古 杰，傅辰昊，曾志偉

（1.湖南城市學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.數(shù)字化城鄉(xiāng)空間規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 益陽 413000；3.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，合肥 230601）

城市空間結(jié)構(gòu)是城市各要素的空間分布形式，地理學(xué)對城市空間結(jié)構(gòu)的研究依據(jù)，研究尺度的差異分為外部城市空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部城市空間結(jié)構(gòu)。[1]外部城市空間結(jié)構(gòu)研究的是宏觀空間尺度中的點狀城市，內(nèi)部城市空間結(jié)構(gòu)研究的是中觀或微觀尺度中的面狀城市。[2]從點狀城市的研究來看，城市空間結(jié)構(gòu)主要關(guān)注土地、經(jīng)濟和人口的空間分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)，由于數(shù)據(jù)容易獲得和方便描述，相關(guān)研究一直是學(xué)界研究的熱點。[3-5]城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的研究由于數(shù)據(jù)獲取的難度較大，一直是城市空間結(jié)構(gòu)研究的薄弱環(huán)節(jié)。[6-8]總體來看，學(xué)界關(guān)于城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)在定量研究方面有待加強。由于數(shù)據(jù)獲取的局限性，城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的研究主要集中在大城市和沿海發(fā)達地區(qū)，中小城市尤其是中西部地區(qū)的中小城市受到關(guān)注的程度相對較弱。

從研究視角和數(shù)據(jù)來源來看，國內(nèi)外學(xué)者對城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的研究可以分為土地利用結(jié)構(gòu)、人口空間結(jié)構(gòu)、社會文化空間結(jié)構(gòu)和行為空間結(jié)構(gòu)等四種類型。[9-11]第一種類型以土地利用數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，定量分析城市空間結(jié)構(gòu)的變化過程，其數(shù)據(jù)來源主要是國土部門的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)或者通過遙感解譯的土地利用數(shù)據(jù)。由于國土部門的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)具有保密性，該類型研究的數(shù)據(jù)源主要是遙感數(shù)據(jù)，對建設(shè)用地內(nèi)部的利用強度和細分類型關(guān)注較少。第二種類型的相關(guān)研究主要依據(jù)我國人口普查數(shù)據(jù)分析城市空間結(jié)構(gòu)，由于我國人口普查的時間間隔相對較長，因此連續(xù)年份的演變過程分析也較為困難。社會文化空間結(jié)構(gòu)和行為空間結(jié)構(gòu)相關(guān)研究的數(shù)據(jù)源主要是不同類型的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，其主要弊端表現(xiàn)在不同時間和不同部門的問卷由于研究視角的差異難以進行縱向?qū)Ρ龋ㄟ^相同的問卷進行長時間尺度的動態(tài)跟蹤研究難度也較大。在我國快速城鎮(zhèn)化的時代背景下，對城市空間格局動態(tài)變化過程和規(guī)律的研究十分必要，但是由于受到數(shù)據(jù)獲取等方面的限制，城市內(nèi)部空間格局的動態(tài)研究相對薄弱。

夜間燈光數(shù)據(jù)可以有效地表示城市社會經(jīng)濟活動強度，是當(dāng)前城市空間結(jié)構(gòu)研究的重要數(shù)據(jù)源。[12-13]相對于以土地利用為基礎(chǔ)的遙感影像數(shù)據(jù)，夜間燈光數(shù)據(jù)對建設(shè)用地內(nèi)部的空間利用強度也能夠進行區(qū)分。[14-15]而相對于其它社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，夜間燈光數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)口徑和標準前后統(tǒng)一，在不同的時代背景下能夠進行縱向?qū)Ρ?。[16]雖然夜間燈光數(shù)據(jù)也會受到建筑形態(tài)、植被和氣候等一系列因素的影響，但是由于標準和口徑統(tǒng)一等方面的優(yōu)勢，依然是研究城市空間結(jié)構(gòu)較為理想的數(shù)據(jù)源。

一、研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法

（一）研究區(qū)域

益陽市位于湖南省中部偏北，西北側(cè)為洞庭湖，東南側(cè)為省會長沙，轄3縣、1市和3區(qū)，2013年全市（含下轄縣市）總?cè)丝?84.20萬。本文研究市政府駐地所在的中心城區(qū)及其周邊的鄉(xiāng)村區(qū)域，為了方便數(shù)據(jù)分析和對比，選取赫山區(qū)和資陽區(qū)的行政范圍作為研究的空間范圍，共計面積1 975平方公里，其中資陽區(qū)696平方公里，赫山區(qū)1 279平方公里。2013年，資陽區(qū)總?cè)丝?1.87萬，城鎮(zhèn)化水平49.56%，赫山區(qū)總?cè)丝?3.92萬，城鎮(zhèn)化水平64.44%，研究區(qū)域總?cè)丝?25.79萬，城鎮(zhèn)人口74.83萬，城鎮(zhèn)化水平59.49%。

（二）數(shù)據(jù)來源

研究的數(shù)據(jù)源為美國國家海洋和大氣管理局發(fā)布的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，是由多個DMSP衛(wèi)星傳感器獲取的1992年到2013年期間的22個年份的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取地址為地理國情監(jiān)測云平臺（http://www.dsac.cn/）。該數(shù)據(jù)去除了極光和野火等不穩(wěn)定光源以及月光和云層的干擾，數(shù)據(jù)校正到無云層覆蓋的年均灰度值，范圍在0～63之間。數(shù)據(jù)的空間分辨率約為500米。本研究所采用的數(shù)據(jù)目前只更新到了2013年，所以研究的時段沒有更新到最新年份。與本研究相關(guān)的益陽市經(jīng)濟社會發(fā)展相關(guān)的數(shù)據(jù)來源于益陽市統(tǒng)計信息網(wǎng)，其中城鎮(zhèn)化數(shù)據(jù)采用的是全市口徑，其它相關(guān)數(shù)據(jù)為資陽區(qū)與赫山區(qū)之和。

（三）研究方法

為分析夜間燈光指數(shù)的提升與益陽市城鎮(zhèn)化之間的關(guān)系，采用一次線性方程對其進行回歸分析。具體公式為y=ax+b，其中y為夜間燈光指數(shù)，分別用平均值和極大值進行分析；x為對應(yīng)年份益陽市城鎮(zhèn)化率；a為一次線性系數(shù)；b為常數(shù)項。

采用柯納爾密度分析的方法對數(shù)據(jù)的空間分辨率進行優(yōu)化和調(diào)整。夜間燈光的原始數(shù)據(jù)的柵格尺度為500米×500米，對于益陽這樣的中小城市而言，柵格尺度過大，不利于城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的研究。為解決這一問題，采用柯納爾密度分析的方法對夜間燈光數(shù)據(jù)進行處理。首先將益陽市不同年份夜間燈光的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為點，其次以點數(shù)據(jù)中的夜間燈光指數(shù)字段為基礎(chǔ)進行核納爾密度分析。分析的過程中，柵格尺度選擇為50米×50米，搜索半徑為1 000米，相當(dāng)于15分鐘生活圈的空間尺度。具體公式為

其中，i=1,…,n，是夜間燈光的數(shù)據(jù)點；R是搜索半徑，本研究為1 000米；r為夜間燈光的數(shù)據(jù)點i到點(x,y)的距離，其中r≤R；Li為數(shù)據(jù)點的夜間燈光指數(shù)。

采用城鄉(xiāng)地域結(jié)構(gòu)分析的方法對夜間燈光數(shù)據(jù)柯納爾密度分析的結(jié)果進行重分類和結(jié)構(gòu)性分析。由于在核密度分析的過程中采用了1 000米作為搜索半徑，所以核密度分析的結(jié)果相對于原始數(shù)據(jù)的閾值范圍發(fā)生了變化，本文將核密度分析的結(jié)果進行重分類分析。具體劃分為四級空間亮度值，一級亮度的閾值范圍是[0,10]，其夜間燈光亮度為黑暗，對應(yīng)空間形態(tài)為鄉(xiāng)村區(qū)域；二級亮度的閾值范圍是（10,50]，其夜間燈光亮度為昏暗，對應(yīng)形態(tài)表現(xiàn)為城市遠郊區(qū)；三級亮度的閾值范圍是（50,100]，其夜間燈光亮度為相對明亮，對應(yīng)空間形態(tài)為城市近郊區(qū)；四級亮度的閾值范圍是（100,252]，夜間燈光亮度為明亮，對應(yīng)空間形態(tài)為城市中心區(qū)。

為分析城市中心區(qū)的空間范圍及中心的變化，將四級亮度值范圍內(nèi)的區(qū)域轉(zhuǎn)換為面圖層。圖層邊界即為城鎮(zhèn)邊界線，其地理意義是益陽市中心城區(qū)和郊區(qū)的分界線。城鎮(zhèn)邊界線的幾何中心即為益陽市城市中心點。

二、數(shù)據(jù)分析結(jié)果

（一）夜間燈光指數(shù)的平均值和極大值

在快速城鎮(zhèn)化的過程中，益陽市夜間燈光指數(shù)的總體變化特征可以概況為平均亮度水平不斷提高、波動特征明顯和極大值的波動性不斷變大等三個方面。從平均亮度水平來看，1992年益陽市夜間燈光指數(shù)的平均水平為1.04，到2013年提高到6.08，夜間燈光指數(shù)年均提升8.77%。益陽市夜間燈光指數(shù)的變化過程可以劃分為三個階段：第一個階段是1992年到1997年，夜間燈光指數(shù)總體水平在1.00到2.00之間，呈現(xiàn)出緩慢穩(wěn)定提高的特征；第二個階段是1998年到2005年，夜間燈光指數(shù)平均水平在2.00到4.00之間，呈現(xiàn)出快速提升的特征；第三個階段是2006年到2013年，夜間燈光指數(shù)平均水平在在4.00到6.00之間，呈現(xiàn)出劇烈變化的特征。益陽市夜間燈光指數(shù)的變化過程呈現(xiàn)出較為明顯的波動性，在所研究的22個年份中，1993年、2002年、2007年、2009年和2012年5個年份顯著偏離前后兩個年份的平均水平。

夜間燈光指數(shù)的極大值變化過程與平均水平的變化過程相似，但是整體波動性水平小于平均值。極大值的變化過程也可以劃分為三個階段：第一個階段是1992年到1997年，極大值在25和40之間，其中，1997年的極大值僅為25，為22個年份的最低點；第二個階段是1998年到2005年，極大值整體上處在35到50之間，顯著高于第一個階段；第三個階段是2006年到2013年，除2009年之外，極大值整體保持在46及以上。

表1 益陽市1992—2002年城鎮(zhèn)化水與平夜間燈光指數(shù)

益陽市夜間燈光指數(shù)整體水平的提升與益陽市城鎮(zhèn)化水平的提高呈現(xiàn)出較大的相關(guān)性。通過一次線性方程對夜間燈光指數(shù)平均值與城鎮(zhèn)化水平進行一次線性回歸分析，結(jié)果為y=0.1904x-2.282 8，其中，R=0.857 5，其數(shù)理意義為益陽市城鎮(zhèn)化水平每提升1個百分點，夜間燈光指數(shù)平均值就會提升約0.19。測定系數(shù)R2大于0.85，表示線性回歸模型的數(shù)據(jù)擬合程度較高。對夜間燈光指數(shù)的極大值和城鎮(zhèn)化水平也進行一次線性回歸分析，回歸方程為y=0.771 7x+19.056，其中R2=0.540 5，其數(shù)理意義是益陽市城鎮(zhèn)化水平每提升一個百分點，夜間燈光指數(shù)的極大值會提高約0.77個百分點。測定系數(shù)R2僅僅略高于0.50，表明數(shù)據(jù)的擬合程度較低。

（二）城市空間結(jié)構(gòu)特征

不同亮度級別的區(qū)域所對應(yīng)的城市空間范圍不同，其面積的變化過程也呈現(xiàn)出不同的規(guī)律性（圖1）。一級亮度區(qū)域為鄉(xiāng)村區(qū)域，益陽市從1992年到2013年的變化過程可以分為穩(wěn)定下降和波動變化兩個階段，其中1992年到2001年空間范圍的面積不斷縮小，2002年之后呈現(xiàn)出明顯的波動性。二級亮度區(qū)域是城市遠郊區(qū)，變化過程可以分為穩(wěn)定提升和波動變化兩個階段，1992年到2001年空間范圍的面積不斷擴大，2002年后與一級亮度區(qū)域的面積呈現(xiàn)此消彼長的波動關(guān)系。三級亮度對應(yīng)的區(qū)域是城市近郊區(qū)，1992年到2001年空間范圍的面積一直在50平方公里及以下，并且呈現(xiàn)出穩(wěn)定擴大的趨勢，除特殊年份外，2002年到2009年空間范圍的面積整體上處在50到100平方公里之間，2010年之后整體上處在100平方公里左右。四級亮度對應(yīng)的區(qū)域是城市中心區(qū)，其面積的變化與三級亮度區(qū)域的面積呈現(xiàn)出大致相似的變化規(guī)律性，不同的是，在2002年之前，四級亮度區(qū)域的面積一般小于三級亮度區(qū)域的面積，而在2002年之后，四級亮度區(qū)域與三級亮度區(qū)域的面積基本持平。

本文分別選取1992年、2000年、2010年和2013年四個年份的夜間燈光數(shù)據(jù)分析益陽市城市空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，結(jié)果顯示益陽市城市空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以西北—東南方向為長軸的橢圓形圈層結(jié)構(gòu)形態(tài)（圖1）。1992年，益陽市鄉(xiāng)村區(qū)域、城市遠郊區(qū)、城市近郊區(qū)和城市中心區(qū)面積的空間比例關(guān)系為88.00:9.59:1.52:0.89，城市中心區(qū)和近郊區(qū)占區(qū)域總面積的比例都比較低。2000年四個區(qū)域面積的空間比例關(guān)系演變?yōu)?1.63:33.48:2.65:2.24，鄉(xiāng)村區(qū)域的面積占比急劇下降，其它區(qū)域的面積占比不斷提升。2010年四個區(qū)域的面積比例關(guān)系進一步演變?yōu)?8.17:49.85:5.78:6.19，鄉(xiāng)村區(qū)域的面積占比進一步下降，城市中心區(qū)和城市近郊區(qū)的面積占比合計為11.98%，城鄉(xiāng)關(guān)系由大鄉(xiāng)村小城區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪菂^(qū)小鄉(xiāng)村。2013年，四個區(qū)域的面積比例關(guān)系為60.26:25.01:7.58:7.15，城市中心區(qū)和城市近郊區(qū)的面積占比合計為14.74%。

通過不同亮度級別區(qū)域的面積變化過程，可以將益陽市城市空間結(jié)構(gòu)的演變過程劃分為三個階段（見圖1）。第一個階段是1992年到2001年，城市空間結(jié)構(gòu)的典型特征是大鄉(xiāng)村小城區(qū)。該階段城市中心區(qū)的面積較小并且呈現(xiàn)出巨大的波動性，鄉(xiāng)村區(qū)域的面積迅速收縮，不斷演變?yōu)槌鞘羞h郊區(qū)和近郊區(qū)。第二個階段是2002年到2009年，呈現(xiàn)較為明顯的過渡性特征，具體表現(xiàn)為由大鄉(xiāng)村小城區(qū)到小鄉(xiāng)村大城區(qū)方向演變，鄉(xiāng)村區(qū)域面積的收縮和城市遠郊區(qū)面積的擴大都進入到波動變化的階段，城市中心區(qū)和城市近郊區(qū)的面積處在50～100平方公里的空間尺度。第三個階段是2010—2013年，主要特征是城市遠郊區(qū)和鄉(xiāng)村區(qū)域的面積進一步縮小，中心城區(qū)和城市近郊區(qū)的面積進一步擴大，合計面積超過200平方公里。

（三）城市中心區(qū)的空間特征

本文選取1992年、2000年、2010年和2013年四個年份的數(shù)據(jù)分析中心城區(qū)的變化過程。從面積變化過程來看，益陽市中心城區(qū)面積的擴大主要在資江南岸的赫山區(qū)，北岸的資陽區(qū)中心城區(qū)空間擴張的速度較為緩慢（見圖2）。1992年，益陽市中心城區(qū)的幾何中心總體上呈現(xiàn)出由西北向東南方向延伸的趨勢（圖3）。1992年，益陽市中心城區(qū)的幾何中心位于西流灣大橋北側(cè)，1993年和1994年，幾何中心南移至資江江心。1995年，幾何中心跨過資江南移至赫山區(qū)。此后近20年時間內(nèi)，除個別年份外，幾何中心總體上呈現(xiàn)出向東南方向移動的趨勢。1996年到2013年幾何中心總體在康富北路以東，龍洲北路附近及其以西，資江以南和秀峰路以北的區(qū)域。

圖2 基于夜間燈光數(shù)據(jù)的益陽市城鄉(xiāng)地域結(jié)構(gòu)

圖3 益陽市近20年中心城區(qū)幾何中心點

三、結(jié)論與討論

本文以夜間燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對益陽市城市空間結(jié)構(gòu)及其演變過程進行分析，主要結(jié)論包括四個方面：其一，在益陽市快速城鎮(zhèn)化的過程中，益陽市夜間燈光指數(shù)提升較為明顯，并且該過程與全市城鎮(zhèn)化水平的提高呈現(xiàn)出較為明顯的線性回歸關(guān)系；其二，益陽市城市空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)較為典型的橢圓形結(jié)構(gòu)形態(tài)，演變過程呈現(xiàn)出較為明顯的階段性特征，總體表現(xiàn)為中心城區(qū)和城市近郊區(qū)不斷擴大，城市遠郊區(qū)和鄉(xiāng)村區(qū)域不斷縮??；其三，益陽市中心城區(qū)向外圍地區(qū)的空間擴張過程也呈現(xiàn)出較為明顯的橢圓形結(jié)構(gòu)形態(tài)，中心城區(qū)在東南方向上的空間擴張速度較快，在東北方向和西側(cè)方向的空間擴張速度較慢；其四，益陽市中心城區(qū)的幾何中心總體上由西北向東南方向移動，幾何中心在1995年從資江北岸移動到南岸以后仍然不斷向東南方向移動。

城市空間結(jié)構(gòu)研究的三大經(jīng)典理論包括伯吉斯的同心圓理論、霍伊特的扇形結(jié)構(gòu)理論、哈里斯和厄爾曼的多核心理論。[17]益陽市城市空間結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明，城市空間結(jié)構(gòu)不符合三大經(jīng)典理論中的任何一種，但是又與三大經(jīng)典理論呈現(xiàn)出某種程度上的相似性。同心圓理論是在地租理論基礎(chǔ)上演繹出來的城市空間結(jié)構(gòu)模型，該理論的前提假設(shè)是外圍區(qū)域是均質(zhì)的。由于益陽市城市發(fā)展受到長沙市的巨大影響，城市空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出向長沙方向偏移的橢圓形結(jié)構(gòu)形態(tài)。這種橢圓形的結(jié)構(gòu)形態(tài)與扇形結(jié)構(gòu)理論也具有一定的相似性，都是向特定的方向上延伸。但是由于扇形結(jié)構(gòu)的理論前提是具象化的城市交通，所以城市空間結(jié)構(gòu)的骨架系統(tǒng)較為明顯。長沙對益陽市城市空間結(jié)構(gòu)的影響并不是通過某個具象化的交通組織來實現(xiàn)的，益陽市城市空間結(jié)構(gòu)向長沙方向不斷延伸的過程中依然保留同心環(huán)的部分特征。相對于單中心的同心環(huán)和扇形模式，多中心模式更為精細和復(fù)雜。雖然益陽市滄水鋪和衡龍橋這兩個郊區(qū)鎮(zhèn)夜間燈光達到了城市近郊區(qū)的亮度級別，但是亮度尚未達到中心城區(qū)的亮度級別，加之中間有大片的遠郊區(qū)和鄉(xiāng)村區(qū)域的隔離，所以不屬于多核心城市結(jié)構(gòu)模式。