夜光數(shù)據(jù)與POI耦合關(guān)系下的城市空間結(jié)構(gòu)分析

成樞 楊隴徽 孫昂

摘要：夜間燈光數(shù)據(jù)與興趣點（Point of Interest，POI）數(shù)據(jù)能反映出城市中實體要素的分布情況，對研究城市空間結(jié)構(gòu)具有重要意義。以青島市作為研究區(qū)域，結(jié)合2022年NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)，利用核密度分析與疊加分析對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，得到空間耦合相同或相異的區(qū)域。研究表明，青島市夜間燈光與POI整體空間耦合性較高；存在一定量的空間耦合關(guān)系相異的區(qū)域，如機場、港口、城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心等，結(jié)合兩種數(shù)據(jù)的特點可以更好的表達城市空間結(jié)構(gòu)特征；青島市作為沿海城市，城市空間結(jié)構(gòu)與海聯(lián)系密切。本研究可為沿海城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的研究提供一種新視角。

關(guān)鍵詞：夜間燈光數(shù)據(jù)；POI；NPP/VIIRS；耦合關(guān)系；城市空間結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.24.099

0引言

城市空間結(jié)構(gòu)是城市內(nèi)部各空間實體要素之間分布和組合關(guān)系的具體表現(xiàn)形式，可以反映出城市發(fā)展的方向。夜光遙感是一種可以采集到夜間微光的光學(xué)遙感技術(shù)，夜間穩(wěn)定亮光中的大部分來自于城市區(qū)域，故夜間燈光數(shù)據(jù)在識別城市建成區(qū)等方面有很強的適用性。興趣點（Point of Interest，POI）記錄了電子地圖上地理實體名稱、坐標等信息，具有更新速度快、數(shù)據(jù)量大、定位精度高等特點，已被廣泛應(yīng)用于城市功能區(qū)識別、等方面的研究上。

夜間燈光數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)在城市空間結(jié)構(gòu)方面都得到了廣泛的應(yīng)用，但通過夜間燈光與 POI數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系，分析城市空間結(jié)構(gòu)的研究不多。目前基于夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系，已有對深圳市、武漢市昆明市等城市的研究。本研究利用夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)耦合關(guān)系對青島市的城市空間結(jié)構(gòu)進行分析，以期能為沿海城市空間結(jié)構(gòu)研究提供參考。

1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

青島市是山東省的一個地級市，地理位置處于我國華東地區(qū)、山東半島東南部，位于35°35′N～37°09′N、119°30′E～121°00′E之間，現(xiàn)下轄7個區(qū)、代管3個縣級市。2020年青島市土地總面積為11293.36 km2，城市建成區(qū)面積為758.2 km2，全市常駐人口為1010.57萬人，2021年全市地區(qū)生產(chǎn)總值達到14136.46億元，經(jīng)濟實力與發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)源包括NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、青島市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)官網(wǎng)（https：//eogdata.mines.edu），獲取的是2022年1月～5月vcm版本月度數(shù)據(jù)，該版本數(shù)據(jù)排除了雜散光的影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。POI數(shù)據(jù)是通過高德地圖API采集到的，數(shù)據(jù)時間為2022年3月，青島市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)下載自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn）。

1.3數(shù)據(jù)預(yù)處理

將2022年1月～5月NPP/VIIRS夜間燈光月度數(shù)據(jù)按青島市行政區(qū)劃范圍進行裁剪，為了能使數(shù)據(jù)更加適合對青島市的研究，將夜間燈光數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換為Lambert等面積投影坐標系，并重采樣至500m×500m大小。為了盡可能減小影像數(shù)據(jù)誤差的影響，對2022年1月～5月夜間燈光數(shù)據(jù)進行疊加求平均值，將過高異常值像元賦值為周圍3×3范圍內(nèi)相鄰像元DN值的平均值；水體也會反射燈光，從而會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，將所有水體對應(yīng)的像元DN值得中位數(shù)作為閾值，DN值低于這個閾值的像元賦值為0，從而去除燈光數(shù)據(jù)中的噪聲，最終得到穩(wěn)定的2022年上半年NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)。

POI數(shù)據(jù)中存在一些與夜間燈光數(shù)據(jù)關(guān)系較小的數(shù)據(jù)，如交通設(shè)施、行政地標和自然地物，將其剔除后利用其余的POI數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)進行空間耦合關(guān)系的研究。

2研究方法

2.1核密度分析

核密度分析可以計算出點、線要素的測量值在一定鄰域范圍內(nèi)的單位密度，從而直觀地表現(xiàn)出地理事件在某一范圍內(nèi)發(fā)生的概率，能夠表現(xiàn)出離散數(shù)據(jù)的聚集特征，是一種重要的地理空間聚類分析方法。核密度計算公式如下：

fS=∑ni=11h2ks-cih（1）

式中：f（S）表示空間中某一位置s處核密度計算函數(shù)，？表示距離閾值（帶寬），k表示空間的權(quán)重函數(shù)，s-ci表示某一位置s到另一位置ci的距離。

2.2變量歸一化處理

歸一化處理可以將范圍不同的數(shù)據(jù)控制到同一范圍內(nèi)，有助于數(shù)據(jù)之間的比較。利用離差標準化法對POI數(shù)據(jù)核密度進行歸一化處理，將核密度范圍映射至夜間燈光值范圍。計算公式如下：

x=XMAXx-xminxmax-xmin（2）

式中：x表示標準化后的核密度值，XMAX表示夜間燈光數(shù)據(jù)最大DN值，x表示核密度值，xmin和xmax分別代表POI核密度最大值和最小值。

2.3數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是將在空間上分布不均勻的數(shù)據(jù)，根據(jù)空間拓撲關(guān)系歸算成規(guī)則網(wǎng)格中代表數(shù)據(jù)的方法，可以把點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維平面數(shù)據(jù)，有助于不同數(shù)據(jù)進行比較分析。本研究根據(jù)研究區(qū)范圍，建立面積為1 km2的正六邊形網(wǎng)格，并將矢量化后的夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)連接至網(wǎng)格。

2.4雙因素組合制圖

雙因素組合制圖是一種通過不同顏色直觀地表示兩個變量之間的耦合關(guān)系的可視化方法，該方法被廣泛應(yīng)用于人口變化等方面的研究。本研究將夜間燈光強度與POI核密度分為高、中、低3個等級，兩兩組合得到9種雙因素組合關(guān)系。

3結(jié)果與分析

3.1總體分析

將夜間燈光強度值、POI核密度值分別與規(guī)則的正六邊形格網(wǎng)進行疊加分析，由于這兩種數(shù)據(jù)的空間分辨率比正六邊形格網(wǎng)的面積小，一個格網(wǎng)會對應(yīng)多個像元，故取多個像元的平均值，作為格網(wǎng)中的夜間燈光強度值和POI核密度值。為了直觀地反映出兩類數(shù)據(jù)的空間耦合關(guān)系，對POI核密度值進行歸一化處理，使POI核密度值范圍與夜間燈光強度值范圍保持一致，再利用1.5倍標準差分級方法，把兩類數(shù)據(jù)劃分為高、中、低3個等級，兩兩組合得到9種耦合關(guān)系，采用雙因素制圖法進行對耦合關(guān)系進行可視化表達，得到青島市夜間燈光數(shù)據(jù)與POI空間耦合關(guān)系圖（圖1）。

由圖1可知，夜間燈光與POI數(shù)據(jù)耦合關(guān)系相同的區(qū)域占比最大，高達92.09%。其中，高—高耦合關(guān)系的區(qū)域主要分布在城市的中心，中—中耦合關(guān)系的區(qū)域呈環(huán)狀分布在高—高耦合關(guān)系的區(qū)域的外圍，再向外的大部分區(qū)域都表現(xiàn)為低—低耦合關(guān)系。說明青島市內(nèi)多數(shù)地區(qū)夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)的耦合性較好，在空間分布上具有較高的一致性。

3.2耦合關(guān)系相異分析

除了耦合關(guān)系一致的區(qū)域，還有一些區(qū)域夜間燈光強度與POI核密度分級結(jié)果存在差異，這部分區(qū)域蘊含著更加豐富的空間信息，對于研究城市空間結(jié)構(gòu)具有重要的意義。本研究將耦合關(guān)系相異的區(qū)域提取出來，夜間燈光強度高于POI核密度的區(qū)域分布如圖2所示，夜間燈光強度低于POI核密度的區(qū)域分布如圖3所示。

3.2.1夜間燈光高于POI核密度

由圖2可知，耦合關(guān)系為高—中、中—低的區(qū)域主要分布在城市中心區(qū)的外圍，呈條狀分布，且中—低區(qū)域在高—中外側(cè)分布，這些區(qū)域體現(xiàn)了夜間燈光數(shù)據(jù)的“溢出效應(yīng)”，這些區(qū)域主要是城市中心區(qū)間的過渡地區(qū)或城市向農(nóng)村過渡的城市邊緣區(qū)。耦合關(guān)系為高—低的區(qū)域呈塊狀分布，有聚集特征，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域?qū)儆跈C場、港口、工業(yè)區(qū)以及新開發(fā)地區(qū)，如黃島區(qū)內(nèi)耦合關(guān)系為高—低的區(qū)域有3處，分別是青島港、董家口港兩大港口所在地以及古鎮(zhèn)口大學(xué)城建設(shè)用地，這些地區(qū)照明設(shè)施建設(shè)好，但POI較少。

夜間燈光數(shù)據(jù)可以表達城市的燈光強度，但是對于具體的城市空間結(jié)構(gòu)特征無法進行精細的描述，如無法區(qū)分經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、機場、港口等地區(qū)；POI數(shù)據(jù)代表的是點狀的地理實體，對于大范圍同質(zhì)性區(qū)域有著少量不合理的表達。但是對夜間燈光數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)進行耦合分析，能夠更加詳細的表達出大范圍同質(zhì)區(qū)的空間特征。

3.2.2夜間燈光低于POI核密度

由圖3可知，占比最大的是耦合關(guān)系為中—高的區(qū)域，在城市中心內(nèi)呈帶狀或塊狀分布，這些區(qū)域?qū)?yīng)的位置為城市商業(yè)次中心或在城市中的山地，城市商業(yè)次中心生活配套齊全，周圍居住的人口密度較大，導(dǎo)致POI較多，在市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、嶗山區(qū)城市化程度高的區(qū)表現(xiàn)為4區(qū)之間的交界地帶，在黃島區(qū)、膠州市、萊西市城市化較低的區(qū)有較大范圍的聚集特征；耦合關(guān)系為低—中、低—高的區(qū)域不多，都呈條狀分布緊挨在中—高區(qū)域的外圍，以城郊結(jié)合帶、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心為主。

夜間燈光相對于POI核密度值較低的結(jié)果表明了對應(yīng)區(qū)域城鎮(zhèn)化相對其他地區(qū)較低，但是工商業(yè)、服務(wù)業(yè)具有聚集的特點。由于城鎮(zhèn)化以及發(fā)展的差異，夜間燈光強度差異偏大，不利于對發(fā)展水平略低地區(qū)的空間特征的表達，但通過POI數(shù)據(jù)對工商業(yè)、服務(wù)業(yè)的記錄，能夠較好的對發(fā)展水平較低的城市區(qū)域進行表達。通過對夜間燈光數(shù)據(jù)和POI數(shù)據(jù)的結(jié)合使用，對郊區(qū)以及城鎮(zhèn)發(fā)展水平較低區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)有了更好的表達。

4結(jié)束語

本研究對2022年青島市夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系進行分析，并對二者耦合差異區(qū)域的城市空間結(jié)構(gòu)進行了分析，主要結(jié)論如下。

（1）夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)的整體空間耦合性較高，耦合關(guān)系一致區(qū)域的比例達到92.09%，能較好地反映青島市空間結(jié)構(gòu)特征，說明在研究城市空間結(jié)構(gòu)時，這兩種數(shù)據(jù)具有較好的適用性。

（2）夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)空間耦合關(guān)系相異的區(qū)域，對城市空間結(jié)構(gòu)的精細表達有更加重要的作用，在城市商業(yè)中心、工業(yè)區(qū)、城市邊緣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心以及大范圍同質(zhì)性區(qū)域具有一定的差異。夜間燈光數(shù)據(jù)在機場、港口、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)等地區(qū)強度較高，具有顯著的“溢出”效應(yīng)，但對鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心等表征效果不好；POI數(shù)據(jù)在商業(yè)中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心、城郊等區(qū)域分布較多，對人類活動表達更加精細。夜間燈光數(shù)據(jù)與POI數(shù)據(jù)有著各自的特點，相互結(jié)合，可以彌補各自的不足，從而對城市空間結(jié)構(gòu)的表征更加具體精細。

（3）青島市城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多中心的特點，作為沿海城市，其城市空間結(jié)構(gòu)與海聯(lián)系密切，大部分中心都位于沿海地區(qū)，城市沿著海岸線發(fā)展，在內(nèi)陸地區(qū)不靠海的地方也有一些中心區(qū)，但相對于沿海地區(qū)，內(nèi)陸地區(qū)城市發(fā)展水平較低。

本研究也存在一些不足，如研究區(qū)下轄的各行政區(qū)發(fā)展差異大的話，會使數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系在發(fā)展較差的地區(qū)產(chǎn)生偏差；僅用分析兩種數(shù)據(jù)的耦合關(guān)系，較為單一，以后可以引入微博簽到、人口等數(shù)據(jù)，對城市空間結(jié)構(gòu)進行進一步探究。

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