POI與NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系下的城市空間結(jié)構(gòu)分析
——以武漢市主城區(qū)為例

陳 斌,徐尚昭,周陽陽,徐鋒良,王宏志

(1.核工業(yè)290研究所，廣東 韶關(guān) 512026；2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430079)

城市空間結(jié)構(gòu)是城市空間實體要素按照一定的組合關(guān)系在空間上的具體表現(xiàn)形式[1]。城市主城區(qū)作為城市經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展的主體部分，其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)不僅能夠反映出整個城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，而且還能夠預(yù)示城市未來發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，探討城市化發(fā)展背景下的城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征，對于促進(jìn)整個城市經(jīng)濟(jì)快速協(xié)調(diào)發(fā)展和構(gòu)建適宜的城市人居環(huán)境均具有重要意義。

當(dāng)前，借助POI和夜光遙感數(shù)據(jù)開展城市空間結(jié)構(gòu)的研究并不少見。POI數(shù)據(jù)因其數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、獲取簡單且更新速度快，被廣泛應(yīng)用于城市空間結(jié)構(gòu)研究[2]、城市火災(zāi)風(fēng)險評估[3]、城市服務(wù)業(yè)空間聚集度[4]、城市功能區(qū)劃分[5]及城市道路提取[6]等眾多研究領(lǐng)域。同時，夜光遙感數(shù)據(jù)因其可以間接反映地表人類活動強(qiáng)度，且數(shù)據(jù)覆蓋全球、持續(xù)時間較長，在城市空間擴(kuò)展[7-8]、城市群空間格局形成與演變過程[9-12]，以及城市人口和GDP空間化模擬[13-16]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。綜合來看，現(xiàn)有研究多是基于單一夜光遙感數(shù)據(jù)或POI數(shù)據(jù)，對城市空間結(jié)構(gòu)或城市社會經(jīng)濟(jì)要素特征進(jìn)行分析探討，而從POI數(shù)據(jù)與夜光遙感數(shù)據(jù)的空間耦合關(guān)系出發(fā)，探討城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征的研究尚不多見。

武漢市作為長江中游城市群的核心城市之一，其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征與長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展聯(lián)系密切。因此，研究其內(nèi)部空間實體要素的結(jié)構(gòu)特征,不僅對長江經(jīng)濟(jì)帶未來發(fā)展決策具有一定的參考價值,而且對揭示我國中部沿江城市空間實體要素的分布規(guī)律具有重要意義[7]。本文以武漢市為研究區(qū)，基于POI和NPP/VIIRS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)，利用柵格疊加分析和雙因素耦合制圖等方法，探討了POI和夜光遙感數(shù)據(jù)在不同空間耦合關(guān)系下城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征，以期能為武漢市主城區(qū)城市空間結(jié)構(gòu)調(diào)整及城市內(nèi)部規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)與理論參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

武漢市位于江漢平原東部的長江中下游平原，東臨鄂州、西接孝感、南連咸寧、北通黃岡，是中部乃至全國重要的交通樞紐和工業(yè)基地[18]。武漢市現(xiàn)轄13個區(qū)，包括7個中心城區(qū)(洪山區(qū)、江岸區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)和青山區(qū))和6個遠(yuǎn)郊城區(qū)(東西湖區(qū)、新洲區(qū)、蔡甸區(qū)、黃陂區(qū)、江夏區(qū)和漢南區(qū))。本研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季則盛行偏南風(fēng)。氣候溫暖而濕潤，年平均氣溫在18.1℃，無霜期天數(shù)為239～273 d，年均降水量900～1300 mm，四季分明，雨熱同期。地勢整體呈現(xiàn)為西高東低，除西南部分山地丘陵外，地貌類型主要以平原為主。區(qū)內(nèi)自然資源豐富，河流湖泊眾多，濕地資源位居全球內(nèi)陸城市前三，水熱組合條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)自然資源稟賦得天獨厚，享有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文選取研究區(qū)2016年1—12月12期NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)、2016年P(guān)OI數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。NPP/VIIRS數(shù)據(jù)傳感器擁有22個波段，星下點空間分辨率為375 m，能夠捕捉到微弱地表燈光。POI數(shù)據(jù)(獲取時間為2016年)來源于武漢市高德地圖提供的API接口，該接口提供的武漢市主城區(qū)POI數(shù)據(jù)共計14個大類，共計400 081條數(shù)據(jù)，具體包括餐飲服務(wù)、購物服務(wù)、科教文化服務(wù)、風(fēng)景名勝、公共設(shè)施、公司企業(yè)、交通設(shè)施服務(wù)、商務(wù)住宅、生活服務(wù)、體育休閑服務(wù)、醫(yī)療保健服務(wù)、政府機(jī)構(gòu)及社會團(tuán)體和住宿服務(wù)等(見表1)?？紤]研究所需的POI數(shù)據(jù)后期要同燈光數(shù)據(jù)作空間耦合性分析，由于風(fēng)景名勝和交通設(shè)施與夜光輻射亮度值之間關(guān)聯(lián)度較小，故本文選取除風(fēng)景名勝和交通設(shè)施以外的12類POI數(shù)據(jù)與夜光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行空間耦合性探討。

表1 POI類別與數(shù)量

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

選用的NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，存在森林火災(zāi)、夜間極光及漁火等噪聲干擾。為便于后續(xù)研究，借助柵格計算工具將夜光反射率小于0的區(qū)域設(shè)定為0，0值表示非燈光區(qū)域，非0值即為燈光區(qū)域。然后利用研究區(qū)矢量邊界分別對12期夜光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，再對裁剪得到的夜光影像進(jìn)一步投影和重采樣(選用Krasovsky_1940_Albers投影坐標(biāo)系，重采樣空間分辨率設(shè)為0.5 km)。為最大限度避免偶然誤差影響，本文采用平均值合成法對12期NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)求平均值，得到研究區(qū)年夜間燈光數(shù)據(jù)。具體計算公式如下

(1)

式中，N表示研究區(qū)2016年夜間燈光強(qiáng)度值；Ri即為第i個月的夜間燈光強(qiáng)度值。對合成的NPP/VIIRS年數(shù)據(jù)進(jìn)一步預(yù)處理：選取研究區(qū)燈光反射率最大值作為有效閾值，采用八領(lǐng)域算法[19]對NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，最終得到研究區(qū)修正后的NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)。

2 研究方法

本文旨在通過研究武漢市主城區(qū)內(nèi)部POI數(shù)據(jù)和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)之間的空間耦合關(guān)系，揭示城市主城區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。為便于直觀反映出POI和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的空間耦合關(guān)系，先對研究區(qū)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度分析，然后分別對核密度分析結(jié)果和合成的年夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行空間網(wǎng)格化分析，最終采用雙因子制圖方法對兩者之間的空間耦合性進(jìn)行可視化分析，并在此基礎(chǔ)上對武漢市主城區(qū)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行探討。

2.1 點核密度分析

核密度分析是表示空間地理事件在某一特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生概率大小的一項量化指標(biāo)[20]，它也是一種重要的地理空間聚類分析方法，目前已被廣泛用于城市空間結(jié)構(gòu)及城市功能區(qū)劃分研究[21-22]，主要包括點要素核密度分析和線要素核密度分析。本文基于研究區(qū)POI數(shù)據(jù)進(jìn)行點要素核密度分析。點要素核密度分析方法就是首先對空間某一具體柵格位置點，指定一個鄰域(鄰域通常包括圓、環(huán)或矩陣等形狀)，然后統(tǒng)計指定柵格位置點，指定鄰域內(nèi)點數(shù)量，并且根據(jù)鄰域面積大小計算出鄰域范圍內(nèi)點要素的平均密度?？臻g點要素核密度估算即為指定目標(biāo)位置鄰域內(nèi)所有要素點在其周圍的集聚程度，其實質(zhì)就是將指定大小的鄰域在整個研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動，從而最終得到所有空間目標(biāo)要素的聚集程度統(tǒng)計結(jié)果[23-24]。計算公式如下

(2)

式中，f(S)表示空間某一具體位置S處的核密度計算函數(shù)；k表示空間的權(quán)重函數(shù)；n表示與到位置點s的距離在閾值h范圍內(nèi)的位置點數(shù)量；h表示兩點之間距離衰減閾值，又稱帶寬。h越大越能反映出POI較大空間尺度變化情況；反之，則只能反映POI較小空間尺度變化情況。本文綜合考慮研究區(qū)POI分布特征及NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率，最終將POI核密度的距離衰減閾值設(shè)為1500 m，空間柵格像元大小設(shè)為200 m，最終得到武漢市主城區(qū)POI核密度空間化結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是指根據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系將空間位置點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維平面數(shù)據(jù)的一種重要方法[25]。在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化過程中通過對目標(biāo)網(wǎng)格相交點數(shù)量的統(tǒng)計，并且根據(jù)目標(biāo)點數(shù)據(jù)屬性給網(wǎng)格賦予一定權(quán)值，最終將統(tǒng)計得到的目標(biāo)網(wǎng)格內(nèi)所有興趣點屬性值加權(quán)和作為該格網(wǎng)屬性值。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化不僅可以減小空間數(shù)據(jù)冗余，提升數(shù)據(jù)分析效率，而且還能夠?qū)⒉煌愋?、不同空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格處理形成大小均一的區(qū)域網(wǎng)格，便于對不同類型柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間可視化對比分析；同時也能直觀反映出不同類型數(shù)據(jù)的空間耦合性差異。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化可選用不同形狀的網(wǎng)格，考慮蜂巢狀正六邊形，空間密合度最高且拼接時不會出現(xiàn)空陳現(xiàn)象，故本文綜合考慮后選用正六邊形進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。首先借助漁網(wǎng)工具和泰森多邊形工具生成1468個單位面積為1 km2的網(wǎng)格，然后分別對研究區(qū)POI核密度結(jié)果和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格化處理，最后將得到的兩類標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行空間耦合性分析。

2.3 多因素組合制圖

多因素組合制圖是指通過不同顏色漸變組合表示不同控制因素在空間上耦合關(guān)系的一種可視化方法。本文采用雙重因素制圖方法對研究區(qū)POI和NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行空間可視化處理，即采用不同色彩組合來直觀反映出以上兩種控制因素在空間上的耦合性差異。根據(jù)研究需要，本文將研究區(qū)POI和NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)分別設(shè)置高、中、低3個等級，然后通過兩兩組合共形成9中不同的配色方案，具體配色組合方案如圖1所示。

圖1 雙因素組合制圖

3 結(jié)果與分析

3.1 POI與夜光影像數(shù)據(jù)網(wǎng)格化結(jié)果

將泰森多邊形方法得到的正六邊形網(wǎng)格分別同研究區(qū)POI和夜光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)POI和夜光遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格化結(jié)果分布圖(如圖2所示)。由結(jié)果可知，POI核密度值和夜光遙感數(shù)據(jù)的分布趨勢基本一致，它們的高值中心均主要分布在長江沿岸的武昌區(qū)、江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)，而低值分布中心則主要分布在以長江為幾何中心的主城區(qū)周邊地區(qū)，其中以洪山區(qū)東部及南部分布最為集中。但局部地區(qū)也存在一定的差異，如青山區(qū)北部夜間燈光數(shù)出現(xiàn)高值分布，而POI核密度則呈現(xiàn)低值分布，洪山區(qū)東北部也出現(xiàn)了夜間燈光數(shù)據(jù)的高值區(qū)，而POI核密度值則未出現(xiàn)?？偠灾?，研究區(qū)POI核密度值和NPP/VIIRS夜間燈光強(qiáng)度的空間分布態(tài)勢總體一致，均呈現(xiàn)從長江沿岸地區(qū)向主城區(qū)周邊逐漸遞減的趨勢。

圖2 研究區(qū)2016年P(guān)OI核密度和夜光輻射亮度值網(wǎng)格

3.2 POI與夜光遙感數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系分析

3.2.1 兩種數(shù)據(jù)源空間耦合結(jié)果

為便于直觀反映出研究區(qū)兩類數(shù)據(jù)的空間耦合性差異，先對研究區(qū)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格歸一化處理，再利用數(shù)學(xué)三分法中的1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差分級原則，將兩類空間數(shù)據(jù)分別劃分成低、中和高3個等級，得到研究區(qū)POI核密度與NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)空間耦合結(jié)果分布圖(如圖3所示)。由統(tǒng)計結(jié)果可知，研究區(qū)POI核密度和夜光數(shù)據(jù)空間耦合性總體較好，其分級結(jié)果相一致的區(qū)域占比高達(dá)82.15%，且主要分布在燈光強(qiáng)度和POI核密度值均較低的主城區(qū)外圍。而兩類數(shù)據(jù)的高值分部區(qū)主要集中在長江沿江兩岸，其中長江南岸沿岸POI核密度和夜間燈光主要表現(xiàn)為高-中及高-低的耦合關(guān)系，而長江北岸POI核密度和夜間燈光要表現(xiàn)為低-中及中-高德耦合關(guān)系。

圖3 研究區(qū)POI與夜光遙感數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系

3.2.2 POI核密度高于夜光遙感區(qū)分析

POI核密度與夜光遙感數(shù)據(jù)的空間耦合性整體較好，但局部地區(qū)仍然存在一定差異。為便于直觀反映出研究區(qū)核密度和夜間燈光數(shù)據(jù)的耦合性差異，將POI核密度值高于夜光遙感數(shù)據(jù)的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行提取制圖(如圖4所示)。從空間分布上來看，POI核密度值高于夜光遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域主要分布在長江南岸地區(qū)，尤其是江岸區(qū)中部、青山區(qū)西南部、武昌區(qū)南部及洪山區(qū)東南部等部分地區(qū)分布較為集中。其中青山區(qū)、武昌區(qū)和洪山區(qū)POI核密度與夜光遙感數(shù)據(jù)均主要表現(xiàn)為中-低的空間耦合模式，漢陽區(qū)主要表現(xiàn)為高-低空間耦合模式，而硚口區(qū)主要以高-中的空間耦合模式為主，表明漢陽及硚口區(qū)POI聚集程度較高，POI數(shù)據(jù)在空間上能較為準(zhǔn)確地表征這些區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)特征。從功能區(qū)劃分結(jié)果上來看，POI核密度值高于夜光遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域主要分布在長江南岸的商業(yè)區(qū)和科教文化區(qū)，這可能是由于這一地區(qū)高樓林立，商業(yè)服務(wù)業(yè)集聚程度較高，而夜光數(shù)據(jù)亮度值通常在高達(dá)一定閾值后便不會再隨亮度增加，出現(xiàn)所謂的空間飽和現(xiàn)象，故燈光數(shù)據(jù)不能直觀準(zhǔn)確反映出該區(qū)域城市空間結(jié)構(gòu)特征，而通過對研究區(qū)POI核密度值與夜光遙感數(shù)據(jù)相互校正和對比分析，則能夠更加準(zhǔn)確反映出武漢市主城區(qū)城市空間實體要素的分布特征。

圖4 夜光遙感強(qiáng)度值低于POI核密度值區(qū)域分布

3.2.3 夜光遙感高于POI核密度區(qū)分析

為便于直觀反映出研究區(qū)POI核密度值與夜間燈光數(shù)據(jù)的空間耦合性差異，對夜光遙感數(shù)據(jù)高于POI核密度值的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行提取制圖(如圖5所示)。從空間分布上來看，夜光遙感數(shù)據(jù)高于POI核密度值的區(qū)域主要分布在長江北岸地區(qū)，江岸區(qū)南部、江漢區(qū)南部、硚口區(qū)及漢陽區(qū)和青山區(qū)北部等地區(qū)分布較為集中。其中硚口區(qū)POI核密度與夜光遙感數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系主要表現(xiàn)為高-中的耦合模式，江岸區(qū)主要表現(xiàn)為中-高空間耦合模式，而漢陽區(qū)和青山區(qū)主要以低-高和低-高的空間耦合模式為主。從城市功能區(qū)劃分結(jié)果上來看，夜光遙感數(shù)據(jù)高于POI核密度值的區(qū)域主要分布在長江北岸的商業(yè)區(qū)，這些區(qū)域大多是大型企業(yè)和商業(yè)結(jié)構(gòu)集聚場所，POI數(shù)據(jù)在空間聚集程度較低且數(shù)量相對缺乏，一定程度不如城市夜間燈光亮度值刻畫城市空間結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，而此時夜間燈光數(shù)據(jù)卻能直觀準(zhǔn)確地反映出同質(zhì)性的不同區(qū)域城市空間結(jié)構(gòu)特征。因此，通過對研究區(qū)POI核密度值與夜光遙感數(shù)據(jù)相互校正和對比分析，可以更為準(zhǔn)確地表征出武漢市主城區(qū)不同范圍內(nèi)空間實體要素的分布特征。

圖5 夜光遙感強(qiáng)度值高于POI核密度值區(qū)域分布

4 結(jié)論和討論

本文通過核密度分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法得到研究區(qū)夜光遙感數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)的空間耦合性關(guān)系，進(jìn)而對夜光遙感數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)耦合差異區(qū)域城市空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析討論。主要結(jié)論如下：

(1)武漢市主城區(qū)內(nèi)部夜光遙感和POI數(shù)據(jù)的空間耦合較高，空間耦合相一致的區(qū)域占比達(dá)到了82.15%，且均較好刻畫出了武漢市主城區(qū)空間結(jié)構(gòu)特征，表明夜光遙感數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)在城市空間結(jié)構(gòu)研究中均有較好的適用性。

(2)夜光遙感和POI數(shù)據(jù)耦合關(guān)系相異的區(qū)域可以更顯著地表征城市結(jié)構(gòu)的空間特征，在城市主城區(qū)邊緣、大型商場附近及開發(fā)區(qū)周圍，二者的空間特征具有一定的差異，POI數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、新城區(qū)等區(qū)域分布較少，而在主城區(qū)中心則分布相對集中；夜光遙感數(shù)據(jù)則在主城區(qū)中心及大型商業(yè)區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較好的區(qū)域強(qiáng)度較高，存在明顯的飽和現(xiàn)象，但在遠(yuǎn)離城市主城區(qū)中心的遠(yuǎn)郊城區(qū)則無法準(zhǔn)確表征。

(3)武漢市作為中原城市群的核心城市之一，城市主城區(qū)空間形態(tài)結(jié)構(gòu)與長江聯(lián)系緊密。武昌區(qū)在長江沿岸附近形成經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，而江岸區(qū)、江漢區(qū)和硚口區(qū)與沿江之間形成帶狀城鎮(zhèn)區(qū)，且沿著長江兩岸呈東西向向主城區(qū)外圍擴(kuò)張，形成多個城市中心發(fā)展區(qū)。

本文基于POI數(shù)據(jù)與夜光數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系，對武漢市主城區(qū)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了初步探討，但這是建立在兩種數(shù)據(jù)空間耦合差異定性分析基礎(chǔ)之上的，如何針對研究區(qū)內(nèi)夜光遙感數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)對城市空間結(jié)構(gòu)展開定量化研究，還有待進(jìn)一步研究和探討。