城市照明光污染演變特征探討
——以VIIRS影像為分析對象

馮 凱，郝洛西，曾 堃

(1.同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室，上海 200092；3.上海市城市更新及其空間優(yōu)化技術(shù)重點實驗室，上海 200092)

引言

借助衛(wèi)星圖像進行城市問題的研究得到了廣泛關(guān)注，也是發(fā)現(xiàn)和解決城市問題的有效手段[1-4]。通過城市夜空衛(wèi)星圖像進行等級劃分和灰度計算，可用于考查夜空亮度水平與影響范圍并建立光環(huán)境檢測模型[5]。通過遙感數(shù)據(jù)繪制大面積人造夜間天空亮度和全天空亮度的地圖可用于判斷不同區(qū)域中的光污染情況[6]。而結(jié)合夜間燈光影像(OLS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)可對光污染進行建模并分析不同區(qū)域中的直接、間接光污染[7]。還有學(xué)者探討衛(wèi)星影像與不同城市發(fā)展水平之間的關(guān)系[8-10]。但現(xiàn)有方法均涉及較為深入的數(shù)理統(tǒng)計分析，在城市尺度的光污染演變分析工作中，此類研究涉及的方法及難度無法供從業(yè)設(shè)計師或城市管理者方便使用，如何通過相對便捷的方法進行城市層面光污染演變特征初判的訴求長期存在。NASA等機構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示我國城市照明光輻射呈現(xiàn)不斷上升特征(表1)[11]，團隊已通過上海、北京、深圳、廣州4座城市的衛(wèi)星數(shù)據(jù)探討了城市照明光污染(以下簡稱為“光污染”)的演變特征，并提出對應(yīng)的管控建議[12]，而更廣泛的城市類型中，光污染的演變特征仍需作進一步討論，以對未來我國城市照明的管控提供科學(xué)參考。

表1 近10年我國城市照明光輻射量變化情況

1 R語言方法下的影像量化分析

本次研究選擇成都、青島、桂林、三亞4座城市為研究對象，目的在于探討近年發(fā)展速度較快的城市類型中光污染變化特征。由于光污染演變特征在不同城市間存在一定差異性，研究通過逐年影像觀察比對方式進行各城市的演變特征初判：a.分析各城市的典型特征，并針對發(fā)現(xiàn)的問題(或特征)進行量化驗證；b.分析不同城市間的共性特征并進行量化分析與總結(jié)。在初判基礎(chǔ)上，進一步完成量化分析，具體指包括以VIIRS衛(wèi)星的Day-Night Band(DNB)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對4座城市的人工照明光污染地圖(Light Pollution Map，以下簡稱為“LPM”)進行分析對比[11]，探討各城市(2012—2019)的演變特性。操作流程包括：通過Photoshop軟件獲得LPM中典型色彩的RGB值；歸納定義Low/Medium/Higher/Highest共4個光污染強度級別，分別對應(yīng)0.00～0.50，0.50～10.00，10.00～50.00和50以上(單位為10-9W·cm-2·sr-1)共4個光污染輻射量區(qū)間(以下簡稱為L級、M級、H-er級、H-st級)；通過R語言分析各年份衛(wèi)星影像中4個級別的圖面像素占比(簡稱為“R方法”)；討論各光污染級別的逐年變化規(guī)律及各城市中存在的共性特征。

同時考慮到LPM為人工光輻射的年度影像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)會受到眾多(噪音)干擾，研究在使用R方法進行討論同時采用Light Trend Analysis(以下簡稱“LTA”)對結(jié)論進行校核[13]，具體指以VIIRS衛(wèi)星DNB總輻射量影像為基礎(chǔ)，賦予2016 vcm-orm-ntl圖層進行校正[14]。具體細節(jié)可參見團隊已有研究[12]。

2 面向4座城市的光污染演變特征分析

2.1 成都城市照明光污染變化分析

成都主城區(qū)呈現(xiàn)M級上升(13.9%上升至22.9%)、L級下降的特征(80%下降至67.9%)，H-er級(上升1.8%)與H-st級(上升0.5%)均有小比例上升但不明顯(圖1左)。相較之下更為突出的特征體現(xiàn)在(光輻射范圍)與周邊城市的聯(lián)系強化，包括南部的眉山、西北部的都江堰以及東南方向的樂至縣，光污染一體化趨勢非常明顯(圖1右)。同時發(fā)現(xiàn)三座城市與成都的公路連接線光污染不斷增強，特別是與眉山、樂至縣之間出現(xiàn)了明顯的連續(xù)光污染軌跡，初判此區(qū)域的城市建設(shè)不斷加強。分析以上過渡區(qū)域LTA，結(jié)論與光污染地圖評估結(jié)論一致(圖2)。

圖1 成都R方法分析(左)及其與周邊城市的光污染關(guān)系變化(右)Fig.1 R method analysis and changes of light pollution relationship between Chengdu and surrounding cities

(圖中“◆”代表月度光輻射總量，單位為nW/(cm2 sr)；“--”代表研究年份內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢線。以下LTA分析同此)圖2 成都與樂至縣(左)、都江堰(中)、眉山(右)過渡區(qū)域LTA變化Fig.2 Changes between Chengdu and Lezhi county (left), Dujiangyan (middle) and Meishan (right)

城區(qū)范圍內(nèi)光污染變化以正南方向的線性光污染帶最為典型(圖3圈出范圍)，查詢發(fā)現(xiàn)此線路與地鐵1號線的建設(shè)軌跡、運營時間高度吻合，隨著地鐵線向南擴展，光污染地圖發(fā)生同步變化，LTA呈現(xiàn)相同結(jié)論(圖4)，此結(jié)論與深圳案例中關(guān)于地鐵沿線的結(jié)論具有相似性[12]。

成都雙流機場一直處于高污染狀態(tài)(圖5圈出范圍)，而位于市區(qū)東南方向的天府國際機場，作為成都第二個機場所在區(qū)域自2017年起出現(xiàn)M級光污染且演變迅速，截至2019年已形成局部H-st級污染，且時間進度與機場開工建設(shè)具有一致性，同時通過LTA分析結(jié)論與觀察結(jié)論一致(圖6)。此特征與北京西澤商務(wù)區(qū)、上海迪士尼、廣州白云機場均具有相似性[12]。

圖5 雙流機場區(qū)域長年處于H-er/H-st級污染狀態(tài)Fig.5 Shuangliu airport area has been in H-er/H-st level pollution for a long time

圖6 天府國際機場光污染變化與LTA分析Fig.6 Variation of light pollution and LTA analysis of Tianfu international airport

綜上可知，成都市光污染呈現(xiàn)如下特征：城市外圍與周邊城市聯(lián)系的加強會直接引起光污染增強；光污染與地鐵線建設(shè)運營具有直接響應(yīng)關(guān)系；機場一直是高污染片區(qū)；新建區(qū)域(如機場)會在光污染地圖中有直接體現(xiàn)。

2.2 青島城市照明光污染變化分析

青島主城區(qū)與周邊區(qū)域關(guān)系不斷加強，如西北方向的膠州市、西南的西海岸新區(qū)，目前已經(jīng)形成較強圍合感的環(huán)膠州灣小型城市圈(圖7)，LTA分析呈現(xiàn)類似結(jié)論(圖8)。

圖7 環(huán)膠州灣各城市片區(qū)間的光污染發(fā)展變化Fig.7 Development of light pollution among urban areas around Jiaozhou Bay

圖8 青島主城區(qū)與膠州(左)、西海岸新區(qū)(中)，西海岸與膠州市(右)過渡區(qū)域LTA變化Fig.8 LTA analysisof the transition areas between Qingdao-Jiaozhou (left), Qingdao-the west coast new area (middle), and Jiaozhou-the west coast new area (right)

圖9 西海岸新區(qū)光污染范圍變化(左)與LTA分析(右)Fig.9 Variation of light pollution range (left) and the LTA analysis of the west coast new area (right)

圖10 前灣港區(qū)域長年處于H-st級污染狀態(tài)Fig.10 Qianwan harbor area has been in H-st pollution state for years

圖11 即墨區(qū)與鰲山衛(wèi)兩個區(qū)域的光污染范圍變化圖Fig.11 Variation of light pollution range in Jimo district and Aoshanwei area

圖12 即墨區(qū)(左)及與主城區(qū)過渡區(qū)域(中)、鰲山衛(wèi)地區(qū)(右)的LTA分析Fig.12 LTA analysis of Jimo District (left), Jimo district-Qingdao main urban area (middle), Aoshanwei Area (right)

圖13 光污染范圍不斷向海域漫延Fig.13 The light pollution is spreading to the sea

近年西海岸新區(qū)光污染范圍與強度變化明顯，與LTA分析結(jié)論一致(圖9)。位于西海岸新區(qū)東北部的前灣港(圖10中圈出位置)一直處于H-st狀態(tài)，是青島市區(qū)內(nèi)光污染最嚴重區(qū)域，此特征與深圳、上海等城市的港口區(qū)域具有相同特征[12]。

另外，即墨區(qū)范圍內(nèi)H-er級范圍不斷擴大，且與主城區(qū)聯(lián)系持續(xù)加強，與之類似的鰲山衛(wèi)從無到有形成了新的H-er光污染團(圖11)，LTA分析呈現(xiàn)相同結(jié)論(圖12)。查閱相關(guān)新聞，此兩處區(qū)域均是近年青島市城市建設(shè)重點區(qū)域，進一步驗證城市中快速發(fā)展、建設(shè)區(qū)域會引發(fā)明顯的光污染這一結(jié)論。

而在東部海域范圍內(nèi)，光污染不斷向海域延伸且強度不斷增強(圖13中虛線位置)，此結(jié)論與R方法分析結(jié)論一致，其中L級由55.9%快速下降至29.6%，M級由29.7%上升至50.8%，針對海域范圍內(nèi)的LTA分析呈現(xiàn)同樣結(jié)論(圖14)。

青島市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)與周邊城市(或地區(qū))聯(lián)系不斷加強；城市整體光污染水平不斷升高；貨運港口是城市內(nèi)部光污染最嚴重的區(qū)域；光污染不斷向海域拓展，與深圳、上海具有相似性。

2.3 桂林城市照明光污染變化分析

桂林市光污染范圍不斷擴大(圖15)，其中M級變化最為明顯，由6.1%上升至9.3%(圖16左)，與LTA分析結(jié)論一致(圖16右)。

機場區(qū)域在M級基礎(chǔ)上出現(xiàn)更多的H-er和H-st級(圖17左)，且輻射范圍不斷擴大(圖17右)。同時，桂林機場與城區(qū)的連接線(機場高速—機場路，圖17箭頭指向位置)則長期處于H-er級污染狀態(tài)。

在城市外圍，從西北至東南方向的鐵路線(從江—三江—桂林市—陽朔—賀州)光污染快速減弱(圖18箭頭指向位置)，2014年后完全消失。與之呈現(xiàn)相反特征的是沿高速路系統(tǒng)的光污染團快速增大，包括北部的桂林—龍勝—三江，西南方向的永福，東南方向的陽朔、恭城，東北方向的興安、全州等(圖19中圓圈位置)。初步判定是由于近年廣西旅游業(yè)發(fā)展帶動自駕游成為重要的出行方式，形成了以桂林為中心的多條散射狀城市聯(lián)系帶，而沿線配套設(shè)施的完善可能是引起夜晚光污染出現(xiàn)并快速擴散的重要原因。

桂林市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)光污染增強明顯且不斷向外圍擴散；機場及其與城市的連接線是城市內(nèi)部光污染最嚴重的區(qū)域之一，且呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢；城市產(chǎn)業(yè)(旅游業(yè))帶動自駕游引發(fā)沿線配套設(shè)施建設(shè)，可能是引起城市連接線光污染增強的重要原因。

圖14 青島市區(qū)R方法分析(左)與海域范圍LTA分析(右)Fig.14 R method analysis of Qingdao (left) and LTA analysis of sea area (right)

圖15 桂林市光污染變化Fig.15 Variation of light pollution in Guilin

圖16 桂林市R方法分析與LTA分析(2012—2019)Fig.16 R method analysis of Guilin and LTA analysis (2012—2019)

圖17 機場及與市區(qū)連接區(qū)域示意(左)及LTA(右)分析Fig.17 Schematic diagram of airport and urban area (left), LTA (right) analysis

圖18 西北—東南方向鐵路線光污染逐年遞減Fig.18 Light pollution along the railway from northwest to southeast decreases year by year

圖19 桂林周邊城市光污染變化沿高速路系統(tǒng)展開Fig.19 Light pollution changes in cities around Guilin spread along highway system

2.4 三亞城市照明光污染變化分析

三亞市光污染演變整體呈現(xiàn)由城區(qū)向西南方向海域、北向山林區(qū)域擴散趨勢(圖20中虛線位置變化)，R方法分析結(jié)論呈現(xiàn)出M級擴大(13.7%上升至29.3%)、L級下降(81.7%下降至62.3%)(圖21左)， LTA分析結(jié)論類似(圖21右)。

城市關(guān)系層面，三亞主城區(qū)與西部崖州區(qū)聯(lián)系不斷增強(圖22左圖中圈出范圍)，光污染不斷融合并向外圍區(qū)域擴散，LTA分析體現(xiàn)出同樣結(jié)論(圖22右)。而東部沿海的陵水灣、海棠灣、亞龍灣以及東北區(qū)的陵水縣，與三亞主城區(qū)聯(lián)系不斷增強，光污染團融合趨勢明顯(圖23)。

與其他城市類似，機場區(qū)域同樣是三亞城區(qū)范圍內(nèi)光污染最嚴重的區(qū)域(H-st級)，且逐年增強特征明顯(圖24)。

圖20 城市外圍光污染范圍變化Fig.20 Variation of light pollution range in urban periphery

圖21 三亞市R方法分析與LTA分析(2012-2019)Fig.21 R method analysis of Sanya and LTA analysis (2012-2019)

圖22 三亞主城區(qū)與崖州區(qū)光污染演變及LTA分析Fig.22 Light pollution evolution and LTA analysis between Sanya main urban area and Yazhou District

圖23 三亞主城區(qū)與東部區(qū)縣的光污染關(guān)系演變Fig.23 Evolution of light pollution relationship between main urban area and Eastern District of Sanya

圖24 機場區(qū)域光污染示意(左)與LTA分析(右)Fig.24 Schematic diagram of light pollution in airport area (left) and LTA analysis (right)

三亞市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)與周邊縣區(qū)之間聯(lián)系不斷加強，城市(區(qū))間光污染增強明顯，且形成明顯以公路為軌跡的線性光污染；機場是城市內(nèi)部光污染最嚴重的區(qū)域；光污染不斷向海域、山林地區(qū)拓展。

2.5 城市照明光污染演變特征總結(jié)

針對研究涉及的4座城市，發(fā)現(xiàn)了多項具有相似性的光污染演變特征，具體包括：1)城市范圍不斷向外擴展的城市(如桂林、三亞等)，光污染范圍會顯著增大，同時內(nèi)部污染強度增強；2)城市與周邊區(qū)縣聯(lián)系的加強，會直接反映在LPM中，其中沿公路線的變化更為顯著(如桂林)；3)機場體現(xiàn)出長期高污染強度特征，初步判定是由于夜晚時段長時間作業(yè)、高亮度要求引起；4)較大規(guī)模的城市建設(shè)會引發(fā)明顯的光污染，如成都地鐵1號線二、三期建設(shè)、青島即墨區(qū)，此過程中光污染變化與項目開工建設(shè)時間具有高度一致性；5)光污染向海域、山體等周邊區(qū)域擴散現(xiàn)象依然明顯，但此特征可能是由于城市內(nèi)部光污染增強引起大氣環(huán)境中的光溢散，也可能是對應(yīng)位置存在大規(guī)模的建設(shè)活動，需作深入評估才能確定。

與團隊已有研究[12]結(jié)論進行比對可知：1)光污染強度在各城市內(nèi)部均體現(xiàn)出加劇特征；2)對象城市與周邊城市(或地區(qū))的聯(lián)系加強均會反映在LPM中；3)特定區(qū)域(如機場)的高污染特征在各類城市中均表征明顯；4)城市建設(shè)(包含大規(guī)模城市建設(shè)邊界的外擴和特定區(qū)域的建設(shè)發(fā)展兩種情況)與光污染加劇的一致性得到了進一步驗證。

3 總結(jié)與展望

結(jié)合過往研究可知，通過LPM進行城市宏觀尺度的光污染分析具有可行性，與傳統(tǒng)的研究方法相比具有更好的便利性和信息可讀性，能夠在大幅降低工作量的同時，獲得具有針對性的分析結(jié)論，未來可探討在更廣泛城市類型中的應(yīng)用，同時應(yīng)對研究方法不斷進行優(yōu)化，以形成更具科學(xué)性與實踐性的城市光污染研究手段。

城市夜晚環(huán)境建設(shè)是一項長期且應(yīng)動態(tài)更新的工作，及時發(fā)現(xiàn)建設(shè)過程中的典型問題并提出相應(yīng)對策包含管理、設(shè)計、建設(shè)、運維等多方人員都應(yīng)該關(guān)注并落實的工作。這一過程中各城市的發(fā)展模式、建設(shè)重點等均存有差異，不宜照搬套用其他城市經(jīng)驗，而應(yīng)以自身現(xiàn)實情況為前提進行從宏觀至微觀的分析解讀，并提出差異化、精細化的建設(shè)管理政策，才能更為有效地促進發(fā)展。

本文在過往研究基礎(chǔ)上進一步探討了具有差異性的4座城市，以期在更廣泛的城市類型中得出具有參考性的光污染研究結(jié)論，并在更大范圍內(nèi)服務(wù)更多城市光污染評估。但受研究條件限制僅討論了LPM為基礎(chǔ)的量化分析，此過程中數(shù)據(jù)的精確度仍有待提高，且關(guān)于數(shù)據(jù)噪音的控制也應(yīng)做更好地討論，特別是針對更為精細的中小尺度對象(如街道、建筑)時，本文方法的適用性仍需作進一步驗證。