图尔荪阿依·如孜 阿里木江·卡斯木,2* 高鹏文 赵孟辰

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054; 2.新疆师范大学 丝绸之路经济带城镇化发展研究中心,乌鲁木齐 830054)

城市扩展的空间形态变化是城市化发展的显著标志[1-3]。改革开放以来，我国城市扩展变化呈快速增长趋势，但同时城市地域空间分布也变得极不均衡,限制了区域的协调发展[4-5]。城市空间扩展作为衡量区域城市化发展水平高低的重要指标之一[6]，而城市空间的扩展及形态的变化也是城市形成和发展过程中的必经阶段[7]。促进区域协调发展，要了解和比较新疆城市扩展演变过程、区域城市扩展的空间格局以及变化特征进行研究。新疆城市空间变化的动态变化研究能为构建科学合理的新疆城市体系结构建设中提供一定的参考，在此基础上优化新疆城市扩展空间格局。

低分辨率夜间灯光影像数据是记录人类聚集活动在地表上灯光强度信息的反演，因此在城市化扩展研究中夜间灯光数据被广泛应用[8-12]。在夜间灯光遥感影像数据中，像元的辐射亮度值的大小是受到所对应地表上夜间各类型人造光源亮度强弱的直接反映，人类活动的强度越大时像元灰度值越大[13]。对于研究大尺度下的城市扩展变化特征， Kasimu等[14]结合DMSP/OLS夜间灯光数据、人口密度数据和 MODIS 数据对全球的城市化时空变化特征进行研究，得到了较好的评价精度，提供了低分辨率数据在大范围区域城市扩展中的应用思路。Zhang[15]利用夜间灯光数据对全球的城市扩展在时空动态演变特征进行了研究，在大尺度上的城市扩展演变分析中应用低分辨率的遥感影像数据，体现出低分辨率影像数据在空间和时间上的优势。李德仁等[16-17]利用DMSP/OLS数据对 “一带一路”沿线国家的城市体系进行了时空演化和空间结构趋势研究，通过对城市化发展和生态环境的评估, 分析了1993—2012年 “一带一路”沿线区域的发展规律以及扩展特征，在此基础上评估经济社会发展质量。在大尺度上对城市扩展演变进行研究，能够揭示区域城市化发展规律及空间结构演化，有助于制定城镇空间格局的有效政策。对于城市化和城市扩展相关的研究来说，夜间灯光辐射信号是城市具体活动的综合测量，在城市时空演化研究中具有可比性。

我国西北干旱区的新疆具有独特的自然环境。新疆正处于构建全方位的开放格局阶段，正在加快“丝绸之路”经济带核心区建设。已有研究受夜间灯光数据DMSP/OLS数据获取时间限制的影响，研究时间限定为1992—2013年。本研究为了弥补DMSP/OLS数据在空间、时间以及辐射分辨率等方面的缺陷，更好揭示丝绸之路经济带核心区之一的新疆城市在1993—2018年的城市扩展演变，结合DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据，以期更好，基于2 种夜间灯光数据提取人们生活聚集、活动频繁的城市在空间上的扩展变化信息，开展对研究区城市扩展在1 km×1 km格网的空间格局变化；同时借助城市扩展动态度、标准差椭圆方法以及城市空间形态变化指标来分析研究区城市时空扩展演变规律，以期深入了解和阐释城市扩展在空间上的变化以及发展，为促进“一带一路”建设提供参考。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

新疆位于亚欧大陆的中部，地处在我国的西北边陲，现有14 个地、州、市，89个县(市)，其中33个为边境县(市)。新疆由高山阻挡、暖湿气流难以到达、呈现出典型的温带大陆性气候。天山横亘中部把新疆分成南北两半,南部是塔里木盆地、北部是准噶尔盆地。由于自然条件恶劣，人群聚落主要分布在环绕准噶尔盆地和塔里木盆地的绿洲上。新疆绿洲的规模较小而且不集中，在荒漠中形成孤岛状分布。新疆以其独特的自然和人文条件，是丝绸之路经济带上重要的交通枢纽，作为连接中亚、西亚、南亚乃至通往欧洲的重要商贸通道，是我国实施西部大开发战略的重点区域之一。

1.2 数据来源

夜间灯光数据：为确保研究时间序列的延续性，在美国国家海洋大气局网站(https:∥www.ngdc.noaa.gov)下载DMSP/OLS和NPP/VIIRS 2种夜间灯光数据作为基础资料。DMSP/OLS夜间灯光影像能获取1992—2013年时间序列的年合成数据，空间分辨率为1 km，像元灰度值范围为0～63。NPP/VIIRS数据记录夜间灯光强度，继承了DMSP/OLS数据的基本特征，空间分辨率为0.5 km，弥补了 DMSP/OLS数据在空间、时间以及辐射分辨率等方面的缺陷，极大地拓展了夜间灯光数据的研究方向和应用领域[18-19]。

Landsat-8影像：Landsat-8卫星是美国航天局在2013年2月发射，成像宽幅为185 km×185 km，空间分辨率为30 m。本研究在地理空间数据云(https:∥www.gscloud.cn)上下载乌鲁木齐市、伊宁市、库尔勒市和和田市等4个城市2013年6—9月的Landsat-8遥感影像。

县级行政矢量数据:本研究采用1∶25万的行政矢量数为基础，裁剪其他研究区范围的数据。矢量数据来源于中国基础地理信息中心网站(http:∥gts.shsm.gov.cn)。

2 研究方法

2.1 夜间灯光指数

由于2种夜间灯光数据像元灰度值范围存在差异，为统一值域范围，利用城市区域平均灯光强度指数和城市区域有效夜间灯光面积指数来构建夜间灯光指数ANLI用以反映城市扩展水平[22-23]。计算2种数据的平均灯光灰度值，对DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间光数据进行值域范围的统一[5]。

(1)

(2)

式(1)中：ANLI为平均灯光指数；DNi为研究区内的i级像元灰度值；ni为研究区内i级灰度值的像元总数；N为研究区的像元总数；Nmax为最大灰度值。

式(2)中：(ANLIcorr)i,t为NPP/VIIRS数据的研究区t年份统一后的平均灯光强度；ANLIdmsp2013表示2013年DMSP/OLS数据的平均灯光强度总值；ANLInpp2013表示2013年NPP/VIIRS数据平均灯光强度的总值；(ANLInpp)i,t表示校正前的NPP/VIIRS数据平均灯光强度。

2.1 城市空间扩展度量

城市空间扩展的度量方式可以研究对象从时间和空间两方面来考虑[24]。在一定时间段内，城市区域的位置、面积、范围以及分布等城市信息的变化特征。本研究利用常用的城市建成区面积增长量(AΔ)、变化率(M)、城市空间扩展速率(V)以及城市扩展动态度(R)等指标(表1)来分析新疆城市扩展时空变化。

表1 城市空间扩展时空特征测度指标Table 1 Spatial and temporal characteristic measurement index of urban spatial expansion

2.3 标准差椭圆方法

(3)

(4)

标准差椭圆的3 个要素为转角θ、沿长轴的标准差以及短轴的标准差。转角θ是正北方向顺时针旋转到长轴形成的夹角，计算公式如下：

(5)

x轴标准差δx和y轴标准差δy分别为：

(6)

(7)

2.4 城市空间形态变化指标

城市空间形态变化指标是城市规划和建设过程中的重要依据之一。本研究由紧凑度和分形维数指数来研究新疆城市在空间上的形态变化以及特征。紧凑度(C)是反映城市空间形态中的各部分空间集聚程度的指标，以紧凑度数值的大小变化来分析城市用地的空间扩展规律。分形维数(E)通过城市边界的分形特性分析，揭示不同规模城市产生和扩展的隐性特征[7]。分维系数范围为1～2，分形维数值越大时城市形态越复杂，反而越小时城市形态越接近简单的正方形。当分维系数等于1.5时，空间布局最不稳定。计算公式为：

(8)

(9)

式中：C和E分别为紧凑度和分形维数指数；A和P为城市斑块面积和周长。紧凑度(C)值是在0～1之间，紧凑度指数越接近1时城市形状越接近圆形，说明城市空间形状越紧凑。

3 结果与分析

3.1 新疆城市夜间灯光指数变化特征

本研究根据曹子阳等[18]的方法对DMSP/OLS数据进行预处理，包括裁剪、重投影、重采样和辐射校正，最终得到消除饱和的1993—2013年新疆区域DMSP/OLS夜间灯光数据；因卫星传感器及地表非均匀特性等影响，NPP/VIIRS数据存在少数像元值为负值、极高值、不稳定光源现象。因此，对2013年和2018年所有月数据均值合成为年数据，为消除负值，利用NOAA国家地理数据中心发布的2016年NPP/VIIRS合成数据灰度值大于0的部分对2013年和2018年数据掩膜提取，以像元分布较均衡且灰度值的变化幅度较小城市区为不变区域，通过不变区域法对年合成NPP/VIIRS数据进行相对辐射校正，利用ArcGIS低通滤波工具消除极高的灰度值。为验证2种夜间灯光数据拟合情况，对2013年的2 种夜间灯光数据进行幂函数拟合(图1)，校正后的2 种夜间灯光数据相关系数(R2)为0.79，有较好的拟合关系。

图1 DMSP/OLS和NPP/VIIRS数据的拟合关系Fig.1 Fitting relationship between DMSP/OLS and NPP/VIIRS data

对统一后的2013年DMSP/OLS和NPP/VIIRS数据利用最佳阈值法进行新疆城市空间信息的提取，以乌鲁木齐市、库尔勒市、伊宁市和和田市等4个城市为例，提取的城市夜间灯光跟2013年的Landsat-8影像进行精度验证，结果见图2。

根据式(1)和(2)计算出新疆城市在各年的夜间灯光指数(ANLI)。从1993—2018年(以5年为时间间隔)新疆城市ANLI指数分别为0.809、0.826、0,829、0.831、0.855和0.982。总体上看，1993—2018年的新疆城市化水平持续升高，平均夜间灯光指数由1993年的0.809上升至2018年的0.982，且2013—2018年的平均夜间灯光指数明显高于其他时期平均夜间灯光指数，说明1993—2013年新疆城市化水平较慢，2013—2018年城市化水平高。“一带一路”倡议给丝绸之路核心区的新疆带来了新的发展机遇，推进了新疆新型城市化发展。

(a)乌鲁木齐市 Urumqi; (b)伊宁市 Yining; (c)库尔勒市 Korla; (d)和田市 Hotan。图2 提取的2013年城市夜间灯光与Landsat-8影像精度验证Fig.2 Extracted city night lights and Landsat-8 image accuracy verification in 2013

3.2 新疆城市扩展时空变化

对预处理后的DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜间灯光数据进行阈值分割，得到1993—2018年新疆城市夜间灯光的时空演变信息(表2)。从城市扩展指标获取的新疆城市扩展统计结果表明，新疆城市夜间灯光面积从1993年的571 km2增长到2018年的9 865 km2，面积扩张了17.28倍。由表2可见：新疆城市夜间灯光在近25年来总体上一直保持扩张趋势，1998—2003年新疆城市夜间灯光面积增长量最低、动态度最小，此增长率比1993—1998年的低11倍，属于低速扩展；2003—2008年的增长量比1993—2003年的高460 km2，增长率比1993—1998年的低66.84%，属于缓慢扩展；2008—2013年和2013—2018年的增长量比前期高，尤其是2013—2018年增长量最高，扩展速率达到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的高9.7倍.在“一带一路”倡议的背景下，2015年新疆与中亚五国之间的双边贸易总额达到110亿美元，占到中国与这五国贸易总量的33.7%[26]。在新疆与中亚五国之间的贸易不断加快的情况下，2013—2018年新疆城市的动态变化最明显，表明新疆城市在2013—2018年扩展最快。整体的城市扩展指标计算结果表明，新疆2013—2018年的城市变化呈现中速-低速-缓慢-快速的扩展趋势。

3.3 标准差椭圆分析

构建标准差椭圆度量新疆城市夜间灯光在空间范围内扩展方向以及规模分布，结果见图3。

从图中可知新疆地、州、市的5个时期的标准差椭圆范围大小与标准差椭圆重心迁移的空间变化。其中：1993—1998年标准差椭圆范围以及重心移动最明显；1993年的标准差椭圆重心从昌吉回族自治州迁移到巴音郭楞自治州，而2003—2008和2008—2013年没有显著性变化；从整个标准差椭圆长轴的方向来看，每个时期的标准差椭圆长轴方向是从东北-西南方向发展，说明5个时期的长轴方向都是一致的。从标准差椭圆法的参数来计算，可得新疆城市扩展的标准差椭圆的变化，结果见表3。可见：1993年的标准差椭圆范围为18.33×104km2到1998年时增加了13.9×104km2，重心迁移方向是从东北向西南方向转移，这个时间段内标准差椭圆重心的移动距离最远；1998—2003年标准差椭圆的面积增加了2.75×104km2，重心坐标由(85°52′ E， 42°58′ N)移至(84°55′ E， 42°46′ N)，重心移动距离为80.31 km；其中2008—2013年标准差椭圆的重心移动距离最短，标准差椭圆范围比前一段时间段的大2.422.75×104km2，重心移动距离比2003—2008年短11.96 km，移动方向为东北方向；1993—2018年来新疆城市扩展的标准差椭圆范围一直保持增加，呈现出重心移动距离先缩短后增长趋势。

表2 城市空间扩展统计分析Table 2 Statistical analysis of urban spatial expansion

图3 新疆5个时期的城市扩展标准差椭圆及其重心变动Fig.3 Urban extension standard deviation ellipse and its center of gravity change in five periods in Xinjiang

表3 新疆城市扩展的标准差椭圆变化Table 3 Standard deviation elliptic variation of Xinjiang urban expansion

随着我国城市的迅速发展，新疆城市规模也呈现出快速发展趋势，1993—2018年来新疆城市标准差椭圆的面积与中心转移方向变化显著(图4)，标准差椭圆面积从1993—2018年时增加了25.31×104km2，增长率为138.05%。标准差椭圆的方位角变大，标准差椭圆长轴的伸缩幅度较大。表明推动新疆城市体系夜间灯光演化的主要拉动力量为西南向。2017年“双西公路”全称为“欧洲西部—中国西部”公路的建成加快我国向西开放，标志着新疆东联西出的通道运输能力进一步增强，促进新疆城市发展。

图4 1993—2018年新疆城市规模标准差椭圆及其中心变化Fig.4 Xinjiang city size standard deviation ellipse and its center change from 1993 to 2018

3.4 城市空间形态变化特征

根据分形维数指数和紧凑度指数的公式计算出新疆城市的时空变化特征。由图5可知新疆城市的空间形态都处于不同的变化阶段。新疆的生态环境极为脆弱，城市之间的距离较远，相互联系较脆弱。因此，在研究期间内新疆城市外围轮廓形态紧凑度值持续下降，从1993年的紧凑度值0.17到2018年时降到0.05，新疆城市紧凑度值接近于0，城市外围轮廓的紧凑性差，城市结构呈松散化趋势。新疆城市的分形维数值大于1.5，范围1.52～1.64，从1993—2018年新疆城市的分形维数有略微增长的趋势，1993—2018年来新疆城市处于既不稳定且复杂的状态。

整体来说，新疆城市外延式扩展较明显，城区外廓的破碎程度较高、城市空间形状的不规则性强，相应的稳定性越来越弱，新疆城市的空间形状为日益复杂的发展趋势。

图5 新疆城市各时段分形维数和紧凑度变化Fig.5 Changes in fractal dimension and compactness of Xinjiang cities at different time periods

4 结 论

本研究为了数据的连续性基于DMSP/OLS夜间灯光数据(空间分辨率1km)和NPP/VIIRS夜间灯光数据(空间分辨率1km)等2种夜间灯光数据相结合，提取新疆城市建成区的空间信息，利用平均夜间灯光指数、4种类型的城市扩展指标、标准差椭圆法和城市空间形态变化指数，对1993—2018年新疆城市扩展时空演变进行研究。得出的结论有以下几点：

1)通过灯光指数对2种夜间灯光数据进行幂函数拟合，校正后的2种夜间灯光数据相关系数(R2)为0.79，有较好的拟合关系。1993—2018年来，新疆城市的平均夜间灯光指数保持递增趋势，新疆城市化水平不断上升。城市的建成区面积一直保持增长趋势，尤其是2013年提出“一带一路”建设以后，比起前些年的新疆城市建成区面积增长量最高，到2018年时增长量为6 111 km2，扩展速率达到1 222.2 km2/a，比1993—1998年的9.7倍，动态变化最明显。1998—2003年新疆城市增长量最少，发展速率缓慢，动态度最小。1993—2018年新疆城市扩展是从中速-低速-缓慢-快速的扩展趋势。

2)构建标准差椭圆，度量新疆城市空间的扩展方向以及空间分布趋势。2003—2013年新疆城市标准差椭圆范围和标准差椭圆重心转移方向不明显变化，为了更进一步分析新疆城市1993—2018年的整体扩展，构建1993—2018年的标准差椭圆。结果表明1993—2018年新疆城市规模标准差椭圆的范围与重心转移方向有显著变化，标准差椭圆面积从1993—2018年时增加了25.31×104km2，这期间标准差椭圆的面积增长率为138.05%。标准差椭圆的重心转移方向是从1993—2018年由东北向西南。说明新疆城市1993—2018年来一直保持扩展趋势。

3)1993—2018年新疆城市的紧凑度指数保持下降趋势，分形维数指数随着时间的变化呈递增趋势。新疆城市的紧凑度指数接近于0、空间形态不紧凑。分形维数指数都在1.5以上，新疆城市空间形态处于既不稳定且复杂的状态，外延式扩展较明显，城市空间形状的不规则性强，破碎程度较高，新疆城市的空间形状为日益复杂的发展趋势。

本研究为了弥补DMSP/OLS夜间灯光数据的空间分辨率和获取数据时间限制性的缺点，利用NPP/VIIRS数据。这2种夜间灯光数据虽然解决利用夜间灯光数据进行研究时时间的更新性和延长性，但是空间分辨率以及卫星传感器的不一致导致2种数据灰度值范围的差异性。本研究利用同年份的2种数据重采样、归一化等预处理以及平均灯光指数进行统一，得到2种夜间灯光数据本研究较好的拟合性(R2=0.79),但是没有完全解决这2种夜间灯光数据的差异性。2013年“一带一路”倡议的提出以及东西双向互济的开放格局，为新疆经济发展创造了良好机遇，对新疆的城市发展带来巨大变化。因此，研究结果有助于更好地认识和理解城市空间格局变化及发展，为促进“一带一路”建设提供参考。