基于衛(wèi)星燈光遙感圖像數(shù)據(jù)的全球典型國家夜間光環(huán)境分布評估

劉 鳴，劉郁川，郝慶麗，江 威，焦偉利

(1.大連理工大學建筑與藝術(shù)學院，遼寧 大連 116000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100094；3.中國再保險(集團)股份有限公司博士后工作站，北京 100033；4.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

引言

在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，過度的不良照明造成室外光污染[1，2]，在地面光環(huán)境監(jiān)測中，遙感監(jiān)測相比傳統(tǒng)的地面光環(huán)境監(jiān)測，具有低成本、大尺度、高頻次等特點[3-5]，夜光觀測衛(wèi)星的出現(xiàn)為從天空視角觀測地球夜光環(huán)境提供了一個機會[6，7]。目前，國際上常用的夜光遙感數(shù)據(jù)包括：美國軍事氣象衛(wèi)星計劃(Defense Meteorological Satellite Program，DMSP)搭載的OLS(Operational Linescan System, OLS)傳感器獲取夜間燈光影像、國家極軌合作-可見光與紅外成像輻射計(NPP-VIIRS，全稱the Suomi National Polar-Orbiting Partnership Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)、中國珞珈一號夜光遙感衛(wèi)星以及以及美國、阿根廷、以色列等國的衛(wèi)星及國際空間站發(fā)布的夜間燈光衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[8]。

本文將利用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下屬的國家地理數(shù)據(jù)中心(NESDIS)發(fā)布的DMSP-OLS開源數(shù)據(jù)[9]，及Light pollution map網(wǎng)站提供全球2013—2018年的NPP-VIIRS開源數(shù)據(jù)[10]，對各國的夜間燈光總量進行統(tǒng)計，選取夜間燈光總量較高的國家，利用27年夜間燈光數(shù)據(jù)展開分析，從而認識全球的夜光環(huán)境變化趨勢及分布情況；同時，將各夜間燈光參量與各國的國土面積、人口密度、人口總量、GDP總值進行相關(guān)分析，探索夜間光環(huán)境動態(tài)變化的影響因素。

1 夜間燈光參量構(gòu)建

本文為了明確各國家的夜間光環(huán)境量級，構(gòu)建了3個夜間人工光照參量：夜間燈光總量(Rad.Sum)，夜間燈光平均值(Rad.Mean)，千人均夜間燈光量(Rad./1000Pop)。夜間燈光總量是研究國家范圍內(nèi)所有像元值的總和，代表全國范圍內(nèi)的燈光總量，顯示國家整體夜間燈光輻射強度；夜間燈光平均值是夜間燈光總量與國家范圍內(nèi)像元數(shù)量的比值，代表全國平均夜間燈光輻射強度；千人均夜間燈光量是指統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)平均每1000人的夜間燈光量，夜間燈光總量與國家千人口數(shù)量比值，代表居民受到燈光輻射的強度。

2 1992—2013年六個典型國家的光污染分布分析

對1992年到2013年的DMSP-OLS原始數(shù)據(jù)進行傳感器自校正、連續(xù)性校正處理，得到具有空間連續(xù)性的1992—2013年夜間燈光影像。在GIS中以2013年DMSP數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用各國的矢量邊界對全球各國夜間燈光總量值進行計算，選取排名前六的國家作為典型國家，分別為美國、俄國、中國、印度、巴西、加拿大。六個國家不僅夜間燈光總量排名遙遙領(lǐng)先，而且國土面積之和占全球陸地面積的38.8%。且六個國家中包含三個發(fā)達國家，三個發(fā)展中國家，整體能夠?qū)θ虬l(fā)達國家和發(fā)展中國家起到一定的代表作用。隨后以1992—2013年的DMSP長時間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以夜間燈光總量、夜間燈光平均值兩個參數(shù)開展各國夜間光環(huán)境的演變分析。

2.1 夜間燈光總量

夜間燈光總量表示國家的國土面積內(nèi)夜間燈光產(chǎn)生的總光照輻射值，通過與全球夜間燈光數(shù)據(jù)的對比可判斷各個國家的夜間燈光對全球夜間燈光的貢獻。通過1992—2013年DMSP夜間燈光數(shù)據(jù)總量趨勢圖(圖1)及趨勢統(tǒng)計表(表1)可以比較各國的夜間燈光總量。從數(shù)值量級來看，美國的夜間燈光總量在各年份均遙遙領(lǐng)先其他國家，對全球夜間燈光總量貢獻最多，其次依次為俄國、中國、印度、加拿大、巴西。1992—2013年夜間燈光總量上，中國從從全球第四增長到全球第二，呈現(xiàn)著較快速的增長態(tài)勢。

圖1 1992—2013年六個典型國家夜間燈光總量趨勢圖Fig.1 Trends of total nighttime lighting of DMSP-OLS in the six countries from 1992 to 2013

表1 1992—2013年六個典型國家夜間燈光總量趨勢統(tǒng)計表

2.2 夜間燈光平均值

夜間燈光總量適用于分析各國對全球照明的貢獻，但如果對于各個國家夜間照明水平進行評估，夜間燈光總量因為面積數(shù)值的差異性而造成評估結(jié)果不準確。因此引入夜間燈光平均值的概念，通過六個國家柵格像元平準值計算結(jié)果的對比，判斷各個國家的夜間照明水平。比較1992—2013年六個代表性國家夜間燈光平均值趨勢圖(圖2)及趨勢統(tǒng)計表(表 2)，從平均值來看，美國的夜間燈光平均值最高，在2008年以前遠大于其他國家。印度、中國整體呈增長的態(tài)勢，其中印度在2008年以后夜間燈光平均值已經(jīng)與美國持平。巴西、俄國、加拿大的夜間燈光平均值僅為美國夜間燈光平均值的20%～50%。

圖2 1992—2013年六個典型國家夜間燈光平均值趨勢圖Fig.2 Trends of average nighttime lighting of DMSP-OLS in the six countries from 1992 to 2013

表2 1992—2013年六個典型國家夜間燈光平均值趨勢統(tǒng)計表

2.3 線性擬合

為了分析各國1992—2013年間夜間燈光的總體變化趨勢，分別對六個國家的逐年夜間燈光平均值進行歸一化處理及線性擬合(圖3)，從夜間光環(huán)境的總體變化趨勢來看，美國、俄國、加拿大的夜間燈光均值總體呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，三個國家的降低趨勢排名為加拿大>美國>俄國。中國、印度、巴西總體呈逐年上升趨勢，三個國家增長趨勢排名為中國>印度>巴西。

圖3 1992—2013年六個典型國家夜間燈光數(shù)據(jù)平均值線性擬合Fig.3 Linear fitting of mean nighttime DMSP night light data from 1992 to 2013

其中俄國在夜間燈光總量排序中位居第二，而在夜間燈光均值排名中位居第五，在六個代表性國家中位次變化最大，這說明由于俄國的國土面積大，且國家大部分區(qū)域被林地所覆蓋，整體的城鎮(zhèn)化水平較低。國家夜間人工光呈現(xiàn)著不均勻分布的特征，因此導致位次的變化。

通過對比六個典型國家的夜間燈光總量和平均值，可以初步對全球視角下的夜間燈光分布情況形成一定認知。根據(jù)六個國家夜間燈光總量、夜間燈光平均值的增長態(tài)勢可以將國家分為以美國、俄羅斯和加拿大為代表的發(fā)達國家及中國、印度、巴西為代表的發(fā)展中國家。其中，美國、俄羅斯和加拿大作為發(fā)達國家，城鎮(zhèn)化水平及夜間基礎(chǔ)設(shè)置建設(shè)水平較高，其夜間照明已達到飽和狀態(tài)，加以倡導節(jié)能低碳的全球環(huán)境背景下國家出臺的相關(guān)政策對夜間的燈光照明進行優(yōu)化，因此形成燈光數(shù)量下降的趨勢。比如美國各州以及加拿大皇家天文學會等光環(huán)境保護組織提出的夜空保護及光污染防治法案和指導性意見，為各國夜間光照的優(yōu)化做出了較大的貢獻。而發(fā)展中國家多處于快速城鎮(zhèn)化階段，城鎮(zhèn)面積的擴張和夜間活動所需的配套設(shè)施的建設(shè)使得夜間燈光數(shù)量呈現(xiàn)著較為穩(wěn)定的持續(xù)增長態(tài)勢，即使部分國家已經(jīng)注意到夜間光污染問題并進行一定的治理，但由于國家仍然處于發(fā)展階段，夜間燈光數(shù)量在短期內(nèi)還是會保持增長的態(tài)勢。

3 2013—2018年VIIRS數(shù)據(jù)分析

由Suomi國家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(SNPP)提供的新一代夜間燈光數(shù)據(jù)NPP-VIIRS作為DMSP-OLS的接替者，于2012年升空后可以提供比DMSP-OLS有著更高的精度及輻射范圍的夜光遙感數(shù)據(jù)。且NPP-VIIRS搭載自交準設(shè)備，可以直接生成具有時間連續(xù)性的衛(wèi)星影像產(chǎn)品。投入使用至今共有8年的數(shù)據(jù)。VIIRS數(shù)據(jù)像元值(Digital Number,DN)代表燈光的輻射強度,單位為W·cm-2·sr-1。使用Light pollution map網(wǎng)站提供的開源NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，進行降噪處理。選取夜間燈光總量排名前25的國家，以2013—2018年的VIIRS全球夜光遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用夜間燈光總量、夜間燈光平均值、千人均夜間燈光量三個夜間燈光參量。對25個國家的夜間燈光環(huán)境進行逐年分析。25個國家分別為美國、俄國、加拿大、中國、巴西、印度、哈薩克斯坦、沙特阿拉伯、伊朗、法國、墨西哥、委內(nèi)瑞拉、意大利、伊拉克、阿爾及利亞、西班牙、澳大利亞、英國、波蘭、阿根廷、印度尼西亞、土耳其、埃及、德國、日本。表 3為其中18個國家的2018年的國家基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、VIIRS夜間燈光地圖、夜間燈光數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)輔助理解與示意。

為從全球視角研究夜間燈光的宏觀分布情況，首先以所屬大洲對25個典型國家進行歸類并繪制洲際分布圖(圖4)。可以看出25個國家分布于不同的大洲，主要位于亞洲大陸、歐洲大陸、美洲大陸。全球夜間燈光集中分布于歐洲、美洲、亞洲三大洲的發(fā)達國家，如美國、俄國、加拿大，以及國土面積大、人口總量大的發(fā)展中國家，如中國、印度、巴西。相比之下，非洲、大洋洲內(nèi)國家的夜間燈光總量在全球夜間燈光總量的占比較少，整體照明水平較低。

圖4 25個典型國家的洲際分布圖Fig.4 Intercontinental distribution map of 25 countries

為了更直觀的表達2013—2018年間25個典型國家各夜間燈光參數(shù)的變化趨勢，在GIS中使用VIIRS數(shù)據(jù)對25個典型國家的三個燈光參數(shù)進行計算，并繪制夜間燈光總量變化趨勢圖(圖5)、夜間燈光平均值變化趨勢圖(圖6)和千人均夜間燈光值變化趨勢圖(圖7)。在2013—2018年夜間燈光總量的逐年變化圖中，國家間夜間燈光總量差距較大，美國、俄國、加拿大的夜間燈光總量在各年份均位于第一梯隊，對全球夜間照明數(shù)量貢獻較大，中國、巴西、印度次之。其他國家夜間燈光數(shù)量各年份數(shù)值差異較小。對比2018年各國的國土面積排行、人口數(shù)量排行和GDP排行，發(fā)現(xiàn)美國、俄國、加拿大、中國、巴西、印度在這各個參數(shù)中都處于第一梯隊的位置。從夜間燈光平均值逐年變化圖可以看出，夜間燈光總量大的國家夜間燈光平均值排行靠后，這是由于國土面積大且發(fā)展不均勻，使得國內(nèi)存在大量夜間照明水平較低的區(qū)域，進而使得面積較大的國家在夜間燈光總量上排名靠前而在夜間燈光均值的排名靠后；伊拉克、意大利、波蘭、西班牙、英國、德國的夜間燈光均值排行靠前，表明國家內(nèi)的夜間照明水平較高。這是因為以上國家雖然國土面積小，但GDP排行靠前，整體發(fā)達程度高，從而導致夜間燈光平均值呈現(xiàn)著較高的水平。加拿大、哈薩克斯坦、俄國、沙特阿拉伯、澳大利亞、美國依次為世界千人均夜間燈光值排行的前六，這些國家發(fā)達程度高，但國家人口數(shù)量較少，因此以上六個國家的千人均夜間燈光值排行靠前。通過以上分析，國家的夜間光環(huán)境水平與經(jīng)濟發(fā)展情況、國土面積、人口數(shù)量存在著一定的相關(guān)關(guān)系。

表3 2018 NPP-VIIRS光污染地圖及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖5 2013—2018年25個典型國家VIIRS夜間燈光總量逐年變化圖Fig.5 Trends in the total amount of nighttime light of VIIRS in the 25 countries from 2013 to 2018

圖6 2013—2018年25個典型國家VIIRS夜間燈光平均值逐年變化圖Fig.6 Trends in the average value of nighttime light of VIIRS in 25 countries from 2013 to 2018

為準確分析不同夜間燈光參量和國家、國土面積、經(jīng)濟、人口之間的關(guān)系，將夜間燈光總量、夜間燈光平均值、千人均夜間燈光量分別與GDP總值、人口、人口密度、國土面積進行了相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。夜間燈光總量與國土面積、GDP總值的相關(guān)系數(shù)分別為0.756、0.576，表示兩者之間存在不完全相關(guān)關(guān)系，兩者之間不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值為0.00<0.01，表示在0.01的顯著性水平上否定了兩者不相關(guān)的假設(shè)。千人均夜間燈光量與和國土面積之間的相關(guān)系數(shù)為0.405，表示兩者之間存在不完全相關(guān)，兩者之間不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值為0.00<0.01，表示在0.01的顯著性水平上否定了兩者不相關(guān)的假設(shè)。夜間燈光平均值和國土面積間的相關(guān)系數(shù)為-0.520，表示兩者之間存在不完全相關(guān)且為負相關(guān)，兩者之間不相關(guān)的雙側(cè)顯著性值為0.00<0.01，表示在0.01的顯著性水平上否定了兩者不相關(guān)的假設(shè)。

圖7 2013—2018年25個典型國家VIIRS千人均夜間燈光值逐年變化圖Fig.7 Trends of nighttime light per 1000 capita in the VIIRS of 25 countries from 2013 to 2018

表4 相關(guān)分析輸出結(jié)果表

所以可以得出結(jié)論：夜間燈光總量與國土面積、GDP總值之間存在顯著相關(guān)關(guān)系。千人均夜間燈光量與與國土面積，夜間燈光平均值與國土面積之間同均存在著顯著相關(guān)關(guān)系。夜間燈光平均值和國土面積之間存在顯著負相關(guān)關(guān)系。

4 討論

DMSP-OLS和NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)作為全球范圍的長時間序列夜間燈光數(shù)據(jù)，各自具有數(shù)據(jù)優(yōu)勢及研究價值。本文利用的DMSP-OLS和NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)對全球典型國家的夜間光環(huán)境進行了評估，以夜間燈光總量(Rad.Sum)、夜間燈光平均值(Rad.Mean)、千人均夜間燈光量(Rad./1000Pop)3個夜間人工光照參量為基礎(chǔ)，進行了夜間燈光數(shù)據(jù)分析。結(jié)論總結(jié)如下：

1)利用1992—2013年的DMSP-OLS數(shù)據(jù)分析了夜間燈光總量排名最高、對全球夜間人工光照總量貢獻最大的6個典型國家。通過對國家夜間燈光總量和平均值進行擬合，發(fā)現(xiàn)以美國、俄羅斯和加拿大為代表的發(fā)達國家夜間燈光呈下降趨勢，可能與低碳節(jié)能的全球背景下各國家出臺的節(jié)能政策及光環(huán)境保護組織的努力有關(guān)；且以中國、印度、巴西為代表的快速發(fā)展中大國的夜間燈光數(shù)量呈上升趨勢，可能與不斷增長的GDP和人口數(shù)量有關(guān)。

2)利用2013—2018年的VIIRS數(shù)據(jù)分析了夜間燈光總量排名前25位的國家。從分布來看，25個國家主要為亞洲大陸、歐洲大陸、美洲大陸發(fā)達國家。從增長來看，各國家夜間燈光整體呈現(xiàn)增長趨勢，并且增長情況與國家國土面積、人口數(shù)量和經(jīng)濟發(fā)展程度相關(guān)。

本研究從宏觀的角度評估了1992—2018年的全球典型國家的城市夜間光環(huán)境的演變趨勢，總結(jié)了城市夜間光環(huán)境的社會影響因素，為后續(xù)相關(guān)研究提供了新的思路和方法。該成果有利于研究人員和管理部門在快速現(xiàn)代化發(fā)展過程中客觀認識夜間光環(huán)境現(xiàn)狀，把握整體的光環(huán)境發(fā)展。為光污染治理、評估和規(guī)范制定，乃至智慧城市建設(shè)提供參考。