河南科技
2019年9月
HenanScienceandTechnology
交通与建筑
基于夜间灯光数据的南京城市建设用地扩张效率研究
徐刚1
潘文辉2
赵勇2
韩学敏2
（1.南京国图信息产业有限公司，江苏南京
210042；2.南京市规划和自然资源局，江苏
南京210029）
摘要：为了探索夜间灯光数据在城市建设用地扩张效率研究中的应用本文构建了城市灯光强度-土地城市
化水平异速生长模型，基于异速生长系数判断城市建设用地扩张效率变化。研究区2012—2016年幂函数形式的异速生长系数分别为0.8188、0.7967、0.8469、0.8122和0.9162，建设用地扩张效率呈现波动上升的趋势。鼓楼区、1.698城市建设用地扩张效率的测度与评价。4、0.812玄武区、5和0.404栖霞区和六合区线性函数形式的异速生长系数存在明显梯度差异，0，沿中心城区到远郊区逐渐下降。结果表明，夜间灯光作为新型数据源可应用于对分别是2.7195、关键词：土地利用；城市化；夜间灯光数据；异速生长
中图分类号：F299.23
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2019）26-0090-06
StudyontheExpansionEfficiencyofUrbanConstructionLand
XUinGangNanjingBasedonNightLightData
1PANWenhui2ZHAOYong22.Nanjing（1.NanjingPlanningGuotuInformationandNaturalIndustryResourcesCo.,BureauLtd.，，NanjingHANNanjingJiangsuXuemin2
Jiangsu210042210029；
）Abstract:ciency,Inordertoexploretheapplicationofnightlightjudgedgrowththethisexpansionpaperconstructedefficiencyanofurbanurbanall-speedconstructiongrowthlandmodeldatainbasedoftheonurbanstudytheallometriclightofurbanintensity-landconstructiongrowthcoefficient.urbanizationlandexpansionTheallometriclevel,effi⁃andallometric0.8122coefficientsandgrowth0.916ofcoefficients2respectively,thepowerfunctionoftheandlineartheformfunctionexpansioninthestudyformsefficiencyareainGulouoffromDistrict,construction2012to2016Xuanwulandwereshowed0.818afluctuating8,0.7967,trend.0.846District,0.4040,Qixiarespectively,Districtandandgradu⁃
LiuheThe9,beallyDistrictdecreasedhadobviousalonggradientthecentraldifferences,citytothewhichremoteweresuburbs.The2.7195,1.698results4,show0.812that5andnightlightasanewdatasourcecanKeywords:appliedtolandmeasureuse；urbanizationandevaluate；thenightexpansionlightdataefficiency；iallometricofurbangrowthconstructionland.1
研究背景
镇化带来的人口、资源、环境矛盾升级，城市建设用地集约利用成为学者关注的焦点，人们利用经济社会统计数城市建设用地过快扩张是当前城市化进程面临的重据和土地利用和覆被变化数据（LUCC）等形成许多成
要问题。21世纪以来，随着城市化不断推进，我国城市人果［5，6］
。近年来，夜间灯光数据逐渐成为反映人类社会活
口规模大量增加，极大地刺激了对城市建设用地的需求，动的新型数据源，其时空连续性能有效弥补传统数据存也造成了城市建设用地扩张速度逐渐加快。国内外学者在的缺点，目前已经在人口规模估算［7］、城市经济效率评围绕城市扩张开展了大量研究，主要包括城市扩张的模估［8］、城市能源消费［9］等城市空间数据挖掘领域得到广泛式［1］、特征［2］、区域差异［3］、动力机制［4］等方面。《国家新型应用。
城镇规划（2014—2020）》指出，城镇化发展必须以提升质本文以南京市为例，借助夜间灯光数据和土地利用量为主，防止城市呈“摊大饼”式继续扩张。随着快速城
变更调查数据，尝试利用异速生长模型分析单位夜间灯
收稿日期：2019-08-05
作者简介：徐刚（1983—），男，本科，资源与规划中心东北规划部经理，工程师，研究方向：土地规划与利用。
第26期
基于夜间灯光数据的南京城市建设用地扩张效率研究
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光强度和土地城市化水平之间的关联，以探讨将夜间灯但该数据存在分辨率过低、在城市中心存在过饱和现象、光数据应用于城市土地集约利用研究的可行性。
城镇边界存在光晕现象等缺点［10］。因此，本文采用NPP/2
数据来源与研究方法
VIIRS2.1南京市位于江苏省西南部，研究区概况
Noaa.gov/eog/viirs/download夜光数据，其来源于NOAA/NGDC比，该数据大幅度提高了清晰度和敏感度，monthly.html）。网站（http://ngdc.消除了过饱和与DMSP相
是江苏省的政治、经济和现象，光晕现象明显减少，影像的空间分辨率为0.5km。文化中心，同时也是长三角重要的中心城市之一。截至本研究范围内2012年和2016年夜间灯光强度变化如图2所示。
12016125.78km年，全市土地总面积为2。2013年，南京市由之前的6587km2，其中建成区面积为11区2县精简为笔者以行政区为单元叠加研究区各区灯光数据，依11照单位夜间灯光强度（行政区内灯光强度总值与行政区包括除高淳区、个区。研究区位置与范围如图溧水区以外的其他1所示。本文研究范围9个区（县），即鼓楼面积的比值）计算各区夜间灯光强度。研究范围内各区区、秦淮区、建邺区、玄武区、雨花台区、栖霞区、江宁区、
（县）单位灯光强度变化如表1所示。总体上，南京市各六合区和浦口区。
区单位灯光强度随时间演化呈逐年增强的趋势。其中，2.2主城区（秦淮区、鼓楼区和建邺区）单位灯光强度较高，而DMSP/OLS数据来源与处理
数据是当前较为常用的夜光遥感数据源，
玄武区因具有玄武湖和紫金山等自然山体、水体，因此，
图例研究区
省（区、市）界图例地（市、州）界
研究区界线
县（区、市）界
图1研究区位置与范围
（a）2012年（b）2016年
图2研究范围夜间灯光强度对比
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基于夜间灯光数据的南京城市建设用地扩张效率研究
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表1研究范围内各区（县）单位灯光强度变化
行政区2012年2013年2014年2015年2016年秦淮20.6922.4625.4127.7030.06玄武15.6716.7717.9018.3120.27鼓楼20.7724.9224.8223.2325.16建邺21.1425.0230.7724.7826.78栖霞11.7712.2813.3414.5414.61雨花17.4120.1822.1922.5124.04江宁4.745.045.655.445.68浦口3.594.594.645.305.28六合
2.33
2.83
2.60
2.90
2.91
相对秦淮、鼓楼和建邺，单位灯光强度有所下降，其他区b＜1时，该函数呈负异速生长，即灯光强度增长速度小
（县）位于南京市郊区，单位夜间灯光强度进一步降低。
于城市用地扩张速度，则说明建设用地趋于粗放利用［15］。
2.3虽然异速生长的原始定义表现为幂函数形式，但现和整体或者另一个局部的几何测度关系，2.3.1
研究方法异速生长系数。异速生长指系统中某个局部
实中的地理现象存在半退化为指数或者对数形式的可即系统中的某能，甚至完全退化为线性关系。由于线性关系是一种可个局部的相对增长率和系统或者另一个局部的相对增长加和关系，而整体性公理意味着优化的系统局部是不可率的比值［11］。异速生长定律最初是由Naroll和系统理论
加和的，因此，越接近线性关系，系统的结构越退化或者创始人Bertalanffy合作从生物学领域引入人文地理学领越不进化［16］。
域的，Gould将其解释为“与整个机体的绝对尺寸的变化
相关的比例的差异”［12］
。之后，Beckmann提出了城市体
3南京市建设用地扩张效率分析系异速生长方程，用于刻画城市系统中最大城市人口与所有城市总人口的相对比率。异速生长关系不仅仅局限3.1
扩张效率的时序演化
于研究系统局部与整体的关系，也适用于研究系统中两维度考察城市的生长过程时，3.1.1
2012—2016年研究区模型拟合情况。从时间
可以得到关于单位灯光强个变量之间的关系，如Naroll—Bertalanffy提出的城市-乡度和土地城市化水平时序演化的x(t)和y(t)，这种方法村人口关系、Nordbeck-Dutton提出的城市人口-城区面积可用于刻画城市演化的相空间（P-空间），即式（2）可描述关系也满足异速生长方程。其一般形式为
［13］
：
纵向异速生长过程，揭示研究区作为一个整体，异速生长xαij
i=βjxj
（1）
系数在各个年度的时序演化情况。以土地城市化水平为式中，αij为标度指数，即异速生长系数。该方程具
横坐标，各区（县）单位灯光强度为纵坐标，2012—2016年有广义的分形性质，因为标度指数隐含有维数意义。
研究区幂函数形式的异速生长模型拟合结果如图3所示。从图3可知，2016—2016年的R2都大于0.8，说明模型。理论上，2.3.2
城市灯光强度如果系统中两个要素满足几何测度关系，-土地城市化水平异速生长模
其拟拟合结果较好。
要素间就一定具有异速生长特征［14］，说明该系统服从异
30速生长定律，式（1）可转化为幂函数形式，即
y=axb
（2）
度25强式中，b为标度指数，具有维数性质（异速生长系光20灯数）；x为城市土地城市化水平（城市建设用地占辖区面位15单积的比重）；y为城市灯光强度。当b＞1时，该函数呈正
10异速生长，即灯光强度的增加速度大于城市用地扩张速5y=0.6569x0.81880
R2=0.8271
度，说明建设用地趋于集约利用；当b=1时，该函数呈同0
20
土地城市化水平4060
80100
速生长，即灯光增长速度和城市用地扩张速度相当；当
（a）2012年
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30城区和远郊区多个区（县）的全部辖区范围，较之于土地城市化水平较高、灯光强度较高的城区，远郊区范围大、度25强整体灯光强度弱，因此影响整个研究区的灯光增长速度光20灯和城市用地扩张速度结果。但从异速生长系数呈波动上
位15单10升趋势来看，研究区的建设用地利用正沿着愈加集约的5y=0.8022x0.7967方向发展。同时，也有必要对处于不同位置的区（县）分
0
R2=0.8195
0
20
土地城市化水平4060
80
100
别进行测算。
表2
研究区异速生长系数变化情况（2012—2016年）
（b）2013年
年份拟合优度（R2）
拟合系数（异速生长系数）
35201220130.827度3020140.81910.818强25光2020150.80650.79682016
0.82610.84670.8129灯150.89595
0.91622
位单10y=0.7082x0.846950R2=0.8061
3.2
3.2.1
扩张效率的空间分异
典型区（县）模型拟合情况。依据从城区到远
0
20
土地城市化水平4060
80
100
郊区的地理位置，本文选取了鼓楼区、玄武区、栖霞区和六合区作为典型区（县），通过考察各个区域的序空间（O-
（c）2014年
空间），横向比较不同区（县）的异速生长系数。由于每个35区（县）仅有2012—2016年5个观测值，进行拟合时难免3025产生数据上的龃龉，导致异速生长关系发生退化，因此，度强20本文考虑采用线性函数形式的异速生长模型。此外，尽光灯15管鼓楼区和玄武区都位于中心城区，但玄武区辖区内还
位单10y=0.7991x0.8122有紫金山和玄武湖，理论上灯光强度低于以建设用地为5R2=0.8269
主的鼓楼区。鼓楼区、玄武区、栖霞区和六合区4个典型
00
20
区（县）的线性函数拟合结果如图4所示，其中拟合结果土地城市化水平4060
80
100
最好的是玄武区，
R2达到0.9388。（d）2015年
30353025度强度光20强25灯光位15灯20单10位155y=2.7195x-203.86单105y=0.5334x0.91620
R2=0.3429
0
R2=0.8955
0
20
80100
83.2
83.4
土地城市化水平
83.683.8
8484.284.4
土地城市化水平4060（a）鼓楼区
（e）2016年
图3城市灯光强度-土地城市化水平异速生长模型拟合结果
253.1.2扩张效率（2012逐年—波2016动年上）
升。表2为研究区
度202012强光152012—2016年异速生长系数变化情况。从表2可知，灯位0.818—82016、0.796年研究区幂函数形式的异速生长系数分别为7、0.8469、0.812单105y=1.6984x-124.3升的趋势。由于该异速生长系数反映了灯光增长速度和2和0.9162，呈现波动上0R2=0.9388
城市用地扩张速度之间的关系，异速生长系数小于1表82.5
83
83.5土地城市化水平8484.585
85.5
现为负异速生长，因此，尽管呈现上升态势，但仍旧表现为粗放利用。这与研究区尺度有关，由于研究区覆盖了
（b）玄武区
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16144结论
本文借助长时间序列的夜间灯光数据对城市建设用度12强10地扩张效率进行探讨，基于单位灯光强度和土地城市化光灯8水平构建了异速生长模型，用于分析南京市除高淳和溧
位区（县）组成的研究区2012—2016年建设用地单64y=0.8125x-9.0644水外其他9扩张效率，主要结论如下。
2R2=0.6739
第一，2012—2016年研究区建设用地扩张效率呈现
026
27
土地城市化水平28
29
30
波动上升的趋势。根据幂函数形式的城市灯光强度-土地城市化水平异速生长模型可知，各个年份异速生长系数分别为0.8188、0.7967、0.8469、0.8122和0.9162，呈（c）栖霞区
3.5现波动上升的趋势。由于研究区覆盖了包括中心城区、3近郊区、远郊区在内的广大区域，因此，灯光强度与土地城市化水平的异速生长关系整体表现为负异速生长，但度强2.5明显的上升趋势反映出研究区范围内城市建设用地扩张光灯2效率不断增强。
位单11.5y=0.404x-0.1826第二，从中心城区到远郊区，建设用地扩张效率逐渐R2=0.3909
下降。根据线性函数形式的城市灯光强度-土地城市化00.5水平异速生长模型可知，鼓楼区、玄武区、栖霞区和六合
6.6
6.8
7
、土地城市化水平7.27.47.6
7.88
区的异速生长系数存在明显梯度差异，分别是2.71951.698（d）六合区
武区表现为显著的正异速生长4、0.8125和0.4040。位于中心城区的鼓楼区和玄（玄武区存在山体和水体图4典型区（县）城市灯光强度-土地城市化水平异速生长模
影响灯光强度），处于近郊区栖霞区略低于1，而远郊区的六合区存在广泛乡村腹地，异速生长系数更低。从整体来看，研究区范围内城市建设用地扩张效率沿城区到郊示，沿城区到远郊区，3.2.2扩张效率沿城区型拟合结果
鼓楼区、-玄武区、郊区逐渐下降。如图栖霞区和六合区的5所
区逐渐下降。
城市灯光强度-土地城市化水平异速生长系数存在明显异速生长模型表明，夜间灯光作为新型数据源可以梯度差异。其中，位于中心城区的鼓楼区和玄武区异速用于对城市建设用地扩张效率的测度和评价，是传统经生长系数分别高达2.7195和1.6984，表现为显著的正异济社会统计数据之外研究土地利用效率的新手段。然速生长态势；而位于近郊区的新城区栖霞区这一系数为0.812而，夜间灯光数据一定程度上也受分辨率影响，更加适用于宏观尺度，今后研究应进一步探讨其在微观尺度的农村腹地为主的六合区异速生长系数仅为5，略低于1，表现为负异速生长；处于远郊区以广大0.4040。整
应用。
体来看，城市灯光强度-土地城市化水平异速生长系数沿城区到远郊区表现为逐渐下降的趋势，反映出城市建设参考文献：
用地扩张效率从城市中心到外围由高到低变化，符合城［1］高金龙，陈江龙，袁丰，等.南京市区建设用地扩张模市发展的一般规律和南京市的实际情况。
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