許剛，王傳立，孟慶祥，修田雨，李熙

1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢430079;

2.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院,武漢430079;

3.武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430079

1 引言

自2019年底，新冠肺炎（COVID-19）疫情席卷全球并仍在繼續(xù)蔓延。疫情暴發(fā)初期，在沒(méi)有藥物和疫苗情況下，各國(guó)政府不得不采取限制出行、減少接觸等非藥物干預(yù)措施以控制COVID-19疫情（裴韜等，2021；周成虎等，2020）。一系列非藥物干預(yù)措施有效抑制了疫情傳播（Jia等，2020；Tian等，2020；Xu等，2022），也顯著改變了城市居民日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)均產(chǎn)生了較大的影響（Bustamante-Calabria等，2021；Diffenbaugh等，2020；Jechow和H?lker，2020；Straka等，2020；Zheng等，2021）。遙感以其覆蓋范圍廣、重訪(fǎng)周期短、經(jīng)濟(jì)成本低的突出優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)并評(píng)估COVID-19疫情對(duì)自然和社會(huì)的影響（陶金花等，2020）。

夜光遙感（Night-Time Light remote sensing）通過(guò)獲取地表夜間燈光亮度輻射值，可以反映夜間人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度（Elvidge等，1997；Li等，2013，2022；李德仁和李熙，2015；江威 等，2017；Zhao等，2020）。夜光遙感已被廣泛用于城市建成區(qū)提取、城市擴(kuò)張分析、城市發(fā)展水平評(píng)估、人口和GDP估算、災(zāi)害和武裝沖突應(yīng)急監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域（Levin等，2020；陳佐旗，2017；劉冰潔等，2021；Bennett和Smith，2017；舒松等，2011；余柏蒗等，2021）。COVID-19疫情發(fā)生后，眾多學(xué)者探索使用夜光遙感評(píng)估疫情對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，并為疫情防控和復(fù)工復(fù)產(chǎn)提出指導(dǎo)性意見(jiàn)（Shao等，2021）；大量的研究采用夜間燈光數(shù)據(jù)分析了COVID-19疫情的廣泛影響（Lan等，2021；Small和Sousa，2021；Meng等，2021）。總體來(lái)說(shuō)，全球范圍都觀(guān)察到了封城后城市夜間燈光不同程度的減弱（Rowe等，2021；Xu等，2021）。中國(guó)2020年初在全國(guó)范圍采取出行管控措施，導(dǎo)致82%人口居住區(qū)的燈光變暗；而印度封城導(dǎo)致87%人口居住區(qū)燈光變暗（Elvidge等，2020；Ghosh等，2020）。COVID-19疫情流行期間，非洲75%的自然保護(hù)區(qū)（旅游經(jīng)濟(jì)區(qū)）夜間燈光強(qiáng)度下降（Anand和Kim，2021）。夜間燈光數(shù)據(jù)還用于評(píng)估受疫情影響后的城市恢復(fù)情況（Beyer等，2021；Yin等，2021）。武漢解封之后，盡管夜間燈光強(qiáng)度有所恢復(fù)，但仍低于疫情前正常水平（Shao等，2021）。

受封城等措施影響，COVID-19疫情期間城市夜間燈光亮度減弱已成共識(shí)，但城市內(nèi)部夜間燈光變化的時(shí)空特征仍不清楚；特別是，不同類(lèi)型城市用地夜間燈光亮度變化是否存在差異還不明確。本研究以美國(guó)20個(gè)主要城市為研究對(duì)象，使用預(yù)處理后的NPP-VIIRS月度合成夜光影像分析COVID-19疫情期間夜間燈光時(shí)空變化。本研究采用圈層分析法揭示了夜間燈光變化的“中心—邊緣”空間結(jié)構(gòu)特征，并且分析了不同類(lèi)型城市用地的夜間燈光變化差異。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)概況

本文研究對(duì)象為美國(guó)20個(gè)主要城市（圖1）。美國(guó)于2020年3月中旬暴發(fā)第一輪COVID-19疫情。各州從2020年3月中下旬開(kāi)始相繼頒布居家令，限制城市居民出行，取消聚集性公共活動(dòng)；但政策執(zhí)行時(shí)間和嚴(yán)格程度存在較大差異。本研究選擇美國(guó)大城市為研究對(duì)象主要是考慮到大城市人口密度更高，社會(huì)交互更頻繁，因此更容易受傳染病影響（Rocha等，2015）。樣本城市居家令執(zhí)行時(shí)間和嚴(yán)格程度不同，有利于研究夜光亮度變化差異。樣本城市空間分布廣泛，城市規(guī)模具有差異，樣本具有典型性、代表性。

圖1 美國(guó)20個(gè)樣本城市及2019年夜間燈光輻射值年均值空間分布Fig.1 Spatial distributions of 20 sample cities and annual averaged radiance of night-time lights in 2019 in the United States

2.2 研究時(shí)間段選擇

美 國(guó)20個(gè) 城 市2020年3月1日—4月30日COVID-19累計(jì)確診病例時(shí)間變化如圖2所示（數(shù)據(jù)來(lái)源：https：//usafacts.org/［2021-10-22］）。從2020年3月中旬開(kāi)始，20個(gè)樣本城市COVID-19確診病例迅速增加。特別地，紐約在3月底已有超過(guò)7萬(wàn)確診病例，遠(yuǎn)超其他城市（圖2（a））；芝加哥、費(fèi)城、洛杉磯、底特律、華盛頓特區(qū)和邁阿密6個(gè)城市的確診病例增長(zhǎng)迅速，在4月底已達(dá)到2—5萬(wàn)（圖2（b））；亞特蘭大、丹佛、西雅圖、休斯頓、舊金山和達(dá)拉斯6個(gè)城市確診病例在4月底達(dá)到1萬(wàn)左右（圖2（c））；其余7個(gè)城市的確診病例增長(zhǎng)速度相對(duì)平緩，4月底確診病例僅有3000左右（圖2（d））。

圖2 美國(guó)20個(gè)城市2020年3月1日—4月30日COVID-19累計(jì)確診病例時(shí)間變化Fig.2 Temporal variations of accumulated COVID-19 cases from March 1 to April 30，2020 in 20 cities in the United States

隨著各城市COVID-19確診病例從3月中旬開(kāi)始迅速增加，各城市在3月中下旬陸續(xù)頒布居家令。根據(jù)當(dāng)?shù)卣?guī)定和新聞報(bào)道匯總整理各城市居家令執(zhí)行日期（表1）。多個(gè)城市集中在2020年3月23日、24日?qǐng)?zhí)行居家令，各城市相繼執(zhí)行第一輪居家令的周期為兩周。部分城市強(qiáng)制民眾待在家中，也有城市僅僅鼓勵(lì)民眾保持社交距離。

表1 各城市居家令執(zhí)行日期Table 1 Implementation date of stay at home order in each city in the United States

本研究還獲取了20個(gè)樣本城市2020年2月15日—4月30日谷歌人口移動(dòng)指數(shù)（https：//www.google.com/covid19/mobility/［2021-10-22］），共有6個(gè)類(lèi)型（圖3），人口移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了7日平滑處理。2020年3月中下旬陸續(xù)執(zhí)行居家令以后，美國(guó)各城市人口移動(dòng)指數(shù)快速明顯下降，說(shuō)明居家令等公共防疫政策顯著影響了城市居民社會(huì)活動(dòng)（圖3）。2020年4月及以后，各城市谷歌人口移動(dòng)指數(shù)沒(méi)有再明顯下降，說(shuō)明居家令等政策影響城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)主要發(fā)生在3月下旬和4月初。綜合樣本城市COVID-19疫情時(shí)間變化（圖2）和谷歌人口移動(dòng)指數(shù)時(shí)間變化（圖3），本研究重點(diǎn)分析樣本城市2020年3月和4月夜間燈光相對(duì)于2020年2月發(fā)生的時(shí)空變化，兼顧與2019年3月和4月的同期對(duì)比分析。

圖3 美國(guó)20個(gè)城市2020年2月15日—4月30日谷歌人口移動(dòng)指數(shù)時(shí)間變化圖Fig.3 Temporal variations of Google mobility index of 20 cities from February 15 to April 30，2020 in the United States

2.3 夜間燈光數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究獲取了20個(gè)樣本城市2020年2月、3月和4月，2019年3月、4月夜間燈光月度合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)https：//eogdata.mines.edu/nighttime-light/monthly/V10［2021-10-22］。該月度產(chǎn)品是根據(jù)Suomi NPP衛(wèi)星VIIRS DNB日值影像合成而來(lái)，輻射強(qiáng)度單位為nW/cm2/sr。盡管NPP-VIIRS月度合成數(shù)據(jù)已經(jīng)對(duì)云覆蓋像元等做了輻射校正，但仍存在不穩(wěn)定光源和雜散光等背景噪聲的干擾（Chen等，2021）。本研究首先移除大面積水體覆蓋區(qū)域的燈光數(shù)值（Xie等，2019）。參考已有研究并結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究確定夜間燈光輻射值10為閾值以區(qū)分城市和鄉(xiāng)村（Shi等，2014；汪韜陽(yáng) 等，2018）；同時(shí)將大于500的輻射值設(shè)置為500，以剔除輻射值過(guò)高的異常值。最終保留樣本城市一定范圍內(nèi)輻射值處于10—500的柵格單元，空間統(tǒng)計(jì)得到夜光輻射值均值并計(jì)算變化幅度。本研究還針對(duì)輻射值最低閾值取5，最高閾值取1000，進(jìn)行了閾值敏感性測(cè)試，結(jié)果顯示不同閾值沒(méi)有影響主要結(jié)論和發(fā)現(xiàn)。

20個(gè)樣本城市2020年3月夜間燈光亮度空間分布如圖4所示。本研究從OpenStreetMap（https：//www.openstreetmap.org/［2021-10-22］）獲取城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合夜光亮度值和路網(wǎng)形態(tài)，確定夜光輻射值高值區(qū)域和城市路網(wǎng)放射性中心為城市中心。美國(guó)各城市核心區(qū)域輪廓清晰，內(nèi)陸城市燈光高值區(qū)域沿主要路網(wǎng)呈現(xiàn)放射狀；沿海、沿湖城市由于受自然條件限制，呈條帶狀和半放射狀。樣本城市夜光亮度差異較為明顯，紐約、芝加哥夜光強(qiáng)度顯著高于其他城市。

圖4 美國(guó)20個(gè)城市2020年3月夜間燈光輻射值空間分布Fig.4 Spatial distributions of radiance of night-time lights of March，2020 in 20 cities in the United States

2.4 城市用地類(lèi)型

城市用地按照承載功能可以細(xì)分為不同用地類(lèi)型，包括居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地等。不同類(lèi)型城市用地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不同，受疫情影響也存在差異（Jiang等，2021）。本研究以紐約和芝加哥為例，從OpenStreetMap網(wǎng)站（https：//www.openstreetmap.org/［2021-10-22］）獲取兩個(gè)城市的“興趣區(qū)域”AOI（Area of Interest）。根據(jù)AOI數(shù)據(jù)的屬性標(biāo)簽劃分城市用地類(lèi)型（表2）。合并后的土地利用類(lèi)型包括居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、體育設(shè)施用地、航空設(shè)施用地、公共設(shè)施用地共6種類(lèi)型。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選、清洗、合并等處理后，居住用地等類(lèi)型仍存在大量的小面積圖斑，需對(duì)其進(jìn)行多邊形的聚合操作。NPPVIIRS影像空間分辨率為15″，在赤道處約為500 m。本研究將多邊形聚合的閾值設(shè)置為200 m，使相距200 m內(nèi)的多邊形區(qū)域生長(zhǎng)、合并。航空設(shè)施用地占地范圍較大，本研究?jī)H對(duì)其余5種用地類(lèi)型做聚合處理。聚合操作可以有效減少圖斑個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化多邊形，有利于柵格統(tǒng)計(jì)分析，提高數(shù)據(jù)處理效率。

表2 城市用地類(lèi)型及其屬性說(shuō)明Table 2 Descriptions of urban land use types and their attributes

3 結(jié)果與分析

3.1 夜光亮度時(shí)空分布特征

以紐約為例，夜光亮度變化空間統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程如圖5所示。紐約2019年3月、2020年2月和2020年3月夜光亮度空間分布分別如圖5（a）—5（c）所示，城市中心一定范圍內(nèi)地區(qū)的夜光亮度明顯高于郊區(qū)，紐約中央公園由于植被較多，夜光亮度明顯低于周邊其他地區(qū)；對(duì)月度合成數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格相減運(yùn)算得到月度合成數(shù)據(jù)的差值影像（圖5（d）—5（f））；圖5（d）的差值影像反映出紐約城區(qū)夜光亮度明顯下降，尤其是曼哈頓區(qū)北部的布朗克斯區(qū)和西部的哈德遜縣，下降最為明顯。相對(duì)于2020年2月，2020年3月紐約東北部的布朗克斯區(qū)夜光亮度降低；2020年4月紐約東部大面積區(qū)域夜光亮度下降明顯。

按照?qǐng)D5所示方法，生成每個(gè)城市夜光亮度變化差值影像。本研究通過(guò)疫情前后對(duì)比和往年同期對(duì)比綜合分析20個(gè)城市夜光亮度受到疫情的影響（圖6和表3）。圖6顯示“居家令”政策執(zhí)行后以及和往年同期相比，各城市夜光亮度普遍變暗，說(shuō)明應(yīng)對(duì)COVID-19疫情的公共防疫措施顯著減少了城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。20個(gè)城市2020年3月、4月夜光亮度比2月平均分別下降8%和5%（表3）。4月夜光亮度下降幅度偏小，說(shuō)明4月夜光亮度有一定程度恢復(fù)，但仍沒(méi)有恢復(fù)到正常水平。

圖5 紐約地區(qū)夜間燈光輻射值及其變化的空間差異（單位：nW/cm2/sr）Fig.5 Spatial distributions of radiance of night-time lights（NTL）and their changes over time in New York（unit：nW/cm2/sr）

圖6 美國(guó)20個(gè)城市2020年3月分別與2020年2月和2019年3月相比夜間燈光輻射值變化量的空間分布Fig.6 Spatial changes of radiance of Night-Time Lights（NTL）in March，2020 compared with February，2020 and March，2019 in 20 cities in the United States

根據(jù)2020年3月、4月與2月相比的夜光亮度均值變化幅度（表3），將20個(gè)樣本城市分為4類(lèi)：（1）夜光亮度下降超過(guò)10%的城市：芝加哥、達(dá)拉斯、丹佛、底特律、明尼阿波利斯、圣路易斯，共計(jì)6個(gè)城市。底特律、明尼阿波利斯3月和4月夜光亮度均大幅下降。其中，明尼阿波利斯2020年3月夜光亮度相對(duì)于2月下降超過(guò)40%。（2）夜光亮度下降5%—10%的城市：休斯頓、堪薩斯城、洛杉磯、奧蘭多、費(fèi)城、鹽湖城、舊金山，共計(jì)7個(gè)城市。夜光亮度降低的區(qū)域集中在距離城市中心一定范圍內(nèi)，或是放射狀路網(wǎng)周邊區(qū)域。（3）夜光亮度下降0—5%的城市：亞特蘭大、匹茲堡、鳳凰城、華盛頓特區(qū)，共計(jì)4個(gè)城市。亞特蘭大和匹茲堡2020年3月的夜光亮度相比2020年2月略微降低，但是相比2019年3月卻明顯大幅下降。（4）夜光亮度變化不明或略微增加的城市：邁阿密、紐約、西雅圖，共計(jì)3個(gè)城市。

表3 樣本城市不同月份夜間燈光輻射值及其變化百分比Table 3 Radiance of Night-Time Lights（NTL）and its percentage changes in different months in sample cities in the United States

3.2 夜光亮度空間衰減特征

以城市中心為圓心，建立10個(gè)1 km間隔的等間距多環(huán)緩沖區(qū)，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)圈層內(nèi)的平均夜光亮度。2020年2—4月各城市不同圈層內(nèi)平均夜光輻射值到城市中心距離的空間衰減特征如圖7所示。整體來(lái)看，各城市夜間燈光亮度先迅速下降，然后緩緩衰減。城市中心是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)高度集聚區(qū)，夜光亮度普遍高于周邊地區(qū)。空間上，城市中心3 km內(nèi)夜光亮度下降幅度最大，說(shuō)明城市中心區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)減弱最顯著。芝加哥、底特律、休斯頓、匹茲堡、鹽湖城等城市的中心區(qū)域夜光亮度下降明顯。明尼阿波利斯各圈層內(nèi)夜光亮度都明顯下降。多數(shù)城市2020年4月各圈層內(nèi)夜光亮度均值介于2月和3月之間，表明4月份夜光亮度相對(duì)于3月份已經(jīng)有所恢復(fù)。

圖7 美國(guó)20個(gè)城市夜間燈光輻射值隨到城市中心距離的空間衰減曲線(xiàn)Fig.7 The distance decay of radiance of night-time lights（NTL）to the city center in 20 cities in the United States

各城市不同圈層2020年3月和4月夜間燈光輻射值相對(duì)于2月變化幅度如圖8所示。圖8顯示，大多數(shù)城市（舊金山等11個(gè)城市）3月份不同圈層內(nèi)夜光輻射值均下降，特別是明尼阿波利斯3月份城市中心10 km內(nèi)不同圈層夜光輻射值下降幅度接近60%。從時(shí)間變化來(lái)看，4月份夜光降幅整體低于3月降幅，顯示城市夜間燈光有所恢復(fù)。

圖8 美國(guó)20個(gè)城市不同圈層夜間燈光輻射值變化幅度箱線(xiàn)圖Fig.8 Boxplots of percent changes of radiance of Night-Time Lights（NTL）in concentric-rings in 20 cities in the United States

3.3 不同類(lèi)型城市用地夜光亮度變化差異

紐約和芝加哥是最早受COVID-19疫情影響的特大城市，本研究以紐約和芝加哥為例，分析不同類(lèi)型城市用地夜間燈光變化差異。從OpenStreetMap獲取數(shù)據(jù)得到不同類(lèi)型城市用地空間分布如圖9（a）和9（c）所示，不同類(lèi)型城市用地總面積約占城市研究范圍25%；具體來(lái)看，主要是居住用地和體育設(shè)施用地，航空設(shè)施用地單個(gè)圖斑面積較大，公共設(shè)施用地集中在城市中心，工業(yè)用地多沿湖泊、河流和主干道路分布。圖9（b）和9（d）分別展示了2020年3月相對(duì)于2月紐約和芝加哥夜間燈光變化的空間差異。

不同類(lèi)型城市用地夜光輻射均值及變化幅度如表4所示。不同類(lèi)型城市用地夜光亮度存在明顯差異。紐約航空設(shè)施用地夜光亮度最高，芝加哥商業(yè)用地夜光亮度最高。相同的是，紐約和芝加哥夜光亮度最低的都是體育設(shè)施用地，居住用地夜光亮度明顯低于商業(yè)用地和工業(yè)用地。紐約居住用地夜光亮度下降最明顯，與2020年2月相比，3月下降了6%，4月下降約12%；紐約東部和北部廣泛分布的居住區(qū)夜光亮度普遍下降（圖9（a）和9（b））。紐約航空設(shè)施用地2020年3月和4月夜光亮度相比2月份分別下降2%和11%。整體上，芝加哥夜光亮度下降幅度大于紐約，且夜光亮度大幅降低區(qū)域集中在城市中心周?chē)▓D9（c）和9（d））：2020年3月與2月相比，芝加哥不同類(lèi)型城市用地夜光亮度普遍下降20%左右，商業(yè)用地夜光亮度下降最大；2020年4月與2月相比，除了航空設(shè)施用地夜光亮度僅下降3.5%，其他用地類(lèi)型夜光亮度下降15%左右。

圖9 紐約和芝加哥不同類(lèi)型城市用地和夜間燈光輻射值變化的空間分布Fig.9 Spatial distributions of different types of urban land use and spatial changes of radiance of night-time lights（NTL）in New York and Chicago

表4 紐約和芝加哥不同用地類(lèi)型夜間燈光輻射值變化Table 4 Changes of radiance of Night-Time Lights（NTL）in different land use types in New York and Chicago

4 結(jié)論

為防控COVID-19疫情，全球普遍采取的封城、居家令等政策顯著影響城市居民生產(chǎn)、生活，夜光遙感可以有效捕捉城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)變化。受COVID-19疫情影響，美國(guó)20個(gè)主要城市2020年3至4月夜光亮度相對(duì)于2月普遍變暗，平均下降5%—8%；明尼阿波利斯夜光亮度降幅最大，超過(guò)40%。城市夜光亮度呈現(xiàn)“中心—外圍”空間結(jié)構(gòu)特征，城市中心3 km內(nèi)夜光亮度下降最明顯。城市放射狀主干道路夜光亮度也顯著下降。部分城市4月份夜光亮度有所恢復(fù)，但未及正常水平。不同類(lèi)型城市用地夜光亮度降幅存在差異，紐約居住用地和航空設(shè)施用地夜光亮度降低幅度最明顯，分別下降12%和11%。芝加哥不同類(lèi)型城市用地3月份夜光亮度普遍下降20%左右，商業(yè)用地夜光亮度降幅最大。

本研究展示了夜光遙感可以有效監(jiān)測(cè)公共衛(wèi)生防控措施帶來(lái)的城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)變化，為評(píng)估COVID-19疫情社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響提供了新視角。當(dāng)前，COVID-19疫情仍在全球肆虐、演化，本研究為中國(guó)以及其他國(guó)家和地區(qū)評(píng)估疫情防控措施影響提供了參考。事實(shí)上，夜光遙感在應(yīng)對(duì)其它突發(fā)公共事件時(shí)，如洪澇、地震、森林火災(zāi)等，也具有重要潛在應(yīng)用價(jià)值。本研究重點(diǎn)分析了受疫情影響導(dǎo)致城市夜光亮度變化的空間差異，未來(lái)需要進(jìn)一步分析夜光亮度變化驅(qū)動(dòng)因素。例如，未來(lái)可以結(jié)合疫情防控政策嚴(yán)格指數(shù)、人口移動(dòng)指數(shù)、電力消耗數(shù)據(jù)等揭示夜間燈光變化空間差異的原因，指導(dǎo)疫情精準(zhǔn)防控，減小社會(huì)影響。