夜光遙感技術(shù)在評估經(jīng)濟社會發(fā)展中的應(yīng)用

李德仁++李熙

摘要：夜光遙感是指在夜間無云條件下衛(wèi)星傳感器獲得城鎮(zhèn)燈光、艦船發(fā)光和油氣井燃燒等可見光的過程。由于多數(shù)夜間可見光和人類活動緊密相連，因此夜光遙感能夠有效獲取經(jīng)濟社會發(fā)展動態(tài)，評估經(jīng)濟社會發(fā)展可能存在的宏觀問題。從災(zāi)害監(jiān)測等角度而言，遙感技術(shù)對于促進社會經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用。文章介紹了夜光遙感技術(shù)如何用于區(qū)域發(fā)展評估、光污染分析與調(diào)查、環(huán)境評估等方面，從而保障和評估經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量。利用夜光遙感技術(shù)，結(jié)合我國正在開展的“一帶一路”戰(zhàn)略，展示了“一帶一路”沿線部分國家的夜光動態(tài)變化，初步分析了“一帶一路”沿線區(qū)域近20年來的發(fā)展規(guī)律。在未來“一帶一路”建設(shè)中，夜光遙感技術(shù)將為中國的投資和外交政策提供科學依據(jù)，從而充分保障“一帶一路”建設(shè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：夜光遙感；社會經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量；區(qū)域發(fā)展；一帶一路

一、遙感技術(shù)在評估社會經(jīng)濟發(fā)展的應(yīng)用

自從1972年美國發(fā)射了第一顆地球資源衛(wèi)星 Landsat-1以來，遙感技術(shù)成為世界主要大國爭先發(fā)展的高新技術(shù)。通過遙感衛(wèi)星搭載的對地觀測傳感器可以獲取陸地、海洋和大氣的物理和幾何屬性，從而有效地服務(wù)于自然資源調(diào)查、土地覆蓋制圖、自然災(zāi)害評估、城市規(guī)劃和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用。這些應(yīng)用領(lǐng)域能夠直接或間接地服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)，對于評估社會經(jīng)濟發(fā)展起推動作用。

遙感技術(shù)對于評估社會經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量的典型應(yīng)用領(lǐng)域是自然災(zāi)害的評估。眾所周知，自然災(zāi)害嚴重危害了人民生命和財產(chǎn)安全。自然災(zāi)害發(fā)生后，往往難以在地面進行快速準確的災(zāi)情調(diào)查，阻礙了救援活動的有效開展。遙感技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)獲得大范圍的災(zāi)情信息，能夠?qū)仍顒雍蜎Q策提供支持。2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震造成了巨大的人員和財產(chǎn)損失。地震發(fā)生后，我國政府充分利用了“空間與重大災(zāi)害國際憲章”賦予的權(quán)利，利用了中巴資源衛(wèi)星、SPOT、RADARSAT、ALOS等國內(nèi)外光學和雷達遙感衛(wèi)星開展災(zāi)情調(diào)查，對于準確獲取房屋倒塌和基礎(chǔ)設(shè)施損壞以及堰塞湖、滑坡泥石流等次生災(zāi)害信息起到了關(guān)鍵作用，有力支持了抗震救災(zāi)工作 （李德仁等， 2008）。2008年1月中旬至2月初發(fā)生在我國南方的雪災(zāi)對于居民的生產(chǎn)生活造成了極大影響，通過被動微波遙感技術(shù)，研究人員較為準確地獲取了此次雪災(zāi)的范圍、強度、持續(xù)時間等時空分布信息，對于政府的抗災(zāi)減災(zāi)決策起到了積極作用 （毛克彪等， 2009）。此外，遙感技術(shù)能夠用于監(jiān)測洪水（Sanyal et al.， 2004）、干旱（Rhee et al.， 2010）等自然災(zāi)害，獲取這些災(zāi)害的時空分布信息，從而有效減輕災(zāi)害對社會經(jīng)濟發(fā)展的影響。此外，遙感技術(shù)對于監(jiān)測霧霾 （許華等， 2013）、耕地面積（田光進等， 2002）、違章房屋（李德仁等， 2009）等社會熱點現(xiàn)象均能發(fā)揮作用。由于本文重點在于論述新興的夜光遙感技術(shù)在評估社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用，因此對傳統(tǒng)的遙感技術(shù)就不贅述。

二、夜光遙感技術(shù)對于評估和保障經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量的作用

大多數(shù)可見光遙感傳感器的成像時間是白天，只有少部分傳感器具有捕捉地表夜間可見光的能力。在夜間無云的天氣狀況下，遙感衛(wèi)星對地表可見光成像的過程即為夜光遙感。在夜光遙感影像中，城鎮(zhèn)發(fā)光、艦船發(fā)光和油氣井燃燒發(fā)光是主要的夜間光源，這三類光源均來自于人類的經(jīng)濟社會活動，因此夜光遙感影像可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展中的問題和規(guī)律，從而評估、保障經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量。夜光遙感的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，本文挑選三個方面總結(jié)夜光遙感技術(shù)在評估、保障經(jīng)濟社會發(fā)展質(zhì)量中的重要作用。

（一）區(qū)域發(fā)展評估

區(qū)域發(fā)展是指在一定時空范圍內(nèi)的經(jīng)濟增長、人口增長、產(chǎn)業(yè)組織和結(jié)構(gòu)升級等社會經(jīng)濟活動。評估區(qū)域發(fā)展有利于客觀認識區(qū)域發(fā)展帶來的資源消耗、環(huán)境污染等環(huán)境和社會問題。一般情況下，評估區(qū)域發(fā)展主要利用經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)往往存在數(shù)據(jù)缺失、客觀性不足以及缺乏空間信息等缺點。由于夜光遙感能夠客觀反映城鎮(zhèn)分布和經(jīng)濟活動強度，它能夠用來評估區(qū)域發(fā)展動態(tài)及其帶來的生態(tài)和環(huán)境問題。

城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍及動態(tài)變化制圖是開展區(qū)域發(fā)展評估的一項基本工作。在夜光遙感影像中，城鎮(zhèn)較鄉(xiāng)村有著較高密度的照明設(shè)施，因此通過提取夜光影像中較明亮的部分，可以對城鎮(zhèn)范圍進行快速制圖 （Henderson et al.， 2003）。隨著夜光遙感研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)對夜光遙感影像進行簡單的分割無法滿足高精度的城鎮(zhèn)范圍制圖的需求，需要將社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)源，對不同區(qū)域采取自適應(yīng)的分割策略獲得最準確的城鎮(zhèn)范圍 （何春陽等， 2006； Zhou et al.， 2014； Su et al.， 2015）。

基于夜光遙感影像的建成區(qū)提取，可以開展城鎮(zhèn)擴張的時空動態(tài)研究。通過對1992-2010年的夜光遙感影像進行時空分析發(fā)現(xiàn)，中國在21世紀的城市擴張速度超過了20世紀90年代，其中中國東部在20世紀90年代的城鎮(zhèn)擴張速度最快，而中國中部在21世紀的城市擴張最快（Tan， 2015）。基于1992-2010年的夜光遙感影像，對中國70個主要城市的密度進行時間序列分析，研究發(fā)現(xiàn)中國城市呈現(xiàn)出過-度擴張的格局，這對中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)成了一定的挑戰(zhàn)（Wu et al.， 2014）。中國的區(qū)域發(fā)展不平衡一直是各級政府關(guān)切的重大問題，通過對1992-2008年的夜光遙感影像進行分析發(fā)現(xiàn)，如果將城鎮(zhèn)面積作為城鎮(zhèn)規(guī)模的指標，那么中國在此期間內(nèi)城鎮(zhèn)發(fā)展逐漸趨于平衡，其中1992-1995年以及2000-2003年是中國城鎮(zhèn)分布格局發(fā)生較大變化的兩個時期 （Huang et al.， 2015）。由于夜光影像可以在較大尺度顯示城鎮(zhèn)之間的空間連接性，相應(yīng)的城市群和城市體系研究也逐漸展開。例如，基于空間聚類的方法，可以從2005年的夜光遙感影像中提取中國的主要城市群，發(fā)現(xiàn)長三角城市群、河南的中原城市群和珠三角城市群是中國最大的三個城市群（Yu et al.， 2014）。

夜光遙感影像不僅可以有效提取城鎮(zhèn)范圍，還可以通過發(fā)光強度來估算區(qū)域發(fā)展的質(zhì)量。將城鎮(zhèn)燈光分布看做財富分布，比較燈光分布和人口分布的差異，構(gòu)建“夜光發(fā)展指數(shù)”可以估算不同尺度區(qū)域的發(fā)展不平衡性 （Elvidge et al.， 2012）。根據(jù)這一指數(shù)，可以分析中國2005-2010年期間的發(fā)展不平衡性的動態(tài)變化，研究表明中國西南和西北的區(qū)域發(fā)展不平衡度最高，而中國北部沿海區(qū)域發(fā)展最為平衡，且中國整體的不平衡度在此期間內(nèi)有一定程度降低，表明了中國的區(qū)域發(fā)展趨于平衡，此外，人口密度較高地區(qū)的發(fā)展平衡度也相對較高 （Xu et al.， 2015）。通過對夜光遙感影像進行強度信息提取，發(fā)現(xiàn)夜光強度能夠較好在中國省級和縣級尺度上反映貧困狀況（Yu et al.， 2015； Wang et al.， 2012），從而為我國的貧困研究提供一種較為客觀的數(shù)據(jù)源。在城鎮(zhèn)化過程中，住房空置率是評價城鎮(zhèn)是否過度擴張的重要指標，通過對美國若干都會區(qū)的城市燈光強度和住房空置率進行相關(guān)分析，證明了夜間燈光能夠較好反映美國的住房空置率，這一結(jié)論為利用夜光遙感數(shù)據(jù)研究中國住房空置率奠定了基礎(chǔ)（Zuoqi Chen， 2015）。（二）光污染分析與調(diào)查

城鎮(zhèn)的夜間燈光不僅反映了城鎮(zhèn)的繁榮程度，同時也給人類和其他生物的健康帶來了一定的負面影響。這是因為人類和動植物在進化中，已經(jīng)適應(yīng)了漫長的黑夜，而電氣化革命帶來的夜晚照明設(shè)施在方便人類生產(chǎn)和生活的同時，也打破了各種生物長期以來在黑夜中的生活習慣和習性。因此，城鎮(zhèn)中過度的夜晚燈光又變成為光污染。已有的疾病機理分析表明，光污染和肥胖癥、失眠癥等疾病有著顯著的相關(guān)性。然而，傳統(tǒng)的樣本調(diào)查方法在大范圍內(nèi)調(diào)查光污染和疾病的聯(lián)系是極為困難的。夜光遙感的出現(xiàn)為大范圍調(diào)查光污染信息提供了一條嶄新的途徑。美國和以色列的科學家基于醫(yī)學調(diào)查數(shù)據(jù)和夜光遙感影像，發(fā)現(xiàn)了光污染和乳腺癌的發(fā)病率存在顯著相關(guān)性（Kloog et al.， 2008； Bauer et al.， 2013）。實驗室研究表明帕金森病與光污染有顯著相關(guān)性，而衛(wèi)星遙感影像則提供了在大范圍研究這種關(guān)系的可能，通過夜光遙感影像和帕金森發(fā)病率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)光污染和帕金森發(fā)病率存在顯著相關(guān)（Romeo et al.， 2013）。光污染不僅誘發(fā)人類多種疾病，同時也對動物習性造成了嚴重干擾。例如，通過夜光遙感影像和裝載在海鳥身上的GPS進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，夜晚的燈光吸引海鳥飛行，并且發(fā)現(xiàn)夜光越強的地方越容易吸引海鳥，從而導致大量海鳥的不正常死亡（Rodríguez et al.， 2015）。

鑒于光污染已經(jīng)被證實影響了人類和其他生物的健康，瑞典等發(fā)達國家已經(jīng)率先出臺法規(guī)來遏制戶外燈光的過度使用，而遙感技術(shù)則被廣泛用于調(diào)查光污染的分布。利用夜光遙感影像調(diào)查1995-2010年期間歐洲光污染分布，研究表明這一期間歐洲光污染整體明顯增強，但瑞典、芬蘭等發(fā)達國家的光污染在局部區(qū)域減輕，證明了這些國家出臺的光污染相關(guān)的法律是初見成效的（Bennie et al.， 2014）。類似的分析也在中國開展，1992-2012年期間中國的光污染范圍增加了超過1倍，其中20世紀90年代東部地區(qū)大城市的光污染增加成為中國光污染增加的主因，而到了21世紀，中小城市光污染的增加成為主導 （Han et al.， 2014）。

（三）環(huán)境評估

城市擴張、人口增長等人類活動造成了諸多的資源環(huán)境問題。然而，大尺度評估人類活動強度以及導致的資源環(huán)境問題存在一定困難，其原因是傳統(tǒng)的經(jīng)濟社會調(diào)查方式難以獲得時空連續(xù)的人類活動數(shù)據(jù)。而夜光遙感影像恰恰能夠在較大尺度上時空連續(xù)地反映人類活動，從而評估人類活動帶來的各種資源環(huán)境問題。

碳排放一直是全球變化領(lǐng)域的熱點問題之一，傳統(tǒng)的碳排放調(diào)查只能在一定的統(tǒng)計單元獲得碳排放的總量數(shù)據(jù)，而統(tǒng)計單位之內(nèi)的碳排放分布則難以獲得。由于夜光和人類活動存在緊密的關(guān)系，因此夜光影像可以用來獲得較細尺度的碳排放分布。在獲得土地利用分類圖的前提下，利用夜間燈光影像可以將碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)分配到地級市，從而獲得我國1992-2010年的各地級市的碳排放數(shù)據(jù)（蘇泳嫻等， 2013）。由于夜光數(shù)據(jù)具有時空連續(xù)性，因此可以利用它來研究碳排放的空間分布關(guān)系。通過夜間燈光數(shù)據(jù)結(jié)合人類活動指數(shù)對中國的縣級市碳排放展開研究，發(fā)現(xiàn)碳排放較高的城市往往毗鄰人均GDP較低的城市，揭示了我國碳排放和社會經(jīng)濟參數(shù)的關(guān)系（Lu et al.， 2014）。能源消費是碳排放的主要來源，美國宇航局的科學家通過對夜光遙感影像進行時間序列分析，發(fā)現(xiàn)世界各國在節(jié)假日期間的夜光明顯增強，可以推斷出能源消費和碳排放在此期間也會陡然升高（Román et al.， 2015）。

夜晚燈光的增加往往意味著該區(qū)域的人類活動增強，例如正在發(fā)生城鎮(zhèn)土地利用擴張，而城鎮(zhèn)擴張會對周圍的生態(tài)環(huán)境帶來一定的壓力，當壓力超過當?shù)氐某休d力時，該區(qū)域就會陷入環(huán)境惡化和不可持續(xù)發(fā)展的階段。夜光遙感影像結(jié)合各類資源環(huán)境數(shù)據(jù)，可以用來評估人類活動對周圍環(huán)境帶來的壓力。通過夜光遙感影像和森林范圍圖的聯(lián)合分析，美國科學家分析了科羅拉多州部分區(qū)域的城鎮(zhèn)擴張對森林火災(zāi)易發(fā)性影響，發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域的森林火災(zāi)易發(fā)性增加（Cova et al.， 2004）。相比于森林資源，人類活動對水資源的壓力更令人關(guān)注。通過全球河流矢量數(shù)據(jù)和夜光遙感影像，可以分析人類活動對河流的壓力及時空分布，研究發(fā)現(xiàn)近20年來人類活動對河流的壓力顯著性加大，但是在敘利亞、烏克蘭等社會動蕩的國家中，人類活動的壓力對河流的壓力減小（Ceola et al.， 2015）。由于夜光遙感影像能夠覆蓋全球絕大部分區(qū)域，因此夜光遙感影像還可以用來評估人類活動對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的壓力，研究表明自20世紀90年代以來，人類對陸地生態(tài)系統(tǒng)的壓力增加了64%，其中東南亞的增幅最大，而自然保護區(qū)的人類活動壓力也顯著增大，唯一的例外是偏遠地區(qū)和山區(qū)人類活動呈現(xiàn)減弱的趨勢（Ceola et al.， 2015）。

三、夜光遙感技術(shù)在“一帶一路”發(fā)展中的潛力研究

“一帶一路”是“絲綢之路經(jīng)濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的簡稱。根據(jù)2015年4月中央電視臺正式發(fā)布的“一帶一路”示意圖，絲綢之路經(jīng)濟帶的三條走向為：①中國-中亞-俄羅斯-歐洲；②中國-中亞-西亞-波斯灣-地中海；③中國-東南亞-南亞-印度洋。21世紀海上絲綢之路的兩條走向為：①中國-南海-印度洋-歐洲；②中國-南海-南太平洋。

“一帶一路”作為我國21世紀的重要戰(zhàn)略構(gòu)想，對于我國的現(xiàn)代化建設(shè)和中華民族的偉大復(fù)興具有重要推動作用?！耙粠б宦贰睓M跨歐亞大陸，輻射大洋洲和非洲，沿線國家數(shù)量超過60個、人口超過40億，準確獲取這些國家的社會經(jīng)濟動態(tài)對于“一帶一路”建設(shè)可以提供重要決策依據(jù)。然而，這些國家的國情存在較大差異，社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在實時性不足、數(shù)據(jù)缺失等問題，這些問題在“一帶一路”中的發(fā)展中國家顯得特別突出。由于夜光遙感技術(shù)能夠在大范圍獲取社會經(jīng)濟動態(tài)信息，該技術(shù)能夠為我國建設(shè)“一帶一路”提供有力保證。

我們從美國海洋與大氣管理局（NOAA）獲取了1995-2013年的“一帶一路”區(qū)域的夜光遙感影像。首先，我們通過回歸統(tǒng)計分析了這些國家GDP增量和夜光增長量的關(guān)系，考慮到部分國家的GDP數(shù)據(jù)缺失，僅用存在GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)的國家參與回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者的回歸決定系數(shù)為0.9187，證明了夜光增長能夠很好反映GDP的增長，進而反映社會經(jīng)濟發(fā)展動態(tài)。

在上面分析的基礎(chǔ)上，我們對這批夜光遙感影像進行影像變化檢測分析，可以揭示不同國家和區(qū)域的城市化和經(jīng)濟增長規(guī)律。我們列出1995、2013年“一帶一路”夜間燈光總量排名前20位的國家（見圖3），以及1995-2013年該區(qū)域夜光變化比例前20位和后20位的國家（見圖4），從而展現(xiàn)該區(qū)域1995-2013年的宏觀經(jīng)濟動態(tài)變化。

我們的研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)“一帶一路”沿線的發(fā)展中國家的夜光均處于顯著增長。 “一帶一路”沿線國家中夜光增長最快的國家主要分為兩類：①越南、緬甸、老撾、柬埔寨等開展經(jīng)濟改革并快速發(fā)展的國家；②波黑、阿富汗、索馬里等經(jīng)歷戰(zhàn)亂后完全或局部進入和平的國家。值得注意的是，在此期間中國超越俄羅斯成為該區(qū)域夜光總量最多的國家，證實中國開展了大規(guī)模和富有成效的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。敘利亞和部分獨聯(lián)體國家由于社會和經(jīng)濟動蕩，發(fā)生了夜間燈光衰退的現(xiàn)象。瑞典、丹麥等發(fā)達國家采取了節(jié)能和控制光污染的政策，導致了夜間燈光減少。

國情調(diào)查是“一帶一路”建設(shè)的前提，夜光遙感技術(shù)能夠有效獲取“一帶一路”沿線國家經(jīng)濟社會動態(tài)的宏觀信息，特別對于經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺失的國家而言，夜光遙感能夠有效彌補這些國家數(shù)據(jù)不足的缺陷。武漢大學正在夜光遙感領(lǐng)域開展探索性研究，將為“一帶一路”建設(shè)的投資和外交政策提供科學依據(jù)。

四、總結(jié)和展望

遙感技術(shù)特別是夜光遙感技術(shù)能夠大范圍獲取人類經(jīng)濟社會活動信息，能夠為監(jiān)測經(jīng)濟社會發(fā)展及衍生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)發(fā)揮重要作用。已有的研究表明，通過夜光遙感獲取的時空連續(xù)的經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)能夠有效補充經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不足，有利于在較大時間和空間尺度上獲得經(jīng)濟社會參數(shù)，并評估人類活動和區(qū)域發(fā)展的時空模式。

在我國建設(shè)“一帶一路”的時代背景下，獲取“一帶一路”沿線國家的經(jīng)濟社會動態(tài)對于我國的投資戰(zhàn)略至關(guān)重要。目前，僅僅通過各國和國際組織公布的經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)無法滿足建設(shè)“一帶一路”的需要，而夜光遙感技術(shù)能夠有效監(jiān)測“一帶一路”沿線國家的經(jīng)濟社會動態(tài)。結(jié)合經(jīng)濟社會統(tǒng)計和其他類型的遙感數(shù)據(jù)，夜光遙感技術(shù)將會在保障“一帶一路”建設(shè)質(zhì)量中發(fā)揮重要作用。夜光遙感技術(shù)對于評估、保障社會經(jīng)濟發(fā)展大有可為！

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Applications of Night-time Light Remote Sensing in Evaluating of Socioeconomic Development

Li Deren and Li Xi

（State Key Laboratory of Remote Sensing Information Engineering， Wuhan University）

Abstract：Night-time light remote sensing means the satellite sensor acquires the city light， boat light and flaring gas at cloud-free night. As most of the visible lights at night are strongly related to human activities， the night-time light remote sensing is efficient in acquiring socioeconomic development dynamics and assessing the macro problems from the development. From the perspectives of monitoring disasters， the remote sensing technique can help to promote socioeconomic development. This paper introduced how the night-time light remote sensing played an important role in issues of regional development assessment， light pollution investigation and environmental evaluation so that it can help to evaluate and support quality of socioeconomic development. Considering the Belt and Road （B&R） strategy， the paper briefly analyzed the night-time light dynamics of the B&R region during the last 20 years and therefore found some patterns of this regional development. For the future construction of B&R， night-time light remote sensing can provide scientific information for Chinas investment and diplomatic policy， to support B&R construction quality.

Key Words：Night-time Light Remote Sensing； Socioeconomic Development； Regional Development； One Belt and One Road

■責任編輯汪曉清