城市照明光污染演變特征探討
——以VIIRS影像為分析對(duì)象

馮 凱，郝洛西，曾 堃

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海市城市更新及其空間優(yōu)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

引言

借助衛(wèi)星圖像進(jìn)行城市問(wèn)題的研究得到了廣泛關(guān)注，也是發(fā)現(xiàn)和解決城市問(wèn)題的有效手段[1-4]。通過(guò)城市夜空衛(wèi)星圖像進(jìn)行等級(jí)劃分和灰度計(jì)算，可用于考查夜空亮度水平與影響范圍并建立光環(huán)境檢測(cè)模型[5]。通過(guò)遙感數(shù)據(jù)繪制大面積人造夜間天空亮度和全天空亮度的地圖可用于判斷不同區(qū)域中的光污染情況[6]。而結(jié)合夜間燈光影像(OLS)與地理信息系統(tǒng)(GIS)可對(duì)光污染進(jìn)行建模并分析不同區(qū)域中的直接、間接光污染[7]。還有學(xué)者探討衛(wèi)星影像與不同城市發(fā)展水平之間的關(guān)系[8-10]。但現(xiàn)有方法均涉及較為深入的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，在城市尺度的光污染演變分析工作中，此類研究涉及的方法及難度無(wú)法供從業(yè)設(shè)計(jì)師或城市管理者方便使用，如何通過(guò)相對(duì)便捷的方法進(jìn)行城市層面光污染演變特征初判的訴求長(zhǎng)期存在。NASA等機(jī)構(gòu)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示我國(guó)城市照明光輻射呈現(xiàn)不斷上升特征(表1)[11]，團(tuán)隊(duì)已通過(guò)上海、北京、深圳、廣州4座城市的衛(wèi)星數(shù)據(jù)探討了城市照明光污染(以下簡(jiǎn)稱為“光污染”)的演變特征，并提出對(duì)應(yīng)的管控建議[12]，而更廣泛的城市類型中，光污染的演變特征仍需作進(jìn)一步討論，以對(duì)未來(lái)我國(guó)城市照明的管控提供科學(xué)參考。

表1 近10年我國(guó)城市照明光輻射量變化情況

1 R語(yǔ)言方法下的影像量化分析

本次研究選擇成都、青島、桂林、三亞4座城市為研究對(duì)象，目的在于探討近年發(fā)展速度較快的城市類型中光污染變化特征。由于光污染演變特征在不同城市間存在一定差異性，研究通過(guò)逐年影像觀察比對(duì)方式進(jìn)行各城市的演變特征初判：a.分析各城市的典型特征，并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題(或特征)進(jìn)行量化驗(yàn)證；b.分析不同城市間的共性特征并進(jìn)行量化分析與總結(jié)。在初判基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成量化分析，具體指包括以VIIRS衛(wèi)星的Day-Night Band(DNB)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)4座城市的人工照明光污染地圖(Light Pollution Map，以下簡(jiǎn)稱為“LPM”)進(jìn)行分析對(duì)比[11]，探討各城市(2012—2019)的演變特性。操作流程包括：通過(guò)Photoshop軟件獲得LPM中典型色彩的RGB值；歸納定義Low/Medium/Higher/Highest共4個(gè)光污染強(qiáng)度級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)0.00～0.50，0.50～10.00，10.00～50.00和50以上(單位為10-9W·cm-2·sr-1)共4個(gè)光污染輻射量區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)級(jí)、M級(jí)、H-er級(jí)、H-st級(jí))；通過(guò)R語(yǔ)言分析各年份衛(wèi)星影像中4個(gè)級(jí)別的圖面像素占比(簡(jiǎn)稱為“R方法”)；討論各光污染級(jí)別的逐年變化規(guī)律及各城市中存在的共性特征。

同時(shí)考慮到LPM為人工光輻射的年度影像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)會(huì)受到眾多(噪音)干擾，研究在使用R方法進(jìn)行討論同時(shí)采用Light Trend Analysis(以下簡(jiǎn)稱“LTA”)對(duì)結(jié)論進(jìn)行校核[13]，具體指以VIIRS衛(wèi)星DNB總輻射量影像為基礎(chǔ)，賦予2016 vcm-orm-ntl圖層進(jìn)行校正[14]。具體細(xì)節(jié)可參見(jiàn)團(tuán)隊(duì)已有研究[12]。

2 面向4座城市的光污染演變特征分析

2.1 成都城市照明光污染變化分析

成都主城區(qū)呈現(xiàn)M級(jí)上升(13.9%上升至22.9%)、L級(jí)下降的特征(80%下降至67.9%)，H-er級(jí)(上升1.8%)與H-st級(jí)(上升0.5%)均有小比例上升但不明顯(圖1左)。相較之下更為突出的特征體現(xiàn)在(光輻射范圍)與周邊城市的聯(lián)系強(qiáng)化，包括南部的眉山、西北部的都江堰以及東南方向的樂(lè)至縣，光污染一體化趨勢(shì)非常明顯(圖1右)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)三座城市與成都的公路連接線光污染不斷增強(qiáng)，特別是與眉山、樂(lè)至縣之間出現(xiàn)了明顯的連續(xù)光污染軌跡，初判此區(qū)域的城市建設(shè)不斷加強(qiáng)。分析以上過(guò)渡區(qū)域LTA，結(jié)論與光污染地圖評(píng)估結(jié)論一致(圖2)。

圖1 成都R方法分析(左)及其與周邊城市的光污染關(guān)系變化(右)Fig.1 R method analysis and changes of light pollution relationship between Chengdu and surrounding cities

(圖中“◆”代表月度光輻射總量，單位為nW/(cm2 sr)；“--”代表研究年份內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)線。以下LTA分析同此)圖2 成都與樂(lè)至縣(左)、都江堰(中)、眉山(右)過(guò)渡區(qū)域LTA變化Fig.2 Changes between Chengdu and Lezhi county (left), Dujiangyan (middle) and Meishan (right)

城區(qū)范圍內(nèi)光污染變化以正南方向的線性光污染帶最為典型(圖3圈出范圍)，查詢發(fā)現(xiàn)此線路與地鐵1號(hào)線的建設(shè)軌跡、運(yùn)營(yíng)時(shí)間高度吻合，隨著地鐵線向南擴(kuò)展，光污染地圖發(fā)生同步變化，LTA呈現(xiàn)相同結(jié)論(圖4)，此結(jié)論與深圳案例中關(guān)于地鐵沿線的結(jié)論具有相似性[12]。

成都雙流機(jī)場(chǎng)一直處于高污染狀態(tài)(圖5圈出范圍)，而位于市區(qū)東南方向的天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)，作為成都第二個(gè)機(jī)場(chǎng)所在區(qū)域自2017年起出現(xiàn)M級(jí)光污染且演變迅速，截至2019年已形成局部H-st級(jí)污染，且時(shí)間進(jìn)度與機(jī)場(chǎng)開(kāi)工建設(shè)具有一致性，同時(shí)通過(guò)LTA分析結(jié)論與觀察結(jié)論一致(圖6)。此特征與北京西澤商務(wù)區(qū)、上海迪士尼、廣州白云機(jī)場(chǎng)均具有相似性[12]。

圖5 雙流機(jī)場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)年處于H-er/H-st級(jí)污染狀態(tài)Fig.5 Shuangliu airport area has been in H-er/H-st level pollution for a long time

圖6 天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)光污染變化與LTA分析Fig.6 Variation of light pollution and LTA analysis of Tianfu international airport

綜上可知，成都市光污染呈現(xiàn)如下特征：城市外圍與周邊城市聯(lián)系的加強(qiáng)會(huì)直接引起光污染增強(qiáng)；光污染與地鐵線建設(shè)運(yùn)營(yíng)具有直接響應(yīng)關(guān)系；機(jī)場(chǎng)一直是高污染片區(qū)；新建區(qū)域(如機(jī)場(chǎng))會(huì)在光污染地圖中有直接體現(xiàn)。

2.2 青島城市照明光污染變化分析

青島主城區(qū)與周邊區(qū)域關(guān)系不斷加強(qiáng)，如西北方向的膠州市、西南的西海岸新區(qū)，目前已經(jīng)形成較強(qiáng)圍合感的環(huán)膠州灣小型城市圈(圖7)，LTA分析呈現(xiàn)類似結(jié)論(圖8)。

圖7 環(huán)膠州灣各城市片區(qū)間的光污染發(fā)展變化Fig.7 Development of light pollution among urban areas around Jiaozhou Bay

圖8 青島主城區(qū)與膠州(左)、西海岸新區(qū)(中)，西海岸與膠州市(右)過(guò)渡區(qū)域LTA變化Fig.8 LTA analysisof the transition areas between Qingdao-Jiaozhou (left), Qingdao-the west coast new area (middle), and Jiaozhou-the west coast new area (right)

圖9 西海岸新區(qū)光污染范圍變化(左)與LTA分析(右)Fig.9 Variation of light pollution range (left) and the LTA analysis of the west coast new area (right)

圖10 前灣港區(qū)域長(zhǎng)年處于H-st級(jí)污染狀態(tài)Fig.10 Qianwan harbor area has been in H-st pollution state for years

圖11 即墨區(qū)與鰲山衛(wèi)兩個(gè)區(qū)域的光污染范圍變化圖Fig.11 Variation of light pollution range in Jimo district and Aoshanwei area

圖12 即墨區(qū)(左)及與主城區(qū)過(guò)渡區(qū)域(中)、鰲山衛(wèi)地區(qū)(右)的LTA分析Fig.12 LTA analysis of Jimo District (left), Jimo district-Qingdao main urban area (middle), Aoshanwei Area (right)

圖13 光污染范圍不斷向海域漫延Fig.13 The light pollution is spreading to the sea

近年西海岸新區(qū)光污染范圍與強(qiáng)度變化明顯，與LTA分析結(jié)論一致(圖9)。位于西海岸新區(qū)東北部的前灣港(圖10中圈出位置)一直處于H-st狀態(tài)，是青島市區(qū)內(nèi)光污染最嚴(yán)重區(qū)域，此特征與深圳、上海等城市的港口區(qū)域具有相同特征[12]。

另外，即墨區(qū)范圍內(nèi)H-er級(jí)范圍不斷擴(kuò)大，且與主城區(qū)聯(lián)系持續(xù)加強(qiáng)，與之類似的鰲山衛(wèi)從無(wú)到有形成了新的H-er光污染團(tuán)(圖11)，LTA分析呈現(xiàn)相同結(jié)論(圖12)。查閱相關(guān)新聞，此兩處區(qū)域均是近年青島市城市建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)一步驗(yàn)證城市中快速發(fā)展、建設(shè)區(qū)域會(huì)引發(fā)明顯的光污染這一結(jié)論。

而在東部海域范圍內(nèi)，光污染不斷向海域延伸且強(qiáng)度不斷增強(qiáng)(圖13中虛線位置)，此結(jié)論與R方法分析結(jié)論一致，其中L級(jí)由55.9%快速下降至29.6%，M級(jí)由29.7%上升至50.8%，針對(duì)海域范圍內(nèi)的LTA分析呈現(xiàn)同樣結(jié)論(圖14)。

青島市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)與周邊城市(或地區(qū))聯(lián)系不斷加強(qiáng)；城市整體光污染水平不斷升高；貨運(yùn)港口是城市內(nèi)部光污染最嚴(yán)重的區(qū)域；光污染不斷向海域拓展，與深圳、上海具有相似性。

2.3 桂林城市照明光污染變化分析

桂林市光污染范圍不斷擴(kuò)大(圖15)，其中M級(jí)變化最為明顯，由6.1%上升至9.3%(圖16左)，與LTA分析結(jié)論一致(圖16右)。

機(jī)場(chǎng)區(qū)域在M級(jí)基礎(chǔ)上出現(xiàn)更多的H-er和H-st級(jí)(圖17左)，且輻射范圍不斷擴(kuò)大(圖17右)。同時(shí)，桂林機(jī)場(chǎng)與城區(qū)的連接線(機(jī)場(chǎng)高速—機(jī)場(chǎng)路，圖17箭頭指向位置)則長(zhǎng)期處于H-er級(jí)污染狀態(tài)。

在城市外圍，從西北至東南方向的鐵路線(從江—三江—桂林市—陽(yáng)朔—賀州)光污染快速減弱(圖18箭頭指向位置)，2014年后完全消失。與之呈現(xiàn)相反特征的是沿高速路系統(tǒng)的光污染團(tuán)快速增大，包括北部的桂林—龍勝—三江，西南方向的永福，東南方向的陽(yáng)朔、恭城，東北方向的興安、全州等(圖19中圓圈位置)。初步判定是由于近年廣西旅游業(yè)發(fā)展帶動(dòng)自駕游成為重要的出行方式，形成了以桂林為中心的多條散射狀城市聯(lián)系帶，而沿線配套設(shè)施的完善可能是引起夜晚光污染出現(xiàn)并快速擴(kuò)散的重要原因。

桂林市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)光污染增強(qiáng)明顯且不斷向外圍擴(kuò)散；機(jī)場(chǎng)及其與城市的連接線是城市內(nèi)部光污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一，且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；城市產(chǎn)業(yè)(旅游業(yè))帶動(dòng)自駕游引發(fā)沿線配套設(shè)施建設(shè)，可能是引起城市連接線光污染增強(qiáng)的重要原因。

圖14 青島市區(qū)R方法分析(左)與海域范圍LTA分析(右)Fig.14 R method analysis of Qingdao (left) and LTA analysis of sea area (right)

圖15 桂林市光污染變化Fig.15 Variation of light pollution in Guilin

圖16 桂林市R方法分析與LTA分析(2012—2019)Fig.16 R method analysis of Guilin and LTA analysis (2012—2019)

圖17 機(jī)場(chǎng)及與市區(qū)連接區(qū)域示意(左)及LTA(右)分析Fig.17 Schematic diagram of airport and urban area (left), LTA (right) analysis

圖18 西北—東南方向鐵路線光污染逐年遞減Fig.18 Light pollution along the railway from northwest to southeast decreases year by year

圖19 桂林周邊城市光污染變化沿高速路系統(tǒng)展開(kāi)Fig.19 Light pollution changes in cities around Guilin spread along highway system

2.4 三亞城市照明光污染變化分析

三亞市光污染演變整體呈現(xiàn)由城區(qū)向西南方向海域、北向山林區(qū)域擴(kuò)散趨勢(shì)(圖20中虛線位置變化)，R方法分析結(jié)論呈現(xiàn)出M級(jí)擴(kuò)大(13.7%上升至29.3%)、L級(jí)下降(81.7%下降至62.3%)(圖21左)， LTA分析結(jié)論類似(圖21右)。

城市關(guān)系層面，三亞主城區(qū)與西部崖州區(qū)聯(lián)系不斷增強(qiáng)(圖22左圖中圈出范圍)，光污染不斷融合并向外圍區(qū)域擴(kuò)散，LTA分析體現(xiàn)出同樣結(jié)論(圖22右)。而東部沿海的陵水灣、海棠灣、亞龍灣以及東北區(qū)的陵水縣，與三亞主城區(qū)聯(lián)系不斷增強(qiáng)，光污染團(tuán)融合趨勢(shì)明顯(圖23)。

與其他城市類似，機(jī)場(chǎng)區(qū)域同樣是三亞城區(qū)范圍內(nèi)光污染最嚴(yán)重的區(qū)域(H-st級(jí))，且逐年增強(qiáng)特征明顯(圖24)。

圖20 城市外圍光污染范圍變化Fig.20 Variation of light pollution range in urban periphery

圖21 三亞市R方法分析與LTA分析(2012-2019)Fig.21 R method analysis of Sanya and LTA analysis (2012-2019)

圖22 三亞主城區(qū)與崖州區(qū)光污染演變及LTA分析Fig.22 Light pollution evolution and LTA analysis between Sanya main urban area and Yazhou District

圖23 三亞主城區(qū)與東部區(qū)縣的光污染關(guān)系演變Fig.23 Evolution of light pollution relationship between main urban area and Eastern District of Sanya

圖24 機(jī)場(chǎng)區(qū)域光污染示意(左)與LTA分析(右)Fig.24 Schematic diagram of light pollution in airport area (left) and LTA analysis (right)

三亞市光污染呈現(xiàn)如下特征：主城區(qū)與周邊縣區(qū)之間聯(lián)系不斷加強(qiáng)，城市(區(qū))間光污染增強(qiáng)明顯，且形成明顯以公路為軌跡的線性光污染；機(jī)場(chǎng)是城市內(nèi)部光污染最嚴(yán)重的區(qū)域；光污染不斷向海域、山林地區(qū)拓展。

2.5 城市照明光污染演變特征總結(jié)

針對(duì)研究涉及的4座城市，發(fā)現(xiàn)了多項(xiàng)具有相似性的光污染演變特征，具體包括：1)城市范圍不斷向外擴(kuò)展的城市(如桂林、三亞等)，光污染范圍會(huì)顯著增大，同時(shí)內(nèi)部污染強(qiáng)度增強(qiáng)；2)城市與周邊區(qū)縣聯(lián)系的加強(qiáng)，會(huì)直接反映在LPM中，其中沿公路線的變化更為顯著(如桂林)；3)機(jī)場(chǎng)體現(xiàn)出長(zhǎng)期高污染強(qiáng)度特征，初步判定是由于夜晚時(shí)段長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)、高亮度要求引起；4)較大規(guī)模的城市建設(shè)會(huì)引發(fā)明顯的光污染，如成都地鐵1號(hào)線二、三期建設(shè)、青島即墨區(qū)，此過(guò)程中光污染變化與項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)時(shí)間具有高度一致性；5)光污染向海域、山體等周邊區(qū)域擴(kuò)散現(xiàn)象依然明顯，但此特征可能是由于城市內(nèi)部光污染增強(qiáng)引起大氣環(huán)境中的光溢散，也可能是對(duì)應(yīng)位置存在大規(guī)模的建設(shè)活動(dòng)，需作深入評(píng)估才能確定。

與團(tuán)隊(duì)已有研究[12]結(jié)論進(jìn)行比對(duì)可知：1)光污染強(qiáng)度在各城市內(nèi)部均體現(xiàn)出加劇特征；2)對(duì)象城市與周邊城市(或地區(qū))的聯(lián)系加強(qiáng)均會(huì)反映在LPM中；3)特定區(qū)域(如機(jī)場(chǎng))的高污染特征在各類城市中均表征明顯；4)城市建設(shè)(包含大規(guī)模城市建設(shè)邊界的外擴(kuò)和特定區(qū)域的建設(shè)發(fā)展兩種情況)與光污染加劇的一致性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 總結(jié)與展望

結(jié)合過(guò)往研究可知，通過(guò)LPM進(jìn)行城市宏觀尺度的光污染分析具有可行性，與傳統(tǒng)的研究方法相比具有更好的便利性和信息可讀性，能夠在大幅降低工作量的同時(shí)，獲得具有針對(duì)性的分析結(jié)論，未來(lái)可探討在更廣泛城市類型中的應(yīng)用，同時(shí)應(yīng)對(duì)研究方法不斷進(jìn)行優(yōu)化，以形成更具科學(xué)性與實(shí)踐性的城市光污染研究手段。

城市夜晚環(huán)境建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期且應(yīng)動(dòng)態(tài)更新的工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建設(shè)過(guò)程中的典型問(wèn)題并提出相應(yīng)對(duì)策包含管理、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等多方人員都應(yīng)該關(guān)注并落實(shí)的工作。這一過(guò)程中各城市的發(fā)展模式、建設(shè)重點(diǎn)等均存有差異，不宜照搬套用其他城市經(jīng)驗(yàn)，而應(yīng)以自身現(xiàn)實(shí)情況為前提進(jìn)行從宏觀至微觀的分析解讀，并提出差異化、精細(xì)化的建設(shè)管理政策，才能更為有效地促進(jìn)發(fā)展。

本文在過(guò)往研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了具有差異性的4座城市，以期在更廣泛的城市類型中得出具有參考性的光污染研究結(jié)論，并在更大范圍內(nèi)服務(wù)更多城市光污染評(píng)估。但受研究條件限制僅討論了LPM為基礎(chǔ)的量化分析，此過(guò)程中數(shù)據(jù)的精確度仍有待提高，且關(guān)于數(shù)據(jù)噪音的控制也應(yīng)做更好地討論，特別是針對(duì)更為精細(xì)的中小尺度對(duì)象(如街道、建筑)時(shí)，本文方法的適用性仍需作進(jìn)一步驗(yàn)證。