基于夜间灯光遥感影像的经济社会活动分析

地球夜间灯光的探测最早始于宇航员在外太空对夜间地球进行的拍摄，当时人们只是惊叹于夜间的地球并非黑暗死寂，而是闪动着活力的光芒。夜光遥感起源于20世纪70年代，美国军事气象卫星计划（DMSP）的线性扫描业务系统（OLS）是全球第一颗具备夜光成像能力的卫星传感器，但其设计初衷并不是为了拍摄夜间灯光，而是为了捕捉夜间云层反射的微弱月光，从而获取夜间云层分布信息，却意外地发现能够清晰地探测出城市的居民区、火光等低强度的亮光，尤其是城市居民聚集区所发出的灯光与社会经济等多种指标具有很强的相关性，这种相关性能够直接或间接地反映出人类夜间生活的强度。自此，越来越多的研究集中在夜间灯光遥感技术及应用上。

经过近半个世纪的发展，已经有DMSP、国家极地轨道伴随卫星（SNPP）、吉林一号、珞珈一号等对地观测卫星可以获取地球夜间灯光影像，如今夜光遥感数据源可谓极为丰富。从空间分辨率上看，国内外可公开获取的夜光遥感数据已覆盖2 700m、740m、130m和0.92m等多个尺度。从获取的光谱信息角度看，夜光遥感数据已从未定标的灰度图像发展到了经过辐射定标的彩色影像。各项指标的进步为夜光遥感应用提供了更多的可能性，也使得夜光遥感技术的发展前景变得越来越明朗。

1.3.4.1　夜间灯光影像数据

当前国内外具备夜间地表光亮探测能力的传感器已经发展较为成熟，其中包括美国军事气象卫星搭载的OLS，搭载在SNPP卫星上的可见光红外成像辐射仪（VIIRS）、以色列对地观测系统（EROS-B）以及中国的吉林一号卫星和由武汉大学领衔研制的全球首颗专业夜光遥感卫星珞珈一号01星。

DMSP/OLS夜间灯光数据源于美国国防部气象卫星计划。截至2013年该项业务关闭，共计发射7代40余颗卫星，目前DMSP/OLS 已经停止对外提供夜间灯光数据。DMSP卫星采用三轴稳定姿态和双星运行体制，两颗业务卫星同时运行，轨道高度距地面830km。线性扫描业务系统具备日间、夜间的可见光和近红外辐射探测能力，白天通过光学望远镜收集地表信息，夜间利用高灵敏度光学倍增管捕捉地表光亮信息。可用于探测云层，收集云层或陆地反射的月光以及地表人类活动所产生的光亮。线性扫描业务系统具备日间、夜间的可见光和近红外辐射探测能力，对于夜间可见光波段采用光电倍增光增强信号，从而使传感器能够探测到夜间地表微弱光亮，在微弱月光下仍能够正常工作。DMSP/OLS光谱分辨率为6比特，像元值范围为0～63。DMSP/OLS卫星获取的夜间灯光信息无法直接使用，需要在美国国家环境中心建档后完成地理校准，消除太阳光等非稳定光源以及云层的影响后，由美国国家地球中心向公众免费发布，提供1992年至2013年度夜间灯光合成影像数据产品，覆盖东经180度至西经180度，北纬75度至南纬65度的全球广阔区域。空间分辨率约2 700m，采用标签图像文件格式存储。DMSP/OLS夜间灯光合成产品主要包括稳定灯光数据、辐射定标夜光强度数据以及非辐射定标夜光强度数据。以上三种数据均可从美国国家海洋和大气管理局（NOAA）网站直接下载获取。

2012年，NASA与NOAA共同组建联合极地卫星系统（JPSS）并接替了新一代极轨运行环境卫星系统预备卫星计划的部分工作。2011年10月28日，加利福尼亚州范登堡空军基地成功发射国家极地轨道伴随卫星，入轨后更名为SNPP。SNPP/VIIRS扫描带宽 3 000km，共包含22波段，可产生地球表面可见光和红外影像，以用于地球表面大范围现象的监视。其中采集夜间灯光影像的日/夜光波段（DNB）继承和发展了DMSP/OLS的低光探测能力，波长范围0.5～0.9μm，空间分辨率约750m。DNB辐射测量范围从3×10-9W·cm-2·sr-1至0.02W·cm-2·sr-1，大的辐射测量范围以保证传感器在检测低辐射亮度目标时，不会导致高亮地区出现过饱和状态。日光条件下，DNB辐射敏感值为10-2W·cm-2·sr-1，在新月时为10-10W·cm-2·sr-1。SNPP/VIIRS DNB波段具有较高的辐射测量精度并提供星上定标，以保证数据精度和稳定性。SNPP/VIIRS覆盖全球，重访周期为12小时，夜间过境时间为当地时间1点30分，能够对地表进行高时间分辨率、大范围的监测。目前，SNPP/VIIRS DNB数据由NOAA发布，提供日数据及合成数据两种形式供下载。(www.xing528.com)

珞珈一号01星是我国自主研发的新一代夜间灯光遥感卫星，于2018年6月发射成功并投入使用。珞珈一号01星采用太阳同步轨道，轨道高度500～600km。采用双星稳定姿态和双频全球定位系统定轨以保证珞珈一号01星夜间灯光遥感数据的几何精度，三轴指向精度优于1°，定位精度优于700m。卫星成像模式采用白天模式和夜间模式双模式，波段范围0.5～0.9μm。珞珈一号 01星影像分辨率100～150m，宽幅250km×250km，理想条件下可在15天内绘制完成全球夜光影像，具有“高灵敏度、高精度、高可靠性”等特点。

吉林一号夜光遥感影像是目前全球唯一可公开获取的亚米级真彩色夜光遥感数据源，影像可以反映地面灯光的真实色彩和强度。利用吉林一号高分辨率夜光遥感影像和土地利用类型矢量数据可进行夜间灯光统计分析。

1.3.4.2　夜间灯光遥感技术的应用

夜间灯光遥感技术的不断发展为夜间灯光的应用提供了可靠保障。夜间灯光影像不仅可以充分反映城市夜间灯光，还可以探测到夜间渔船灯光、森林火灾和油气燃烧等发出的光亮，因此被广泛地应用于社会经济参数的估算、区域发展研究计划、渔船监测以及重大事件评估等诸多方面。其中，夜间灯光在社会经济参数的估算方面起到了重大作用。大量研究证明，夜间灯光与国内生产总值、地区生产总值相关性显著。

夜间灯光遥感影像中的主要光源均来自人类的经济社会活动，可以划分为三类，分别是来自城镇的生活灯光、海上的夜间渔船灯光以及油气燃烧产生的火光，因此夜间灯光遥感影像可以作为发现经济社会发展中的问题和规律的有力依据，并在此基础上评估经济社会发展质量。亨德森等发现在夜间灯光遥感影像中，城镇较乡村照明密度更高，可提取夜光影像中较明亮的区域来对城镇进行城镇制图；埃尔维奇等通过灯光强度推算区域发展质量，把城镇灯光分布作为财富分布的特征，比较灯光分布和人口分布差异，提出“夜间发展指数”用于估算不同尺度区域的发展不均衡性；韩向娣等利用相关分析和回归分析的方法，定量探讨了夜间灯光数据与社会经济统计数据的空间关系。基于夜间遥感数据的社会经济参数估算研究一般集中在对国内生产总值、人口、电力消费、碳排放、贫困程度和基尼系数的估算上。以上研究利用夜光数据从社会经济因子入手，分析夜间灯光与社会发展变量之间的相关性，取得了较好的研究成果。同时也有学者将夜间灯光利用到交通领域。余柏蒗等利用DMSP/OLS数据校正2012年SNPP/VIIRS数据并获取各省灯光总值，用线性回归的方法建立了各省夜间灯光总值与公路货运量之间的关系。结果表明，校正后的SNPP/VIIRS数据拟合精度（R2=0.674）明显高于DMSP/OLS数据（R2=0.207），证明了SNPP/VIIRS夜间灯光影像数据与公路货运量之间存在较大相关性。