基于夜間燈光遙感的成都市建成區(qū)擴(kuò)張時(shí)序演變分析

摘 要：【目的】探究2007—2017年成都市建成區(qū)擴(kuò)張變化及發(fā)展趨勢。【方法】以成都市為研究區(qū)，基于夜間燈光數(shù)據(jù)，利用支持向量機(jī)法提取2007、2012、2017年成都市建成區(qū)，結(jié)合城市擴(kuò)張強(qiáng)度、擴(kuò)張速度、重心等指標(biāo)，探討10年間成都市建成區(qū)擴(kuò)張演變趨勢。【結(jié)果】結(jié)果表明：①2007—2012年，成都市建成區(qū)面積擴(kuò)張了106.87 km2；2012—2017年，成都市建成區(qū)面積擴(kuò)張370.08 km2，10年間建成區(qū)面積擴(kuò)張明顯，城市發(fā)展迅速。②2007—2017年，成都市建成區(qū)主要以成華、青羊、武侯為中心向四周擴(kuò)張，各區(qū)縣建成區(qū)連貫性和面積均有所增加，城市發(fā)展重心逐漸往東南方向遷移，整體呈現(xiàn)“中心聚集，環(huán)狀向外擴(kuò)張”特征。【結(jié)論】研究結(jié)果能夠?yàn)槌啥际谐鞘薪ㄔO(shè)和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：成都市；夜間燈光數(shù)據(jù)；城市擴(kuò)張；重心轉(zhuǎn)移

中圖分類號：P237" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）13-0093-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.019

Analysis of the Temporal Evolution of Built-Up Area Expansion in Chengdu Based on Night Light Remote Sensing

LIN Ling WU Mingdong

（Sichuan College of Architectural Technology， Deyang 618000， China）

Abstract： [Purposes] This paper explores the expansion changes and development trends of built-up areas in Chengdu from 2007 to 2017. [Methods] Taking Chengdu as the study area， based on the nighttime light data， the support vector machine method was used to extract the built-up areas of Chengdu in 2007， 2012 and 2017， and the expansion evolution trend of the built-up areas of Chengdu in the past 10 years was discussed by combining the urban expansion intensity， expansion speed and center of gravity. [Findings] The results show that： ① From 2007 to 2012， the built-up area of Chengdu expanded by 106.87 km2， and from 2012 to 2017， the built-up area of Chengdu expanded by 370.08 km2， doubling the built-up area in 10 years. The trend of expansion is obvious， and the city is developing rapidly. ② From 2007 to 2017， the built-up area of Chengdu mainly expanded to the surrounding areas with Chenghua， Qingyang and Wuhou as the center， and the coherence and area of the built-up areas of each district and county increased， and the center of gravity of urban development gradually shifted to the southeast， showing the characteristics of \"central agglomeration and circular outward expansion\". [Conclusions] The research results can provide a reference for the urban construction and development of Chengdu.

Keywords： Chengdu City; night lighting data; urban sprawl; shift in center of gravity

0 引言

近年來，為滿足增長人口的居住和生產(chǎn)活動，城市建成區(qū)范圍不斷擴(kuò)張［1］。城市建成區(qū)作為人類生存活動的主要空間，城市空間形態(tài)的主要組成部分，探究其擴(kuò)張演變趨勢，對城市發(fā)展規(guī)劃和生存環(huán)境改善具有重要意義［2］。夜間燈光遙感數(shù)據(jù)不僅具有遙感可視化的特點(diǎn)，而且具有大范圍、大視角的優(yōu)勢［3］。已有大量研究者利用夜間燈光遙感探究城市發(fā)展、城市空間形態(tài)，為城市建設(shè)和規(guī)劃提供了重要參考［4-5］。Crof［6］基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)，并驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性；Henderson［7］等結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)，探究城市建成區(qū)發(fā)展及空間形態(tài)變化趨勢；曹二彪［8］結(jié)合多期燈光數(shù)據(jù)提取江蘇市2001—2017年城市建成區(qū)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可靠性，結(jié)合主成分分析模型探討了建成區(qū)的主要影響因子；葛天弘等［9］結(jié)合夜間燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)，通過計(jì)算擴(kuò)張強(qiáng)度、速率等指標(biāo)探討浙江省部分城市的擴(kuò)張趨勢，為政府的城市規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)；羅新晨［10］不僅利用夜間燈光數(shù)據(jù)探討了贛州市章貢區(qū)的城市發(fā)展?fàn)顩r，還結(jié)合相關(guān)模型分析了影響城市擴(kuò)張的主要驅(qū)動力。

成都市作為中西部重點(diǎn)發(fā)展城市，四川省核心發(fā)展地區(qū)，探究成都市城市空間格局演變進(jìn)程，對其發(fā)展規(guī)劃和未來發(fā)展格局具有重要意義。本研究利用夜間燈光數(shù)據(jù)，提取成都市2007—2017年城市建成區(qū)，結(jié)合擴(kuò)張強(qiáng)度、重心等指標(biāo)分析成都市建成區(qū)演變特征，探討成都市10年間的城市化進(jìn)程和發(fā)展趨勢。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

成都市（102°54′E～104°53′E， 30°05′N～31°26′N）地處四川省的中部，坐落于四川盆地西面，地形復(fù)雜多樣，以深丘和山地為主。海拔范圍主要在1 000～3 000 m。全市平原面積約占40.1%，丘陵約占27.6%，山區(qū)約占32.3%。成都市東部、南部為平原，地勢平坦，獨(dú)特的地理位置使得成都在四川省的發(fā)展中占據(jù)優(yōu)勢地位，也是往返全國各地乃至全球的重要交通樞紐。

1.2" 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究使用的DMSP_OLS、NPP_VIIRS夜間遙感燈光數(shù)據(jù)來自NOAA官網(wǎng)和中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。DMSP_OLS、NPP_VIIRS數(shù)據(jù)受傳感器、環(huán)境等因素影響，可能存在異常值和負(fù)值，需進(jìn)行異常值剔除，負(fù)值常用0替換。此外，須統(tǒng)一燈光數(shù)據(jù)和行政區(qū)坐標(biāo)系，將DMSP_OLS數(shù)據(jù)重采樣為1 km×1 km，將NPP_VIIRS數(shù)據(jù)重采樣為500 m×500 m，最后裁剪得到研究區(qū)的夜間燈光數(shù)據(jù)。

2 地表溫度反演方法

2.1 支持向量機(jī)法

支持向量機(jī)法（Support Vector Machine， SVM）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法［11］，相較于傳統(tǒng)分類，SVM具有運(yùn)算快、分類精度高等優(yōu)勢。通過自動尋找最大區(qū)分類向量，將不同類別間隔最大化，從而提高分類結(jié)果可靠性。本研究結(jié)合成都市夜間燈光數(shù)據(jù)和Google Earth 影像，選取DN值為45作為建成區(qū)和非建成區(qū)提取閾值，利用SVM算法提取成都市建成區(qū)范圍。

2.2 擴(kuò)張速度與擴(kuò)張強(qiáng)度計(jì)算

擴(kuò)張速度用于解釋某區(qū)域一段時(shí)間區(qū)間內(nèi)的年平均擴(kuò)張面積，可描述城市的發(fā)展和變化速度；擴(kuò)張強(qiáng)度指在一定時(shí)間間隔內(nèi)擴(kuò)張面積與總面積之比，用于表征城市擴(kuò)張狀態(tài)。計(jì)算公式見式（1）和式（2）［12］。

[v=Sb?Savb?va] （1）

[E=Sb?San?S] （2）

式中：v表示擴(kuò)張速度；E表示擴(kuò)張強(qiáng)度；[Sa]與[Sb]表示前一年份[va]和后一個(gè)年份[vb]時(shí)間段內(nèi)的建成區(qū)面積；S為研究區(qū)總面積；[n]表示時(shí)間間隔。

2.3 重心計(jì)算模型

重心變化可用于解釋城市空間形態(tài)變化特征。利用提取的成都市建成區(qū)面積計(jì)算其重心坐標(biāo)（[Xi]，[Yi]），計(jì)算公式見式（3）和式（4）。

[Xi=i=1nSik×Xk/i=1nSi] （3）

[Yi=i=1nSik×Yk/i=1nSi] （4）

式中：[ Sik]表示第[i]個(gè)城市的建成區(qū)面積；（[Xk]，[Yk]）是第[i]個(gè)城市建成區(qū)的幾何中心坐標(biāo)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 成都市建成區(qū)提取及擴(kuò)張分布特征分析

基于夜間燈光數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒等，經(jīng)過多次試驗(yàn)和對比分析，得到成都市2007、2012、2017年建成區(qū)分布結(jié)果，如圖1所示。由圖1可知，建成區(qū)主要分布在金牛、武侯、成華、青羊等中心區(qū)域，是成都市核心經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)；除中心地區(qū)外的區(qū)縣建成區(qū)分布零散，范圍小，建成區(qū)之間缺乏連貫；總體上，成都市建成區(qū)空間格局呈 “中心聚集、環(huán)狀+放射”擴(kuò)張模式。

經(jīng)過10年發(fā)展，成都市各區(qū)縣建成區(qū)均存在一定擴(kuò)張程度，連貫性有所提高，主要特征仍是以中心城區(qū)向四周擴(kuò)張趨勢為主，各區(qū)縣部分地區(qū)穩(wěn)步增長。其中，增長幅度較大的是雙流區(qū)和簡陽天府機(jī)場附近地區(qū)建成區(qū)。雙流國際機(jī)場和天府國際機(jī)場分別位于雙流市和簡陽市內(nèi)，為兩區(qū)域的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇；增長較明顯區(qū)域還有位于東部的龍泉驛區(qū)域和東北部的新都區(qū)。早期龍泉驛地區(qū)建成區(qū)分布較少，2012年后建成區(qū)范圍逐漸擴(kuò)張，主要呈塊狀/面狀分布特征。新都區(qū)位于中心城區(qū)的東北部，與金牛、成華、郫都接壤，交通便利、學(xué)校、醫(yī)療設(shè)施逐漸完善，優(yōu)越的地理位置也吸引大部分居民在此安家落戶，帶動了新都區(qū)的城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3.2 建成區(qū)擴(kuò)張強(qiáng)度與擴(kuò)張速度

計(jì)算成都市2007—2017年城市建成區(qū)擴(kuò)張面積/擴(kuò)張速度、擴(kuò)張強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

由表1可知，成都市建成區(qū)2007—2017年總面積顯著增加，擴(kuò)張約476.95 km2，成倍增長，說明成都市10年間建成區(qū)擴(kuò)張明顯，城市發(fā)展迅速。其中，2012—2017年建成區(qū)擴(kuò)張面積、速度、強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)較2007—2012年明顯增加，約3倍增長強(qiáng)度，平均年增長面積約為74.12 km2，說明在2012—2017年階段內(nèi)，成都市建成區(qū)擴(kuò)張更迅速，經(jīng)濟(jì)發(fā)展更快，考慮與成都市的相關(guān)政策和行政區(qū)的重新規(guī)劃、交通規(guī)劃密切相關(guān)。成都市于2014年確立天府新區(qū)，2015年初規(guī)劃“天府國際機(jī)場”，2015年末撤雙流縣并區(qū)，簡陽市劃入成都管轄，一系列城市發(fā)展規(guī)劃，極大程度上改變并提高了城市空間利用和城市空間分布格局，為成都市后續(xù)飛速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2010年后，成都市道路交通發(fā)展迅速，兩個(gè)國際機(jī)場為城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)飛躍提供重要支撐。

3.3 成都市整體城市重心分布格局變化

建成區(qū)重心變化反映出城市的發(fā)展趨勢，通過計(jì)算得出各年份重心坐標(biāo)，并繪制重心遷移圖（如圖2所示）。整體上，2007—2017年成都市建成區(qū)重心空間分布由西北－東南方向遷移，城市發(fā)展重心逐漸向東南地區(qū)偏移。其中，2007—2012年建成區(qū)重心主要往西北方向遷移，該段時(shí)間成都市西北方向地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展較快；2012—2017年建成區(qū)重心由西北向東南遷移，約為2007—2012年遷移量的2倍，說明該段時(shí)間成都市東南地區(qū)發(fā)展更迅速，城市擴(kuò)張更明顯。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合夜間燈光遙感數(shù)據(jù)提取2007—2017年成都市建成區(qū)，并結(jié)合重心轉(zhuǎn)移、擴(kuò)張強(qiáng)度等指標(biāo)綜合探討成都市近10年間的建成區(qū)演變趨勢，主要結(jié)論如下。

①2007—2012年，成都市建成區(qū)面積擴(kuò)張了106.87 km2；2012—2017年，成都市建成區(qū)面積擴(kuò)張了370.08 km2，10年間建成區(qū)擴(kuò)張明顯，城市發(fā)展迅速。建成區(qū)空間格局主要以成華、青羊、武侯等區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹軘U(kuò)張，各區(qū)縣建成區(qū)范圍增加，呈現(xiàn)“中心聚集，環(huán)狀向外擴(kuò)張”特征。

②結(jié)合擴(kuò)張強(qiáng)度、擴(kuò)張速度、重心等指標(biāo)，成都市2012—2017年較于2007—2012年建成區(qū)擴(kuò)張速度更快、強(qiáng)度更大。2007—2012年建成區(qū)主要往西北方向遷移，郫都、溫江擴(kuò)張明顯。2012—2017年，建成區(qū)主要往東南方向遷移，擴(kuò)張較為明顯的是雙流區(qū)及簡陽部分地區(qū)，主要與成都市行政區(qū)重新規(guī)劃和交通規(guī)劃密切相關(guān)。

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