基于夜光遙感的廣西城市擴張特征及驅動力分析

關鍵詞：夜光遙感：城市擴張：建成區范圍；特征分析

0引言

改革開放以來，中國的發展日新月異，城市建設穩步向前。城市化水平的逐步提高，伴隨著城鎮之間發展的不均衡現象愈發顯著，使得城市擴張和城市規劃逐漸成為了社會關注的熱點。合理規劃利用土地資源，促進社會經濟發展和地區產業結構優化，推動城市和鄉村相互交流，是推動城市發展的關鍵一步。因此研究城市發展規律對于政府制定政策有著重要作用。

城市的發展和基礎建設不斷完善，夜間燈光照明逐漸普及。夜晚燈光的強弱，直接揭示了人類活動區域的發達程度。基于這個城市特征，夜光遙感的應用得到了眾多學者的探討。夜光遙感可以利用傳感器捕捉微弱燈光，探查當地居民在夜間活動的區域及范圍、以及人文生活習慣情況，因此夜間燈光遙感在反映人類夜間活動有著獨特的能力。基于夜光遙感數據的特點，可以進行城市建成區提取以及城市擴張、城市形態和城市重心遷移等分析，進行社會經濟參量估算，從而揭示城市發展的潛在規律，有著重要的研究價值和意義。夜光遙感最早起源于美國的軍事計劃，美國先后發射了由美國國防部主導的國防氣象衛星計劃一線性掃描系統（Defense MeterologicalSatellite Program-Operational Linescan System， DMSP-OLS）和美國新一代國家極軸衛星Suomi國家極地軌道伙伴關系（Suomi National Polar OrbitingPartnership，Suomi-NPP）。近年來，我國也頻發衛星，突破國外夜光遙感數據的封鎖，成功發射了“吉林一號”和“珞珈一號”等衛星，用于夜間燈光遙感的研究，其中“吉林一號”衛星的分辨率更是達到亞米級別。隨著夜光遙感成為了熱點研究領域，眾多研究者也將其與人口、GDP、貧困程度、能源、光污染、碳排放及災害等社會和環境參量聯系起來。為城市發展研究等提供了科學依據。

廣西壯族自治區地處祖國南疆。南寧市、桂林市和柳州市作為廣西重要城市在全區都有著極大的影響力。南寧市作為廣西的首府城市，有著面向“東盟”和推進“一帶一路”沿線國家樞紐功能及促進周邊各國經濟發展和交通運輸的作用。桂林市和柳州市都定位為廣西區域副中心城市，其中桂林市將繼續推動打造世界級旅游城市，柳州市則繼續作為廣西重要的工業城市發揮舉足輕重的作用。得益于國家和地方各項扶持政策的有力推動，近幾年廣西的經濟展現出極高的正向發展勢頭。然而自新冠疫情全球蔓延，世界百年未有大變局加速演化，廣西的發展也面臨著前所未有的挑戰。加之廣西經濟總量較小，產業結構不優，工業化、城鎮化、信息化較發達地區滯后，城鄉居民收入水平較低，民生需求增多的特點在疫情時期尤為明顯。因此，研究廣西的城市擴張總體情況以對改善廣西城鄉關系的規劃建設以及地方性的經濟發展有著學術性指導意義，為地方的經濟發展和城鄉規劃等起著重要作用。提高廣西的城鎮化水平，促進廣西的城市建設和區域發展，需要掌握廣西發展的規律和發展現狀。

本研究基于NPP-VIIRS夜間燈光數據，以廣西作為研究區，探究廣西自2014-2021年以來的城市建成區面積、擴張速率、擴張強度、城市重心遷徙和經濟引力及驅動力等時空演變特征，為廣西數字城市和生態文明建設提供技術和理論支撐，為揭示廣西城鎮化擴張規律、定量定性分析廣西的城市化水平提供一定的參考。

1研究區概況

廣西壯族自治區地處中國華南地區，位于東經104°28'～112°04'，北緯26°54'～26°24’。東連廣東省，南與海南省隔海相鄰，西接云南省，東北鄰湖南省，西北靠貴州省，西南與越南接壤。行政區域土地總面積23.76萬km2。截止2021年，全區共有14個設區市，10個縣級市和60個縣（包含12個民族自治縣）等。廣西是中國唯一臨海的少數民族自治區，是中國對外開放、連接東南亞國家的世界重要窗口和便捷出海口。廣西有著較為豐厚的自然資源、礦產資源、水電資源和海洋資源。但是廣西整體的城鎮化水平和經濟生產總值在全國范圍內處于中下水平。

2研究數據及預處理

2.1夜間燈光數據

NPP-VIIRS夜光遙感數據（https：∥developers.google. cn/earth-engine/）主要由Suomi-NPP衛星搭載的可見光紅外成像輻射儀（the Visible InfraredImaging Radiometer Suite，VIIRS）傳感器提供，衛星從2012年運行至今。NPP-VIIRS數據的空間分辨率為750m，重復周期為16d，數據主要包括年數據、月數據和日數據。NPP-VIIRS衛星能夠捕捉到更微弱的燈光輻射，用于探測城市燈光和小規模的居民區，其數據能夠良好地監測人類活動，推測當地經濟發展水平和城鎮擴張速度。本研究采用2014-2021年的NPP-VIIRS夜光遙感數據，基于GoogleEarth Engine（ GEE）平臺對數據進行預處理，使用廣西行政區邊界對影像進行裁剪，輸出研究區范圍影像。GEE平臺上提供的NPP-VIIRS夜光遙感數據為月合成的夜間燈光數據，并經過了大氣校正輻射定標，以及去云處理。之后對該影像數據進行年最大值合成，得到年度數據作為最終的影像數據。

2.2輔助數據

①廣西行政區劃數據。掩膜數據來源于資源環境科學與數據中心（https：∥www. resdc. cn/Default.aspx）的廣西省界、市界以及鄉鎮行政區劃邊界矢量數據。

②統計年鑒數據。統計年鑒數據來自于國家統計局（http：∥www.stats.gov.cn/）和廣西統計局（https：∥gxsj. tjj.gxzf.gov.cn： 18090/pub/index.htm），主要包括自2014-2021年數據的城市建成區面積和各城市GDP數據。

③地形數據。數據來源于GEE平臺提供的的SRTM 30 m地形數據（https：∥developers.google.cn/earth-engine/）。該數據由NASA JPL提供。

3研究方法

3.1建成區提取

建成區面積提取的方法多種多樣，總的來說有經典閾值法、突變檢測法、參考比較法和影像空間比較法。經典閾值法是人為設定閾值，將超過閾值的像素當作建成區像素，其不足是缺少科學依據。突變檢測法是假定真實的城區域保持幾何形狀的完整性，燈光值越大表明為城市的可能性越高，其不足是缺少考慮城市發展的差異性。參考比較法和影像空間比較法是常用的且精度較高的2種方法。參考比較法是將燈光閾值提取的城市建成區與政府的統計數據作比較從而確定最佳的燈光閾值。影像空間比較法則是以分辨率較高的影像的土地利用分類結果作為輔助數據，獲取最佳閾值得到城市建成區面積。后2種方法相對前2種而言有一定的科學依據且提取出的建成區面積精度較高，因此被廣泛使用。

本研究主要采用的是參考比較法來提取建成區面積。利用ArcGIS中的轉換工具將夜間燈光影像柵格數據轉化為矢量數據，將gridecode字段進行融合，計算幾何面積，再將從NPP-VIIRS數據提取出來的城市燈光值屬性表與統計年鑒中的建成區面積做一定的比較，從而確定出最佳的閾值。提取出來的閾值范圍有著一定的科學事實依據，可以應用于后續城市形態、空間變化以及驅動力因素的分析中。

3.2Boyce-Clark形狀指數

Boyce-Clark形狀指數（Boyce-Clark RadialShape Index．BCRSI）通常被用來評判城市化形狀變化和形態緊湊程度，是一種簡單直觀便捷的方法用于判斷城市的擴張變化。表達式為：

3.3城市擴張速率和擴張強度

城市的空間擴張速率和強度是對城鎮建成區變化的衡量指標，在一定程度上體現了城市擴張的快慢強弱。城市擴張速率指數（Urbanization GrowthIndex，UGI）衡量的是城市在一定時間內的土地擴張速率，表征城市建成區在這段時間的數量變化。城市擴張強度指數（Urbanization Intensive Index，UII）指的是城市建成區在某時間段的建成區擴張面積與土地總面積的比值。

3.4城市重心遷移和經濟引力

城市重心的遷移體現的是城市發展的方向和城市布局決策等。重心的遷移是城鎮化的結果，分析重心遷移的方向，可以促進城鎮化的推動。重心遷移距離和重心坐標的表達式為：

經濟引力描述的是2個城市之間的經濟關聯性強度。經濟引力模型的建立基于牛頓的萬有引力模型，在城市規劃和城市輻射范圍的確定和研究中有著廣泛的應用，經濟引力模型既可以衡量2個不同的城市之間的輻射能力，也能反映周邊地區對城市中心的接受能力。經濟引力表達式為：

3.5驅動力分析

建成區的擴張和發展建設是多種因素共同決定的結果，是為了滿足地方發展、人民生活需求的必然結果。背后的原因復雜多樣。本文將從自然、人口、社會經濟和政策等方面探究建成區發展的驅動力分析。

4結果與分析

4.1城市形態分析

①定性分析。從夜間燈光指數來看，在整個廣西行政區劃內，南寧市、柳州市、桂林市、北海市、玉林市的燈光亮度值相對其他城市更為明亮，表明廣西的城鎮化主要集中于這幾個城市。整個廣西的燈光亮度值隨年份增加呈現緩慢上升的趨勢。觀察主要城市夜間燈光變化可以得到，南寧市建成區擴張自2014-2021年呈現明顯的外擴型擴張趨勢，其中主要擴張方向是向東南方向發展，表明城區面積增幅較大。并從2018年開始在南寧的武鳴區和隆安縣投入資產，建成區面積得到迅速擴張。這是因為政府大力推動南寧城市重心向東向南發展，構建“一主四副”的城市空間格局，推動五象新區的高質量核心增長，成為現代化中心城區，符合《南寧市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》的總體規劃。在武鳴區投入打造面向東盟的產學研發展區和南寧北交通樞紐，并在隆安縣通過易地扶貧搬遷、舊危房改造修繕等工作推進集中安置區和工農業產業園區，進而推動城市的GDP提升。柳州市自2014-2017年，建成區主要向兩頭發展，即東北方向和西南方向，從2018年開始，不僅向兩頭擴張還向北方向建成區擴張。目的是建設現代化制造城，向萬億工業強市邁進。桂林市城市建成區建設主要集中在2016-2017年，建成區面積擴張范圍較南寧市和柳州市小。北海市在研究時間內，建成區沒有顯著增長，城市擴張范圍小。玉林市建成區呈現向外擴張趨勢，但是同桂林市一樣，建成區較南寧市和柳州市擴張速率小。其他城市的建成區擴張沒有明顯變化，擴張面積相對較小。

②定量分析。如表1所示，隨著城鎮化的建設，自2014年以來，廣西的建成區面積逐年上升，建成區擴張主要呈現外擴型趨勢，其中南寧市和柳州市發展較快，其他城市的發展相對緩慢。從表1可以看出，廣西的建成區面積增長較為穩定，全區建成區面積較上一年的增幅浮動處于約60～80km2。其中2014-2015年增幅最大，為82.34km2：2015-2016年增幅最小，僅為58.34km2。其中提取的城市面積與統計年鑒的城市面積進行對比可知，在2018年提取的精度最低，為96.93%；2014年提取精度最高．為99.67%。

4.2形狀指數

在2014-2015年，BCRSI呈現明顯增大的趨勢，增長了4.648，根據BCRSI的原理可知，BCRSI處于25.286～33.041，表明建成區擴張趨勢趨近矩形，如圖1所示。在2016-2021年，BCRSI約為19～21，由BCRSI原理知，指數越大，說明建成區分布越離散。因此2016-2019年的發展相對緊湊，2020年和2021年相對離散。

4.3擴張速率和強度

根據表2可以看出建成區面積的擴張速率呈現出波動但整體為減少趨勢，擴張強度總體也是遞減趨勢。其中在2015-2016年有一定波動，UGI=29.32為8年最低，2020-2021年UH=1.90%為8年最低。而2014-2015年的UGI和UII都為8年最高，分別是41.17和3.45%。

4.4城市重心和經濟引力

城市的重心遷移是城市發展進程中的必然，分析其重心的遷移方向可以推動城鄉發展和城鎮化進程的建設。廣西的城鎮中心位于南寧市和來賓市的交界處，從全區角度來看，處于廣西的地理中心中部位置。如表3所示，2014-2021年的重心軌跡顯示，2014-2015年經濟重心向北遷移670.09m，2015-2017年都是向西遷移，2017-2018年又向東北方向遷移2908.20m，自2018-2020年以來則一直向西南方向遷移，在2020-2021年向東南方向遷移3201.33m。

城市重心的遷移也反映了城市發展的不均衡性質，因此各個城市對重心的權重差異較大。總體而言，經濟重心向南部遷移，中間偶有波動。這是因為廣西地形地貌上來說，西北有大量的山地丘陵，中部為盆地，東南部地勢平坦且與海洋相接。考慮到山川阻隔、地形相對復雜，山區地形崎嶇，交通相對閉塞，同時山區地帶耕地資源相對不足，氣候也較南部寒冷潮濕，長期來看必然會導致一定的相對落后，因此要在北部發展勢必比在東南部發展困難，廣西未來的經濟重心還是會向東南部發展，面向東南亞和廣東等區域進行經濟的互融互通。

從廣西的經濟引力的角度來看，廣西的發展以南寧市為中心，向四周擴散，如圖2所示。其中2014-2021年，南寧市和欽州市有著最強的經濟引力，在2021年時引力強度大于28000000。從經濟引力變化趨勢發現，南寧市除了與欽州市有著極強的引力強度之外，與防城港市、崇左市也有著很強的引力強度，并且隨著年份變化逐漸變強。與貴港市和來賓市的引力強度也從2019年開始得到了較大的提升。柳州市與來賓市也有著很強的經濟引力強度，并且逐年遞增。

4.5驅動力分析

廣西建成區的擴張是多種驅動力因素共同結合作用下，權衡經濟發展、國際形勢、國家及地方政策、人口變化和自然因素等的結果，因此分析各因素對廣西建成區的影響可以更好地掌握城市發展的進程。

4.5.1自然地理因素

廣西的自然及地理區位決定了其長時間的發展方向和結構。2014-2021年廣西各城市建成區地形分布如圖3所示。

廣西壯族自治區位于中國西南邊境，地勢上總體呈現出東南部地勢平坦，西北部地勢起伏的特點。廣西的總體地形包括了中山、低山、丘陵、臺地、平原和石山等6種。全區特斯拉地貌占總面積的37.8%。在ArcGIS中疊加提取的廣西建成區邊界到地形數據中，可以觀察到建成區主要集中于地勢平坦的地區，這是因為地勢平緩的地區有利于區域的發展建設，減少了在地勢陡峭起伏區域開發建設的費用。同時地勢平緩地區利于居民交通出行和人口流動，以及各種物資的運輸流通。

4.5.2城市人口和經濟發展因素

建成區的擴張需要有大量的人力物力投入到開發中，而且城市的擴張主要是為了滿足城市人口的生活需求，2014-2021年廣西人口與GDP總額變化趨勢如表4所示。隨著城鎮化建設的加劇，增多的城鎮人口必然需求更多的建成區以滿足住房和辦公的需求。一般來說，當城鎮的人口類型較為單一時，建成區呈現填充式擴張；當城鎮的人口類型較為復雜時，建成區呈現延伸式擴張。可以觀察到，2014-2021年，北部灣地區的建成區主要呈現出外延式擴張，而桂林市和柳州市作為曾經的首府和工業城市呈現出集中式擴張的趨勢，而區內的其他城市的建成區沒有明顯的變化。其原因可能是廣西“十三五”時期新型城鎮化的工作規劃和部署，符合《北部灣城市群發展規劃》的目標任務。推動建立北部灣城市群以促進工業、農業進一步發展，城鄉融合，探索適合廣西的發展道理和方向。從整體上來看廣西人口的增長趨于穩定，但是最近一年的數據有人口總數增長放緩的趨勢。

4.5.3政策因素

近幾年的北部灣發展戰略和“十一五”“十二五”“十三五”國家發展戰略規劃要求積極打造區域性商貿物流區，構建國際區域經濟合作新高地，提高沿海經濟發展和建設富裕文明和諧的民族地區。建成區擴張受到上述的政策影響較大。隨著廣西建成區的快速擴張，將逐步改善區內城鎮化水平較低、現代大工業較少、港口規模及競爭力不強的問題。

5結論

①廣西建成區擴張主要集中在南寧市、柳州市、桂林市和玉林市等城市，其他城市的擴張面積相對較小。廣西整體的擴張強度和速率都呈現緩慢下降趨勢，擴張類型為外延型。

②廣西的城市重心整體呈現出向南部發展的趨勢，以南寧市為核心的經濟引力呈輻射狀向周圍城市影響，其中以南寧市和欽州市的經濟引力最強，崇左市、防城港市的經濟引力次之，同時柳州市和來賓市也具有很強的經濟引力。

③建成區的擴張主要集中在地勢平坦的地區，少有在山地發展的建成區。建成區擴張主要受政策因素、人口因素和經濟發展因素等影響較大，南部城市的擴張較北部城市更明顯。