基于夜間燈光數(shù)據(jù)的城市中心區(qū)域提取與分析
——以重慶市主城區(qū)為例

劉 源 ，李月臣

（1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院；2.重慶師范大學(xué)三峽生態(tài)環(huán)境遙感研究所；3.重慶師范大學(xué)重慶市高校GIS應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331）

城市中心區(qū)域作為城市空間形態(tài)結(jié)構(gòu)中的重要研究領(lǐng)域，識(shí)別和量化城市中心區(qū)域一直是該領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容[1]。從現(xiàn)實(shí)發(fā)展情況看，近年來(lái)全球城市空間結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的同心圓模式、扇形模式逐漸向多核心模式發(fā)展。當(dāng)前，主要城市的多中心結(jié)構(gòu)大多包含了一個(gè)傳統(tǒng)中心商務(wù)區(qū)，即城市主中心，還包含了若干個(gè)城市副中心。隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市中心區(qū)域已經(jīng)脫離了商業(yè)中心的定位，向著多層次、多職能的方向發(fā)展，“多中心化”也更多被定為城市發(fā)展的主要空間戰(zhàn)略。

城市中心規(guī)劃會(huì)極大地影響城市的發(fā)展，及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估城市中心發(fā)展現(xiàn)狀，可以為未來(lái)城市發(fā)展規(guī)劃提供可靠的反饋信息[2]。目前常見(jiàn)的城市中心識(shí)別提取的研究方法多依賴社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，具體分為閾值法、擬合法、輔助資料空間比較法三種。閾值法就是根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定一定閾值，滿足該閾值區(qū)域劃定為城市中心區(qū)域；擬合法是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合出的連續(xù)曲面上標(biāo)記出局部極大值的位置，并將該位置視為城市中心；輔助資料空間比較法則是利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行城市中心識(shí)別。田晶等人提出一種單純利用城市道路網(wǎng)和特定類型的POI點(diǎn)來(lái)提取城市中心方法[3]。但這些傳統(tǒng)研究方法多依賴社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或者調(diào)查數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)多為離散的空間數(shù)據(jù)，在不同尺度的研究過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致在利用數(shù)據(jù)進(jìn)行城市中心的提取時(shí)受到行政邊界的影響。另外，這些研究方法要求人們對(duì)研究區(qū)域有著詳細(xì)科學(xué)的了解，不具有普遍適用性，而夜間燈光數(shù)據(jù)具有可獲取性強(qiáng)、處理量小且指數(shù)強(qiáng)度已證明同經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈正相關(guān)關(guān)系，可應(yīng)用于不同尺度、不同空間的城市中心提取研究中。基于以上結(jié)論，本文以NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合“面向地理知識(shí)發(fā)現(xiàn)算法”這一思路，引用局部等值線樹(shù)算法，對(duì)重慶市主城區(qū)城市中心的空間范圍及層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取分析。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

重慶市主城區(qū)包括渝中區(qū)、渝北區(qū)、江北區(qū)、北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、大渡口區(qū)、巴南區(qū)、南岸區(qū)九個(gè)行政區(qū)域，其幅員面積約5472.68 km2，占全市總面積的6.64%，是重慶市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、交通和金融中心。2015年，主城區(qū)生產(chǎn)總值約為6394.47億元，戶籍統(tǒng)計(jì)人口約為652.19萬(wàn)人，分別占全重慶市的40.68%和19.68%。同年，重慶市主城區(qū)城鎮(zhèn)化率為88.60%，而重慶市全市僅為60.94%，其中主城區(qū)最高區(qū)域渝中區(qū)高達(dá)100%，最低的巴南區(qū)為78.28%。受區(qū)域內(nèi)自然地形地貌的影響，主城區(qū)的城市建設(shè)呈現(xiàn)出明顯“多中心、組團(tuán)式”的空間分布格局。

1.2 研究數(shù)據(jù)

夜間燈光數(shù)據(jù)作為兩種常見(jiàn)的夜間燈光數(shù)據(jù)，均被證明其燈光亮度值可用于反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及城市發(fā)展情況，包括GDP及人口的空間化、電力消耗、二氧化碳排放量等指標(biāo)的估算以及相關(guān)區(qū)域的提取[4-7]。

本文主要采用2015年NPP-VIIRS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)處理得到的年平均數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行城市中心區(qū)域的提取。與之前的數(shù)據(jù)相比，新數(shù)據(jù)無(wú)論是在時(shí)效性還是精度上都有了極大的改進(jìn)，新數(shù)據(jù)通過(guò)星上定標(biāo)，消除了傳感器本身的誤差，數(shù)據(jù)精度也從1000 m提高為500 m[8]。能夠記錄浮點(diǎn)型格式的最大14比特輻射值深度的夜間燈光亮度，成功解決了城市建成區(qū)飽和效應(yīng)問(wèn)題[9]。

2 研究方法

2.1 提取NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)等值線

2015年，NPP-VIIRS的年平均夜間燈光數(shù)據(jù)是由每月的DNB數(shù)據(jù)合成得到，確保了數(shù)據(jù)不受到云層、月光及其他相關(guān)因素的干擾。對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)提取等值線，需要設(shè)置起始等值線與等值線間距兩個(gè)數(shù)值。起始等值線是低于此亮度的夜間燈光數(shù)據(jù)將不會(huì)生成等值線，等值線間距是指兩條相鄰的等值線在夜間燈光亮度上的差值。等值線間距越小，生成的等值線越密集，能夠反映更豐富的等值線細(xì)節(jié)信息。本文將重慶區(qū)域的夜間燈光數(shù)據(jù)鑲嵌處理為整型數(shù)據(jù)，等值線間距設(shè)為5。

2.2 局部等值線樹(shù)與等值線填充

將NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)類比于地形數(shù)據(jù)，通過(guò)局部等值線樹(shù)算法識(shí)別出地形意義上的“山峰”部分，將該部分視為不同級(jí)別的城市中心區(qū)域[10]。與傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的等值線圖相比，該算法通過(guò)結(jié)合等值線填充這一概念，即“采用不同的顏色來(lái)填充的各等值線區(qū)域的方法來(lái)顯示數(shù)據(jù)，使等值線圖的數(shù)值變化看起來(lái)更加一目了然”這一等值線圖顯示的概念。等值線樹(shù)包含節(jié)點(diǎn)與邊兩個(gè)要素，節(jié)點(diǎn)代表每一條等值線，邊代表相鄰等值線之間的拓?fù)潢P(guān)系，而局部則代表著不同等值線之間的拓?fù)潢P(guān)系，將大尺度區(qū)域劃分成為若干個(gè)以“山峰”為中心的小尺度區(qū)域，從而形成多條等值線樹(shù)。

利用該算法識(shí)別城市中心的基本技術(shù)流程，共包含兩個(gè)步驟，第一步是尋找“種子”等值線，即不包含等值線且局部范圍內(nèi)所代表的燈光亮度值最高的等值線；第二步在確立等值線包含關(guān)系后，以“種子”等值線為起點(diǎn)向外部檢索，過(guò)程中向外的最鄰近等值線僅包含該“種子”等值線，且其數(shù)值低于“種子”等值線值，該等值線便會(huì)被認(rèn)為與“種子”等值線具有相同級(jí)別。如果“種子”等值線向外的最鄰近等值線包含了除該“種子”等值線外的其他等值線，則送條等值線將被賦予比“種子”等值線更高的級(jí)別，直到判別所有等值線。圖1展示了提取夜間燈光局部等值線樹(shù)的過(guò)程。圖1（a）是基于夜間燈光遙感影像生成的主城區(qū)局部區(qū)域燈光亮度等值線圖，圖中的每條等值線對(duì)應(yīng)著圖1（b）中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)等值線間的拓?fù)潢P(guān)系，得到了常規(guī)等值線樹(shù)圖。這一株等值線樹(shù)圖的節(jié)點(diǎn)共包含三個(gè)等級(jí)。

圖1 局部等值線樹(shù)算法示意圖

2.3 城市中心屬性信息

本文將城市中心屬性信息分為夜間燈光數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息、城市形態(tài)指標(biāo)及城市多中心度三類，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)提取出的城市中心進(jìn)行定量分析，從而量化描述其形狀以及幾何形態(tài)。夜間燈光數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息與城市形態(tài)指標(biāo)如表1所示[11]。

表1 城市形態(tài)指標(biāo)及夜間燈光亮度統(tǒng)計(jì)信息

3 結(jié)果分析

3.1 多中心城市空間結(jié)構(gòu)

本文結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)中建設(shè)用地范圍邊界所對(duì)應(yīng)的夜間燈光亮度平均值，將等值線提取過(guò)程中起始等值線亮度設(shè)為20，而等值線間距為5，生成夜間燈光數(shù)據(jù)等值線圖，在完成上述夜間燈光等值線圖的繪制之后，利用先前所述的局部等值線樹(shù)算法，在重慶市主城區(qū)范圍內(nèi)共識(shí)別出8株等值線樹(shù)，如圖2所示。其中，4株等值線樹(shù)僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)且其節(jié)點(diǎn)最高層級(jí)為一級(jí)。這些只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的等值線樹(shù)即是單中心結(jié)構(gòu)，這些區(qū)域內(nèi)僅包含一個(gè)城市中心。圖中部分區(qū)域（即節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)18）為包含兩個(gè)城市中心的等值線樹(shù)。這三株等值線樹(shù)內(nèi)各包含一個(gè)范圍較小、級(jí)別較低的城市中心，其節(jié)點(diǎn)的最高層級(jí)為二級(jí)。圖中另一部分區(qū)域（即節(jié)點(diǎn)30）則為之前強(qiáng)調(diào)的重慶市主城區(qū)“主樹(shù)”，該區(qū)域的范圍面積最大幾乎包含了重慶市渝中、江北、渝北等傳統(tǒng)城市中心區(qū)域，并且包含了主城區(qū)范圍內(nèi)夜間燈光亮度最大值。主城區(qū)主樹(shù)的層級(jí)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一共包含了18個(gè)節(jié)點(diǎn)，即18個(gè)城市中心或復(fù)合中心，最高層次為6級(jí)。

圖2中，“主樹(shù)”中的15、12、11、25、3、10、8、4、28、7、13、1節(jié)點(diǎn)均為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，即十三個(gè)個(gè)城市中心。處于二級(jí)節(jié)點(diǎn)的2號(hào)與18號(hào)節(jié)點(diǎn)包含了1號(hào)和3號(hào)兩個(gè)城市中心，同時(shí)2號(hào)節(jié)點(diǎn)與13號(hào)節(jié)點(diǎn)又共同構(gòu)成了6號(hào)節(jié)點(diǎn)，因此6號(hào)節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為是功能更加齊全城市中心的復(fù)合區(qū)。本研究中級(jí)別越高的節(jié)點(diǎn)，囊括的低級(jí)別節(jié)點(diǎn)越多，也代表城市結(jié)構(gòu)則越復(fù)雜。“主樹(shù)”城市中心分布結(jié)果如圖2所示。其中7號(hào)節(jié)點(diǎn)，解放碑江北城區(qū)域，在重慶市總規(guī)當(dāng)中對(duì)應(yīng)了“一主十副多組團(tuán)”當(dāng)中的“一主”即渝中CBD，提取結(jié)果來(lái)看，該區(qū)域夜間燈光亮度高且標(biāo)準(zhǔn)差低，分布較為均勻，被視為重慶主城區(qū)的主中心區(qū)域。

圖2 “主樹(shù)”空間分布圖（左）及層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖（右）

3.2 主城區(qū)城市中心驗(yàn)證

由于重慶式特有的“多中心、組團(tuán)式”發(fā)展模式，本文的研究尺度將主樹(shù)中一級(jí)節(jié)點(diǎn)以及其他識(shí)別出的等值線樹(shù)中的一級(jí)節(jié)點(diǎn)，定義為城市中心進(jìn)行研究與分析。共識(shí)別出18個(gè)城市中心，其地理位置及信息如表2所示。

由圖2和表2可見(jiàn)，由于重慶山地城市的地形地貌特征影響，主城區(qū)范圍內(nèi)城市中心的“多中心、組團(tuán)式”分布特征較為明顯，城市中心的選址與建設(shè)受地表因素影響較大。除去上述提到的低于3 km2的部分以外，本次提取出的城市中心及復(fù)合城市中心與該版本的規(guī)劃從空間范圍來(lái)看大體達(dá)成一致。

表2 重慶市主城區(qū)城市中心詳細(xì)信息

3.3 主城區(qū)城市中心屬性信息結(jié)果分析

重慶主城區(qū)各級(jí)別城市中心總面積為373.83 km2（去除重復(fù)部分），占總面積的6.84%。各一級(jí)城市中心的夜間燈光平均亮度與總量度變化幅度相對(duì)較小，意味著主城區(qū)各城市中心的人類活動(dòng)聚集程度及發(fā)展?fàn)顩r的差異較小，這也較符合主城區(qū)的“多中心、組團(tuán)式”的發(fā)展?fàn)顩r。但城市中心多分布在二環(huán)線以內(nèi)，從主城九區(qū)的總體面積來(lái)看，城市中心的發(fā)展布局又呈現(xiàn)出不均衡的態(tài)勢(shì)。為避免各層級(jí)的城市中心在范圍上的包含關(guān)系帶來(lái)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的重復(fù)，圖表中關(guān)于燈光亮度指標(biāo)的計(jì)算均只選取了18個(gè)一級(jí)中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而城市形態(tài)指標(biāo)則對(duì)各個(gè)層次的城市中心均進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

圖3 各城市中心城市形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由圖3可知，城市中心的緊湊度多低于0.57，而延伸度多低于1.38，從緊湊度與延伸度來(lái)看，重慶市主城區(qū)的城市中心采用相對(duì)分散的發(fā)展模式，再結(jié)合識(shí)別出的城市中心以及《重慶市主城區(qū)二環(huán)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》所提到的多個(gè)區(qū)域“組團(tuán)”發(fā)展來(lái)看，更加印證了“多中心、組團(tuán)式”的發(fā)展方式。主城區(qū)“主樹(shù)”的多中心度為0.72，而重慶主城九區(qū)多中心度為0.66，這說(shuō)明主城區(qū)城市中心具有較高的多中心程度，內(nèi)部發(fā)展情況相對(duì)均衡，但與周邊區(qū)域發(fā)展存在一定差異，城市范圍仍有向外擴(kuò)張的空間。前文依據(jù)夜間燈光亮度的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差將7號(hào)節(jié)點(diǎn)解放碑-江北城定義為城市中心，這也符合規(guī)劃中的定位要求。

本研究中，“主樹(shù)”中燈光亮度最高值及各城市中心總體燈光亮度最大值分別出現(xiàn)在10號(hào)節(jié)點(diǎn)空港工業(yè)園區(qū)兩路組團(tuán)以及28號(hào)節(jié)點(diǎn)高新區(qū)二郎組團(tuán)。另外，Tong等人的研究表明，交通網(wǎng)絡(luò)和地形因素（海岸線或山脈）對(duì)城市中心的發(fā)展模型有著一定的影響，當(dāng)這類因素對(duì)城市中心的發(fā)展影響越來(lái)越大時(shí)，這類城市中心的空間結(jié)構(gòu)便會(huì)逐漸遵循“自然線性發(fā)展模式”[12]。例如，7號(hào)城市中心，解放碑-江北城區(qū)域，位于渝中半島及對(duì)岸的江北區(qū)北濱路范圍內(nèi)，其城市發(fā)展方向大致平行于河流沿線區(qū)域；3號(hào)城市中心江北機(jī)場(chǎng)、1號(hào)城市中心重慶北站、12號(hào)城市中心鴛鴦，這三個(gè)城市中心的分布明顯沿軌道交通3號(hào)分布延伸。