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摘要：本期推薦南京林業(yè)大學(xué)社會(huì)工作專業(yè)學(xué)生整理譯介的文獻(xiàn)，敬請(qǐng)各位讀者批判、指正。本期推文由陳源、崔瑀嘉兩位同學(xué)整理，特此感謝！文章是Ting Ma等于2012年發(fā)表于Remote Sensing of Environment雜志上的“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(shù)據(jù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的描述城市隨時(shí)間擴(kuò)展的趨勢(shì)。文章利用中國(guó)1994-2009年期間200多個(gè)地級(jí)市或自治區(qū)的穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)，來(lái)研究夜間燈光與城市化進(jìn)程之間的聯(lián)系。作者使用了三種回歸模型：線性，冪律和指數(shù)函數(shù)來(lái)量化夜間燈光與四個(gè)城市化指標(biāo)：人口、GDP、建筑物建成區(qū)和電力消費(fèi)之間的長(zhǎng)期關(guān)系。研究結(jié)果表明，夜間燈光亮度可以作為評(píng)估城市化動(dòng)態(tài)的重要解釋性指標(biāo)。
引言
城市占地面土地面積的約0.5％，卻住著全世界約一半的人口，并且預(yù)計(jì)到2050年全球城市人口將會(huì)增加20多億。城市在人口密度、集約能源消耗和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響下，對(duì)人為的環(huán)境變化起著至關(guān)重要的作用。城市地區(qū)可能對(duì)當(dāng)?shù)厣踔寥虻臍夂蚝蜕鷳B(tài)系統(tǒng)造成深刻的影響。因此，對(duì)城市的動(dòng)態(tài)測(cè)量和監(jiān)測(cè)對(duì)于了解全球城市化及其在不斷變化的世界中的環(huán)境后果至關(guān)重要。目前，具有各種空間、時(shí)間和頻率的衛(wèi)星觀測(cè)已廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)張和城市化對(duì)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)影響的研究。
來(lái)自美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃的運(yùn)行線路系統(tǒng)（DMSP/OLS）的夜間燈光數(shù)據(jù)提供了令人驚喜的遙感數(shù)據(jù)，可用于分析城市化與人為的燈光亮度之間的關(guān)系。盡管DMSP/OLS的初始目的是為了觀察使用兩個(gè)寬譜帶的月光照明的云，但現(xiàn)在DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛用于定量評(píng)估、繪制與城市化過(guò)程相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。然而，大多數(shù)以往研究都沒(méi)有探討DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)與城市化相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)之間的長(zhǎng)期量化關(guān)系，該文通過(guò)對(duì)200多個(gè)中國(guó)城市夜間燈光數(shù)據(jù)的線性、冪律和指數(shù)模型分析，探討了四個(gè)城市化變量與夜間燈光數(shù)據(jù)之間的數(shù)量關(guān)系模型。
數(shù)據(jù)與方法
2.1 中國(guó)的城市與城市化
中國(guó)作為一個(gè)人口眾多的國(guó)家，近幾年的人口集聚帶來(lái)了一系列的環(huán)境和健康后果：城市熱島、空氣污染、溫室氣體和健康風(fēng)險(xiǎn)的增加。因此，調(diào)查城市化進(jìn)程及其對(duì)中國(guó)社會(huì)的影響對(duì)于管理和決策的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。文章通過(guò)使用DMSP/OLS數(shù)據(jù)來(lái)估算中國(guó)的城市化進(jìn)程，但面臨一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，如何在不同類型的城市發(fā)展軌跡之間獲得城市化指標(biāo)與夜間燈光亮度之間的數(shù)量關(guān)系。據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料，除了郊區(qū)的城市行政區(qū)都可視為收集人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的城市統(tǒng)計(jì)區(qū)域。為了保持城市化進(jìn)程中城市化進(jìn)程數(shù)據(jù)的可比性，1994-2009年間，287個(gè)實(shí)際的城市統(tǒng)計(jì)區(qū)域有著顯著變化的17個(gè)被排除在分析之外。
2.2 DSMP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)
1994-2009年期間DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)由四個(gè)傳感器收集：F12（1994-1999年）、F14（1997-2003年）、F15（2000-2007年）和F16（2004-2009年）。為了減少傳感器的年變化和差異，作者使用Elvidge等提供的二階回歸模型，經(jīng)驗(yàn)性地校準(zhǔn)了各年度的夜間燈光數(shù)據(jù)，文章用于分析的是校準(zhǔn)后的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)。
2.3 趨勢(shì)、相關(guān)和回歸分析
在文章中，作者先用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)城市化指標(biāo)的時(shí)間序列趨勢(shì)dsmp；然后，使用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)來(lái)定性地檢驗(yàn)夜間光亮度與四個(gè)城市化指標(biāo)之間的統(tǒng)計(jì)依賴關(guān)系；最后，作者應(yīng)用三個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)模型（線性模型、冪律模型和指數(shù)模型）來(lái)量化城市化指標(biāo)與夜間燈光數(shù)據(jù)之間關(guān)系的回歸模型。
夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用
3.1 國(guó)家層面的估計(jì)
各省級(jí)城市城鎮(zhèn)化變量變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性表明，中國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直在經(jīng)歷一個(gè)快速的城市化進(jìn)程。然而，不同的城市化變量呈現(xiàn)出各自不同的時(shí)間模式。同時(shí)，盡管由于衛(wèi)星或傳感器的差異，經(jīng)校準(zhǔn)后的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的時(shí)間序列存在年度波動(dòng)，但中國(guó)各城市的夜間燈光亮度對(duì)人類住區(qū)的加權(quán)面積的增加呈現(xiàn)顯著的線性趨勢(shì)。所以，城市化變量和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可能是夜間燈光數(shù)據(jù)對(duì)城市化變量的不同響應(yīng)。這說(shuō)明，夜間燈光數(shù)據(jù)能夠用來(lái)研究中國(guó)城市的城市化程度、人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。
3.2城市層面的分析
從1990年代到2009年，幾乎所有中國(guó)地級(jí)市擴(kuò)張的夜間燈光照明區(qū)域，都是由于當(dāng)?shù)仄毡榈某鞘谢M(jìn)程造成的。其中，城市人口增長(zhǎng)與加權(quán)夜間照明區(qū)域的擴(kuò)張呈顯著正相關(guān)，相關(guān)程度高達(dá)93％；城市GDP與夜間燈光加權(quán)面積之間呈正相關(guān)，相關(guān)程度高達(dá)96％；城市建設(shè)面積增長(zhǎng)趨勢(shì)也非常明顯，與夜間燈光數(shù)據(jù)同樣呈正相關(guān)，相關(guān)程度高達(dá)92％；此外，城市電力消耗的增加量與加權(quán)夜間照明區(qū)域呈顯著正相關(guān)，相關(guān)程度達(dá)87％。這些結(jié)果表明，DMSP/OLS夜間燈光的變化與中國(guó)大部分城市的空間和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上同步變動(dòng)的相關(guān)性。
3.3 城市人口估計(jì)
人口是估計(jì)城市化最常用的指標(biāo)之一。在中國(guó)，夜間燈光亮度的增長(zhǎng)明顯超過(guò)了城市人口規(guī)模的增長(zhǎng)。這一結(jié)果可能意味著其dsmp他城市化指標(biāo)可能是驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)，僅少數(shù)幾個(gè)城市的夜間燈光亮度可以與人口之間存在冪律函數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。
3.4 城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)預(yù)測(cè)
以往研究發(fā)現(xiàn)，夜間燈光亮度與官方的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)度量之間也存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的正向線性關(guān)系。該研究結(jié)果卻表明，夜間燈光亮度對(duì)各城市GDP變化有不同反應(yīng)。與濟(jì)南市一樣，GDP與夜間燈光面積呈線性同步增長(zhǎng)的中國(guó)城市占33％，而有66%的中國(guó)城市的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與加權(quán)燈光面積冪律關(guān)系。作者認(rèn)為，城市GDP和DMSP/OLS夜間燈光亮度之間的各種量化關(guān)系可能表明中國(guó)近期城市化進(jìn)程中城市發(fā)展的多樣性基礎(chǔ)模式。
3.5 城市土地覆被估計(jì)
該研究還發(fā)現(xiàn)，從1994年到2009年，中國(guó)超過(guò)68％的城市建成區(qū)與加權(quán)夜間區(qū)之間呈現(xiàn)出很強(qiáng)的正線性關(guān)系。意味著過(guò)去幾十年中國(guó)大部分城市的城市化進(jìn)程中，夜間照明和城市土地覆蓋面積同樣增長(zhǎng)。然而，對(duì)于個(gè)別城市來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，城市建成區(qū)夜間燈光增加的響應(yīng)模式可能會(huì)有所不同。另外，對(duì)于行政邊界有限的處于城市轉(zhuǎn)型的發(fā)達(dá)城市而言，城市行政單位內(nèi)的夜間燈光的非放射校正信號(hào)可能趨向飽和。這種情況下，應(yīng)該用校正的夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估計(jì)。
3.6 城市用電量估算
高電力消耗可以被認(rèn)為是DMSP/OLS圖像中強(qiáng)烈的夜間燈光亮度的直接原因。雖然由于缺乏數(shù)據(jù)，人造夜間照明的電力消耗與夜間照明衛(wèi)星的測(cè)量之間的確切關(guān)系仍然不太了解，但城市總電力消耗之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著關(guān)聯(lián)。中國(guó)各省級(jí)城市超過(guò)50％的夜間燈光亮度被識(shí)別。同樣，如上面對(duì)其他城市化變量的討論，該研究結(jié)果表明，加權(quán)夜間燈光面積對(duì)城市電力消耗隨時(shí)間變化的趨勢(shì)也有不同的反應(yīng)。
結(jié)論
該研究結(jié)果證實(shí)了DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的用途，并將其用于估算1994-2009年間中國(guó)城市的四個(gè)城市化變量：城市人口、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、建成區(qū)域和電力消耗的長(zhǎng)期趨勢(shì)。通過(guò)進(jìn)行線性、冪律和指數(shù)模型分析，發(fā)現(xiàn)夜間光亮度的時(shí)間變化可以與中國(guó)城市的人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變量存在高度的相關(guān)性。因此，DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)可以被用來(lái)揭示中國(guó)當(dāng)前的城市化進(jìn)程。
參考文獻(xiàn):
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(xiàn)整理：陳源、崔瑀嘉
校對(duì)：蔣和超
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