邵帅冬
成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059）
摘要：城市的发展与人类的生活息息相关，改革开放以来，中国城市化进程逐渐加快，逐渐形成了都市圈、城市群。本文利用NPP-VIIRS夜间灯光数据分析苏锡常都市圈发展格局演变，通过利用阀值比较法对苏锡常城市建成区的提取，利用夜间灯光数据和城市的GDP的相关性，检验校正后数据的可用性以及对苏锡常都市圈的城市扩张演变分析研究。
【关键词】：夜间灯光数据；NPP-VIIRS；都市圈；城市建成区；GDP；扩张演变
0 引言
中国城镇化已经进入都市圈、城市群时代，国家正积极推动都市圈和城市群发展战略，以都市圈和城市群为载体参与国际竞争合作、支持国家经济增长、促进区域协调发展[1]。然而，都市圈和城市群的发展也导致了环境问题和不均衡发展、各城市协调性差等负面影响。为了更好地促进都市圈协调发展以及政府和商业后续规划，研究都市圈发展格局演变具有重要意义。
在城市发展格局演变研究中，传统的手段是利用统计年鉴中的数据进行研究。统计年鉴虽然丰富但无法有效反应城市建成区的准确空间分布[2]。遥感技术被证明具有直观性、客观性、时效性和经济性等优点[3]，已经被广泛应用于城市时空格局动态变化监测。
根据国内外学者经验，本文使用的遥感技术手段对城市时空格局研究主要是基于NPP/VIIRS夜间灯光遥感影像数据。夜间灯光数据能有效地捕捉到城市灯光，展现城市发展过程是监测人类活动状态的良好数据源[4]。通过研究城市发展格局变化，对苏锡常都市圈城市建设布局提供参考意义。
1 研究区概况
苏锡常都市圈位于长江三角洲，包括苏州、无锡、常州三市。国家规划的《长江三角洲城市群发展规划》要求苏锡常都市圈全面强化与上海的功能对接与互动，加快推进沪苏通、锡常泰跨江融合发展，加快生态空间修复和城镇空间重塑，提升区域发展品质和形象[5]。
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2 数据来源和处理
2.1 数据来源
（1）夜间灯光遥感数据
本文使用的NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据为2013-2019年的月度无云DNB数据，经过了去云和杂散光的过滤。NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据有两个配置在文件名中分别表示为“vcm”和“vcmsl”。由于“vcmsl”版本，包括杂散光校正数据，将有更多的数据覆盖两极，但质量将降低，所以本文研究使用“vcm”版本数据，当前NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据的年产品和月产品合成工作由科罗拉多矿业大学承担（https://eogdata.mines.edu/products/vnl/）。
（2）其它数据
本文所使用的苏锡常都市圈的建成区面积、GDP数据来自《江苏省统计年鉴》；行政区域矢量数据比例尺为1：400万，数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）。
2.2 数据处理
本文使用的NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据主要是月度合成数据因该数据具有空间和多时间分辨率覆盖的特性，已经广泛应用于多个领域。但是该数据作为初级数据产品，虽然该数据已经进行了去云以及杂光的过滤，但是数据仍然具有一些噪声，并且存在年尺度上的时间序列不连续问题和灯光极值问题，在一定程度上限制了其实用，需要对数据进行校正。本文对2013-2019年时间序列NPP/VIIRS夜间灯光遥感月度合成数据校正方法采用胡为安关于NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据进行校正的方法[6]，并且在校正前对灯光数据进行了DN值取整处理。
2.3 校正前后影像分析
经过一系列数据校正后，选取研究区2016、2019年的夜间灯光遥感数据，对比其校正前后影像像元DN值及灯光影像局部变化，如下图2-1所示。
由研究区校正前后对比图，可以看出，校正前年度合成灯光数据存在大量背景噪音以及不稳定值，并且存在灯光值年际不连续的情况，因此不能直接使用；校正后的年度合成灯光数据消除了背景噪声、不稳定光源和最大灯光亮度极值等，可以发现校正后的夜间灯光数据影像DN值和灯光影像的局部变化更符合实际情况。
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2.4 灯光数据校正结果验证
根据国内外学者的实验经验，夜间灯光强度数据和研究区域的GDP数据有很大的相关性和拟合性，因此本文通过使用SPSS统计分析软件对苏锡常都市圈的GDP数据和校正前后的TDN数据进行线性回归分析，通过线性回归分析来检验夜间灯光数据校正结果，如下图(a)、(b)所示。TDN计算公式如下公式：
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通过图（a）、（b）可以清晰的看出校正后的灯光数据的散点分布要比校正前拟合度要高很多；另外校正前灯光数据GDP数据的R2= 0.571，校正后的灯光数据和GDP数据的R2= 0.998、（R2称为确定系数，R2的最大值为1，R2的值越接近1，说明拟合程度越好，反之越差），因此从拟合优度来看校正后的NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据的精度相比校正前有了很大的提高，可以满足后续研究使用的要求。
3 城市建成区的提取
目前夜间灯光数据已被广泛地应用于建成区提取。本文提取的城市建成区主要为苏锡常都市圈内苏州市区、无锡市区、常州市区的建成区面积。
利用阀值比较法分别提取已经校正后的2013、2016、2019三个年份的NPP/VIIRS合成年度平均数据，如下表3-1为提取的城市建成区面积以及提取阀值和与统计年鉴中城市建成区统计面积的误差率。
表3-1苏锡常都市圈城市建成区面积提取及阀值相关参数
2013 2016 2019
城市 阀值 统计面积
/ 提取面积
误差率
阀值 统计面积
/ 提取面积
误差率
阀值 统计面积
/ 提取面积
误差率
苏 21 727 708 2.6 24 733 723 1.3 28 760 756 0.5
锡 16 455 448 1.5 14 538 547 1.6 16 557 577 3.4
常 24 234 227 2.9 23 290 285 1.7 25 306 305 0.3
通过表3-1比较分析建成区的提取阀值和面积提取的误差率，可知本次提取的建成区面积的精度很高，说明本次使用阀值比较法来提取的城市建成区面积可以满足后续研究使用。
4 都市圈发展格局演变研究
4.1 都市圈城市建成区时空扩张特征
通过阀值比较法提取的苏锡常都市圈城市建成区面积，利用EXCEL、OriginPro工具和统计学原理进行都市圈市区城市扩张时空特征分析。
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表4-1苏锡常都市圈城市建成区面积扩张速率表
2013 2016 2019 扩张速率
城市
苏 708 723 756 5 11
锡 448 547 577 33 10
常 227 285 305 19.3 6.7
苏锡常 1383 1555 1638 57.3 27.7
(注：为建成区提取面积，为建成区面积扩张速率)
通过图（a）和表4-1，可以发现：（1）2016-2019年苏州市城市建成区扩张强度大于2013-2016年；（2）无锡市、常州市2013-2016年城市建成区扩张强度大于2016-2019；（3）综合分析苏锡常都市圈城市建成区在2013-2016年扩张强度要大于2016-2019。
4.2 都市圈城市重心演变研究
城市重心区域发展程度和规模往往高于城市其它区域，重心偏移是衡量和解释城市空间分布的重要指标。由于夜间灯光遥感数据和城市人口、GDP、EPC经济等数据息息相关，因此可以用夜间灯光遥感数据重心模拟城市重心。为了更好的研究苏锡常都市圈的城市发展格局演变，本文利用标准差椭圆法来研究都市圈重心在不同时间段期间内苏锡常都市圈重心变化特征，如下表4-2、4-3所示。
表4-2苏锡常都市圈历年灯光重心分布和参数
年份 X（m） Y(m) 经度 纬度
2013 1447507.544588 4009963.732418 120°25'28.233"E 31°26' 50.541" N
2016 1444671.539789 4012210.988879 120°23'58.891"E 31°28' 20.634" N
2019 1444020.882009 4012771.424742 120°23'38.717"E 31°28' 42.739" N
表4-3 苏锡常都市圈灯光重心参数
参数 13-16 16-19
距离（） 3.6 0.9
) 1.2 0.3
角度(°) -38.4 -40.7
通过表4-2、4-3对两个不同时间段城市扩张中的重心分布和重心参数可以得知：（1）2013-2016年期间，都市圈的城市重心从苏州市120°25'28.233"E、31°26' 50.541" N的位置，以的偏移速度向无锡市西北方向偏移，最后都市圈的城市重心坐落于无锡市120°21'13.795"E、31°29' 56.673" N的位置，偏移距离和角度为别为、；（2）2016-2019年期间，都市圈城市重心从无锡市120°23'58.891"E、31°28' 20.634" N的位置，以继续向无锡市西北方向发生偏移，最后都市圈的城市重心坐落于120°23'38.717"E、31°28' 42.739" N的位置，重心偏移的距离、角度分别为、。
综合分析，苏锡常都市圈的城市重心在两个不同时间段期间持续向西北方向偏移，由苏州市境内最终移到无锡市内。都市圈城市重心2013-2016年偏移强度要大于2016-2019年，重心偏移主要发生在2013-2016年，偏移的距离、速度先增后减。
5 结束语
通过以上研究分析，可以得出如下结论：（1）苏锡常都市圈城市建成区面积一直在扩张，2013-2016年面积扩张强度要大于2016-2019年时间段期间。（2）苏锡常都市圈城已经形成了点轴发展理念并且以无锡市作为都市圈的城市重心向无锡市、苏州市、常州市进行四周辐射,带动了周围城市的发展。（3）苏锡常都市圈发展格局演变体现了《苏锡常都市圈规划》中推进城市化进程中区域协调发展的理念以及都市圈经济走廊规划的要求，通过研究都市圈时空演变对未来城市规划和经济发展具有指导意义。
【参考文献】
[1] 范擎宇.协调视角下长三角城市群空间结构演变及机理研究.K928.5/8.113:171301007.
[2] 许正森,徐永明.整合 DMSP/OLS 和 NPP/VIIRS 夜间灯光遥感数据的长江三角洲城市格局时空演化研究[J].地球信息科学学报,2021,23(5):837-849.
[3] 梅安新.遥感导论[M].北京:高等教育出版社,2001. [ MeiA X. An introduction to remote sensing[M]. Beijing:Higher Education Press, 2001. ]
[4] Elvidge C D, Pettit D R, Cinzano P, et al. Overview of the Nightsat mission concept[J]. Urban Remote Sensing Joint Event, 2007,volume 28(12):1-5.
[5] 长江三角洲城市群发展规划??．中华人民共和国国家发展和改革委员会官方网站．2016-06-03[引用日期2016-06-04]
[6] 胡为安,刘传立，詹淇雯.中国区域NPP-VIIRS年度夜间灯光数据的合成方法与对比验证.桂林理工大学学报.
作者：邵帅冬（1994.05-），男，汉族，成都理工大学地球科学学院，硕士研究生在读，测绘工程专业。