夜光遙感數據與地區經濟參量的相關性分析

張楠楠

（遼寧省基礎測繪院，遼寧錦州 121003）

多年來，評價一個國家、城市或者某一區域的經濟發展狀況多采用地區生產總值這一指標。自上世紀80年代開始，國家統計局每年都對國內各省市的地區生產總值(地區GDP)進行核算，統計各地一、二、三產業增加值之和，反映了國家或地區國民經濟活動總成果。GDP是怎樣統計數據主要是由企業上報，然后各級統計局進行抽樣調查，并通過其他數據來做對比驗證，以確保統計數據的真實性。這樣統計一輪下來至少要花費近一年的時間，并且得出的統計數據對各種來源的資料依賴性較強，難以得到標準統一的準確數據。

夜光遙感是近年來對地觀測與遙感應用領域十分活躍的一個分支。夜間燈光數據通過像素的亮度值充分展示了夜晚無云條件下人類活躍以及社會經濟發展程度，可以借助夜光數據對其相關活動進行分析和評價。許多研究人員利用美國DMSP/LOS遙感燈光數據開展了大量研究，研究內容涉及城市發展、夜間漁船活動、燈光污染、人口與經濟估算等眾多方面，取得的一系列研究成果推動了夜光遙感的發展。在利用夜光遙感進行經濟估算方向，多數研究均采用與人類活動相關性較強的幾個經濟參量與燈光數據進行時空模擬[1]。謝天利用DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光數據對四種常用的GDP預測模型進行了分析比較，并以黑龍江省為例進行了對比驗證[2]。江威等將“一帶一路”沿線國家GDP與夜光遙感總值（TNL）線性回歸關系，表明夜光遙感總值與GDP 較強相關性，將來可利用夜光遙感影像進一步估算該區域國民生產總值、人口分布等關鍵社會經濟參量[3]。 本文探索珞珈一號(LJ1-01)夜間燈光數據與區域GDP的相關性，以遼寧省為試驗區，建立基于區域燈光亮度值模擬市級特征經濟參量的空間模型。

一、數據選擇及預處理

1.衛星影像數據

美國國防氣象衛星(DMSP)搭載的可見紅外成像線性掃描業務系統(OLS)數據是夜光遙感研究利用最多的影像數據。DMSP/OLS夜間燈光影像由于傳感器未經過星上定標，導致長時間序列的各期影像之間缺乏連續性和可比性，此外，還存在像元DN值過飽和等問題和低空間分辨率的劣勢[4][5]。2012年至今，Suomi國家極軌道伙伴關系衛星(SNPP)搭載可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)獲取了VIIRS-NPP夜光遙感數據，產品空間分辨率為750m，近幾年經研究人員對其進行分析和利用發現數據有一些原始輻射值為負，原始數據并未經過濾、背景噪聲也未除去，使用前必須嚴密糾正[6]，但目前尚無簡單且可操作性強的糾正模型。

珞珈一號01星具備130m分辨率、260km幅寬的夜光數據獲取能力，并且面向國內行業用戶提供免費數據服務，被業內稱為“全球首顆專業夜光遙感衛星”，具有廣闊的應用和發展前景。本文即利用該影像數據開展夜光影像亮度值與城市GDP的相關性研究。

選取的珞珈一號影像時相盡量接近GDP數據的統計時間，以減小數據比對誤差；選取的各景影像之間時相差不宜過大，有利于保持地區數據的一致性。經過篩選，選取了獲取時相為2018年8-9月的珞珈一號L2級夜光遙感數據，共計8景，覆蓋遼寧省全部區域（圖1）。

圖1 遼寧省珞珈一號夜間燈光數據

由于上述影像的定位精度從700~1900m不等，必須對其進行幾何糾正。從遼寧省路網數據中選取夜間亮化明顯的道路交叉點和主干路來逐景配準影像，糾正后的各景影像幾何精度均在1個像素左右。

從基礎性地理國情監測數據中選取大面積水體、農田地類，認為此地類夜間輻射亮度或反射亮度應為零值；再在影像上找到其對應的柵格像元，檢查像元的亮度值是否為0；經抽查，夜間不發光的像元亮度值確為0，無需再進行絕對輻射校正[7]。

將糾正后的7景影像鑲嵌處理后，利用遼寧省行政區劃矢量數據對其進行裁切，得到遼寧省的影像圖。

2.其他數據

遼寧省行政區劃數據為從國家基礎地理中心下載矢量數據。

遼寧省各市GDP數據為從遼寧省統計局下載的《遼寧統計年鑒》（2019中的統計數據，數據的統計時間節點為2018年。年鑒中詳細記錄了省內各市的生產總值和一、二、三產業的產值以及人均生產總值。

遼寧省基礎性地理國情監測數據為2018年生產成果。其中的路網數據可作為影像幾何糾正的基準，地類圖斑信息有助于定位亮度零值的位置。

二、數據分析與處理

1.相關性分析

將糾正后的遼寧省夜光數據按照市級行政區劃對影像的亮度值進行提取，統計各市夜間亮度總值。統計將遼寧省各市GDP、第一產業生產總值、第二產業生產總值、第三產業生產總值和人均GDP。先對夜間亮度值與各項GDP參量的相關性進行分析。

從表1可以看出，珞珈一號夜光遙感數據的亮度值與遼寧省內各市GDP及各參量有較高的相關性。特別是與地區GDP的相關系數達到0.88，與第二產業生產總值的相關性達到0.85，與第三產業生產總值更是達到了0.91的高相關性。從而得出地區GDP、第二產業和第三產業是相對于夜光較為敏感的經濟參量。因為制造業、旅游與服務業的活動和產能與人類活動密切相關，特別是能夠在夜間燈光數據上得到充分體現。

表1地區亮度總值與地區GDP各參量相關性分析

圖2 14個市燈光亮度值與特征經濟參量回歸分析模型

這說明地區的夜間亮度值在一定程度上能夠較好體現地區GDP，可以嘗試利用夜間燈光亮度值來模擬GDP的發展趨勢甚至定量估算GDP的數值，建立兩者的相關關系。

2.夜間燈光與GDP值的回歸模型建立

基于上述分析得出的夜間亮度值與地區特征經濟參量的高相關性，進行遼寧省各市燈光亮度值與GDP的回歸分析，進而得出回歸分析模型。

將各市燈光亮度總值與地區GDP、第二產業和第三產業生產總值三個特征經濟參量分別做回歸擬合。

圖3 遼寧省城市預測特征經濟參量誤差

對回歸擬合結果的評價通常根據回歸系數（R2）的大小以及是否通過顯著性檢驗來判斷兩者之間線性關系是否可靠。各市GDP與燈光亮度值的擬合結果R2為0.78，既驗證了之前得出的二者之間0.88的高相關性，又說明通過線性回歸模型能夠較好的擬合出市級GDP值。第二產業生產總值雖然達到了0.85的高相關性，但回歸擬合結果的R2僅為0.4，說明二者的擬合程度較差，利用燈光亮度值模擬第二產業生產總值不可行。第三產業生產總值與燈光亮度值的擬合度最高，達到0.83，同時也顯現出極高的相關性，由此可以看出基于線性回歸分析模型能夠通過燈光亮度值較好的擬合出第三產業生產總值。

3.擬合精度分析

利用上述三種回歸模型擬合得到了2018年遼寧省14個市的GDP、第二產業和第三產業生產總值，將擬合預測的結果與統計年鑒的統計值進行對比，檢驗擬合效果和精度。

從圖3可以看出，除個別城市預測值的殘差較大外，大多數城市的預測值標準殘差均在±1之間，60%以上城市的預測值標準殘差在±0.5之間。由此得出，利用夜間燈光數據模擬遼寧省社會經濟參量是十分可行且可靠的。

三、結論

GDP不但可以反映國家或地區的經濟表現，還與人類社會經濟活動密切相關。夜間燈光數據有效反映了人類社會活動，且具有客觀性強和時效性佳等顯著優勢。本文分析了遼寧省14個城市珞珈一號夜間燈光影像的亮度值與地區GDP等經濟參量的相關性，得出燈光亮度與GDP、第二產業和第三產業生產總值具有高相關性，且可以通過線性回歸模型較好的擬合出這三種經濟參量，特別是燈光數據與第三產業生產總值擬合效果最為理想。由此看出，利用夜光遙感數據模擬特征社會經濟參量的方法在遼寧地區是可行的，今后可以探索該數據在更大地區尺度模擬經濟活動，以及開展更加深入細致的分析和研究。