珞珈一號新型夜間燈光數據應用潛力分析

鐘 亮，劉小生

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

夜間燈光數據是指衛星在夜間拍攝的地表亮度輻射值影像，最初由美國國防氣象衛星(defense meteorological satellite program,DMSP)搭載的線性掃描業務系統(operational linescan system,OLS)拍攝。隨著夜間燈光數據研究的發展，研究人員普遍發現夜間燈光與人類空間活動有著密切的關系[1-2]，特別是在宏觀經濟及人口動態等方面有著重要的應用價值[3-4]。隨后美國發射了具有更高分辨率的夜間燈光遙感衛星，即Suomi國家極軌道伙伴關系衛星(Suomi national polar-orbiting partnership,SNPP)，其搭載的可見光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)比OLS探測器高了6倍的空間分辨率及250倍的光感能力，且解決了亮度值過飽和問題[5-6]，使拍攝的夜間燈光影像具有更高的真實度和更廣泛的應用價值。目前，這兩種夜間燈光數據已經廣泛應用于人類空間活動的各個領域[7-12]，并在學術界表現出較高的影響力。

2018年6月2日，由武漢大學團隊與相關機構共同研發制作的珞珈一號(LJ1-01)成功發射升空。珞珈一號是全球首顆專業夜光遙感衛星，也是目前國際上第3顆具備夜間燈光數據拍攝能力的衛星，彌補了我國在夜間燈光數據獲取方面的不足，具有重要的歷史意義及研究價值。2018年6月4日在武漢監測站成功接收首張夜間燈光影像后，珞珈一號至今正持續穩定地傳回全球范圍的遙感影像。

由于衛星軌道及傳感器差異，不同衛星拍攝的夜間燈光影像表現出不同的特征[13]。為了解珞珈一號新型夜間燈光影像的數據特點及應用潛力，本文選擇北京市作為研究范圍，將其與SNPP-VIIRS夜間燈光數據在衛星參數、數據特征和數據噪聲方面進行多層次的對比分析，之后將去噪處理后的珞珈一號夜間燈光與人口數據及GDP數據進行相關性分析，旨在說明珞珈一號夜間燈光數據的應用價值及潛力。

1 研究區域與數據

研究區域選取北京市全市范圍，包含16個行政區的子級范圍。以北京市作為研究區域一方面是其具有地域代表性，另一方面是因為北京市夜間燈光的光量豐富，在進行數據分析時能充分體現出不同數據之間的特征差異情況。

夜間燈光數據采用珞珈一號衛星在2018年7月31號成像的北京市范圍的影像(數據由“高分辨率對地觀測系統湖北數據與應用網”提供)和美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的2018年7月的月平均SNPP-VIIRS夜間燈光數據。圖1分別為SNPP-VIIRS及珞珈一號夜間燈光范圍，經分析發現兩種影像均存在背景噪聲。為了提取有效燈光值，本文利用掩膜法對原始數據進行去噪處理，由于年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數據已經過NOAA官方處理，噪聲值已降至最低水平，且NOAA提供了2015和2016年兩版的全球年平均數，因此本文利用2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數據作為去噪的掩膜數據[14]。人口數據及GDP數據由北京市統計局提供，由于2018年上半年各區GDP數據暫未更新，本文GDP數據采用北京市2018年第一季度各行政區數據，人口數據以北京市各行政區常住人口為標準。

2 分析方法

2.1 參數對比

珞珈一號與SNPP-VIIRS在參數方面大為不同，具體參數見表1。SNPP是美國計劃用于21世紀監測全球環境的衛星項目，包括大氣、海洋、陸地及近太空環境的監測[15]。SNPP衛星項目由5個不同類型的傳感器組成：臭氧剖面制圖儀(ozone mapper profiler suite，OMPS)、高級微波探測器(advanced technology microwave sounder，ATMS)、可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)、云和地球輻射能量系統(cloud and the Earth’s radiant energy system，CERES)及紅外探測器(cross-track infrared sounder，CrIS)。其中， SNPP-VIIRS僅為SNPP的一個子項目，其拍攝的夜間燈光數據分辨率中等，無法滿足更高精度的應用要求。珞珈一號衛星采用了大相對孔徑像方遠心光學系統、異形遮光罩雜光抑制、大像元高靈敏成像器件等技術手段，實現了高靈敏大動態范圍夜間燈光成像技術，致力于提供全球范圍的高精度與高分辨率的夜間燈光遙感影像。

SNPP-VIIRS屬于近極地太陽同步軌道衛星，軌道高度為824 km，可拍攝全球范圍的夜間燈光影像，一天內可觀測地表兩次，數據獲取時間較快。珞珈一號屬于極地軌道衛星，軌道高度為645 km，具有全球范圍數據拍攝能力，數據獲取時間相對較慢，理想條件下可在15 d內繪制完成全球范圍夜間燈光影像，數據分辨率是前者的4倍，因而能夠滿足更高精度的應用要求。

表1 珞珈一號與SNPP-VIIRS夜間燈光參數

2.2 數據分析

分析上述參數可知，珞珈一號夜間燈光數據的分辨率達130 m，其在空間尺度分析方面具有無可替代的優勢。為進一步了解珞珈一號夜間燈光與SNPP-VIIRS夜間燈光數據的差異，本文將兩者數據進行了多層次對比。圖2分別為SNPP-VIIRS與珞珈一號北京市局部范圍的夜間燈光數據。從圖2(a)可看出，SNPP-VIIRS夜間燈光分辨率較差，勉強可區分城市邊界，無法更細致地表達城市內部情況；從圖2(b)可看出，珞珈一號夜間燈光數據具有明顯的城市結構分布，能夠明顯地區分城市范圍，甚至道路及大面積房屋的分布。

此外，珞珈一號夜間燈光數據還具有更加精細的數值特征(如圖3所示)，兩種夜間燈光影像輻射值的單位不同導致兩者數據同一時間相同區域的夜間燈光數值不同。其中，SNPP-VIIRS夜間燈光輻射值的數量級為1E2，而珞珈一號夜間燈光輻射值的數量級達到1E6，其對夜間燈光強度的識別精度達到了前者的4倍，表明珞珈一號夜間燈光數據在橫向空間和縱向空間的分辨率都遠優于前者。目前SNPP-VIIRS夜間燈光數據在建成區提取、城市擴張識別及城市不透水面提取方面應用廣泛，并取得了較好的成果；而更高分辨率的珞珈一號夜間燈光數據能夠顯示出更優異的城市細節特征，表明其在上述領域能夠有更加深入的應用。

2.3 噪聲分析

夜間燈光影像在拍攝時會受到云層、月光照射、大氣折射、極光等因素的干擾，導致拍攝的夜間燈光影像存在不同程度的噪聲[16]。其中，NOAA在提供SNPP-VIIRS夜間燈光數據時已明確指出月平均無云版本的夜間燈光影像包含眾多背景噪聲及雜光值，在使用之前需要對其進行去噪處理。通過對北京市SNPP-VIIRS夜間燈光不同輻射值之間的數量關系的分析發現，DN值在(0,1)之間的數量遠遠高于(1,DNmax)的數量，如圖4(a)所示，進一步分析發現在市級范圍以上的夜間燈光影像中均存在此類規律。

考慮夜間燈光影像受眾多因素的影響，背景噪聲會隨機分布在影像的各個柵格點上，對于大面積影像，噪聲點的數量遠大于城市燈光點的數量，因此本文將夜間燈光DN數量關系中的斷點值判斷為噪聲點與非噪聲點的近似臨界值，如圖4(a)所示北京市SNPP-VIIRS夜間燈光噪聲點臨界值為0.92。根據上述方法對珞珈一號夜間燈光影像進行處理發現，珞珈一號夜間燈光影像與SNPP-VIIRS夜間燈光影像中的DN數量分布關系相似(如圖4(b)所示)，且斷點值更加明顯，北京市珞珈一號夜間燈光噪聲值臨界點為718.80，表明珞珈一號夜間燈光數據具有相同的噪聲分布規律，去噪時可采用與SNPP-VIIRS夜間燈光相似的去噪方法進行處理。

3 珞珈一號數據應用精度結果與分析

夜間燈光數據與人口及GDP數據的高相關性表明[17-18]，利用夜間燈光與GDP及人口數據的相關程度可以檢驗其在人類活動相關領域的應用精度。因此，為了驗證珞珈一號夜間燈光數據的應用精度，本文將北京市各行政區的夜間燈光總量與相應的GDP及人口數據進行相關性分析，并與SNPP-VIIRS夜間燈光數據進行比較，進而說明珞珈一號夜間燈光數據的應用潛力。根據數據的噪聲分析可知，原始的夜間燈光數據存在大量背景噪聲，本文采用目前較為通用的掩膜法對其進行去噪處理，并利用北京市2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光作為掩膜數據，方法是將掩膜數據中存在亮度值的柵格按行列號進行編號，提取待去噪的影像中相同編號柵格的亮度值，從而達到提取有效燈光而隔除噪聲的目的。北京市各行政區去噪后的珞珈一號和SNPP-VIIRS夜間燈光數據總亮度值見表2。

根據表2數據，分別與各行政區的人口數據及GDP數據進行相關性分析，結果如圖5所示。由回歸模型可看出，北京市范圍的珞珈一號夜間燈光數據與人口數據的相關性最高，相關系數達到0.835 7，與GDP相關系數為0.731 1；而SNPP-VIIRS夜間燈光與人口數據相關系數為0.768 4，與GDP相關性最低僅為0.680 8。此外，兩種夜間燈光數據與GDP的相關性都低于與人口數據的相關性，一方面可能是由于去噪方法過于單一，噪聲無法完全去除；另一方面是北京市第一二產業占比較高，而夜間燈光數據無法有效地反映出第一二產業的發展變化，因此夜間燈光數據與GDP數據相關性較低。

表2 北京市各行政區珞珈一號和SNPP-VIIRS夜間燈光數據總亮度值

地區SNPP-VIIRS(×104)LJ1-01(×106)昌平區2.07341.7922朝陽區8.27855.1166大興區4.03871.6630東城區3.18280.6199房山區2.95300.8892豐臺區4.50382.5474海淀區5.28753.8729懷柔區1.40520.2947門頭溝區0.85650.2451密云區1.47290.1369平谷區1.04800.1637石景山區1.00102.0053順義區4.54761.8844通州區3.69240.7731西城區3.35971.9890延慶區0.61550.1636

結合上述分析，珞珈一號夜間燈光數據與GDP及人口數據的相關性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數據，表明珞珈一號夜間燈光數據能夠更加有效地反映出人類空間活動特征，其在人類空間活動領域有更大的應用價值與應用潛力，可為人類可持續開展作出更長遠的貢獻。目前珞珈一號高分辨率夜間燈光數據更新范圍有限，還未達到全球覆蓋水平，在夜間燈光高密度地區(如北美、歐洲、東亞、中東等)覆蓋范圍較廣。隨著數據的持續更新，珞珈一號夜間燈光數據也將會逐漸實現全球范圍覆蓋。

4 結 語

本文基于北京市范圍的珞珈一號夜間燈光數據，與SNPP-VIIRS夜間燈光數據進行了參數比較、數據特征對比分析、數據噪聲對比分析及應用精度對比。結果表明，珞珈一號夜間燈光在數據空間分辨率、數據細節特征及燈光強度識別精度方面優于SNPP-VIIRS夜間燈光數據，且與SNPP-VIIRS夜間燈光數據具有相同的噪聲分布規律。此外，通過對兩種數據與GDP及人口的相關性分析表明，珞珈一號夜間燈光數據與GDP及人口數量的相關性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數據，說明珞珈一號夜間燈光數據在人類空間活動領域有較大的應用潛力。