定程度上可以闡述城市位序與規模分布之間的關系。計算公式為：

式中：Pr為第r 個城市的夜間燈光平均強度；K為最大城市的夜間燈光平均強度；Ri為城市Pr 的位序；q 為捷夫指數。

當q ＝1 時，對數變化為：

式中：lgRi值反映第一城市的夜光規模。如果q 的絕對值趨近于1，說明各級城市夜光規模分布接近理想狀態；如果q 的絕對值大于1，說明城市夜光規模分布較為集中，大的城市發育度較好，而中小城市不夠發達；如果q 的絕對值小于1，說明城市夜光規模分布比較分散，高位次城市夜光規模不夠突出，而中小城市發育度較好。

2.4 局域空間自相關

局域空間自相關分析從局部尺度上測算空間要素間的相互關系和差異程度［30］，實現了對空間要素聚集范圍的具體確定。本文選取研究區域各城市人口統計數據和夜間燈光數據，采用多邊形一階臨階標準構建權重矩陣分析人口規模和夜間燈光在局部空間集聚的差異特征。計算公式為：

式中：I 為局域空間自相關指數；wij權重矩陣；Zi和Zj分別表示要素數據的標準化形式。

2.5 修正引力模型

城市空間聯系實現了不同地區間資源要素、信息技術的交流，在實現自身發展的同時，輻射帶動周邊區域發展。參考相關研究［31-33］，本文選取各城市群地區生產總值、年末總人口和夜間平均燈光強度等指標構建以下修正引力模型，探討城市群間空間輻射帶動效應。

式中；Rij為城市群i 和城市群j 間的聯系強度；kij為修正引力系數；Pi和Pj分別為城市群i 和城市群j 的年末總人口；Gi和Gj分別為城市群i 和城市群j 的地區生產總值；ANLIi和ANLIj為城市群i 和城市群j 的夜間燈光平均強度；Dij為城市群i 和城市群j 之間空間距離。鑒于當前各城市群之間主要交通運輸方式不同，為構建統一的空間距離衡量標準，本文利用ArcGIS軟件量測算得到各城市群之間空間距離（Dij）。

3 結果及分析

3.1 夜間燈光強度分析

不同時期西部陸海新通道區域內夜間燈光平均強度前20 位城市如圖2 所示，夜間燈光平均強度增長率前20 位與后20 位城市如圖3 所示。整體來看，各城市夜間燈光平均強度均呈現出明顯增長的特征。1998—2018 年，夜間燈光平均強度數值排名前20 位的城市多為成都市、西安市、銀川市等省會城市，可見省會型城市在城市規模、經濟規模等方面具有明顯的特征優勢；阿里地區夜間燈光平均強度增長率變化最為顯著，增長了近150 倍；夜間燈光平均強度增長率排名最后兩位的攀枝花市、吐魯番市分別達到了18.2%和16.4%，變化較為明顯。從夜間燈光強度排名及其增長率差異性來看，規模較小城市發展潛力較大，夜間燈光平均強度增長態勢明顯優于省會型城市。自實施西部大開發戰略以來，我國西部地區在城市規模、經濟水平、產業結構等方面取得了明顯提升，加之各地區多種發展政策的支持引導，西部陸海新通道區域內城市綜合水平實現了顯著提升。

圖2 1998 年、2008 年、2018 年夜間燈光平均強度前20 位城市Figure 2 Top 20 cities with average nighttime light intensity in 1998，2008 and 2018

圖3 夜間燈光平均強度增長率前20 位與后20 位城市Figure 3 Top 20 and last 20 cities in the average nighttime light intensity growth rate in 1998 and 2018

3.2 城市規模空間變動特征分析

研究區域標準差橢圓參數變化結果如表1 所示。整體來看，1998—2018 年間西部陸海新通道城市體系空間分布整體呈現“由西向東，由北向南”的演變格局。標準差橢圓面積呈逐漸減小的變化趨勢，表明該區域城市體系愈加集中。標準差橢圓坐標重心由1998 年的（103°805′E、33°635′N）變化為2018年的（105°015′E、32°331′N），呈現由西北向東南方向移動的特征，其中2008—2018 年重心推移量最大。綜合標準差橢圓重心地理位置來看，西部陸海新通道城市體系重心1998 年、2008 年均位于九寨溝縣，2018 年移動至青川縣。標準差橢圓長軸長度呈縮短特征，短軸長度呈擴張特征，長軸伸縮幅度大于短軸。長短軸之比從1998 年的1.728 變化為2018年的0.726，說明西部陸海新通道區域內城市規模空間格局在東西方向擴張，在南北方向收縮。橢圓方位角由131.7°順時針旋轉為142.88°，西北—東南方向變化幅度較大，該方向上的城市起到了推動城市規模時空演變的主要拉力作用。

表1 1998 年、2008 年、2018 年夜間燈光強度的標準差橢圓參數Table 1 Standard deviation ellipse parameters of the night light intensity in 1998，2008，and 2018

3.3 城市規模體系演變特征分析

研究區域內城市夜間燈光平均強度位序—規模雙對數圖及｜q ｜值時間序列如圖4 所示，回歸模型結果在0.01 置信水平下均通過顯著性檢驗。綜合來看，西部陸海新通道規模位序靠前的城市規模位于擬合線下，其城市規模的實際值小于理論值，城市規模未來有進一步提升的空間。規模位序越靠后的城市偏離擬合線程度較大，城市規模差距有待進一步縮減。從｜q ｜值變化來看，1998—2018 年的｜q ｜值始終大于1，城市規模首位度分布較為顯著。由此說明，西部陸海新通道區域內城市夜光規模分布總體上較為集中，呈現區域性聚集分布，高位序城市發育度較好而中小城市不夠發達。同時，｜q ｜值總體上呈現逐漸下降的趨勢，由1998 年的1.6732 下降至2018 年的1.2554，表明該區域內城市規模結構逐漸由強首位向弱首位轉變，城市規模分布逐漸趨向于分散結構。總體上，在大中城市的輻射帶動作用下，中小城市規模結構發育較快，西部陸海新通道區域內城市規模結構逐漸向大中小城市協調發展狀態轉變，城市規模結構狀況正趨向于合理的位序—規模分布。

圖4 1998—2018 年城市位序—規模雙對數值及｜q ｜值時間序列Figure 4 City′s rank- size plots and the values of ｜q｜from 1998 to 2018

3.4 城市空間集聚特征分析

城鎮化的不斷推進使得區域人口向中心城市集聚的態勢更為明顯［34］，人口的流動與分布在一定程度上可以表征區域城市規模的發展趨勢。為解決夜間燈光值存在不能完全反映真實城市發展水平問題，提高研究結果的可靠性，本文綜合人口統計數據與夜間燈光數據，采用雙變量疊加分析識別西部陸海新通道城市發展空間集聚特征，以探尋西部陸海新通道區域內城市規模的演變趨勢，結果如圖5 所示。

圖5 1998 年、2008 年、2018 年夜間燈光平均強度和人口雙變量局域空間自相關分布Figure 5 Local spatial autocorrelation of average nighttime light intensity and population average in 1998，2008，and 2018

整體來看，西部陸海新通道區域內不同聚類類型變化特征具有明顯差異性。從聚類類型空間分布來看，H - H 類型城市的空間格局變化最為明顯，1998年H- H 類型僅為成都、德陽和內江，2008 年變化為成都、重慶等9 座城市，2018 年城市數量增加到14 座城市。綜合地理位置來看，H- H 類型城市主要集中于成渝城市群，作為西部大開發的主平臺和主戰場，成渝城市群在資源稟賦、地理區位等方面優勢明顯，城市綜合發展水平較高，輻射帶動周邊城市發展；L- L 類型城市數量由1998 年的34 座逐漸減小為2018 年的28 座，集中分布于西藏、青海和新疆等地區；該區域自然環境主要為高原、沙漠，人口聚集和城市規模擴張均受到嚴重制約；L- H類型主要分布于成渝城市群，關中平原城市也少有分布，空間格局變化呈逐漸減少趨勢；H- L類型變化特征不明顯，分布數量較少，主要為烏魯木齊和克拉瑪依兩座城市，周邊城市資源要素逐漸向該城市聚集，產生一定程度的“虹吸效應”。

3.5 城市群規模空間特征分析

在整體分析西部陸海新通道區域城市規模時空格局變化的基礎上，本文聚焦西部陸海新通道區域內城市群規模發展趨勢，選取成渝城市群、關中平原城市群和黔中城市群在內的9 個城市群作為研究子區域，從微觀角度探求城市規模的集中程度和變動方向。鑒于北部灣城市群、關中平原城市群所轄大部分城市位于研究區域內，為體現城市群發展的整體性，本文以《北部灣城市群發展規劃》和《關中平原城市群發展規劃》規劃區域作為研究范圍。1998年、2018 年城市群標準差橢圓及重心變動如圖6 所示，城市群標準差橢圓變化情況統計結果見表2。

表2 1998、2018 年城市群夜間燈光強度標準差橢圓變化Table 2 Standard deviation ellipse change of night light intensity in urban agglomerations in 1998 and 2018

圖6 1998 和2018 年城市群夜間燈光強度標準差橢圓分布Figure 6 Distribution of standard deviation ellipse of night light intensity in urban agglomeration in 1998 and 2018

1998—2018 年各城市群城市規模空間均呈顯著擴張特征，但又各具特色。從標準差橢圓空間增長率來看，關中平原城市群空間增長最為明顯，空間增長率達41.42%；滇中城市群空間增長率較低，空間增長率為10.75%。從空間擴張方向來看，北部灣城市群、滇中城市群、黔中城市群、蘭西城市群和關中平原城市群呈向西北方向擴張格局；寧夏沿黃城市群呈向東南方向擴張格局；呼包鄂榆城市群呈向西南方向擴張格局；天山北坡城市群呈向東北方向擴張格局；成渝城市群在空間格局上分布較為集中，標準差橢圓向東北—西南方向擴張。從城市規模重心移動方向來看，北部灣城市群、滇中城市群、黔中城市群、蘭西城市群、天山北坡城市群和關中平原城市群重心向西北方向偏移，成渝城市群、寧夏沿黃城市群重心向東南方向偏移，呼包鄂榆城市群重心呈向西南方向偏移。

3.6 城市群空間關聯特征分析

西部陸海新通道城市群空間關聯強度變化具體如圖7 所示。總體上看，城市群間空間關聯強度顯著增強，空間關聯網絡逐漸復雜。1998年，城市群關聯強度排名前兩位的分別是成渝城市群—黔中城市群、關中平原城市群—成渝城市群，關聯強度分別為81.045 和71.992；關聯強度排名后兩位的為黔中城市群—天山北坡城市群、寧夏沿黃城市群—天山北坡城市群，關聯強度僅為0.085 和0.054。2008年，各城市群間空間關聯強度得到極大提升，城市群關聯強度排名最高的依然為成渝城市群—黔中城市群，關聯強度增長了近3.5 倍；城市群關聯強度排名最低的是寧夏沿黃城市群—天山北坡城市群，關聯強度也實現了近3.5 倍增長；2018 年，各城市群間空間關聯強度進一步提升，關聯強度在105.483 以上的點對數由2008 年的4 條增加為20 條。關聯強度排名第一的為成渝城市群—黔中城市群，關聯強度較2008 年增長了近5.8 倍。綜合來看，西部陸海新通道區域內各城市群對外聯系程度不斷加深，與周邊城市群的聯系日益緊密。成渝城市群與周邊城市群空間關聯強度更為顯著，輻射帶動作用明顯。同時，城市群間關聯強度存在不均衡性，并隨著時間的發展愈加突出。

圖7 1998 年、2008 年、2018 年城市群關聯強度Figure 7 Connection degree between urban agglomerations in 1998，2008 and 2018

4 結論與建議

4.1 結論

基于夜間燈光遙感影像大面積同步觀測、時效性強等優勢，本文綜合運用統計分析、標準差橢圓、位序—規模法則、局域空間自相關分析和修正引力模型等研究方法，對1998—2018 年西部陸海新通道區域內城市發展的時空動態過程及其演化趨勢進行分析。主要結論如下：①各城市夜間燈光平均強度均有顯著增長，省會型城市夜間燈光平均強度排名較高，規模較小城市夜間燈光平均強度增長態勢較為明顯。研究期內，西部陸海新通道城市空間擴展方向整體上呈現“由西向東，由北向南”的演變格局，城市連通性進一步增強。區域內城市群規模呈顯著擴張，關中平原城市群最為明顯。②西部陸海新通道區域內城市規模結構逐漸由強首位向弱首位轉變，城市規模體系逐漸向大中小城市協調發展狀態轉變，城市規模結構逐漸趨向于合理的位序規模分布。③綜合西部陸海新通道區域內局域空間自相關結果，成渝城市群發展較快，在西部陸海新通道中空間輻射能力不斷增強；天山北坡城市群內烏魯木齊和克拉瑪依城市發展較好，但周邊城市規模有待提升。④城市群間空間關聯強度顯著增強，成渝城市群逐漸發展為城市群空間關聯網絡的核心，但各城市群空間關聯不平衡性特征依然存在。

4.2 建議

對策建議：①強化城市間空間聯系能力。各城市應以西部陸海新通道建設為發展契機，加快交通和物流等基礎設施建設，提高與周邊城市間在經濟、技術和信息等方面的聯系能力，提升城市整體綜合發展水平。②加快提升中心城市綜合水平。鑒于當前西部陸海新通道區域內結構合理的城市規模體系尚未形成，應注重對中心城市和省會城市的培育。通過政策支持、資源調配等手段，重點支持成渝城市群建設，持續發揮空間輻射效應，帶動周邊小城市發展。③建立區域協調發展機制。打破區域間行政壁壘，提高資源配置效率，在發揮對大城市輻射帶動作用的同時，給與中小城市更多的發展機遇。

4.3 討論

從近年西部陸海新通道城市發展的演變情況來看，未來區域內城市將朝著聯動加強、協調發展的趨勢演進，并凸顯城市群作用。具體表現為：①西部陸海新通道城市空間格局未來有向東南方向移動的趨勢，以成渝城市群為核心的向心集聚狀況可能會越加集中；城市規模首位度在逐漸減小，單體城市規模結構逐漸向協調發展狀態轉變。②西部陸海新通道區域內中心城市經濟、人口集聚能力顯著提升的趨勢還將持續；城市規模在實現進一步擴張的同時，輻射帶動周邊中小城市實現規模發展，逐漸形成大中小城市聯動發展的空間格局；城市之間的合作將更加密切，城市群將成為主要的區域經濟交互單元。③西部陸海新通道區域內各城市群空間規模、城市密度將得到進一步提升；成渝城市群、關中平原城市群和北部灣城市群在城市發展水平、經濟規模等方面優勢明顯，空間集聚能力逐步增強，將促進空間結構更加完善和成熟，可能會以擴大城市群邊界或吸納周邊城市群的形式，形成特大城市群。本文得出成渝城市群與黔中城市群的經濟聯系強度增加趨勢越發顯著。隨著近年來成都—重慶—貴陽的中心城市為軸心的三角形交通網絡的構建完善，區域通勤時間明顯縮短、相互聯系更加密切，存在聯合形成更大城市群的潛力。

研究采用位序—規模方法探討了西部陸海新通道城市規模體系的等級變化，并結合雙變量空間自相關研究了人口—經濟對城市體系的影響，進一步借助引力模型研究了城市、城市群的輻射聯動效應，可為西部陸海新通道城市協調發展提供一定的政策支持，同時也可為城市體系的相關研究提供參考。夜間燈光強度是可供實現多尺度空間分析的有效數據源，包含較多的空間信息，本文重點探討了其均值強度的指標。借助機器學習方法可以實現其包含的多重信息挖掘，并能突破傳統行政邊界實現城市形狀與密度變化、建成區擴張與收縮、城市功能變遷的分析，更詳細地刻畫城市、城市群的交互關系，這將在后續的研究中體現。另外，交通作為城市人流、物流、信息流的重要載體，是反應城市聯系的關鍵要素，結合經濟網絡與交通網絡，利用復雜系統分析方法探討西部陸海新通道城市的空間聯系值得進一步研究。此外，限于研究數據的可獲得性，本研究較少考慮多源指標，后續研究將借助區域經濟大數據挖掘，建立多維度、多要素的城市發展測度模型，以更加精準地測度城市空間關聯特征，從不同空間尺度探討西部陸海新通道城市空間擴張趨勢及其內在動力機制。