基于夜间灯光数据的益阳市城市空间结构演变

古 杰，傅辰昊，曾志伟

（1.湖南城市学院 建筑与城市规划学院，湖南 益阳 413000；2.数字化城乡空间规划关键技术湖南省重点实验室，湖南 益阳 413000；3.合肥工业大学 建筑与艺术学院，合肥 230601）

城市空间结构是城市各要素的空间分布形式，地理学对城市空间结构的研究依据，研究尺度的差异分为外部城市空间结构和内部城市空间结构。[1]外部城市空间结构研究的是宏观空间尺度中的点状城市，内部城市空间结构研究的是中观或微观尺度中的面状城市。[2]从点状城市的研究来看，城市空间结构主要关注土地、经济和人口的空间分布形态和结构，由于数据容易获得和方便描述，相关研究一直是学界研究的热点。[3-5]城市内部空间结构的研究由于数据获取的难度较大，一直是城市空间结构研究的薄弱环节。[6-8]总体来看，学界关于城市内部空间结构在定量研究方面有待加强。由于数据获取的局限性，城市内部空间结构的研究主要集中在大城市和沿海发达地区，中小城市尤其是中西部地区的中小城市受到关注的程度相对较弱。

从研究视角和数据来源来看，国内外学者对城市内部空间结构的研究可以分为土地利用结构、人口空间结构、社会文化空间结构和行为空间结构等四种类型。[9-11]第一种类型以土地利用数据为数据源，定量分析城市空间结构的变化过程，其数据来源主要是国土部门的土地利用现状数据或者通过遥感解译的土地利用数据。由于国土部门的土地利用现状数据具有保密性，该类型研究的数据源主要是遥感数据，对建设用地内部的利用强度和细分类型关注较少。第二种类型的相关研究主要依据我国人口普查数据分析城市空间结构，由于我国人口普查的时间间隔相对较长，因此连续年份的演变过程分析也较为困难。社会文化空间结构和行为空间结构相关研究的数据源主要是不同类型的问卷调查数据，其主要弊端表现在不同时间和不同部门的问卷由于研究视角的差异难以进行纵向对比，而通过相同的问卷进行长时间尺度的动态跟踪研究难度也较大。在我国快速城镇化的时代背景下，对城市空间格局动态变化过程和规律的研究十分必要，但是由于受到数据获取等方面的限制，城市内部空间格局的动态研究相对薄弱。

夜间灯光数据可以有效地表示城市社会经济活动强度，是当前城市空间结构研究的重要数据源。[12-13]相对于以土地利用为基础的遥感影像数据，夜间灯光数据对建设用地内部的空间利用强度也能够进行区分。[14-15]而相对于其它社会经济数据，夜间灯光数据的数据口径和标准前后统一，在不同的时代背景下能够进行纵向对比。[16]虽然夜间灯光数据也会受到建筑形态、植被和气候等一系列因素的影响，但是由于标准和口径统一等方面的优势，依然是研究城市空间结构较为理想的数据源。

一、研究区域、数据与方法

（一）研究区域

益阳市位于湖南省中部偏北，西北侧为洞庭湖，东南侧为省会长沙，辖3县、1市和3区，2013年全市（含下辖县市）总人口484.20万。本文研究市政府驻地所在的中心城区及其周边的乡村区域，为了方便数据分析和对比，选取赫山区和资阳区的行政范围作为研究的空间范围，共计面积1 975平方公里，其中资阳区696平方公里，赫山区1 279平方公里。2013年，资阳区总人口41.87万，城镇化水平49.56%，赫山区总人口83.92万，城镇化水平64.44%，研究区域总人口125.79万，城镇人口74.83万，城镇化水平59.49%。

（二）数据来源

研究的数据源为美国国家海洋和大气管理局发布的DMSP/OLS夜间灯光数据，是由多个DMSP卫星传感器获取的1992年到2013年期间的22个年份的数据。数据获取地址为地理国情监测云平台（http://www.dsac.cn/）。该数据去除了极光和野火等不稳定光源以及月光和云层的干扰，数据校正到无云层覆盖的年均灰度值，范围在0～63之间。数据的空间分辨率约为500米。本研究所采用的数据目前只更新到了2013年，所以研究的时段没有更新到最新年份。与本研究相关的益阳市经济社会发展相关的数据来源于益阳市统计信息网，其中城镇化数据采用的是全市口径，其它相关数据为资阳区与赫山区之和。

（三）研究方法

为分析夜间灯光指数的提升与益阳市城镇化之间的关系，采用一次线性方程对其进行回归分析。具体公式为y=ax+b，其中y为夜间灯光指数，分别用平均值和极大值进行分析；x为对应年份益阳市城镇化率；a为一次线性系数；b为常数项。

采用柯纳尔密度分析的方法对数据的空间分辨率进行优化和调整。夜间灯光的原始数据的栅格尺度为500米×500米，对于益阳这样的中小城市而言，栅格尺度过大，不利于城市内部空间结构的研究。为解决这一问题，采用柯纳尔密度分析的方法对夜间灯光数据进行处理。首先将益阳市不同年份夜间灯光的栅格数据转为点，其次以点数据中的夜间灯光指数字段为基础进行核纳尔密度分析。分析的过程中，栅格尺度选择为50米×50米，搜索半径为1 000米，相当于15分钟生活圈的空间尺度。具体公式为

其中，i=1,…,n，是夜间灯光的数据点；R是搜索半径，本研究为1 000米；r为夜间灯光的数据点i到点(x,y)的距离，其中r≤R；Li为数据点的夜间灯光指数。

采用城乡地域结构分析的方法对夜间灯光数据柯纳尔密度分析的结果进行重分类和结构性分析。由于在核密度分析的过程中采用了1 000米作为搜索半径，所以核密度分析的结果相对于原始数据的阈值范围发生了变化，本文将核密度分析的结果进行重分类分析。具体划分为四级空间亮度值，一级亮度的阈值范围是[0,10]，其夜间灯光亮度为黑暗，对应空间形态为乡村区域；二级亮度的阈值范围是（10,50]，其夜间灯光亮度为昏暗，对应形态表现为城市远郊区；三级亮度的阈值范围是（50,100]，其夜间灯光亮度为相对明亮，对应空间形态为城市近郊区；四级亮度的阈值范围是（100,252]，夜间灯光亮度为明亮，对应空间形态为城市中心区。

为分析城市中心区的空间范围及中心的变化，将四级亮度值范围内的区域转换为面图层。图层边界即为城镇边界线，其地理意义是益阳市中心城区和郊区的分界线。城镇边界线的几何中心即为益阳市城市中心点。

二、数据分析结果

（一）夜间灯光指数的平均值和极大值

在快速城镇化的过程中，益阳市夜间灯光指数的总体变化特征可以概况为平均亮度水平不断提高、波动特征明显和极大值的波动性不断变大等三个方面。从平均亮度水平来看，1992年益阳市夜间灯光指数的平均水平为1.04，到2013年提高到6.08，夜间灯光指数年均提升8.77%。益阳市夜间灯光指数的变化过程可以划分为三个阶段：第一个阶段是1992年到1997年，夜间灯光指数总体水平在1.00到2.00之间，呈现出缓慢稳定提高的特征；第二个阶段是1998年到2005年，夜间灯光指数平均水平在2.00到4.00之间，呈现出快速提升的特征；第三个阶段是2006年到2013年，夜间灯光指数平均水平在在4.00到6.00之间，呈现出剧烈变化的特征。益阳市夜间灯光指数的变化过程呈现出较为明显的波动性，在所研究的22个年份中，1993年、2002年、2007年、2009年和2012年5个年份显著偏离前后两个年份的平均水平。

夜间灯光指数的极大值变化过程与平均水平的变化过程相似，但是整体波动性水平小于平均值。极大值的变化过程也可以划分为三个阶段：第一个阶段是1992年到1997年，极大值在25和40之间，其中，1997年的极大值仅为25，为22个年份的最低点；第二个阶段是1998年到2005年，极大值整体上处在35到50之间，显著高于第一个阶段；第三个阶段是2006年到2013年，除2009年之外，极大值整体保持在46及以上。

表1 益阳市1992—2002年城镇化水与平夜间灯光指数

益阳市夜间灯光指数整体水平的提升与益阳市城镇化水平的提高呈现出较大的相关性。通过一次线性方程对夜间灯光指数平均值与城镇化水平进行一次线性回归分析，结果为y=0.1904x-2.282 8，其中，R=0.857 5，其数理意义为益阳市城镇化水平每提升1个百分点，夜间灯光指数平均值就会提升约0.19。测定系数R2大于0.85，表示线性回归模型的数据拟合程度较高。对夜间灯光指数的极大值和城镇化水平也进行一次线性回归分析，回归方程为y=0.771 7x+19.056，其中R2=0.540 5，其数理意义是益阳市城镇化水平每提升一个百分点，夜间灯光指数的极大值会提高约0.77个百分点。测定系数R2仅仅略高于0.50，表明数据的拟合程度较低。

（二）城市空间结构特征

不同亮度级别的区域所对应的城市空间范围不同，其面积的变化过程也呈现出不同的规律性（图1）。一级亮度区域为乡村区域，益阳市从1992年到2013年的变化过程可以分为稳定下降和波动变化两个阶段，其中1992年到2001年空间范围的面积不断缩小，2002年之后呈现出明显的波动性。二级亮度区域是城市远郊区，变化过程可以分为稳定提升和波动变化两个阶段，1992年到2001年空间范围的面积不断扩大，2002年后与一级亮度区域的面积呈现此消彼长的波动关系。三级亮度对应的区域是城市近郊区，1992年到2001年空间范围的面积一直在50平方公里及以下，并且呈现出稳定扩大的趋势，除特殊年份外，2002年到2009年空间范围的面积整体上处在50到100平方公里之间，2010年之后整体上处在100平方公里左右。四级亮度对应的区域是城市中心区，其面积的变化与三级亮度区域的面积呈现出大致相似的变化规律性，不同的是，在2002年之前，四级亮度区域的面积一般小于三级亮度区域的面积，而在2002年之后，四级亮度区域与三级亮度区域的面积基本持平。

本文分别选取1992年、2000年、2010年和2013年四个年份的夜间灯光数据分析益阳市城市空间结构形态，结果显示益阳市城市空间结构呈现出以西北—东南方向为长轴的椭圆形圈层结构形态（图1）。1992年，益阳市乡村区域、城市远郊区、城市近郊区和城市中心区面积的空间比例关系为88.00:9.59:1.52:0.89，城市中心区和近郊区占区域总面积的比例都比较低。2000年四个区域面积的空间比例关系演变为61.63:33.48:2.65:2.24，乡村区域的面积占比急剧下降，其它区域的面积占比不断提升。2010年四个区域的面积比例关系进一步演变为38.17:49.85:5.78:6.19，乡村区域的面积占比进一步下降，城市中心区和城市近郊区的面积占比合计为11.98%，城乡关系由大乡村小城区转变为大城区小乡村。2013年，四个区域的面积比例关系为60.26:25.01:7.58:7.15，城市中心区和城市近郊区的面积占比合计为14.74%。

通过不同亮度级别区域的面积变化过程，可以将益阳市城市空间结构的演变过程划分为三个阶段（见图1）。第一个阶段是1992年到2001年，城市空间结构的典型特征是大乡村小城区。该阶段城市中心区的面积较小并且呈现出巨大的波动性，乡村区域的面积迅速收缩，不断演变为城市远郊区和近郊区。第二个阶段是2002年到2009年，呈现较为明显的过渡性特征，具体表现为由大乡村小城区到小乡村大城区方向演变，乡村区域面积的收缩和城市远郊区面积的扩大都进入到波动变化的阶段，城市中心区和城市近郊区的面积处在50～100平方公里的空间尺度。第三个阶段是2010—2013年，主要特征是城市远郊区和乡村区域的面积进一步缩小，中心城区和城市近郊区的面积进一步扩大，合计面积超过200平方公里。

（三）城市中心区的空间特征

本文选取1992年、2000年、2010年和2013年四个年份的数据分析中心城区的变化过程。从面积变化过程来看，益阳市中心城区面积的扩大主要在资江南岸的赫山区，北岸的资阳区中心城区空间扩张的速度较为缓慢（见图2）。1992年，益阳市中心城区的几何中心总体上呈现出由西北向东南方向延伸的趋势（图3）。1992年，益阳市中心城区的几何中心位于西流湾大桥北侧，1993年和1994年，几何中心南移至资江江心。1995年，几何中心跨过资江南移至赫山区。此后近20年时间内，除个别年份外，几何中心总体上呈现出向东南方向移动的趋势。1996年到2013年几何中心总体在康富北路以东，龙洲北路附近及其以西，资江以南和秀峰路以北的区域。

图2 基于夜间灯光数据的益阳市城乡地域结构

图3 益阳市近20年中心城区几何中心点

三、结论与讨论

本文以夜间灯光数据为基础对益阳市城市空间结构及其演变过程进行分析，主要结论包括四个方面：其一，在益阳市快速城镇化的过程中，益阳市夜间灯光指数提升较为明显，并且该过程与全市城镇化水平的提高呈现出较为明显的线性回归关系；其二，益阳市城市空间结构呈现较为典型的椭圆形结构形态，演变过程呈现出较为明显的阶段性特征，总体表现为中心城区和城市近郊区不断扩大，城市远郊区和乡村区域不断缩小；其三，益阳市中心城区向外围地区的空间扩张过程也呈现出较为明显的椭圆形结构形态，中心城区在东南方向上的空间扩张速度较快，在东北方向和西侧方向的空间扩张速度较慢；其四，益阳市中心城区的几何中心总体上由西北向东南方向移动，几何中心在1995年从资江北岸移动到南岸以后仍然不断向东南方向移动。

城市空间结构研究的三大经典理论包括伯吉斯的同心圆理论、霍伊特的扇形结构理论、哈里斯和厄尔曼的多核心理论。[17]益阳市城市空间结构的研究结果表明，城市空间结构不符合三大经典理论中的任何一种，但是又与三大经典理论呈现出某种程度上的相似性。同心圆理论是在地租理论基础上演绎出来的城市空间结构模型，该理论的前提假设是外围区域是均质的。由于益阳市城市发展受到长沙市的巨大影响，城市空间结构呈现出向长沙方向偏移的椭圆形结构形态。这种椭圆形的结构形态与扇形结构理论也具有一定的相似性，都是向特定的方向上延伸。但是由于扇形结构的理论前提是具象化的城市交通，所以城市空间结构的骨架系统较为明显。长沙对益阳市城市空间结构的影响并不是通过某个具象化的交通组织来实现的，益阳市城市空间结构向长沙方向不断延伸的过程中依然保留同心环的部分特征。相对于单中心的同心环和扇形模式，多中心模式更为精细和复杂。虽然益阳市沧水铺和衡龙桥这两个郊区镇夜间灯光达到了城市近郊区的亮度级别，但是亮度尚未达到中心城区的亮度级别，加之中间有大片的远郊区和乡村区域的隔离，所以不属于多核心城市结构模式。