【规划信息人?大观】
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每当夜幕降临时,一盏盏电灯被陆续点亮,不久城市变得灯火通明,色彩斑斓。相较于白天,璀璨的路灯、川流不息的车灯与五光十色的霓虹灯等,不仅将城市编织得梦幻多姿,也更让人感受到城市的生命和脉搏。
无论是汪峰歌声中的“城市之光啊,你总是如此灿烂,我们却在其间,茫然若失失落成行”,还是李健歌声中的“欢呼中城市之光再闪亮,眼前又灯火辉煌,繁华里人来人往”,均显示出夜色与灯火是市民和城市情感交互的界面,常使人感慨系之。简·雅各布斯在著作《美国大城市的生与死》中认为“城市火光不能达及的地方也就是城市中缺乏活力的地方,也就是缺少一个基本的城市形式和结构的地方。火光不足,黑夜里空间就不能成形,同样,缺乏足够的活力,任何所谓的“骨架”、“架构”或“构架”等都不会给城市带来一个真正的形式。这些用来在黑夜中映出空间的火光,只会在拥有多样化的城市用途,且城市使用者互相间有着不可或缺的联系和支持的地方才能形成。”由此可见,通过夜间灯光来观察城市生活和研究城市亦是一个非常重要的视角和途径。
提到灯光遥感,都会想到类似图1的画面。它利用卫星上搭载的专业传感器对地表夜间光源的强度进行遥远探测,为感知夜间城市灯火,进而观察城市骨架和活力提供了一条便利途径。本文对灯光遥感发展过程进行概述,并通过几个针对北京的实验对其在城市规划和城市研究中的应用能力进行重点分析。
图1. (图片来源:Earth Observation Group, NOAA National Centers for Environmental Information, NTL 2015)
灯光遥感发展历史
使用遥感技术获得从太空探测夜间灯光的能力可以追溯到20世纪70年代[1]。20世纪六十年代,美国空军发起了国防气象卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP), 并于1965年1月发射了第一颗DMSP样星。DMSP卫星上搭载的操作型线性扫描系统(Operational Linescan System,OLS)能够在可见光和红外波段监测全球的云层分布和云层顶部温度。自DMSP计划实施伊始,专家们就注意到其不仅可以用来研究云层、风力、天气等为空军服务的气象问题,也具备应用于海洋学、地球物理、地球资源、人类学、城市规划等领域的潜力[2]。由于早期的数据保存在胶片上,灯光遥感影像的处理和在非军事气象领域中的应用能力均受到了限制。1992年,美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的国家地球物理数据中心(National Geophysical Data Center,NGDC)为美国空军建立了DMSP数据的数字化归档,1994年开始研发算法以利用DMSP数据进行夜间灯光的制图,1995年通过改进算法,可过滤掉数据中的噪音以及由于短暂事件(如火灾、闪电)产生的光强,最终产生了一个“稳定的光”数据集成果。至此,关于灯光遥感数据的研究和应用才真正得以广泛开展,逐步成为遥感领域十分活跃的研究分支。
直至2018年上半年,世界上还只有两个传感器收集全球夜间灯光数据。一个是上文提到的DMSP-OLS,另一个是美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)于2011年发射的国家极地轨道伙伴号(Suomi National Polar-Orbiting Partnership,SNPP)航天器所搭载的可见光红外成像辐射计套件(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite ,VIIRS)。SNPP-VIIRS主要用于探测地球环境和大气,在灯光遥感方面与DMSP低光成像相比,在空间分辨率、辐射校准和可用动态范围方面有了实质性的改进。令人振奋的是,2018年6月我国也成功发射了由武汉大学与相关机构共同研发制作的全球首颗专业夜光遥感卫星——“珞珈一号”(LuoJia-1)。做为专门用于灯光遥感的科学实验卫星,较美国DMSP和SNPP相比,“珞珈一号”夜光成像技术在空间分辨率、对弱光感知的动态范围和灵敏性等方面均有了大幅提高,给灯光遥感带来了更大的应用潜力[3]。这三个卫星传感器的主要数据特点对比见表1。
表 1. 主要灯光遥感传感器及其共享数据特点对比
目前DMSP-OLS和SNPP- VIIRS分别提供了1992至2013年(Version4)和2012年至今(Version 1)的共享灯光遥感影像产品,时间跨度长,产品序列完整,成为灯光遥感应用研究的主要数据源。
灯光遥感城市应用研究
灯光遥感成像数据之所以在城市研究相关领域具有应用潜力,是因为高辨率可见光传感器具有对弱光的探测能力,能够反映出夜间地表的灯光。由于夜间地表灯光大都集中在城市地区,而城市灯光是一种人工照明,因此灯光遥感可以视为主要是对集聚在城市中人类活动的探测感知。同时,城市中各种活动过程彼此高度相关,如果一个过程或活动可以被很好地观测和计算,它就可以用来对其他过程或活动进行合理的估计或推算。基于这种逻辑,目前夜间灯光影像数据已被用于研究城市空间扩展、人口分布、经济活动、能源消费、空气污染等问题,反映城市中的设施、人口、商业和资源消费是如何分布的[4]。
城镇化扩张监测
城镇化是农村人口和生产要素逐步向城镇聚集的过程,也是一个国家迈向现代化的重要标志。我国自改革开放以来,城镇化的进程明显加快,一方面促进了国民经济的持续发展,另一方面,也使得城市建设空间范围不断扩展。城市建设空间的不断扩大,又会对社会经济和生态环境产生重要影响,因而城镇化扩张进行监测一直是城市规划管理和城市研究的重要内容。夜间灯火反映了一个城市的轮廓,城镇化扩张监测是长序列灯光遥感影像数据在城市应用中较为广泛和深入研究的领域。在这些研究中,DMSP-OLS共享灯光影像产品使用最为广泛,这与其可以追溯至1992年密切相关。图2是利用1992年至2012年的DMSP-OLS共享影像产品对北京二十年城市建设空间扩张进行分析的示例(每5年为一时间段),反映出其在研究城市建设空间总体情况、变化速率、变化方向等方面的应用能力。
图 2. 北京城市建设空间扩展动态分析(1992年至2012年)
(作者自绘。原始数据:DMSP-OLS, Verison 4 平均稳定影像)
社会经济参量估算
灯光遥感通过对弱光的探测感知,客观反映了人类活动的规模与空间分布。因此,通过对长时序灯光遥感影像进行分析,也可对城市社会经济活动在规模和分布上的变化进行观察和测算。在这方面,城市电力消费、信息与技术发展指数、非正式经济、GDP空间化、国民人均收入、人口分布与流动等内容的研究实践一直是研精覃思。长期以来,在城市规划和城市研究领域,人口规模和分布的精细化一直都是令人困扰的问题。以十年一次国家层面人口普查作为获取人口数据的主要手段,无论在空间分辨率或时间分辨率上,都无法满足对城市人口规模和密度分布的精细化分析需求,进而也影响着城市各类公共服务资源需求的精准分析和配置的科学决策。考虑到人口密度与灯光强度的强相关性,可以基于灯光遥感影像数据对不同时间点人口密度空间分布状态以及历史上不同时间段的发展变化进行分析。图3是使用DMSP-OLS影像,结合北京市土地使用功能现状图,以500米格网分别对2000年和2010年北京市常住人口密度进行分析和空间化的结果,反映出这十年间北京市人口密度空间分布的变化情况。
图 3. 基于灯光遥感影像的北京常住人口密度空间分布(上图:2000年;下图2010年)
(作者自绘。原始数据:DMSP-OLS Version4,平均稳定影像。格网:500米)
城市中心识别
根据《中国大百科全书》,城市中心是城市中供市民集中进行公共活动的地方,可以是一个广场、一条街道或一片地区,又称为城市公共中心,城市中心往往集中体现城市的特性和风格面貌。在夜晚,城市中心作为市民活动集中的地点,往往是商业中心、活动广场、交通枢纽等,其照明灯光强度往往较其他城市地区更为突出,彰显出城市的繁华、活力和品质。图4中,上图是“珞珈一号”2018年7月31日对北京的灯光成像数据,不仅能够看出北京的城市骨架,而且中心城区和各个新城的中心地区也清晰可辨。下图是五环以内范围的放大观察,可以看出王府井-建国门、西单、奥体中心与奥体公园、东三环亮马桥-农展馆-国贸-CBD、望京东北部、五棵松华熙LIVE、丰台总部基地和丽泽商务区等地点成为夜间灯光影像中可观测到的北京城市中心。这里面既有传统商业核心地段,更有近年来不断刷新城市天际线、代表了城市创新与未来的新区域,反映出北京城市的空间新格局和时代气息。
图 4. 基于灯管遥感影像的北京城市骨架与城市中心识别
(作者自绘。原始数据:LuoJia-1,成像时间:2018年7月31日)
城市规划实施空间动态监测
当前,以数据为驱动实现城市科学规划和精细化管理,以技术方法创新带动规划编制与实施管理的创新,是规划行业的共识。利用多元数据对城市空间内的人口、用地和建筑变化情况进行动态监测,成为及时发现规划实施对城市的影响,进而评估规划实施成效、优化调整规划内容和实施策略的保障。遥感技术从空中或太空观测地表,拥有得天独厚的城市观察视角。近年来遥感传感器在时间、空间和光谱分辨率上不断地提升,更是具备了对地表变化动态监测能力,为城市规划实施管理和城市研究提供助力,灯光遥感在这方面的能力也有待发掘。
图5是利用2018年4月和2015年4月两个时间节点的SNPP-VIIRS灯光遥感影像,根据灯光强度值相对大小关系做变化检测,得到北京六环以内发生变化的区域,红色表示灯光强度相对增加,蓝色表示灯光强度相对减弱。通过结合其它类型传感器遥感影像的解译以及规划实施管理业务数据,可进一步地对变化区域进行删选和甄别,判定变化原因。图6和图7示例了利用2015年和2018年Pleiades卫星影像对图5做进一步分析,辨识出那些由于城市具体建设活动而导致的灯光强度变化。可以看出,使用灯光遥感影像数据可以从灯光照明的视角给快速发现由于规划实施带来的城市空间变化提供线索。
图 5. 不同时间点灯光强度变化分析
(作者自绘。原始数据:SNPP-VIIRS 2018年4月和2015年4月,Version 1)
图 6. 由于城市建设导致的灯光强度增强
(作者自绘。原始数据:Pleiades 2015年和2018年影像)
图 7. 由于建筑拆除导致的灯光强度减弱
结 语
自1970年代美国陆地卫星发射升空以来的遥感技术发展历史表明,作为对地观测的一种手段,其在城市问题研究和城市规划建设管理中具有广阔应用前景。灯光遥感对由于人类活动而产生的亮度空间进行探测,给城市观测带来了新的视角和数据来源,提高了感知城市灵动活力和万变气息的能力。展望未来,随着专用灯光遥感卫星的研发和使用,城市灯火细节将得到更为精确的测量,城市脉动将会更及时、更准确地被感知。因此,灯光遥感影像数据的应用能力可望得到进一步地拓展,在城市空间监测、社会经济发展、能源消耗、环境监测等领域的应用场景也会更加丰富,从而更好地支持城市科学管理与决策。希望夜幕下耀眼灿烂的城市之光不仅给城市带来光明,更能点亮城市的美好生活。
参考文献:
Thomas A. Croft. The Brightness of Lights On Earth At night, Digitally Recorded By DMSP Satellite (Croft - 1979), U.S. Geological Survey.
Defense Meteorological Satellite Program(DMSP)User’s Guide. Air Weather Service (AWS). United States Air Force.
http://www.hbeos.org.cn/xwzx/4/2018-07-11/369.html
Elvidge, C., Hsu, F.C., Baugh, K.E., Ghosh, T., 2013, "National Trends in Satellite Observed Lighting: 1992-2012", Global Urban Monitoring and Assessment Through Earth Observation (In Press), CRC Press, Supporting information 1, Supporting information 2.
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