基于夜光遙感的粵港澳大灣區人口空間化研究

黃鐵蘭 揭 彬 楊王意 陳沿輯

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州 510510）

人口空間分布，是指一定時間內人口在地域上的分布情況，反映了特定時空背景下的人地關系，是人口地理研究的核心問題[1]。現有的人口統計數據，大多以行政區劃為單元匯總人口，時空分辨率較低，且與地理環境等因素未能有效結合，不利于高精度的人口科學研究[2]。因此，需要開展人口空間化研究。人口數據空間化是指選取影響人口空間分布的指標進行建模，將人口統計數據合理地分配到格網單元上[3]。隨著夜光遙感技術的快速發展，其廣泛應用到城市擴展、人口空間化等各個方面，很多學者都將夜光遙感數據與土地利用數據、人口經濟數據結合起來，進行人口空間化研究[4-9]。

本文以粵港澳大灣區為研究區，采用DMSP/OLS、珞珈一號夜光遙感數據和人口統計數據，建立夜間燈光總量與人口統計數值的線性回歸模型對人口數據進行空間化，并通過人口重心模型和人口偏移分享模型分析人口的分布變化情況，為大灣區可持續發展有重要的參考價值。

1 研究區及數據源

1.1 研究區概況

粵港澳大灣區位于中國南部，由廣東省的廣州、深圳、珠海、中山、東莞、肇慶、佛山、江門、惠州9個城市和香港、澳門兩個特別行政區組成。粵港澳大灣區總面積約5.6 萬km2，2018年底總人口超過7 000萬，經濟總量超過10億元。粵港澳大灣區的人口分布不均勻情況明顯，根據2020年第七次全國人口普查數據，廣州、深圳、東莞3個城市的人口都超過1 000萬，而珠海、肇慶、中山、江門的人口不足500萬。

1.2 數據源及預處理情況

本研究主要使用的數據有行政邊界數據、夜光遙感數據、人口及經濟統計數據等。

1.2.1 行政邊界數據

本文使用的行政區劃矢量數據，是從中華人民共和國自然資源部官網（http：//www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/）下載粵港澳大灣區區域圖（審圖號：GS（2019）4342號），比例尺是1∶120萬。對區域圖進行矢量化，然后轉換為高斯投影。

1.2.2 夜光遙感數據

本文選用夜光遙感數據包括：（1）1992—2013年的DMSP/OLS夜光數據，數據來源于美國國家地理物理數據中心（https：//www.ngdc.noaa.gov/），屬性取值范圍為0～63，分辨率為1 km。（2）2018年、2019年的珞珈一號夜光數據，數據來源于高分辨率對地觀測系統湖北數據與應用中心高分數管平臺（http：//59.175.109.173：8888/index.html），屬性取值范圍為0～1.18E6，空間分辨率約為133 m。本次使用的為五景。

DMSP/OLS夜光數據，由于存在輻射誤差，參照盧秀等[10]的方法進行飽和校正和相互校正、年內融合。珞珈一號夜光數據，需要參考官方網站提出的公式進行輻射校正，然后進行鑲嵌。二者都需要重新投影到高斯，并用行政區矢量進行裁剪，然后重采樣到100 m。

1.2.3 人口統計數據及經濟數據

本文使用的粵港澳大灣區各市分縣的常住人口數據，來自國家統計局發布的2000年、2010年全國人口普查數據，以及各城市統計局2019年的統計年鑒、國民經濟和社會發展公報。經濟數據來自統計年鑒、國民經濟和社會發展公報。

2 研究方法

2.1 夜間燈光亮度統計

夜間燈光亮度與人類社會經濟活動強度緊密相關。因此，可以通過統計夜間燈光亮度的總量和增長率，來表征地區或城市的經濟發展狀況。本文分別按粵港澳大灣區的區縣單元裁剪夜光數據后，利用ArcGIS的統計功能，統計各區縣單位的夜間燈光總量。夜間燈光總量計算公式如下所示：

式中：L為夜間燈光總量；Xi為第i個像元的燈光亮度值。

2.2 人口空間化建模

利用統計得到的區縣單元夜間燈光總量，在Excel表格中與研究單元的常住人口進行相關分析。基于夜間燈光數據構建人口空間化模型，以區縣單元燈光亮度總值為自變量、常住人口統計數據為因變量，進行線性回歸分析建模[5]。利用公式（2）和（3），分別求得各年份各區縣單元內的模擬初始預測人口數，以及對應的人口校正參數Ki。

式中：i=1、2、3，分別表示2000年、2010年和2019年；DNi——區縣單元第i年的燈光亮度總值；TPPni——第n個區縣單元第i 年的常住人口數；TMPni——第n個區縣單元第i年的初始模擬總人口數；popi——第i年的初始人口預測值；Kni——第n個區縣單元第i年的人口校正參數。

上述公式是在區縣單元尺度的基礎上得到，截距b包含每個區縣單元中所有像元的貢獻值。應用到格網尺度時，截距需要做相應的變化。參考張秋媛等[4]構建模型的做法，在公式（4）的基礎上構建格網尺度下的人口模型，利用公式（5）對模擬的總人口數進行校正得到最終的柵格單元人口數。

式中：DNt——第t個格網的燈光亮度值；Ct——第t個格網所在區縣單元包含的格網總數；popt——第t個格網的模擬人口數；Kt1——第t個格網所在區縣單元第i年的人口校正參數；popt1——第t個格網第i年的最終的柵格單元人口數。

2.3 精度評價及驗證

以粵港澳大灣區的區縣行政區劃矢量數據為單位，分別對人口空間化格網圖進行統計，得到各年份分區縣的人口預測數據匯總結果，并與各年份的人口統計比較。根據人口模擬誤差檢驗公式，檢驗人口數據空間化的精度，以此評價模型精度[2]。

2.4 人口分布指標計算

（1）人口重心模型。

人口分布重心，是指某一地區內的人口分布在空間平面上的平衡點，主要用于表征在不同時期該區域人口分布的均衡狀態[6,8]。

式中：Xi、Yi——第i年城市群/城市人口分布重心的經度、緯度坐標；Mti——i年份t市/區縣人口統計數量；xt、yt——第t市經度、緯度坐標，以其行政中心位置坐標代替。

（2）人口偏移-分享模型。

在一定時期內，某一空間地域內部的增長可以分解為“偏移”和“分享”兩部分。偏移-分享模型，是研究空間發展差距變動趨勢的方法之一，可用來分析人口分布的集散變動特征[6,9]。

式中：POPt1、POPt2——前一年、后一年區域人口統計量；i——粵港澳大灣區的區縣單元；SHIFTt——偏移增長量；ABSGRt——人口的絕對增長量；SHAREt——人口的分享增長量。

人口的偏移增長量，指的是實際人口的增長量相對于分享增長量的偏差值。人口增長較快且呈現集聚趨勢的地區，人口偏移增長量的值為正；人口增長較慢且呈現擴散趨勢的地區，人口偏移增長量的值為負。

3 結果與分析

3.1 粵港澳大灣區人口分布變化情況

3.1.1 人口分布變化情況

2000—2019年，粵港澳大灣區人口變化呈去中心化趨勢，如圖1所示。中北部以廣州市的人口數量變化最為明顯，呈逐年分散的趨勢；東南部主要聚集在以香港和深圳為中心的區域，從深圳、香港向四周逐年擴散。從2000年的人口分布圖可以看出，2000年的人口聚集大多數為一線城市或經濟特區；2010年出現了在部分城市周圍分散的趨勢，如東莞市；2019年各一線城市的各個區域呈現勢均力敵的狀態，但總體的中心城市沒有改變，而是出現了城區間的變化。在2000—2019年，粵港澳大灣區的發展趨向全面，各城市中心都存在人口聚集的情況。

圖1 2000—2019年粵港澳大灣區人口空間分布情況

3.1.2 人口重心偏移情況

2000—2019年，粵港澳大灣區人口重心，總體在城市內部偏移，如圖2所示。

圖2 2000—2019年粵港澳大灣區人口重心偏移情況

其中，毗鄰廣州的東莞市，在2000—2019年間人口重心出現了從廣州到東莞的偏移。而肇慶、惠州、廣州都是城區間的偏移或街道的偏移。

3.2 粵港澳大灣區人口變化數據精度評價

參照張秋媛等[4]的方法，進行粵港澳的人口變化精度評價。分別以各城市2000年、2010年和2019年的人口數據空間化前后的數據進行對比，對空間化結果進行精度檢驗和誤差分析。

以粵港澳大灣區的區縣級行政區劃為基礎，對人口數據空間化結果進行分區統計，得到各區縣的人口匯總結果，與公布的統計數據進行比較。以統計人口數量為橫坐標，匯總人口數量為縱坐標，繪制散點圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，空間化后的數據較好地反映了統計數據的分布規律，二者具有顯著的線性關系。通過相關性分析，相關系數分 別 為2000 年0.996 4、2010 年0.995 7、2019 年0.999 7，可見本次空間化在區縣尺度上很好地重現了原始統計數據的分布規律，具有很高的精度。

圖3 粵港澳大灣區各城市人口精度評價

3.3 粵港澳大灣區人口分布指標分析

粵港澳大灣區人口分布的變化，是由其內部各城市的人口偏移增長導致。因此，可從人口偏移增長的過程入手來分析人口變化的趨勢。結合表1及圖4，進行各城市偏移量分段分析。以東莞、深圳、珠海三市為例，東莞市在2000—2010年間偏移-分享值為1.58，2010—2019年間數值變為-89.81，說明在2000—2010年間人口聚集于核心城區，而在后面10年間由核心城區向各街鎮分散；深圳市在2000—2010 年間偏移-分享值為143.68，2010—2019年間數值為154.82，說明在2000—2019年中存在了20年的大規模聚集；珠海市在2000—2010年間偏移-分享值為-1.23，2010—2019年間數值變為35.40，說明在2000—2010年間珠海市存在人口對外分散，而在由各區縣向珠海市聚集。

表1 粵港澳大灣區各城市2000—2019年人口偏移量分析 單位：萬人

圖4 粵港澳大灣區2000—2019年人口偏移-分享分析

作為粵港澳大灣區的領頭羊，廣州、深圳在20年間人口都是大量聚集，而東莞、佛山、惠州、中山等城市前期依靠廣州、深圳的人口偏移產生了10年人口聚集的現象；肇慶、江門、珠海、香港、澳門在2010—2019年間實現了人口聚集。在2000—2010年間城市之間的人口偏移量不規則變動，而且其偏移量幅度值為296.91；在2010—2019年間，城市之間的人口偏移量幅度值224.63，此數據說明了在2000—2010年大灣區發展初期是人口偏移的高峰期，后面逐漸進入穩定。

4 結語

本文基于全球夜光遙感影像和珞珈一號夜光遙感影像，結合國民統計數據等，研究2000—2019年粵港澳大灣區城市的人口分布格局變化，得出結論：（1）粵港澳大灣區內城市化發展速度較快，人口分布從依靠一線城市輻射帶動，發展到因地制宜實現人口流動。（2）從人口偏移量來看，2000—2010年粵港澳發展不平衡的狀態下，多聚集在一線城市及周圍城市。2010—2019年，人口聚集的中心多維度擴散，出現了各城市平衡發展的結果。