原標題：夜空中的明暗變遷——燈光解碼都市圈

如今，太空中有越來越多的遙感衛星，無時無刻在窺探著、記錄著一座座城市夜間或明或暗的變遷。這其中，既有城市建成區的擴張收縮，也有人類活動的強弱更迭。

本文以衛星拍攝的夜間燈光數據工具，來探尋近年來國內主要都市圈空間發展演化規律。

用途廣泛的“夜光密碼”

衛星傳感器可獲取覆蓋全球的白天和黑夜圖像，夜間燈光數據即為其探測到的對應區域夜間的燈光亮度信息。

由於可以較為真實的反映夜間人類活動，夜間燈光數據在地理學、經濟學等領域均有較強的應用，如判斷城市擴張、探究人口分佈等。

2014年，武漢大學李德仁院士與李熙博士通過分析2011年敘利亞戰爭爆發前後，當地夜光亮度值的變化，發表了一項重要研究成果《夜間燈光遙感影像能否評估敘利亞危機》，在國際上引發廣泛關注。而隨著遙感技術的進一步發展，人們也有望從夜間燈光數據中獲得更多的“夜光密碼”。

圖1：2011、2015年敘利亞戰爭前後夜光遙感影像

圖片來源：《夜間燈光遙感影像能否評估敘利亞危機》，李熙、李德仁

最早的夜光數據來自美國，由美國軍事氣象衛星DMSP攜帶的OLS傳感器獲得，儘管其分辨率較低（1km），但該衛星提供了迄今最長時間序列（1992年-2013年）的年度夜光遙感數據。

2011年10月，美國“索米”國家極軌衛星夥伴衛星（NPP）發射，其所攜帶的VIIRS傳感器可以進行更高分辨率（500m）的夜光探測，成為近年來夜間燈光數據的主要來源。

2018年6月2日，中國發射了新一代夜光遙感衛星“珞珈一號”，在分辨率上有了大幅提升（130m）。珞珈一號燈光圖數據的免費開放激發了國內的相關研究熱情。

連續穩定的“火石”數據集

將同一地區不同時間的夜間燈光數據進行對比，可以反映該區域該時間段的人類活動，然而並非所有機構發佈的年度夜光數據集都是連續的、可比的。

這是因為，夜間燈光的原始數據中存在大量的噪聲因素（包括背景噪音如雲層、短暫性事件如火災等），會對研究使用造成較大的影響，需要進行糾偏處理，但不同機構發佈的糾偏數據年份和標準都會不同，這其中就包括美國國家環境信息中心（NCEI）發佈的2015年全球月度合成夜光數據集，美國國家航空航天局（NASA）發佈的2016年全球夜光數據集。

　DMSP 結構圖

基於以上原因，中國科學院遙感與數字地球研究所陳甫副研究員團隊製作併發布了2012-2017年全球夜光數據集，即“火石”夜光數據集。

該數據具有分辨率高、數據處理量龐大、算法精細等特點，是一份穩定、連續的年度夜光數據集，具有較好的可比性。

圖2展示了基於“火石”夜光數據製作的2012-2018年間伊拉克國內燈光變化，從中可以直觀地感受到該地區在2014-2015年間所經歷的北部內戰及戰後重建的情況。

圖2：2012-2018年伊拉克部分地區燈光變化圖

圖片來源：中國科學院遙感與數字地球研究所陳甫團隊

都市圈燈光變化指數

“火石”夜光數據集為透視區域發展提供了有力的條件，以其為基礎，我們選取2012、2017兩個年份的數據，通過比對同一都市圈不同時間的燈光差異，得到都市圈燈光變化指數。這一指數不僅可以反映建成區的擴張收縮狀況，也可反映人類活動的強弱變化，值得關注。

以北京都市圈為例，圖3顯示了2012-2017年間燈光變化情況（紅色區域代表燈光變亮區域，藍色區域代表燈光變暗區域）。

可以明顯看到，2014年底開始建設的新機場區域（大興國際機場，即圖中黑色圈標註區域）出現了明顯的、連片的燈光變亮區。

圖3：2012-2017年北京都市圈燈光亮度變化圖

（1）擴張最快的“非常規”都市圈

採用上述方式對全國30個都市圈的燈光變化指數進行計算，分別按擴張與收縮的比例（擴張/收縮面積佔2012年燈光亮度總面積的比例）將其進行排名，並將二者結合進行變化比例的排名，可以用來對比不同都市圈的發展狀況差異。

結果顯示，2012-2017年，所有都市圈的燈光變化指數都處於淨增長，但增長的程度不同，這反映出都市圈發展狀況的差異。

其中，以北上廣深為代表的高能級都市圈無論是擴張還是收縮表現都不明顯，表明這些都市圈已進入到相對平穩的發展時期。而以新一線城市為核心的都市圈出現了增長程度的分化，華中及西南地區的擴張速度整體更為突出，重慶、長沙、武漢、成都等都市圈的變化比例均位居前列。

以二線城市為核心的都市圈擴張速度較快，其中“非（合肥）常（南昌）規（貴陽）”組合佔據前三甲，表現出了良好的發展潛力。

表1：30個都市圈燈光變化比例排行

數據處理：華夏幸福產業研究院

（2）急劇擴張的城市圈VS 空間重組的輻射圈

放眼都市圈內部，不同能級、不同發展階段的都市圈，燈光變化指數呈現的空間格局也不盡相同。

整體擴張較慢的都市圈燈光增長集中在城市圈（都市圈三個圈層由內向外依次是核心圈、城市圈、輻射圈）。以昆明都市圈為例（圖4），2012-2017年，昆明都市圈核心圈燈光亮度幾乎沒有變化；城市圈是燈光變量的主要區域，且存在多個連片的擴張區域；輻射圈則存在大量的燈光收縮區。

綜合三圈層的燈光變化特徵可以初步判斷，昆明都市圈正在經歷了一個由外圈層向內圈層集聚的過程，而新增人口主要集中在城市圈。

圖4：2012-2017年昆明都市圈燈光亮度變化圖

而變化排名靠前的都市圈的燈光增長點遍佈城市圈和輻射圈。以成都和武漢為例（圖5），核心圈燈光指數幾乎沒有變化；城市圈存在較多連片的燈光指數增長區；輻射圈雖有收縮區的出現，但也存在較多的擴張區，呈現出空間重組的發展規律。

圖5-a：2012-2017年成都都市圈燈光亮度變化圖

圖5-b：2012-2017年武漢都市圈燈光亮度變化圖

此外，從燈光數據著手，我們也能發現一些都市圈發展的規律，從城市圈的燈光變化中可以看出不同都市圈發展方向的異同，以圖5的武漢都市圈和成都都市圈為例，武漢城市圈擴張區域相對均衡，而成都都市圈由於天府新區近年來的高速發展，向南擴張的現象尤為突出；

而從輻射圈的燈光變化中，可以看出都市圈外圍一些獨立發展的區域，如圖5中成都都市圈的簡陽市西南側、武漢都市圈嘉魚縣中部；圖6中上海都市圈的南潯區北側、南京都市圈的和縣東側等。

這些區域的擴張同樣顯著但尚未與周邊形成集聚，具備良好的發展潛力。

圖6-a：2012-2017年上海都市圈燈光亮度變化圖

圖6-b 2012-2017年南京都市圈燈光亮度變化圖

多源數據是未來研究的關鍵

利用夜間燈光數據對都市圈的空間演化進行探索，儘管分析維度還較為單一，但已經得到一些有趣的結論：2012-2017年間，隨著國內經濟的高速發展，各個都市圈都經歷了不同程度的空間擴張和格局演化，而這種空間擴張的特徵，與都市圈的能級、發展階段和政府規劃都高度相關。

華夏幸福產業研究院此前基於珞珈一號燈光圖還做了北京、上海、西安等城市的研究。詳見《萬家燈火看都市圈：節點和微中心是關鍵》、《17年，大西安都市圈發展如何譜新篇》。

進一步深化研究還有很多領域，如定量計算每個都市圈不同圈層的變化比例，並分析影響變化大小的主要因素；融合多種數據並進行更多維度的分析，例如，結合人口數據研究燈光擴張區域的人口密度，進而判斷都市圈空間擴張的承載效率；結合路網、POI等數據，分析公共交通及公共服務設施對都市圈周邊空間格局演化的影響，等等。

夜間燈光數據在近年已獲得城市研究者越來越多的關注，武漢大學等研究機構已在“夜光數據在城市研究中的應用”等領域取得了多項成果。相信在未來，數據分辨率、數據質量及數據處理方法的不斷升級將為研究帶來更多的可能性，夜間燈光數據也將成為城市研究者手中的又一利器。

[1] Li X , Li D . Can night-time light images play a role in evaluating the Syrian Crisis?[J]. International Journal of Remote Sensing, 2014, 35(18):6648-6661.

[2]中國科普博覽: 5年夜光遙感監測合成，中科院版全球高清夜光數據集來了！

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