摘要：以廣西桂林、柳州、南寧3個主要城市的建成區(qū)為研究區(qū)，利用閾值分割法分別對DMSP/OLS、NPP/VIIRS、Landsat數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)，根據(jù)燈光總強度指數(shù)(TNL)、平均燈光強度指數(shù)(ULL)以及綜合夜間燈光強度指數(shù)(CNLI)的燈光特性分析廣西三城城市化水平，通過計算光學(xué)影像的歸一化建筑指數(shù)(NDBI)、建筑用地指數(shù)(IBI)、仿建筑用地指數(shù)(SIBI)、綜合加權(quán)建筑指數(shù)G采用閾值法提取3個城市1992、2000、2009和2017四個時間段的建成區(qū)，最后利用城市擴張速率、強度指數(shù)和空間重心位置轉(zhuǎn)移定量分析25年來廣西三大主要城市建城區(qū)時空演變特征。結(jié)果表明：(1)廣西城市化水平不斷提高。(2)利用陸地衛(wèi)星遙感與夜光遙感對城市建成區(qū)提取具有一定可信度。陸地衛(wèi)星提取的總體準確精度達到了93%，但提取的整體精度比夜光遙感低，夜間燈光數(shù)據(jù)的總體精度都在83%以上，總體精度達到了96%。(3)廣西三大主要城市的城市化進程速度在加快。南寧在1992—2017年城市擴展速度由11.88上升至34.4，柳州在1992—2017年期間由6.95上升至21.74，桂林在1992—2017年期間擴展速度由8.11上升至16.74。以上結(jié)果同時說明了廣西城市發(fā)展整體呈現(xiàn)上升趨勢，建成區(qū)的空間擴展范圍隨時間推移表現(xiàn)出高強度增長模式，這與廣西規(guī)劃的城市化進程發(fā)展趨勢一致。

　　關(guān)鍵詞：城市格局;DMSP/OLS;NPP/VIIRS;建筑指數(shù);燈光指數(shù);動態(tài)分析

　　0引言改革開發(fā)至今，我國一直處于城市化高速增長的階段，在1992—2017年的25年間，中國城鎮(zhèn)化率從27.46%增到58.52%，且呈現(xiàn)持續(xù)上漲的態(tài)勢。

　　廣西城鎮(zhèn)之間發(fā)展不均衡現(xiàn)象顯著，2017年廣西城市人口城鎮(zhèn)化率為49.21%，處于全國中下水平，城市格局遠未成型。為了提高廣西城市化，合理規(guī)劃土地資源的利用，縮短廣西與全國城市化發(fā)展的差距，必須掌握廣西城市空間格局分布信息。應(yīng)用遙感技術(shù)做城市化研究具有較大的優(yōu)勢和便利性，彌補了統(tǒng)計數(shù)據(jù)不利于動態(tài)監(jiān)測的缺點。

　　光學(xué)方向評職知識：光學(xué)sci論文發(fā)表需要潤色嗎

　　20世紀80年代后期，成像光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，充分顯示了遙感技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展前途，尤其是光學(xué)遙感在城市化監(jiān)測的運用吸引了人們的高度關(guān)注[1-3]，但大多數(shù)都是趨于多光譜遙感的城市化研究。直至夜間燈光遙感的出現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者開始向夜光遙感的多元化如城鎮(zhèn)化研究[4]：程熙等[5]利用夜間燈光強度的分布特征與不透水面覆蓋的密切相關(guān)性集成夜間燈光數(shù)據(jù)與LandsatTM影像提取不透水面信息;馬瑞雪等[6-7]計算不同燈光指數(shù)構(gòu)建GDP的最佳回歸模型。夜間燈光遙感始于1997年，Imhoff等為了估計城市土地對美國土地資源的影響。

　　首次選擇了夜間燈光數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，開辟了夜間燈光數(shù)據(jù)的研究領(lǐng)域[8]，國外關(guān)于夜光遙感技術(shù)發(fā)展十分活躍[9-12]，而國內(nèi)夜間燈光的研究起步較晚，但是一批研究者已經(jīng)熟練地將夜光數(shù)據(jù)應(yīng)用于中國區(qū)域，宋善海等[13]對比不同地形背景下的山區(qū)與平原地區(qū)夜間燈光強度分布的空間特征;李景剛等[14]就DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和SPOT/VGT時間序列數(shù)據(jù)等多源遙感信息，探討了環(huán)渤海城市群地區(qū)城市化過程對植被初級生產(chǎn)力的季節(jié)性變化影響;江威等[15]對比NPP/VIIRS數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)的特點，提出對比兩種夜間燈光數(shù)據(jù)模擬社會經(jīng)濟參量的潛力;王若曦等[16]提出結(jié)合DMSP/OLS和Landsat數(shù)據(jù)對江西省進行建成區(qū)提取研究，多源遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合進行城市化研究具有更高可信度。

　　本文從城市發(fā)展進程出發(fā)，以廣西南寧、柳州、桂林為例，在1992—2013年DMSP/OLS、1994—2017年NPP/VIIRS夜光遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)與1991—2017年Landsat多光譜影像的支持下，綜合夜間燈光指數(shù)和光學(xué)建筑指數(shù)定量分析廣西1992—2017年城市格局時空演化特征，為廣西數(shù)字城市和生態(tài)城市建設(shè)提供技術(shù)和理論支撐，對揭示廣西城市化擴張規(guī)律、定量分析廣西城市化水平、結(jié)合多種遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市化監(jiān)測等具有一定的參考價值和意義。

　　1研究區(qū)概況

　　南寧市(22°12′—24°02′N、107°19′—109°38′E)、柳州市(23°54′—26°03′N、108°32′—110°28′E)、桂林市(24°15′—26°23′N、109°36′—111°29′E)三城分別是廣西壯族自治區(qū)的首府城市、工業(yè)城市、旅游城市，其中南寧地處廣西中部偏南，全市面積為22112km2;柳州地處廣西中北部，全市面積為18618km2;桂林地處廣西東北部，全市面積為2.77萬km2。廣西是沿海唯一的自治區(qū)，緊鄰廣東，該地區(qū)城市化水平在全國各個省中整體相對低下，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年廣西城鎮(zhèn)化率低于全國城鎮(zhèn)率(58.52%)大約9%，處于全國中下水平，城市規(guī)模小，小城鎮(zhèn)難以發(fā)展成城市規(guī)模[17]。

　　2數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

　　2.1數(shù)據(jù)源

　　(1)夜間燈光遙感數(shù)據(jù)。夜間燈光數(shù)據(jù)是由美國氣象管理局(NOAA)提供的全球大尺度范圍的燈光柵格影像。該數(shù)據(jù)有兩種不同傳感器的數(shù)字產(chǎn)品：

　　1)1992—2013年的DMSP/OLS數(shù)據(jù)由DMSP衛(wèi)星搭載的線性掃描儀OLS拍攝，DMSP/OLS已經(jīng)經(jīng)過云及火光等偶然噪聲影響的消除，同時對全年灰度值進行了直接平均化處理，因此下載之后可直接應(yīng)用于相關(guān)研究;2)2013—2017年夜間燈光數(shù)據(jù)由NPP衛(wèi)星搭載的更高分辨率(500m)的可見光紅外成像輻射儀VIIRS提供，與DMSP/OLS探測器相比，解決了燈光值過度飽和從而溢裂的問題。

　　兩種夜間燈光數(shù)據(jù)搭配使用對長時間序列的研究具有更高的應(yīng)用價值，因此被廣泛應(yīng)用于城市化和火災(zāi)的監(jiān)測研究。本文研究采用廣西1992—2013年F101992、F152000、F162009三期DMSP/OLS數(shù)據(jù)和2017年NPP/VIIRS月合成數(shù)據(jù)共4期燈光數(shù)據(jù)進行廣西三城城市空間格局研究。

　　(2)光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)。本文Landsat系列光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺，遙感數(shù)據(jù)下載了條帶號為125-44、125-43、124-43的12景Landsat衛(wèi)星影像，分別獲取時間為1992年的Landsat5TM影像、2000年的Landsat7ETM+影像、2009年Landsat5TM影像和2017年Landsat8OLI影像，且研究區(qū)城市上空無云覆蓋，圖像質(zhì)量良好，城市建筑識別率高。

　　(3)輔助數(shù)據(jù)：

　　1)廣西行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。研究中所用到的掩膜數(shù)據(jù)是來自國家基礎(chǔ)地理信息中心的廣西省界、市界以及區(qū)縣行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，坐標系為WGS-84。2)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)。所用到的1992、2000、2009和2017年的城市建成區(qū)面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別來自于國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計年鑒用于遙感提取建成區(qū)面積的對比驗證。

　　2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理利用ArcGIS10.6軟件將1992—2017年夜間燈光數(shù)據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換為WGS1984UTM投影坐標系，然后在全球夜間燈光數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用南寧、柳州、桂林行政邊界矢量圖層作為掩膜數(shù)據(jù)裁剪出3個城市的夜間燈光影像。

　　利用ENVI5.3對1991年Landsat5TM、2000年Landsat7ETM+、2009年Landsat5TM、2017年Landsat8OLI4期光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進行投影變換、幾何校正處理，同時為了提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可比性，消除光照和大氣等對地物反射的影響，對四期Landsat數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正操作，最后根據(jù)研究區(qū)域建立感興趣區(qū)域進行裁剪。針對DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)不同年份、不同傳感器之間缺乏可比性、連續(xù)性的問題，本文采用不變區(qū)域法[18]對1992—2009年3期DMSP/OLS夜間燈光影像進行相互定標。

　　3研究方法

　　針對該研究區(qū)域的兩種類型遙感圖像，基于Landsat系列影像的光學(xué)遙感建筑指數(shù)分割法和夜間燈光數(shù)據(jù)的二分迭代分割區(qū)域法提取研究區(qū)城市用地信息。對比夜間燈光數(shù)據(jù)和國家統(tǒng)計年鑒的建成區(qū)面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定最佳閾值，通過二分迭代法設(shè)定最佳閾值進行城市化信息提取。Landsat構(gòu)建3個建筑指數(shù)來提取城市信息，包含歸一化建筑指數(shù)NDBI、仿建筑指數(shù)SIBI、建筑用地指數(shù)IBI。

　　多個指數(shù)參與計算可以增強城市建成區(qū)信息，同時也會抑制由裸土、城市、水體等地物波譜信息相似而造成背景干擾噪聲的非城市區(qū)域信息，而閾值法則是需要通過設(shè)定合適閾值分離城市與非城市，即可輸出城市建筑用地信息提取結(jié)果。從空間角度出發(fā)，重建廣西25年間城市化進程，即鄉(xiāng)村區(qū)域向城鎮(zhèn)區(qū)域轉(zhuǎn)化的過程，最后對廣西25年間城市空間演化過程進行系統(tǒng)分析。

　　4基于夜光遙感與光學(xué)遙感的城市格局時空動態(tài)變化分析

　　為了探究廣西南寧、柳州、桂林3個城市1992—2017年的城市建成區(qū)面積變化與擴張規(guī)模，定量分析了廣西城市空間格局變化特征。廣西的經(jīng)濟蓬勃區(qū)主要集中于廣西的首府城市、工業(yè)城市、旅游城市三者之間，因此研究南寧、柳州、桂林三城從1992—2017年的城市化水平，就能重建對廣西的城市格局時空演化特征。

　　4.1廣西城市擴張模式分析

　　根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)提取的廣西三城1992—2017年的城市擴張對廣西的城市建成區(qū)進行擴張模式分析。廣西的發(fā)展模式以面狀發(fā)展模式為主，點狀和線狀發(fā)展為輔。從1992—2009年這個時期，擴張圖表現(xiàn)廣西城市發(fā)展的形勢為在原有城市發(fā)展過程的聚集效應(yīng)上向外延展，主要形式為面狀發(fā)展模式，但在2009—2017年這個時期，南寧除了主城區(qū)的面積不斷擴大外，相鄰地區(qū)的武鳴縣、賓陽縣、橫縣出現(xiàn)了點狀發(fā)展模式的趨勢。

　　柳州和桂林也有相應(yīng)的城市擴張新增點，包括柳州的柳城縣、鹿寨縣、融水苗族自治縣和桂林的臨桂區(qū)、陽朔縣、荔浦縣、全州縣，柳州主要沿著工業(yè)區(qū)的搬遷升級而擴張，桂林則以旅游景點實現(xiàn)小區(qū)域發(fā)展。南寧、柳州、桂林的發(fā)展在地理位置上似乎呈直線趨勢擴張，說明交通發(fā)展也推動了城市發(fā)展。

　　5結(jié)論

　　本文利用1992—2017的LandsatTM/ETM+/OLI光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和DMSP/OLS、NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)提取廣西南寧、柳州、桂林的城市建筑用地信息，并對兩種提取結(jié)果進行對比分析，定量闡述廣西城市空間格局時空演化特征。得到的結(jié)果表明：

　　(1)廣西城市化水平逐漸提高。南寧綜合燈光指數(shù)由0.0012上漲至0.0071，柳州綜合燈光指數(shù)由0.0016上漲至0.0044，桂林綜合燈光強度由0.0004上漲至0.0015，對比3個城市同一年份的綜合燈光指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，南寧的綜合燈光指數(shù)CNLI最高，說明南寧的城市化水平大于其它兩個城市的水平，是廣西城市化水平最高的城市，桂林的綜合燈光指數(shù)CNLI數(shù)值最小，說明桂林的城市化水平相對偏低。

　　(2)利用陸地衛(wèi)星遙感與夜光遙感對城市建成區(qū)提取具有一定可信度。Landsat數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù)提取建成區(qū)的結(jié)果的精度都達到了比較高的準確率，陸地衛(wèi)星提取的總體準確精度達到了93%，但提取的整體精度比夜光遙感低，夜間燈光數(shù)據(jù)的總體精度都在83%以上，總體精度達到了96%。

　　(3)廣西三大主要城市的城市化進程速度在加快。南寧在1992—2017年城市擴展速度由11.88上升至34.4，柳州在1992—2017年期間擴展速度由6.95上升至21.74，桂林在1992—2017年期間擴展速度由8.11上升至16.74。在廣西城市擴張過程中，城市建成區(qū)整體處于極速擴張態(tài)勢，自2000年之后，城市擴張速率越來越快，擴展面積越來越大，各城鎮(zhèn)區(qū)域之間聚集程度越來越高，呈現(xiàn)同一發(fā)展的現(xiàn)象，城市與城市之間相互作用也越來越大，這個連續(xù)上升的趨勢也精確反映了廣西城市空間格局的發(fā)展規(guī)律。

　　以上結(jié)果同時說明了廣西城市發(fā)展整體呈現(xiàn)上升趨勢，建成區(qū)的空間擴展范圍隨時間推移表現(xiàn)出高強度增長模式，這與廣西規(guī)劃的城市化進程發(fā)展趨勢一致。

　　廣西區(qū)是多格局發(fā)展的區(qū)域，雖然目前廣西的發(fā)展能力處于全國各個省份的中下水平，但根據(jù)以上結(jié)果，可以推斷未來廣西的發(fā)展指日而待，目前廣西發(fā)展格局非常穩(wěn)定，其核心發(fā)展實力處于一個上升期。2019年，南寧的GDP為4506億元，柳州的GDP為3128億元，桂林的GDP為2105億元，依次位列廣西經(jīng)濟前三。

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　　作者：藍斐蕪，付波霖，何宏昌，劉曼，高二濤，范冬林