基于NPP-VIIRS夜光數據的上海五大新城區(qū)域演化特征的提取和分析

摘要：五大新城是上海未來發(fā)展的關鍵區(qū)域。為了更好地規(guī)劃新城的發(fā)展，需要準確掌握已有建成區(qū)的分布及其動態(tài)變化。傳統(tǒng)方法難以明確地確定某地區(qū)建成區(qū)的分布及其隨時間變化的過程，而夜間燈光數據提供了一種便捷、準確的解決方案。使用NPP-VIIRS衛(wèi)星采集的夜間燈光數據標定各個時期上海五大新城的建成區(qū)分布，并通過不同年份的橫向比較研究其發(fā)展過程。同時，利用夜間燈光數值的高低，比較了五大新城的整體發(fā)展狀況與建成區(qū)核心區(qū)域的分布情況。

關鍵詞：NPP-VIIRS"空間識別"城市發(fā)展"上海五大新城"夜光遙感

中圖分類號：F124"""""""""""""""""""""""""""""""""文獻標識碼：A

Extraction"and"Analysis"of"the"Five"New"Towns"in"Shanghai"Based"on"NPP-VIIRS"Luminous"Data

CHEN"Wansi1""GU"Wenli1""GAN"Shuiling2

1."Eastnbsp;China"University"of"Science"and"Technology，"Shanghai，"200237"China;2."Shanghai"Ramp;D"Public"Service"Platform"Management"Centre，"Shanghai，"200031"China

Abstract："TheFive"New"Towns’"are"key"areas"for"the"future"development"of"Shanghai."In"order"to"better"plan"the"development"of"the"new"towns，"it"is"necessary"to"accurately"understand"the"distribution"of"existing"built-up"areas"and"their"dynamic"changes."While"traditional"methods"make"it"difficult"to"clearly"determine"the"distribution"of"built-up"areas"and"their"changes"over"time，"nighttime"lighting"data"provides"a"convenient"and"accurate"solution."The"nighttime"lighting"data"collected"by"NPP-VIIRS"satellite"is"used"to"calibrate"the"distribution"of"built-up"areas"in"Shanghai's"five"major"new"towns"over"time，"and"to"study"their"development"process"through"horizontal"comparisons"in"different"years."At"the"same"time，"the"overall"development"status"of"the"five"new"towns"and"the"distribution"of"the"core"areas"of"the"built-up"areas"were"compared"by"using"the"high"and"low"nighttime"light"values.

Key"Words："NPP-VIIRS;"Spatial"recognition;"Urban"development;"Shanghai"Five"New"Towns;"Luminous"Remote"Sensing

城市是現(xiàn)代經濟體系的骨架和非農產業(yè)發(fā)展的重要載體，對經濟增長具有至關重要的作用[1]。1981—2022年，中國地級市數量由110個增長至293個，城市建成區(qū)面積由0.74"km2增加至6.37萬km2。城鎮(zhèn)化過程中的空間演變成為城市發(fā)展的重要指標，研究建成區(qū)及其周邊的形態(tài)演變特征，已成為揭示城市發(fā)展趨勢的關鍵視角。上海作為中國經濟的核心城市，面臨著亟須優(yōu)化城市內部空間的挑戰(zhàn)。2017年，上海市政府提出了建設南匯新城、奉賢新城、嘉定新城、松江新城和青浦新城五大新城的構想，旨在通過打造五座獨立的綜合性節(jié)點城市，形成未來上海發(fā)展的重要增長集群和戰(zhàn)略支撐點。

在研究五大新城的過程中，考察建成區(qū)的分布及其動態(tài)變化成為重要任務。傳統(tǒng)的經濟總量、人口等指標往往難以精確描繪城市內部小范圍的空間分布。因此，本文將以夜間燈光數據為基礎，研究五大新城現(xiàn)有建成區(qū)的分布特征及其在過去10年的動態(tài)變化，以期為上海市未來的空間優(yōu)化與發(fā)展提供數據支持和理論參考。

1."研究背景與政策分析

城鎮(zhèn)化作為一個空間過程[2]，帶來了城市物質空間形態(tài)的巨大改變，在城市尺度下建成區(qū)及其周邊范圍內的形態(tài)演變特征成為反映城市發(fā)展最顯著的指標[3]。因此，對建成區(qū)的研究成為了研究城市發(fā)展的一個新視角。隨著上海的不斷發(fā)展，其城市人口不斷增加，城市擁擠程度不斷上升，上海迫切需要優(yōu)化內部空間。同時，國家及長三角地區(qū)對高質量發(fā)展的要求也日益提高，上海需要新的方式促進其整體發(fā)展。為應對這些挑戰(zhàn)，2017年1月，上海市政府發(fā)布《上海市城市總體規(guī)劃（2017—2035年）》[4]，提出了五大新城的概念，即南匯新城、奉賢新城、嘉定新城、松江新城以及青浦新城。這五座新城旨在成為獨立的綜合性節(jié)點城市，打造未來上海發(fā)展的重要增長極和新的戰(zhàn)略支撐點。在“十四五”開局之年，上海的《上海市國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》[5]進一步強調五大新城的重要性。上海市第十二次黨代會提出了建設“產城融合、功能完備、職住平衡、生態(tài)宜居、交通便利、治理高效的五大新城的目標，旨在打造未來發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間。因此，五大新城已成為上海未來發(fā)展的核心區(qū)域之一。

考察五大新城已有建成區(qū)的分布及其動態(tài)變化，首先必須有合適的數據來刻畫建成區(qū)和非建成區(qū)。傳統(tǒng)的經濟總量、人口等指標很難衡量這種城市內部小范圍的空間分布問題，原因在于大多數此類經濟指標都是一個地區(qū)的加總數據，很難將其劃分為建成區(qū)和非建成區(qū)。而夜間衛(wèi)星燈光數據并沒有這方面的困擾，可以進一步得到更精細的數據[6]。實際上，夜間衛(wèi)星燈光數據經常用來刻畫城市內部空間布局[7]、城市群布局[8]，以及城市區(qū)域與農村區(qū)域的精確劃分[9]等。因此，本文主要以夜間燈光數據來刻畫五大新城已有建成區(qū)的分布及其在10年間的動態(tài)變化。

2."研究方法

2.1"數據來源及預處理

本研究使用Suomi國家極軌道伙伴關系衛(wèi)星（National"Polar-orbiting"Partnership，NPP）搭載的可見光紅外成像輻射儀（Visible"infrared"Imaging"Radiometer，VIIRS）收集的夜間燈光數據。NPP/VIIRS數據的優(yōu)勢在于：首先，NPP/VIIRS分辨率更高，能夠探測到更微弱的燈光輻射；其次，NPP/VIIRS數據則是連續(xù)的像素輻射值，準確地記錄了夜光輻射強度，防止數據過曝。最后，NPP/VIIRS衛(wèi)星過境時間為凌晨1：30，可以有效規(guī)避暫時性光源，更好地度量城市建設水平，更適合用來刻畫經濟活動的空間分布。

本文的夜間燈光數據均源于中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境科學與數據中心提供的中國自2012—2021年間的夜間燈光數據；各年上海建成區(qū)的官方面積數據則來源于相應年度的國家統(tǒng)計年鑒數據。由于NPP-VIIRS數據覆蓋范圍廣泛，并且未經過降噪處理，本文首先對原始數據進行了降噪處理，并將其投影至Asia_Lambert_Conformal_Conic坐標系下?？紤]到不同地區(qū)的城市化水平不同，夜間燈光的數值也有所差異，因而對夜間燈光地圖進行篩選后展示上海市建成區(qū)的分布及其占地面積；然后，通過比較同一地區(qū)在不同時期的夜間燈光地圖，可視化當地城市的擴張與發(fā)展。

2.2"五大新城建成區(qū)的劃定

為了標記五大新城建成區(qū)的分布，首要任務是確定各年份建成區(qū)夜間燈光的閾值。當下基于夜間燈光數據獲取最佳閾值的方法主要包括經驗閾值法、突變檢測法、參考比較法和高分辨率影像空間比較法[10]。本文采取統(tǒng)計數據法確定建成區(qū)燈光的閾值，通過比較各年度中國統(tǒng)計年鑒給出的建成區(qū)面積以及不同標準下夜間燈光顯示的面積，從而確定不同年份夜間燈光所取的閾值。

本研究分三步劃定不同年份五大新城建成區(qū)的區(qū)域：首先，通過統(tǒng)計數據法確定不同時期夜間燈光數據的閾值，并篩選出閾值范圍內的區(qū)域。然后，將上海市行政區(qū)劃圖與夜間燈光地圖相匹配，得到上海各新城建成區(qū)的分布。最后，進一步細化燈光圖，去除原有舊城區(qū)的干擾燈光，從而更準確地識別出五大新城的區(qū)域。根據燈光閾值選定的結果，篩選統(tǒng)計了所選區(qū)域的面積，并與統(tǒng)計年鑒提供的面積進行了對比，如表1所示?？梢钥吹?，誤差大致在2%上下波動，符合可接受的誤差范圍。基于上述比較，確定了各年份的閾值，并據此篩選了特定夜間燈光范圍的區(qū)域。

3."結果分析

3.1"五大新城分布與變化特點

本文利用夜間燈光數據對五大新城在2012—2021年間的總體建成區(qū)面積及其變化趨勢進行了分析。同時，還詳細研究了南匯新城、奉賢新城、嘉定新城、松江新城和青浦新城在此期間的建成區(qū)分布變化情況。由圖1可知，在2017年以前五大新城的建成區(qū)面積呈現(xiàn)相對平穩(wěn)、略有起伏的特點。自2017年起，隨著《上海市城市總體規(guī)劃（2017—2035年）》提出了五大新城的發(fā)展概念，對五大新城的投資力度增加，五大新城的發(fā)展速度顯著加快，建成區(qū)面積的上升幅度也變得更加顯著。

結合五大新城的地理位置，生成了不同時期五大新城的空間分布圖像。在區(qū)域發(fā)展的過程中，各新城建成區(qū)根據其需要與條件，也有其各自不同的發(fā)展特點。

奉賢新城位于奉賢區(qū)的西北部。奉賢新城的空間形態(tài)為集中態(tài)，建成區(qū)分布較為緊湊（如圖2所示）。奉賢新城在原有建成區(qū)的基礎上不斷向外擴張。值得注意的是，原有城區(qū)東北方向的地區(qū)也得到了開發(fā)，直至2021年新城東北區(qū)域建成區(qū)已有一定的規(guī)模。

嘉定新城位于嘉定區(qū)中部。嘉定新城的空間形態(tài)呈明顯的帶狀（如圖3所示）。這是由于嘉定新城在建設中提出了“沿江發(fā)展軸”的概念。嘉定新城的發(fā)展以這條“沿江發(fā)展軸”為基礎，向軸的兩側擴張。這種帶狀的分布狀況是該發(fā)展規(guī)劃的體現(xiàn)。

青浦新城位于青浦區(qū)中心區(qū)域，是全區(qū)的交通匯聚點和產業(yè)集中點，其空間形態(tài)為集中態(tài)（如圖4所示）。原有建成區(qū)面積隨著時間變化并沒有明顯的擴張或縮小，而原有建成區(qū)西南方向的建成區(qū)逐漸發(fā)展，面積逐步擴大。

松江新城同樣位于松江區(qū)的中心區(qū)域。，其空間形態(tài)為組團形態(tài)（如圖5所示）。松江新城的發(fā)展，根據圖像可以分為2個階段。2012—2018年，較為分散的建成區(qū)逐漸連接在一起，形成了一個較大的城市群體。2018年之后，建成區(qū)之間并不像2018年時那般緊密，留出了更多非建成區(qū)的空間，降低了建成區(qū)的集聚程度。

南匯新城則位于浦東新區(qū)的南部，毗鄰海港，其空間形態(tài)為帶狀形態(tài)（如圖6所示）。2018年之后，南匯新城開始向西南方向逐漸延伸，同時在西北、東南兩個方向也有擴張。至2021年，南匯新城在西南方向已經與奉賢區(qū)基本連接，加強了兩個區(qū)的聯(lián)系。

3.2"五大新城發(fā)展程度的比較

現(xiàn)有關于夜間燈光數據與社會經濟指數之間關系的研究已取得了一定成果。厲芳婷等人[11]通過使用氣象衛(wèi)星計劃/線性掃描系統(tǒng)夜光遙感數據，表明夜間燈光與國家層面的經濟活動存在顯著相關性，并證明夜間燈光的數值與該地區(qū)一、二、三產業(yè)的發(fā)展程度均呈正相關。因此，通過比較夜間燈光的強度，可以直觀地了解一個地區(qū)的發(fā)展狀況及其核心區(qū)域。

為了研究五大新城的發(fā)展狀況與核心區(qū)的分布情況，本文基于2021年的燈光數據繪制了夜間燈光分布圖。圖7展示了五大新城2021年的夜間燈光分布情況。顏色越深，表示該區(qū)域的夜間燈光值越大；反之，顏色越淺，表示燈光值越小。這可以直觀地觀察到各新城核心區(qū)域的分布情況。就大部分新城而言，城市的核心區(qū)域都處在城市的中心位置。奉賢新城與青浦新城的情況較為類似，其核心區(qū)域占比較大，相較于其他三座新城，聚集程度更高。嘉定新城，松江新城與南匯新城均有多個核心區(qū)域。嘉定新城核心區(qū)域沿軸線分布。松江新城由于其建成區(qū)面積較大，核心區(qū)域分布較為分散。南匯新城特殊的是存在一個核心區(qū)域處于兩省的交界之處，這一核心區(qū)域的存在顯示了南匯新城在兩省之間扮演了橋梁的角色。

4."總結與展望

相較于其他統(tǒng)計方法，利用夜間燈光數據提供了一種更簡潔、準確的城市建成區(qū)研究方式。夜間燈光圖的應用不僅可以可視化建成區(qū)的分布，還能夠通過繪制不同年份的夜間燈光圖動態(tài)展示城市建成區(qū)擴張的過程。

本文首先獲取了2012—2021年上海的夜間燈光數據和中國統(tǒng)計年鑒的數據。通過統(tǒng)計分析，基于中國統(tǒng)計年鑒中的建成區(qū)數據，確定了夜間燈光的閾值，并利用上海市行政區(qū)劃繪制了2012—2021年五大新城的建成區(qū)分布圖及夜間燈光圖。

分析結果顯示，五大新城的快速發(fā)展主要發(fā)生在2017年之后，并且各新城的擴張?zhí)攸c有所不同：奉賢新城和青浦新城在發(fā)展原有建成區(qū)的同時，還對周邊區(qū)域進行了建設；嘉定新城則沿著沿江發(fā)展軸進行擴展；松江新城降低了建成區(qū)的聚集程度；南匯新城則向臨近的奉賢區(qū)發(fā)展。通過夜間燈光圖，可以清晰地展示城市核心區(qū)域的分布，并分析城市發(fā)展的狀況。總體而言，城市核心區(qū)通常位于建成區(qū)的中心位置，其中奉賢新城和青浦新城的核心區(qū)域占比較大，而其他新城則相對較小。

未來的研究可以進一步探索如何將夜間燈光數據與其他城市數據（如土地使用數據、交通流量數據等）結合，以更全面地分析城市建成區(qū)的發(fā)展動態(tài)。此外，可以考慮引入機器學習技術，通過對歷史燈光數據的深入學習和分析，預測未來的城市擴張趨勢和變化。這樣的綜合分析將有助于制定更為精準的城市規(guī)劃策略，優(yōu)化資源配置，提高城市發(fā)展的可持續(xù)性。

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