[最新发表] 一种新的CBD提取方法:基于夜间灯光亮度与角度效应

发布日期:2023-01-14 12:08
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【研究背景】
     CBD(Central Business District)是是城市中心商业的聚集地,外观上以高楼大厦集中为主,是城市经济活动的重要组成部分与城市经济空间中重要的枢纽控制点。因此,CBD的空间位置与空间范围是区位选择、住宅价格的时空分析、城市增长的驱动因素等研究中的重要材料。当前的研究主要使用 POI数据与DSM(Digital Surface Map)来提取CBD,其中POI数据对应的提取方法是核密度估计类的算法。然而,这些研究存在着数据覆盖率不全、方法参数易于敏感、区域缺乏功能属性信息等主要问题,这些导致了CBD之间不可比较。为此,本文基于夜间灯光的亮度与角度效应来提出一个新的方法,从而克服以上的困难。


【方法介绍】
       VIIRS-NPP中的角度效应与建筑高度存在一定的相关关系,即角度效应:在CBD区域,夜间灯光强度与天顶角呈现负向的线性关系;在低矮的住宅区域,夜间灯光强度与天顶角呈现正向的线性关系;在混和功能区域,夜间灯光强度与天顶角的XY散点图呈现U型的关系。而CBD最主要的特征是经济活动强度高与高楼建筑等,基于此,本文将通过等高线树方法提取潜在城市活动区(Potential active area, PAA),然后根据夜间灯光强度与负向角度效应,从众多PAA中识别中美两国的CBD。其中,从中美各国中选择了7个城市作为两个国家的研究区域。图1为本文的技术路线图,表1为9个指标的说明。
  

图1 技术路线图 (a)角度效应的提取(b)PAA的提取(c)CBD提取的规则制定与评估

表1 九个指标的定义与说明

【实验结果】
      等高线树法提取的城市潜在活动区(PAA),都是夜间灯光的高亮集中区域,并且每一个城市中都提取到多个PAA。这些城市潜在活动区域包含了CBD、商圈、机场、高亮工厂等城市区域。而中美两个城市的CBD边界的内部,均有  负向的角度效应(图2)
图2 (a) 中国城市的Radiance分布以及PAA结果; (b) 中国城市CBD附近的角度效应分布图; (c)美国城市的Radiance分布以及PAA结果;(d) 美国城市CBD附近的角度效应分布图

       图3是中美两国9个指标的箱型分布图,中美两国在各个指标上都呈现了CBD均值与非CBD均值的不同,并且CBD均值高于非CBD均值。根据箱型图的对比可知,可以从这9个指标当中挑选合适的指标,制定区分CBD与非CBD的规则。中国规则的PA达到了100%,UA达到70%,7个城市PAA区域都被正确识别为CBD,但有3个非CBD的PAA区域也被识别为CBD;美国规则的PA与UA均达到了100%,即完全将195个PAA正确识别为CBD和Non-CBD。特别是从图4上可知,我们的方法很好捕捉了每个城市的CBD位置。 

图3 中美城市的9个指标的箱型图

图4 中美城市CBD边界的提取结果
【结论】
    本文借助夜间灯光的角度效应,即由高楼建筑遮挡灯光而造成不同观测角度下的夜间灯光变化,并结合夜间灯光强度制定城市CBD识别的规则,成功在中美两国14个城市中识别出城市CBD的位置。该方法不仅可以在全球上应用,并且提取出的CBD之间可以进行比较,使其具有统一标准的CBD。且我们的方法与其他方法相比,在空间的边界上更加符合规划文件中的CBD。本工作为提取城市CBD提供一种新的方法,为缺乏区域数据的城市提取一种提取CBD的新途径,并挖掘了夜间灯光遥感的应用潜力。

该研究已经发表在Remote Sensing上。
Jie N, Cao X, Chen J, Chen X. A New Method for Identifying the Central Business Districts with Nighttime Light Radiance and Angular Effects. Remote Sensing. 2023; 15(1):239. https://doi.org/10.3390/rs15010239
https://www.mdpi.com/2072-4292/15/1/239


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