夜間燈光數據：中國城市化的「閃亮」進程

這是社論前沿第S571次推送

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摘要：本期推薦南京林業大學社會工作專業學生整理譯介的文獻，敬請各位讀者批判、指正。本期推文由陳源、崔瑀嘉兩位同學整理，特此感謝！文章是Ting Ma等於2012年發表於Remote Sensing of Environment雜誌上的「Quantitative estimation of urbanization dynamics using time series of DMSP/OLS nighttime light data: A comparative case study from China s cities」一文，文章指出，夜間燈光數據提供了一個統一的描述城市隨時間擴展的趨勢。文章利用中國1994-2009年期間200多個地級市或自治區的穩定夜間燈光數據，來研究夜間燈光與城市化進程之間的聯繫。作者使用了三種回歸模型：線性，冪律和指數函數來量化夜間燈光與四個城市化指標：人口、GDP、建築物建成區和電力消費之間的長期關係。研究結果表明，夜間燈光亮度可以作為評估城市化動態的重要解釋性指標。

引言

城市佔地面土地面積的約0.5％，卻住著全世界約一半的人口，並且預計到2050年全球城市人口將會增加20多億。城市在人口密度、集約能源消耗和社會經濟活動的影響下，對人為的環境變化起著至關重要的作用。城市地區可能對當地甚至全球的氣候和生態系統造成深刻的影響。因此，對城市的動態測量和監測對於了解全球城市化及其在不斷變化的世界中的環境後果至關重要。目前，具有各種空間、時間和頻率的衛星觀測已廣泛應用於城市擴張和城市化對環境、生態系統影響的研究。

來自美國國防氣象衛星計劃的運行線路系統（DMSP/OLS）的夜間燈光數據提供了令人驚喜的遙感數據，可用於分析城市化與人為的燈光亮度之間的關係。儘管DMSP/OLS的初始目的是為了觀察使用兩個寬譜帶的月光照明的雲，但現在DMSP/OLS夜間燈光數據已經被廣泛用於定量評估、繪製與城市化過程相關的社會經濟活動。然而，大多數以往研究都沒有探討DMSP/OLS夜間燈光數據與城市化相關社會經濟參數之間的長期量化關係，該文通過對200多個中國城市夜間燈光數據的線性、冪律和指數模型分析，探討了四個城市化變數與夜間燈光數據之間的數量關係模型。

數據與方法

2.1 中國的城市與城市化

中國作為一個人口眾多的國家，近幾年的人口集聚帶來了一系列的環境和健康後果：城市熱島、空氣污染、溫室氣體和健康風險的增加。因此，調查城市化進程及其對中國社會的影響對於管理和決策的可持續發展至關重要。文章通過使用DMSP/OLS數據來估算中國的城市化進程，但面臨一個重要的挑戰，如何在不同類型的城市發展軌跡之間獲得城市化指標與夜間燈光亮度之間的數量關係。據中國國家統計局資料，除了郊區的城市行政區都可視為收集人口和社會經濟數據的城市統計區域。為了保持城市化進程中城市化進程數據的可比性，1994-2009年間，287個實際的城市統計區域有著顯著變化的17個被排除在分析之外。

2.2 DSMP/OLS夜間燈光數據

1994-2009年期間DMSP/OLS夜間燈光數據由四個感測器收集：F12（1994-1999年）、F14（1997-2003年）、F15（2000-2007年）和F16（2004-2009年）。為了減少感測器的年變化和差異，作者使用Elvidge等提供的二階回歸模型，經驗性地校準了各年度的夜間燈光數據，文章用於分析的是校準後的DMSP/OLS夜間燈光數據。

2.3 趨勢、相關和回歸分析

在文章中，作者先用Mann-Kendall非參數檢驗方法來檢驗城市化指標的時間序列趨勢；然後，使用斯皮爾曼等級相關係數來定性地檢驗夜間光亮度與四個城市化指標之間的統計依賴關係；最後，作者應用三個簡單的統計模型（線性模型、冪律模型和指數模型）來量化城市化指標與夜間燈光數據之間關係的回歸模型。

夜間燈光數據的應用

3.1 國家層面的估計

各省級城市城鎮化變數變化趨勢的統計學顯著性表明，中國自20世紀90年代以來一直在經歷一個快速的城市化進程。然而，不同的城市化變數呈現出各自不同的時間模式。同時，儘管由於衛星或感測器的差異，經校準後的DMSP/OLS夜間燈光數據的時間序列存在年度波動，但中國各城市的夜間燈光亮度對人類住區的加權面積的增加呈現顯著的線性趨勢。所以，城市化變數和DMSP/OLS夜間燈光數據隨時間的變化趨勢可能是夜間燈光數據對城市化變數的不同響應。這說明，夜間燈光數據能夠用來研究中國城市的城市化程度、人口和經濟活動的動態變化趨勢。

3.2城市層面的分析

從1990年代到2009年，幾乎所有中國地級市擴張的夜間燈光照明區域，都是由於當地普遍的城市化進程造成的。其中，城市人口增長與加權夜間照明區域的擴張呈顯著正相關，相關程度高達93％；城市GDP與夜間燈光加權面積之間呈正相關，相關程度高達96％；城市建設面積增長趨勢也非常明顯，與夜間燈光數據同樣呈正相關，相關程度高達92％；此外，城市電力消耗的增加量與加權夜間照明區域呈顯著正相關，相關程度達87％。這些結果表明，DMSP/OLS夜間燈光的變化與中國大部分城市的空間和社會經濟活動存在統計學上同步變動的相關性。

3.3 城市人口估計

人口是估計城市化最常用的指標之一。在中國，夜間燈光亮度的增長明顯超過了城市人口規模的增長。這一結果可能意味著其他城市化指標可能是驅動這些城市夜光燈光亮度增加的主要因素，而不是人口。1994年至2009年，城市人口呈線性增長，僅少數幾個城市的夜間燈光亮度可以與人口之間存在冪律函數的統計關係。

3.4 城市經濟活動預測

以往研究發現，夜間燈光亮度與官方的經濟活動度量之間也存在統計學上的正向線性關係。該研究結果卻表明，夜間燈光亮度對各城市GDP變化有不同反應。與濟南市一樣，GDP與夜間燈光面積呈線性同步增長的中國城市佔33％，而有66%的中國城市的經濟活動與加權燈光面積冪律關係。作者認為，城市GDP和DMSP/OLS夜間燈光亮度之間的各種量化關係可能表明中國近期城市化進程中城市發展的多樣性基礎模式。

3.5 城市土地覆被估計

該研究還發現，從1994年到2009年，中國超過68％的城市建成區與加權夜間區之間呈現出很強的正線性關係。意味著過去幾十年中國大部分城市的城市化進程中，夜間照明和城市土地覆蓋面積同樣增長。然而，對於個別城市來說，隨著時間的推移，城市建成區夜間燈光增加的響應模式可能會有所不同。另外，對於行政邊界有限的處於城市轉型的發達城市而言，城市行政單位內的夜間燈光的非放射校正信號可能趨向飽和。這種情況下，應該用校正的夜間燈光數據來進行統計估計。

3.6 城市用電量估算

高電力消耗可以被認為是DMSP/OLS圖像中強烈的夜間燈光亮度的直接原因。雖然由於缺乏數據，人造夜間照明的電力消耗與夜間照明衛星的測量之間的確切關係仍然不太了解，但城市總電力消耗之間的統計學顯著關聯。中國各省級城市超過50％的夜間燈光亮度被識別。同樣，如上面對其他城市化變數的討論，該研究結果表明，加權夜間燈光面積對城市電力消耗隨時間變化的趨勢也有不同的反應。

結論

該研究結果證實了DMSP/OLS夜間燈光數據的用途，並將其用於估算1994-2009年間中國城市的四個城市化變數：城市人口、國內生產總值、建成區域和電力消耗的長期趨勢。通過進行線性、冪律和指數模型分析，發現夜間光亮度的時間變化可以與中國城市的人口和社會經濟變數存在高度的相關性。因此，DMSP/OLS夜間燈光數據可以被用來揭示中國當前的城市化進程。

參考文獻:

Ma, T., Zhou, C., Tao, P., Haynie, S., & Fan, J. (2012). Quantitative estimation of urbanization dynamics using time series of dmsp/ols nighttime light data: a comparative case study from china s cities.Remote Sensing of Environment,124(124), 99-107.

文獻整理：陳源、崔瑀嘉

校對：蔣和超

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