摘" 要：基于长时间序列的NPP/VIIRS夜间灯光数据，运用标准差椭圆、空间自相关等方法及相关软件，对2013—2022年内罗毕和蒙巴萨城市发展时空特征进行分析。研究发现：内罗毕和蒙巴萨在10年间城市发展水平都实现了稳步提升，但内罗毕发展速度、水平均远高于蒙巴萨。内罗毕核心区域的经济溢出效应有效辐射带动了周边地区发展，而蒙巴萨仍处于极化发展阶段。内罗毕主要朝“西（略偏南）－东（略偏北）”发展，蒙巴萨整体沿“东北—西南”轴向发展，且两郡东北方向城市发展水平提升幅度均较大。内罗毕和蒙巴萨在地方二级行政区层面均没有明显的空间自相关性，整体发展呈现出随机分布的特征；而在地方三级行政区层面均存在显著的空间自相关特征，且内部发展具有异质性。
关键词：夜光遥感；城市发展；内罗毕；蒙巴萨
中图分类号：TP391；K901.2" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）18-0125-08
Research on the Spatiotemporal Characteristics of Urban Development in Nairobi and Mombasa Based on Nighttime Light Remote Sensing
LIU Guanhui1， LIU Limeng2， CHEN Zhaoning3
（1.Institute of African Studies， Zhejiang Normal University， Jinhua" 321004， China; 2.College of Urban and Environmental Sciences， Northwest University， Xian" 710127， China; 3.School of Emergency Management Science and Engineering， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing" 100049， China）
Abstract： Based on long time series NPP/VIIRS nighttime light data， using methods such as standard deviation ellipse， spatial autocorrelation， and related softwares， this paper analyzes the spatiotemporal characteristics of urban development in Nairobi and Mombasa from 2013 to 2022. Research has found that both Nairobi and Mombasa have steadily improved their urban development levels over the past decade， but Nairobis development speed and level are much higher than Mombasas. The economic spillover effects in the core area of Nairobi have effectively radiated and driven the development of surrounding areas， while Mombasa is still in a polarized development stage. Nairobi mainly develops towards the “west （slightly south） -east （slightly north）” direction， while Mombasa develops along the “northeast-southwest” axis as a whole， and the urban development level in the northeast direction of both counties has increased significantly. Nairobi and Mombasa do not have significant spatial autocorrelation at the local secondary administrative region level， and their overall development shows a random distribution characteristic. However， there are significant spatial autocorrelation characteristics at the local third-level administrative region level， and internal development exhibits heterogeneity.
Keywords： nighttime light remote sensing;urban development; Nairobi;Mombasa
0" 引" 言
肯尼亚是“一带一路”倡议在非洲的重要节点与中非产能合作的重要合作伙伴[1-2]。内罗毕和蒙巴萨是肯尼亚的第一、第二大城市，也分别是东非地区第一大城市和第一大港口，是“一带一路”倡议在东非推进的主要依托节点，具有十分重要的战略地位[3-4]。2017年，中非合作论坛约翰内斯堡峰会“十大合作计划”之一、中非共建“一带一路”重点项目“蒙巴萨-内罗毕”铁路的正式通车为新时代中非合作注入新的强劲动力[5]。
国内外学者对如何监测和评估城市时空发展格局变化做了许多研究。Lyu[6]等从土地和人口的视角切入，研究影响南昌市协调发展的主要因素。Linard[7]等利用非洲20个大城市城市变化数据进行建模，以预测未来非洲城市的增长动态与城乡转变的空间格局。郭力娜[8]等基于城镇发展和城镇环境质量两个维度构建了辽宁省城镇化质量评价指标体系。综上，已有研究多利用人口、区域经济等传统数据预测与分析城市发展水平和特征，但传统数据存在时空尺度不一、指标体系不同等诸多问题，导致城市间的发展差异难以清晰体现[9]。
与传统统计数据相比，夜光遥感数据在城市拓展的动态监测中具有较高的可操作性和可靠性[10]，能够直观地反映城市的时空变化特征，并能够准确识别地理空间中的经济聚集点[11]，是当前城市发展研究的重要数据源[12]。赵安周[13]等利用2000—2019年夜间灯光遥感数据集，对黄土高原发展水平以及其空间演变格局进行了分析。李德仁[14]等利用夜间灯光变化量对“一带一路”沿线部分国家的社会经济状况进行了评估，发现夜间灯光增长率和社会安定程度高度相关。程结海[15]等利用“类NPP-VIIRS”夜光遥感数据集得出了中原城市群建成区的总体发展特征。陆妍玲[16]等以DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光遥感数据为基础，对广西县域农村贫困程度进行了分析。
总体而言，仅有部分学者从人口、城市体系等不同领域对肯尼亚城市进行研究[17-18]，缺乏非洲国家城市的发展时空特征变化的相关研究。因此本文以肯尼亚的两大城市内罗毕和蒙巴萨为研究对象，基于长时间序列的NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据，综合利用标准差椭圆、空间自相关等方法，对内罗毕和蒙巴萨夜间灯光遥感数据的时间、空间演变进行分析，探究其城市发展时空特征，以期为内罗毕和蒙巴萨及肯尼亚其他城市的发展规划提供决策依据，同时为“一带一路”倡议在肯尼亚的推进提供科学参考。
1" 研究设计
1.1" 研究区概况
本文参照肯尼亚现有行政区划，以肯尼亚第一大城市内罗毕和第二大城市蒙巴萨作为研究区，如图1所示。内罗毕（Nairobi County）地处东非高原东麓、东非大裂谷南缘，南部为国家公园保护区，北部为大片林地，内罗毕下辖共17个区，总面积696.1平方千米，截至2021年，内罗毕总人口约495.5万，地区生产总值约297亿美元，约占全国的27.5%，是对国内生产总值贡献率最高的区域。
蒙巴萨东临印度洋，拥有东非地区最大的深水港，整体地形较为平坦开阔，西部为莫伊国际机场。蒙巴萨下辖共6个区，分布在蒙巴萨岛及其南、北两侧的陆地城区，总面积219.1平方千米，截至2021年，蒙巴萨总人口约134.1万，且多数人口位于蒙巴萨岛内，地区生产总值约57.35亿美元。
1.2" 数据来源
相较于其他夜间灯光数据，NPP/VIIRS夜间灯光数据的时效性与现势性较好，数据的辐射范围更广，可提供更高的分辨率，且其灯光各类数值与经济数据的相关性更强。本研究利用NPP/VIIRS夜间灯光遥感数据来表征城市发展水平，数据来源于美国国家海洋和大气管理局（NOAA），分辨率为500 m。选取2013年、2016年、2019年和2022年的夜间灯光数据，采用掩膜法和阈值法等进行处理，最终得到内罗毕和蒙巴萨各代表年份的夜间灯光数据，如图2、图3所示。
1.3" 研究方法
1.3.1" 标准差椭圆
标准差椭圆从全局性角度出发，根据研究对象的空间区位及结构，通过计算重心、方位角、长短轴、面积等特征参量，定量解释要素分布的中心性、方向性等空间特征，解释要素空间分布及时空演化过程[19]。其计算公式如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，SDEX和SDEy分别为标准差椭圆在x轴和y轴方向上的长度；和为第T年第i个单元的横纵坐标；和为第T年标准差椭圆重心点的横纵坐标。
1.3.2" 空间自相关分析
空间自相关分析分为全局空间自相关和局域空间自相关。
全局空间自相关可以描述属性值在整个区域的空间特征，通过计算指标反映区域内相似属性的聚集程度[20]。本文采用全局莫兰指数（I）来识别肯尼亚和内罗毕整体城市发展上是否具有空间依赖性。指数Morans I取值范围在[-1，1]，当I值越接近1，表示城市发展呈现出集聚态势，当I值越接近于-1，表示城市发展呈现出离散状态。其计算式如下：
（5）
局域空间自相关揭示空间分布的异质性及局部关联性特征[20]。全局莫兰指数不能具体指示空间相关类型，因此使用局部空间自相关的LISA（Local Indicators of Spatial Association）图具体探究[21]。计算式如下：
（6）
（7）
本文首先运用ArcGIS软件采用地理边界邻接空间矩阵计算得到全局莫兰指数I、Z值和P值，以此探究内罗毕和蒙巴萨城市发展全局空间相关性特征，如图4所示。其次利用Geoda软件对4个代表性年份进行局部空间自相关检验，并分别提取HH（高高）集聚、HL（高低）集聚、LH（低高）集聚、LL（低低）集聚4种类型区域，如图5所示。
2" 结果分析
2.1" 城市发展时间变化特征
2.1.1" 区域总体特征
分别对内罗毕和蒙巴萨2013年、2016年、2019年、2022年4个代表年份的夜间灯光数据像元值的各统计特征进行计算，结果如表1所示。
整体而言，这两大城市的夜间灯光总量均呈现出逐年增加的趋势，表明10年间两个研究区的城市发展水平在稳步提升。
分别就两个研究区来看：1）作为肯尼亚的首都，内罗毕的灯光平均值在10年间累计提升了67.40%，说明研究时段内，内罗毕城市发展快速。尽管平均值在2022年略有回落，但像元值总量仍在持续增加。2）蒙巴萨的灯光最大值10年间累计提升了76.42%，这与近几年蒙巴萨—内罗毕铁路的投运与莫伊国际机场的扩建密切相关，交通线路的增加使蒙巴萨城市中心区的发展水平得到了较大提升。
2.1.2" 局部城市特征
内罗毕和蒙巴萨下辖各城市2013年、2016年、2019年、2022年4个代表年份的夜间灯光平均亮度如表2、表3所示；对内罗毕和蒙巴萨各个城市10年间的平均亮度增长率进行可视化处理，如图6、7所示。
对于内罗毕而言，综上可知，10年来，Starehe、Makadar、 Kamukunji、Mathare四大核心地区的发展始终保持平稳增长态势，同时边缘地区的平均亮度增长率明显高于核心地区，说明非核心区正在快速发展。其中发展最快的是商业区Embakasi Central，其增长率达到了235.11%。
蒙巴萨10年间其下辖所有地区夜间灯光平均亮度均呈现正增长趋势，其中Mvita区的平均亮度显著高于其他区域。其次，在增长率方面，Changamwe区在近10年发展势头迅猛。莫伊国际机场是肯尼亚乃至东非地区重要的航空枢纽，机场周边配套的基础设施十分完善，它的存在为Changamwe区的发展增添了强劲的动力。另外值得一提的是，位于蒙巴萨北部的Kisauni区，虽然起点较低，但是由于都铎港的存在，近十年来发展水平一直稳步增长。而位于西南方向的Likoni区，增长率仅有3.46%，说明其在10年间的发展基本处于停滞状态，究其原因，Likoni地区东部虽然拥有较长的海岸线，但是陆海海拔差异较大，不存在天然港湾，非天然港口的修建难度也较大，没有得到有效的开发和利用。
2.2" 城市发展空间演变特征
2.2.1" 空间方向性特征
为了度量内罗毕和蒙巴萨夜间灯光在地理空间上的分布，本文通过标准差椭圆的重心、轴长、方位等特征，明确城市发展在地理空间上的变动方向和集中程度，结果如图8、图9所示。
由图8分析可得：1）内罗毕城市发展具有一定的方向性特征，表现为“西（略偏南）－东（略偏北）”，且发展方向相对稳定。这主要是因为内罗毕南部和北部均为自然保护区，城市发展受地形因素制约。2）2013—2022年间，内罗毕夜间灯光标准差椭圆的面积由2013年的127.28 km2增大到2022年的254.64 km2，扩张率达100.07%，外围区域的夜间灯光亮度快速增长，城市化进程正稳步推进。3）2013—2022年，内罗毕标准差椭圆重心从36°50′41.07″E，1°16′57.79″S转移到东北方向的36°51′39.76″E，1°16′32.34″S。内罗毕西部地势较高，从而使内罗毕的城市发展重心逐渐向多条交通线路交汇的东北方向移动。
由图9分析可得：1）蒙巴萨城市发展同样具有一定的方向性，整体上是沿“东北—西南”轴向分布，发展方向相对稳定。2）从分布范围来看，2013—2022年东北方向椭圆覆盖范围变化明显，即蒙巴萨东北区域的夜间灯光亮度快速增长。3）2013—2022年，蒙巴萨标准差椭圆重心从39°39′31.36″E，4°02′13.92″S转移到东北方向的39°39′35.33″E，4°01′37.09″S，同时方位角（北偏东方向）减小，这可解释为北部地区经济发展的拉伸作用，北部城市夜间灯光亮度提升幅度大于其他方向。这主要是因为蒙巴萨岛西部为工业园区和机场，南部为港口和集装箱中转区。
2.2.2" 空间相关性特征
为了进一步识别内罗毕和蒙巴萨城市发展空间分布的异质性和关联性，利用全局和局域空间自相关方法对4个代表年份中内罗毕和蒙巴萨下辖的地方二级和三级行政区进行空间自相关分析。
首先对内罗毕进行分析：从全局空间自相关看，内罗毕二级行政区尺度下各代表年份的Morans I指数相应的P值和Z值均未通过显著性检验，表明内罗毕17个区的整体发展呈现出随机分布的特征。三级行政区尺度下各代表年份的Morans I指数均通过了1%水平下的显著性检验，表明内罗毕的发展存在显著的空间自相关特征。从局域空间自相关分析得到如图10所示的LISA图，具体而言：1）高-高集聚主要集中在区域中部，这与标准差椭圆分析中的重心位置一致，说明Starehe、Makadar等是内罗毕的核心区域，随着时间的推移，HH集聚区呈现分散趋势，说明内罗毕经济发展空间溢出效应在加强。2）从低-高集聚情况来看，位于内罗毕西北地区的三级行政区域Karura从2013年的HL集聚演化到2022年的不显著，说明其与周边高-高集聚地区的差距在缩小。3）低-低集聚集中于内罗毕西南以及东北边缘地区，这些地区距离内罗毕核心区域较远，长期处于低-低集聚。这主要因为西南部坐落着规模巨大的基贝拉贫民窟。
对蒙巴萨进行分析得出：从全局空间自相关看，蒙巴萨二级行政区尺度下各代表年份的Morans I指数相应的P值和Z值均未通过显著性检验，表明蒙巴萨6个区的整体发展呈现出随机分布的特征。三级行政区尺度下各代表年份的Morans I指数均通过了1%水平下的显著性检验，表明蒙巴萨的发展存在空间自相关特征。从局域空间自相关分析得到LISA图（图11），具体而言：蒙巴萨高-高集聚主要集中在区域中部，与标准差椭圆分析中的重心位置一致。Mvita、Changamwe地区均处于HH集聚区，其经济发展水平明显高于周围区域，处于经济发展的极化阶段。蒙巴萨主岛南部、东北部的Likoni、Nyali等地区灯光聚类均不显著，深水港口和优质旅游资源的缺乏所导致的资源瓶颈约束效应明显，区域发展禀赋不足。
3" 结" 论
文章基于2013—2022年的NPP/VIIRS夜间灯光数据，综合多种理论方法，探究内罗毕与蒙巴萨城市发展时空特征，主要结论如下：
1）内罗毕和蒙巴萨在10年间发展水平均实现了稳步提升，但内罗毕10年间夜间灯光总量提升了104.35%，平均亮度也提升了67.03%，而蒙巴萨夜间灯光总量提升了68.21%，平均亮度仅提升了27.65%，整体而言，尽管分别作为肯尼亚第一、第二大城市，内罗毕发展速度、水平均远高于蒙巴萨，这与前人研究中肯尼亚城市体系中内罗毕首位度过高的结论一致。
2）从内罗毕和蒙巴萨下辖各城市的发展状况来看，内罗毕核心区城市10年间均保持平稳增长态势，同时边缘地区的平均亮度增长率明显高于Starehe等核心地区，说明其经济溢出效应有效辐射带动了周边地区的发展。蒙巴萨下辖的Mvita区和Changamwe区10年间发展水平始终稳居前二，但前者的平均亮度显著高于后者，其余区域也处于较低水平，表明蒙巴萨处于极化发展阶段。
3）内罗毕、蒙巴萨的城市发展均具有一定的方向性，且发展方向相对稳定，内罗毕主要朝“西（略偏南）—东（略偏北）”发展，蒙巴萨整体上是沿“东北—西南”轴向发展。在研究期内，内罗毕空间分布范围显著增大，城市化进程推进较快，且东北方向城市发展水平提升幅度大于其他方向，城市发展重心逐渐向东北移动。蒙巴萨空间分布范围变化不显著，但由于北部地区经济发展的拉伸作用，发展过程中东北方向的城市水平提升最大。
4）从空间自相关检验结果来看，从地方二级行政区层面来看，内罗毕和蒙巴萨均不存在明显的空间自相关性，整体发展呈现出随机分布的特征；从地方三级行政区层面来看，内罗毕和蒙巴萨均存在显著的空间自相关特征，即发展水平相似的区域在空间上集中分布，且内部发展水平具有异质性。
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作者简介：刘冠辉（2001—），男，汉族，山东枣庄人，硕士研究生在读，研究方向：肯尼亚近代史、非洲城市史。
