基于夜間燈光數據的城市中心區域提取與分析
——以重慶市主城區為例

劉 源 ，李月臣

（1.重慶師范大學地理與旅游學院；2.重慶師范大學三峽生態環境遙感研究所；3.重慶師范大學重慶市高校GIS應用研究重點實驗室，重慶 401331）

城市中心區域作為城市空間形態結構中的重要研究領域，識別和量化城市中心區域一直是該領域重要的研究內容[1]。從現實發展情況看，近年來全球城市空間結構從傳統的同心圓模式、扇形模式逐漸向多核心模式發展。當前，主要城市的多中心結構大多包含了一個傳統中心商務區，即城市主中心，還包含了若干個城市副中心。隨著城市化進程的快速推進，城市中心區域已經脫離了商業中心的定位，向著多層次、多職能的方向發展，“多中心化”也更多被定為城市發展的主要空間戰略。

城市中心規劃會極大地影響城市的發展，及時準確地評估城市中心發展現狀，可以為未來城市發展規劃提供可靠的反饋信息[2]。目前常見的城市中心識別提取的研究方法多依賴社會經濟統計數據，具體分為閾值法、擬合法、輔助資料空間比較法三種。閾值法就是根據相關統計數據設定一定閾值，滿足該閾值區域劃定為城市中心區域；擬合法是利用統計數據擬合出的連續曲面上標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據結合統計資料進行城市中心識別。田晶等人提出一種單純利用城市道路網和特定類型的POI點來提取城市中心方法[3]。但這些傳統研究方法多依賴社會經濟統計數據或者調查數據，該類數據多為離散的空間數據，在不同尺度的研究過程中，會導致在利用數據進行城市中心的提取時受到行政邊界的影響。另外，這些研究方法要求人們對研究區域有著詳細科學的了解，不具有普遍適用性，而夜間燈光數據具有可獲取性強、處理量小且指數強度已證明同經濟發展呈正相關關系，可應用于不同尺度、不同空間的城市中心提取研究中。基于以上結論，本文以NPP-VIIRS夜間燈光數據為基礎，結合“面向地理知識發現算法”這一思路，引用局部等值線樹算法，對重慶市主城區城市中心的空間范圍及層次結構進行提取分析。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

重慶市主城區包括渝中區、渝北區、江北區、北碚區、沙坪壩區、九龍坡區、大渡口區、巴南區、南岸區九個行政區域，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、經濟、文化、交通和金融中心。2015年，主城區生產總值約為6394.47億元，戶籍統計人口約為652.19萬人，分別占全重慶市的40.68%和19.68%。同年，重慶市主城區城鎮化率為88.60%，而重慶市全市僅為60.94%，其中主城區最高區域渝中區高達100%，最低的巴南區為78.28%。受區域內自然地形地貌的影響，主城區的城市建設呈現出明顯“多中心、組團式”的空間分布格局。

1.2 研究數據

夜間燈光數據作為兩種常見的夜間燈光數據，均被證明其燈光亮度值可用于反映社會經濟活動及城市發展情況，包括GDP及人口的空間化、電力消耗、二氧化碳排放量等指標的估算以及相關區域的提取[4-7]。

本文主要采用2015年NPP-VIIRS夜間燈光遙感數據處理得到的年平均數據來進行城市中心區域的提取。與之前的數據相比，新數據無論是在時效性還是精度上都有了極大的改進，新數據通過星上定標，消除了傳感器本身的誤差，數據精度也從1000 m提高為500 m[8]。能夠記錄浮點型格式的最大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飽和效應問題[9]。

2 研究方法

2.1 提取NPP-VIIRS夜間燈光數據等值線

2015年，NPP-VIIRS的年平均夜間燈光數據是由每月的DNB數據合成得到，確保了數據不受到云層、月光及其他相關因素的干擾。對夜間燈光數據提取等值線，需要設置起始等值線與等值線間距兩個數值。起始等值線是低于此亮度的夜間燈光數據將不會生成等值線，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節信息。本文將重慶區域的夜間燈光數據鑲嵌處理為整型數據，等值線間距設為5。

2.2 局部等值線樹與等值線填充

將NPP-VIIRS夜間燈光數據類比于地形數據，通過局部等值線樹算法識別出地形意義上的“山峰”部分，將該部分視為不同級別的城市中心區域[10]。與傳統簡單的等值線圖相比，該算法通過結合等值線填充這一概念，即“采用不同的顏色來填充的各等值線區域的方法來顯示數據，使等值線圖的數值變化看起來更加一目了然”這一等值線圖顯示的概念。等值線樹包含節點與邊兩個要素，節點代表每一條等值線，邊代表相鄰等值線之間的拓撲關系，而局部則代表著不同等值線之間的拓撲關系，將大尺度區域劃分成為若干個以“山峰”為中心的小尺度區域，從而形成多條等值線樹。

利用該算法識別城市中心的基本技術流程，共包含兩個步驟，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系后，以“種子”等值線為起點向外部檢索，過程中向外的最鄰近等值線僅包含該“種子”等值線，且其數值低于“種子”等值線值，該等值線便會被認為與“種子”等值線具有相同級別。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的過程。圖1（a）是基于夜間燈光遙感影像生成的主城區局部區域燈光亮度等值線圖，圖中的每條等值線對應著圖1（b）中的每一個節點。根據等值線間的拓撲關系，得到了常規等值線樹圖。這一株等值線樹圖的節點共包含三個等級。

圖1 局部等值線樹算法示意圖

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據的統計信息、城市形態指標及城市多中心度三類，通過計算結果對提取出的城市中心進行定量分析，從而量化描述其形狀以及幾何形態。夜間燈光數據的統計信息與城市形態指標如表1所示[11]。

表1 城市形態指標及夜間燈光亮度統計信息

3 結果分析

3.1 多中心城市空間結構

本文結合土地利用數據中建設用地范圍邊界所對應的夜間燈光亮度平均值，將等值線提取過程中起始等值線亮度設為20，而等值線間距為5，生成夜間燈光數據等值線圖，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算法，在重慶市主城區范圍內共識別出8株等值線樹，如圖2所示。其中，4株等值線樹僅有一個節點且其節點最高層級為一級。這些只有一個節點的等值線樹即是單中心結構，這些區域內僅包含一個城市中心。圖中部分區域（即節點2和節點18）為包含兩個城市中心的等值線樹。這三株等值線樹內各包含一個范圍較小、級別較低的城市中心，其節點的最高層級為二級。圖中另一部分區域（即節點30）則為之前強調的重慶市主城區“主樹”，該區域的范圍面積最大幾乎包含了重慶市渝中、江北、渝北等傳統城市中心區域，并且包含了主城區范圍內夜間燈光亮度最大值。主城區主樹的層級結構較為復雜，一共包含了18個節點，即18個城市中心或復合中心，最高層次為6級。

圖2中，“主樹”中的15、12、11、25、3、10、8、4、28、7、13、1節點均為一級節點，即十三個個城市中心。處于二級節點的2號與18號節點包含了1號和3號兩個城市中心，同時2號節點與13號節點又共同構成了6號節點，因此6號節點被認為是功能更加齊全城市中心的復合區。本研究中級別越高的節點，囊括的低級別節點越多，也代表城市結構則越復雜。“主樹”城市中心分布結果如圖2所示。其中7號節點，解放碑江北城區域，在重慶市總規當中對應了“一主十副多組團”當中的“一主”即渝中CBD，提取結果來看，該區域夜間燈光亮度高且標準差低，分布較為均勻，被視為重慶主城區的主中心區域。

圖2 “主樹”空間分布圖（左）及層級結構示意圖（右）

3.2 主城區城市中心驗證

由于重慶式特有的“多中心、組團式”發展模式，本文的研究尺度將主樹中一級節點以及其他識別出的等值線樹中的一級節點，定義為城市中心進行研究與分析。共識別出18個城市中心，其地理位置及信息如表2所示。

由圖2和表2可見，由于重慶山地城市的地形地貌特征影響，主城區范圍內城市中心的“多中心、組團式”分布特征較為明顯，城市中心的選址與建設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合城市中心與該版本的規劃從空間范圍來看大體達成一致。

表2 重慶市主城區城市中心詳細信息

3.3 主城區城市中心屬性信息結果分析

重慶主城區各級別城市中心總面積為373.83 km2（去除重復部分），占總面積的6.84%。各一級城市中心的夜間燈光平均亮度與總量度變化幅度相對較小，意味著主城區各城市中心的人類活動聚集程度及發展狀況的差異較小，這也較符合主城區的“多中心、組團式”的發展狀況。但城市中心多分布在二環線以內，從主城九區的總體面積來看，城市中心的發展布局又呈現出不均衡的態勢。為避免各層級的城市中心在范圍上的包含關系帶來統計指標的重復，圖表中關于燈光亮度指標的計算均只選取了18個一級中心進行統計，而城市形態指標則對各個層次的城市中心均進行了統計。

圖3 各城市中心城市形態指標統計

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看，重慶市主城區的城市中心采用相對分散的發展模式，再結合識別出的城市中心以及《重慶市主城區二環區域發展規劃（2011-2020年）》所提到的多個區域“組團”發展來看，更加印證了“多中心、組團式”的發展方式。主城區“主樹”的多中心度為0.72，而重慶主城九區多中心度為0.66，這說明主城區城市中心具有較高的多中心程度，內部發展情況相對均衡，但與周邊區域發展存在一定差異，城市范圍仍有向外擴張的空間。前文依據夜間燈光亮度的平均值及標準差將7號節點解放碑-江北城定義為城市中心，這也符合規劃中的定位要求。

本研究中，“主樹”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在10號節點空港工業園區兩路組團以及28號節點高新區二郎組團。另外，Tong等人的研究表明，交通網絡和地形因素（海岸線或山脈）對城市中心的發展模型有著一定的影響，當這類因素對城市中心的發展影響越來越大時，這類城市中心的空間結構便會逐漸遵循“自然線性發展模式”[12]。例如，7號城市中心，解放碑-江北城區域，位于渝中半島及對岸的江北區北濱路范圍內，其城市發展方向大致平行于河流沿線區域；3號城市中心江北機場、1號城市中心重慶北站、12號城市中心鴛鴦，這三個城市中心的分布明顯沿軌道交通3號分布延伸。