內蒙古草原地區夜間燈光亮度特征分析

郭旭冉，蘇曉明，邁力斯

(內蒙古工業大學建筑學院 內蒙古自治區綠色建筑重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051)

引言

在夜間，人類的活動依賴燈光的照明，但過度的照明會對人類本身以及生態環境產生負面影響[1,2]。科學的量化夜間燈光亮度是控制夜間照明光污染的首要條件。從20世紀開始，美國就利用DMSP衛星來觀測夜間地表燈光[3]，隨后相關學者利用此類衛星遙感數據分析了全球以及各洲、各國的夜間燈光亮度變化。如：Small等[4]分析了全球1992年至2009年間的夜間燈光亮度水平、范圍變化；Bennie等[5]對比了歐洲各地區之間夜間燈光亮度的增長性差異；Rehman等[6]分析了印度全國夜間燈光亮度的時空分布特點。但目前的研究仍缺少對生態薄弱地區夜間燈光亮度的分析，缺少夜間燈光亮度的量化指標。所以本文以內蒙古草原地區夜間燈光亮度為研究對象，建立夜間燈光的發亮面積、形態、水平三個特征指標，分析內蒙古草原地區夜間燈光亮度的時空分布特征，以及特征指標與研究區土地面積、人口數量、經濟水平之間的線性相關性(以下簡稱相關性)。

1 研究范圍

本文研究范圍選取了內蒙古滿洲里市、錫林浩特市、二連浩特市等22個草原地區所組成的研究區(圖1),研究區域橫跨內蒙古中西部、中部、東部，包含了荒漠草原、典型草原、草甸草原三大草原類型[7]。

圖1 研究區域概況Fig.1 Overview of the study area

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

在分析內蒙古草原地區夜間燈光亮度特征時，選用的數據為夜間燈光遙感數據。數據來源于NASA、NOAA、美國空軍共同研制的NPP衛星，其搭載的VIIRS(可見紅外成像輻射儀)可采集22個光譜波段通道，范圍為0.3～14 μm，分辨率約為500 m，重返周期為一天[8]。為了避免地面積雪、植被對燈光值的影響，本文選取了我國2015—2019年4月和10月的夜間燈光遙感數據(TIFF格式)[9]，此數據消除了雜散光、月光、云層、閃電影響[10]，數值為月平均光輻射亮度值。另一方面，本文討論了草原地區夜間燈光亮度特征指標與土地面積、人口數量、經濟水平(以下簡稱為基礎統計數據)的相關性。相關統計數據來源于《內蒙古統計年鑒 2020》[11]。

2.2 數據處理

(1)背景降噪。

夜間燈光遙感數據會存在一定的背景噪聲，背景噪聲主要是體現在研究區域內單位像元(500 m×500 m)光輻射亮度的負值、極小值和異常極大值[12]，所以本文利用GIS(地理信息系統)對夜間燈光遙感數據進行預處理，提高數據的準確性。處理方法為閾值過濾(圖2)，其中xm代表上級地區中單位像元的光輻射亮度最大值[12]，0.3為經驗閾值[13]。即若待處理像元值小于0.3×10-9(W/cm2/sr)，則令其像元值為零；若待處理像元的值大于上級地區單位像元的最大值，則令其像元值為上級地區單位像元的最大值。

圖2 夜間燈光數據的背景降噪流程Fig.2 Background noise reduction process of night light data

(2)像元計算。

在NPP-VIIRS衛星遙感數據中，圖像是由多個像元所構成的，每個像元都包含了一個可為零的光輻射亮度值，單位為10-9(W/cm2/sr)。光輻射亮度值的大小代表了此像元包含區域內的亮度大小，利用GIS對研究區域內發光像元數量、強度的統計，可以分析研究區域內夜間燈光亮度的范圍和大小。

(3)最鄰近指數計算。

地理學中在研究點狀要素的空間分布時，一般將其分布形態分為聚集分布、均勻分布、隨機分布三種類型[14，15](圖3)。而在區分這三種空間分布類型時，常用到最鄰近指數，它表示點狀要素在空間中的鄰近程度，其計算式為：

圖3 分布形態類型Fig.3 Distribution form type

(1)

其中R為最鄰近指數，Do為實際觀測到的研究區域內各點與其最近鄰點之間距離的平均值，Dr為研究區域內各點隨機分布時之間的平均距離。當最鄰近指數R<1時，點狀要素在空間內為聚集分布；當最鄰近指數R=1時，點狀要素在空間內為隨機分布；當R>1時，點狀要素在空間內為均勻分布。

本文在研究時，利用GIS計算了研究區域內所有發光像元之間的最鄰近指數，并以此來分析研究區域內夜間燈光亮度的分布形態。

3 特征分析

通過量化夜間燈光亮度分布面積、密度、形態、水平，將夜間燈光亮度特征分為分布面積特征、分布形態特征、亮度水平特征三個方面，以此分析了各草原地區的夜間燈光亮度現狀，同時分析了2015年至2019年五年間草原地區整體的夜間燈光亮度變化。

3.1 亮度分布面積特征

在整個研究區內，發亮區域總面積達到了4 470 km2，占總研究區域面積的1.26%。從不同草原地區的發亮區域面積數值分布來看(圖4)，22個地區的發亮區域面積平均值為203.18 km2，標準差為131.94 km2，總體差異較大。在22個草原地區中，西烏珠穆沁旗的發亮面積最大，達到了500 km2以上，鑲黃旗的面積最小，為50 km2以下，兩者相差10倍。

圖4 各草原地區發亮區域面積Fig.4 Luminous area of each grassland area

另一方面，本文計算出了22個草原地區夜間燈光發亮面積占地區總面積的比值(圖5)。22個草原地區發亮面積占比的平均值為4.92%，標準差為9.69%，總體差異較大。高密度發亮區域主要集中在海拉爾區、滿洲里市、扎賚諾爾區，發亮面積占比在20%以上；低密度發亮區域則主要集中在蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、東烏珠穆沁旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗，發亮面積占比在0.5%以下；而其他區域的發亮面積占比多集中在5%以下。

圖5 各草原地區發亮面積占比Fig.5 Proportion of luminous area in eachgrassland area

3.2 亮度分布形態特征

從整個研究區來看，最鄰近指數R為0.19，夜間燈光亮度的分布形態呈聚集性。在22個草原地區中(圖6)，20個地區的最鄰近指數R都低于1，只有滿洲里市、扎賚諾爾區的最鄰近指數R大于1。數據表明，大部分草原地區的夜間燈光亮度分布形態呈聚集性，而少部分草原地區的夜間燈光亮度分布形態呈隨機性、均勻性(圖7)。

圖6 各草原地區最鄰近指數Fig.6 Nearest neighbor index of each grassland area

圖7 各草原地區夜間燈光亮度分布形態圖Fig.7 Distribution pattern of night light brightness in various grassland areas

通過對比不同草原地區的最鄰近指數R，發現最鄰近指數R最大的是扎賚諾爾區，達到了1.10，最小值為0.18，為新巴爾虎左旗。此外，如果將夜間燈光亮度分布形態中的聚集性分布再細分為低聚集分布形態(0.6

3.3 亮度水平特征

區域發光總量為研究區域內光輻射亮度的總和，發光總量可以反映一個地區夜間燈光亮度的整體水平。研究區域內整體的發光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，而從各草原地區發光總量的中位數931.62×10-9(W/cm2/sr)，平均值1 597.75×10-9(W/cm2/sr)，標準差1 927.46×10-9(W/cm2/sr)來看，各地區夜間燈光亮度水平差異較大，整體水平不高(圖8)。

圖8 各草原地區區域發光總量Fig.8 Total regional luminous amount of each grassland area

根據22個草原地區發光總量的中位數、標準差劃分了低、中、高三個夜間燈光亮度水平，間斷值分別為1 000×10-9(W/cm2/sr)、3 000×10-9(W/cm2/sr)、5 000×10-9(W/cm2/sr)。

從圖9可以看出，高亮度水平地區主要包括錫林浩特市、海拉爾區，其中錫林浩特市的夜間燈光發光總量達到了8 519.37×10-9(W/cm2/sr)，中亮度水平地區則包括西烏珠穆沁旗、鄂溫克族自治旗等八個地區，其余12個地區均為低亮度水平地區，夜間燈光發光總量最低的地區為鑲黃旗，為126.35×10-9(W/cm2/sr)。

圖9 各草原地區夜間燈光亮度水平分布圖Fig.9 Distribution map of night light brightness level in each grassland area

3.4 時間性變化

為了進一步明確內蒙古草原地區夜間燈光亮度的發展趨勢，本文通過計算得到了內蒙古草原地區2015年—2019年夜間燈光亮度特征的具體數值。從表1可以看出，從2015年到2019年，各亮度特征指標數值都在增長，發亮面積、密度五年間增長了133%，最鄰近指數增長了46%，發光總量增長了28%。說明內蒙古草原地區的夜間燈光亮度的面積、密度、分散程度、水平都在快速增長，特別是發亮面積，年平均增長量達到了512.5 km2。

表1 2015—2019年內蒙古草原地區夜間燈光亮度特征指標值Table 1 Characteristic index value of night light brightness in grassland area of Inner Mongolia from 2015 to 2019

4 討論

為了探明研究區域內夜間燈光亮度特征與地區基礎統計數據之間的影響關系，本文分別將量化后的分布面積特征指標、分布形態特征指標、亮度水平特征指標與土地面積、人口數量、經濟水平進行了相關性分析。

根據表2中的相關性結果可以得知，地區夜間燈光發亮面積與地區生產總值、地區第二產業產值之間具有中度的正相關，其中發亮面積與地區第二產業產值的相關性更高，本文認為可能是第二產業中工業、建筑業的經濟性活動擴大了人工照明對草原地區的影響范圍。

表2 相關性分析結果Table 2 Correlation analysis results

發亮面積占比、最鄰近指數與地區人口密度之間具有高度的正相關，相關性系數達到了0.9以上，所以本文認為地區人口密度可能是影響草原地區夜間燈光亮度密度大小、分散聚集程度高低的重要因素。另一方面，發亮面積占比、最鄰近指數與地區第一產業產值之間具有中低度的負相關，本文認為可能是因為農業、牧業經濟性活動較為活躍的草原地區，其人口密度較低，同時人口活動分布較為聚集所導致的。

發光總量方面，地區人口數量與其具有中度正相關。在與經濟類指標的相關程度中，地區生產總值與發光總量的相關程度最高，通過對比不同產業產值與亮度水平的相關性程度后發現，第一產業產值與其相關程度較弱，第二產業產值與其具有中度相關，第三產業產值與其具有高度相關。本文認為，其差異的原因可能是草原地區第一產業中農業、牧業的經濟性活動對夜間燈光的需求度較低，而草原地區第二、三產業中工業、商業、服務業的經濟性活動對夜間燈光的需求度更高。

5 結論

本文從分布面積、分布形態、亮度水平這三方面量化了內蒙古草原地區夜間燈光亮度特征，闡述了內蒙古草原地區夜間燈光亮度特征的時間性變化，分析了亮度特征指標與基礎統計數據之間的相關性。結論如下：

(1)內蒙古草原地區夜間燈光發亮面為4 470 km2，占總土地面積的1.26%，各個草原地區的發亮面積差異較大，在發亮面積占比上，中東部地區比中西部其他地區的密度要高；內蒙古草原地區夜間燈光亮度分布形態整體呈高度聚集性，各個草原地區分布形態中，除東部部分地區分布形態呈均勻性、隨機性，其余地區分布形態聚集程度較高，差異性不大；內蒙古草原地區夜間燈光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，各個草原地區亮度水平差異較大，中高亮度水平地區主要集中在內蒙古中東部。

(2)從2015年到2019年，內蒙古草原地區夜間燈光亮度分布面積特征指標、分布形態特征指標、亮度水平特征指標均在增長，內蒙古草原地區的夜間燈光的影響范圍正在逐年加大，影響程度正在逐年加重。

(3)各特征指標在與基礎統計數據的相關性分析中，地區夜間燈光發亮面積與第二產業產值的相關性最高；發亮面積占比、最鄰近指數與人口密度之間的相關性最高；發光總量與生產總值的相關性最高。

通過對內蒙古草原地區夜間燈光亮度的時空分析，本研究豐富了我國草原地區的夜間光環境研究。另一方面，依據本研究建立的夜間燈光亮度特征指標，可以更好地評估生態薄弱地區的夜間燈光亮度水平，量化生態薄弱地區的光污染程度。而利用本研究得到的相關性結果，可以為草原城鎮規劃發展、草原城鎮照明設計、草原城鎮光污染控制提供針對性參考。