基于夜间灯光数据的兰白西城市群空间扩展分析

(西北师范大学 地理与环境科学学院,甘肃 兰州 730070)

1 引言

20世纪90年代以来,随着我国经济的高速发展,城市人口数量不断增加,城市规模增长迅速并呈持续扩张的态势[1,2],由此占用了大量的林地、河道和农业用地,生态环境遭到不同程度的破坏,对区域土地资源承载力与生态安全造成了巨大压力。在此背景下,城镇空间扩张及其动态变化过程成为城市研究的热点,现有成果主要集中在城市空间形态测度[3-6]、城市空间边界划分[7-10]、城市空间扩张的生态效应[11-13]等方面。

目前研究单个城市或某几个城市空间扩张的遥感影像主要来源于TM/ETM+数据,但由于高分辨率空间信息需要获取和处理的数据量大且在时间尺度上是不连续的,使利用高分辨率卫星数据对城市群空间扩张进行长时间数列研究的可行性差。美国军事气象卫星Defense Meteorological Satellite Program(DMSP)搭载的Operational Linescan System(OLS)传感器获取的夜间灯光数据为长时间序列的城市化及相关问题研究提供了可能。如Sutton等将夜间灯光数据和人口数据进行对比分析,分别以40%、80%和90%的阈值对低收入地区、高收入地区和一些特殊地区(如埃及尼罗河地区)的建成区进行了提取[14]。Imhoff通过利用夜间灯光数据对城市建成区光斑空间形态特征分析的基础上,提出利用突变检测法提取建成区的方法,并对夜间灯光数据与城市面积扩张之间的相关性进行了探讨[15];Henderson等通过提取旧金山、北京、拉萨3个不同发展水平城市的建成区边界,验证了夜间灯光数据作为提取城市建成区范围数据源的可行性[16]。同时,我国学者利用夜间灯光数据对城市空间扩张进行了诸多研究:何春阳利用1992年、1996年和1998年三期夜间灯光数据对环渤海地区的城市群空间信息进行了提取,建立了城市群地区面状、线状和点状城市化空间模式,分析了20世纪90 年代环渤海城市群的发展演化过程[17];史培军等利用夜间灯光数据以像元为分析对象,并采用多级分类的方法对我国的城市用地扩展类型进行识别,揭示出1992—1998年我国城市空间扩展的一般特征[18];余柏蒗等在对经验阈值法、突变检测法、统计数据法和较高分辨率影像数据空间比较法4类方法的便捷性和可实现性进行分析和评价后,使用突变检测法完成了对上海市2000—2006年城市建成区的提取[19];冯长春等运用夜间灯光数据从市场力、行政力、外向力和内源力四个方面对京津冀城市群空间扩展的驱动力机制进行了分析,认为市场力、行政力、外向力成为城市群时空扩展的主要驱动因子[20]。

总体来说,国内现有的相关研究多以单一城市或东部经济发达的城镇密集区为对象,对西北内陆地区城市群的关注较少。考虑到兰州、白银、西宁城市群(简称“兰白西”城市群,下同)在西北地域格局中所处的战略地位和特殊作用[21,22],本文利用1992—2012年夜间灯光数据和2016年Landsat遥感数据,从较长时间尺度上刻画了兰白西城市群的时空演变特征及其内部差异,以期对兰白西城市群的协同发展提供决策参考。

2 数据与研究方法

2.1 研究区概况

兰白西城市群位于我国青藏高原向黄土高原的过渡地带,地跨甘肃、青海两省,包括兰州、西宁两个相距192km的省会城市[23]和甘肃省的白银、定西、临夏，青海省的海东4个地级市(州),共辖41个县(区),总面积8.36万km2,是甘肃和青海两省的精华地带[24],既是国家能源重化工基地,也是保障国家生态安全的重点区域[25]。作为国家“十三五”规划重点培育的西部城市群,兰白西城市群目前正处在初级成长阶段,但由于受生态环境和区域发展条件的限制,发展水平较我国东部城市群还存在较大的差距。

2.2 数据来源

DMSP/OLS夜间灯光数据获取自NOAA NGDC提供的稳定夜间灯光数据。由于该数据从1992年开始,截止到2012年,因此以2016年的Landsat遥感数据作为补充,对兰白西城市群建成区进行提取。其中,夜间灯光数据是经过消除云、渔船火光等偶然噪声并通过辐射定标获得的稳定灯光平均数据,为栅格灰度影像,像元的灰度值(DN值)代表灯光强度,灰度范围为0—63,空间分辨率为30 arc sec(弧秒),在赤道处约为1km[26]。

2.3 研究方法

由于夜间灯光数据跨度较长,数据源的采集也是由不同的卫星(F101992、F141997、F142002、F162007、F182012)共同完成的,受卫星之间的轨道参数、传感器寿命和大气折射等影响,夜间灯光数据在兼容性和稳定性方面存在着一定的偏差,因此需要通过一系列的技术手段对数据进行预处理。通过对同一年份不同卫星之间的整合和不同年份灯光数据之间的跨年校正,提高了数据之间的可比性和连续性。

为了减小投影的面积变形,本文将获取的历年灯光数据重投影转换为Albers等积割圆锥投影,重采样为1km,并以兰州、白银、西宁、定西、海东、临夏等6个地级城市及所辖41个县(区)的矢量边界为掩膜,提取区域内的灯光数据,构建兰白西城市群的夜间灯光数据库。

扩展强度指数:为了较客观的分析城市群空间扩展的强度,使不同时期城市用地增长速度具有可比性,本文使用空间扩展强度指数来表示研究单元单位面积上的年平均扩展速度,表达式为:

(1)

式中,Ui为研究时段内研究单元的城镇空间扩展面积;△t为研究时段的时间跨度;TLA为研究单元土地总面积。

外部形态紧凑度:紧凑度是外围轮廓与最紧凑圆形形状的比值,是反映城市外部空间形态的重要指标。计算公式为:

(2)

式中,BCI为城市外部形态紧凑度；A为建成区面积；P为建成区外围轮廓的周长。城市紧凑度值越小,表明城市外部形态越紧凑。相反,如果城市紧凑度值越大,表明城市外部形态的紧凑性越差。

Moran′s I指数的计算公式为:

(3)

(4)

式中,n代表研究区域内各县(区)数量;Yi表示第i个城市空间扩展面积;Wij表示研究单元的空间临接关系,当两个研究区域单元临接时,Wij取值为1,否则取值为0。Moran′s I的取值范围为[-1,1],当I值越接近于1时,表示研究区域的城市空间增长呈现出集聚态势；当I值越接近于-1时,表示研究区域内城市空间增长呈现离散态势。

(5)

(6)

3 城市群城镇空间扩展过程

3.1 “核心—外围”空间扩展特征明显

本文通过计算得出兰白西城市群1992—1997年、1998—2002年、2003—2007年、2008—2012年、2013—2016年5个时间段的城市空间扩展强度指数分别为0.024、0.058、0.137、0.267、0.439,省会城市的空间扩展强度指数分别为0.047、0.072、0.387、0.535、0.631,地级市(州)的空间扩展强度指数分别为0.013、0.023、0.126、0.213、0.359,县城的空间扩展强度指数分别为0.005、0.014、0.086、0.195、0.263(表1)。

表1 1992—2016年兰白西城市群空间扩展强度指数

从扩展强度的大小来看,兰白西城市群各等级城市扩展强度均呈上升趋势,省会城市扩展强度明显大于地级市,地级市明显大于县城,兰白西城市群空间扩展呈现出以省会城为主的扩展模式。从扩展强度的增幅来看,县城的增幅始终大于地级市和省会城市,成为空间扩展的活跃区域。本文将提取到的兰白西城市群城镇建成区数据进行可视化表达(图1)。从图1可见,1992—2002年兰白西城市群建成区呈片状分布的只有兰州和西宁两个省会城市的主城区,其他区域尚呈点状分布。2002年之后,兰州、西宁建成区进一步扩张,同时4个地级市州和两个省会城市周边城镇的扩张速度逐步加快,呈现出以兰州、西宁为主要增长极的“核心—外围”空间扩展模式。

图1 1992—2016年兰白西城市群城镇建成区时空扩展

3.2 内部填充和外部扩张并存

通过计算城市群内41个县级行政单位1992年、2002年、2016年三个年份的外部形态紧凑度指数(图2),并依据1992—2002年、2003—2016年两个阶段的变化,可分为:①持续上升型变化模式。包括安宁、七里河、城关、西固、城中、城北、城西、城东、临夏(市)、安定、陇西11个县(区)。该类型城镇主要以两个省会城市的中心城区为主,扩张方式以内部填充为主。此外,临夏受制于外部行政区划的制约,没有更多的拓展空间,因此内部填充成为其城镇扩展的主要方式。陇西作为兰白西城市群建成区面积最大的县城,城镇扩展主要依托老城区缓慢向外扩展,也表现出内部填充为主的特征。同时,这类县(区)大多位于河谷地带,随着城市规模的扩大,河谷地形日益成为其向外扩张的制约因素。②持续下降型变化模式。包括皋兰、红古、榆中、平安、互助、永靖、大通、白银(区)、平川、景泰、积石山、乐都、临夏(县)、和政、东乡15个县(区)。该类型城镇在发展的过程中紧凑度逐渐降低,表明扩展类型主要以外部扩张为主。其中,皋兰、红古、榆中、互助、永靖、平安、大通、白银(区)与两个省会城市的中心城区邻近,在其辐射带动作用下城镇向外扩展的动力相对较强。此外,平川作为西北最大的陶瓷生产基地,通过对传统产业的改造,多元化的产业格局逐渐形成,城镇化步伐加快。景泰作为全国重要的复合能源基地,通过培育新兴产业,有力地促进了城区的向外扩展。积石山通过招商引资发展投资拉动型经济,带动了县域经济的发展,城镇建成区逐渐向外延伸,紧凑度降低。乐都随着境内兰西高速、滨河南北路和109国道县城东西出口道路的改扩建工程等一批重点项目的实施,带动了道路沿线的发展,城镇扩展也以外部扩张为主。东乡、和政作为甘肃南部地区重要的旅游目的地,通过重点城镇建设加速了城镇空间的外部扩展。临夏(县)通过在资源、环境、生态和信息等方面与临夏(市)的协同发展,城区框架得到进一步的拉伸,紧凑度降低。③先上升后下降的倒“U”型变化模式。包括永登、会宁、靖远、湟源、湟中、临洮、岷县、渭源、漳县、民和、化隆、循化12个县(区)。这类县(区)大多位于兰州、西宁两大都市圈层的边缘地带,与中心城市的联系较弱,城镇扩展动力不足,以内部填充为主。随着中心城市的辐射带动作用不断增强,城市外部扩张趋势显著,形态紧凑度降低。其中,以化隆、循化、会宁、靖远、湟源的下降幅度最为明显。化隆以境内的三江源生态保护工程和黄河上游水电资源开发等系列大型项目为契机,加快了“沿黄河城镇经济带”的建设,城镇扩展以外部扩张为主。循化通过县城东伸西延、南改北扩工程,城镇向外扩张趋势明显。会宁通过北城中心区的规划建设,发展空间得到了进一步提升,城区外部扩张势头强劲。靖远在新城区的建设过程中,城区规模不断扩大。湟源抓住西宁市扩市提位的战略机遇,通过发展餐饮、旅游为主的服务业,带动了地方经济的发展,城镇建设也表现出以外部扩张为主的特征。④先下降后上升的“V”型变化模式。此类型城镇数量不多,仅有通渭、广河、康乐3个县(区)。1992—2002年,城镇规模相对较小,在发展过程中的外部扩展明显快于内部填充,城镇空间向外扩展趋势明显。其后随着城镇规模的不断扩大,开始受到诸多因素的限制,城市空间扩展转向以内部填充的集约式发展为主。

4 城市群城镇空间扩展格局

4.1 城镇空间扩展集聚特征

利用ArcGIS软件从县域尺度对城市群的空间扩展进行全局自相关分析,揭示区域间的差异。得到1992—2002年、2003—2016年城市群两个时期空间扩展的Moran′s I指数值分别为0.35和0.17,Z值分别为4.58和2.31,说明城市群其空间扩展总体呈“集聚”态势(图3)。

图3 1992—2016年城市群空间扩展的Moran′s I指数计算结果

为了更好地分析不同时间段内的城镇扩展情况,对1992—1997年、1998—2002年、2003—2007年、2008—2012年、2013—2016年时段的Moran′s I指数和Z值进行了提取。结果表明,1992—2002年Moran′s I指数由-0.039增长到0.243,Z值也由-0.147增长到3.287,城市群的空间集聚态势进一步加强,扩展模式由相对分散向集聚发展转变。

2003—2016年的Moran′s I指数由0.243下降到0.024,Z值由3.28下降到0.627,说明在此期间城市群的城市空间扩展集聚态势相对于前一阶段有所减弱。由1992—2016年的Moran′s I指数和Z值变化可见,城市群的空间扩展逐渐由中心集聚扩展向区域协同发展转变,扩散势头逐渐显现。

图4 1992—2016年兰白西城市群热点分析

4.2 城镇空间扩展格局演化

利用ArcGIS自然断裂法,以县(市、区)为基本单位,将每个阶段的G*统计量从高到低分为“热点区、次热点区、过渡区、次冷点区、冷点区”五个等级,得到兰白西城市群城镇空间扩展强度的冷热点格局(图4)。主要是:①1992—1997年,热点区形成较集聚的空间形态,兰州主城区为城市群的扩展极核，西宁城区及周边的湟中、互助城镇扩展速度较快形成次热点区,与榆中、白银、皋兰形成“一大一小”两个片区。过渡区主要位于兰州、西宁主城区之间的联接地带,而位于城市群边缘区域的定西、临夏、海东为空间扩展冷点区的集中区,次冷点区多分布在城市群东部边缘区域。城市群逐渐形成了以兰州为主、西宁为副的两大增长极核,核心—外围空间结构初步形成。②1998—2002年,热点区空间格局发生了较大变化。首先,热点区范围显著增加,较上阶段增加了78.9%。其次,西宁城区演化为城市群空间扩展热点区,与兰州主城区共同成为城市群的扩展核心。围绕城市群空间扩展的集合地区,依次形成空间扩展的次热点区和过渡区。次热点区的范围较上一阶段有所扩大,形成城市群空间扩展的兰州—西宁热点集聚带。白银通过产业转型促使部分县区由次冷点区向过渡区演化,城市群南部地区的冷点区范围逐步缩小。③2003—2007年,兰州、西宁的向心集聚特征明显,热点区形成了以其为核心的城市群两大扩展极核。次热点区与上一阶段相比空间范围有所减小,乐都、永登、红古演化为过渡区。次冷点区范围基本保持稳定,仍分布于城市群的边缘区域。位于城市群南部边缘的定西、临夏(州)仍是冷点区的集中区域。④2008—2012年,随着民和至小峡公路工程等项目的相继开工建设,加强了西宁、兰州两座省会城市之间的联系。因此，热点区的范围逐渐扩大,兰州、西宁两大扩展极核连成一片,热点区范围呈现出更集聚的空间形态。次热点区逐渐向城市群西北方向延伸,上阶段处于过渡区的景泰、靖远演化为次热点区。过渡区主要位于热点次热点区的周边区域,并表现出逐渐向城市群边缘扩散的趋势。冷点区的范围与上阶段相比有所缩小,渭源、陇西、漳县等县区演化为次冷点区。⑤2013—2016年,热点区与上阶段相比基本保持稳定,兰州—白银、西宁—海东两大都市圈层基本形成。次热点区的范围进一步向城市群边缘区域延伸,原先位于过渡区的平川、安定、循化等县(区)演化为次热点区。冷点区和次冷点区空间范围进一步缩小,白银南部和定西北部的部分县区演化为过渡区。

5 结论与建议

5.1 结论

兰白西城市群向心集聚的空间扩展趋势明显,呈现出以兰州、西宁为主要增长极的“核心—外围”空间格局,但兰州、西宁作为两座中心城市的综合承载能力和城市功能较弱，城市群内部各城镇空间扩展“外部延伸”和“内部填充”并存,在不同时期扩展的方式不同,其外部形态紧凑度也表现出不同的变化特征。在城镇发展的过程中,中等城市缺位,小城镇数量大但发展不足,城市群的空间扩展虽然出现了扩散的势头,但向心集聚的扩展模式依然是城市空间扩展的主流。

5.2 建议

提升开放合作水平,融入“一带一路”建设。城市群应实施更加积极主动的开放合作战略,强化我国向西开放的重要支点作用,形成全方位的开放格局和区域合作竞争新优势。兰州、西宁作为沟通西南、西北的重要交通枢纽,依托区位优势要着力打造全国性综合开放门户。以兰州、西宁为窗口,加强与关中平原、成渝等城市群的合作,共同打造飞地园区,积极承接创新成果转移。同时要深化与周边国家的经贸合作交流,在能矿资源、高端装备制造、绿色食品加工等领域要加强与东欧国家的合作。在农业、旅游、生物资源开发等相关领域着力推进与东亚国家的合作交流。

强化区际交通联系,构建“一带双圈多节点”格局。为增强中心城市对城市群的核心带动作用,要充分发挥陇海—兰新铁路的通道功能,加强主要城市与重点城镇的交通连接,打通节点城市之间的公路联系,改善公路通行条件,构建形成以高速公路为骨架、国省公路干线为基础、县乡农村公路为补充的公路网络。同时,以兰州、西宁为核心,建立城市群客运铁路框架,以高速铁路、高速公路、市域铁路为重点,建设兰州、西宁城市圈城际综合快速路网。在此基础上,依托综合性交通通道,打通节点城市与中心城市,节点城市与节点城市的联系通道,构建兰州—白银、西宁—海东两大都市圈层,进而推动城市群城镇发展带的形成。

整合发展理念,建立健全协同发展机制。城市群的空间扩展虽然出现了扩散的势头,但仍以中心城市为主。因此,要通过建立公共事务协同治理机制,推动社会治理由单个城市向城市群协同治理转变。在区域发展过程中,通过推进区域市场要素的市场发展,逐步实现资金、劳动力、技术等生产要素自由流动和高效配置；发挥兰州、西宁等城市技术、人才、产业基础优势,加大创新力度,加快发展一批技术含量高、产品竞争力强的特色加工制造业和现代服务业；结合产业升级改造,鼓励兰州市主城区向兰州新区、白银工业集中区转移,推动西宁、海东产业的错位分工,改善中小城市发展条件,积极推进兰州榆中、临夏和西宁产城融合示范区建设。