夜間燈光數(shù)據(jù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】本文分析夜間燈光數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以廣西壯族自治區(qū)為例，論述夜間燈光數(shù)據(jù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用，主要包括 GDP 空間化的操作步驟、GDP 在空間上的分布的教學(xué)展示、地形對(duì) GDP 的分布影響的教學(xué)展示、交通對(duì) GDP 的分布影響的教學(xué)展示四個(gè)方面。

【關(guān)鍵詞】夜間燈光數(shù)據(jù) 遙感技術(shù) 地理教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）02B-0116-02

地理教學(xué)離不開(kāi)地理圖件的輔助，而近年來(lái)地理信息系統(tǒng)（Geography information system）的不斷完善，使地理教學(xué)開(kāi)始變得更加多樣化，地理教師不僅可以在黑板上板書(shū)、畫(huà)圖，而且還可以通過(guò)地理信息系統(tǒng)軟件，對(duì)一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間展示，加深中小學(xué)生對(duì)地理事物的理解，比如交通、地形等對(duì) GDP 和人口分布的影響。地理信息系統(tǒng)軟件的存在，可以幫助地理科目更好地進(jìn)行教學(xué)，但是它的運(yùn)用是在有相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐的情況下，才能達(dá)到應(yīng)有的教學(xué)效果。夜間燈光數(shù)據(jù)作為一種數(shù)據(jù)量小、信息量大的遙感數(shù)據(jù)，非常適合應(yīng)用于中學(xué)地理教學(xué)，借助 Arcgis 軟件平臺(tái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的步驟，可以將 GDP 進(jìn)行空間化，讓學(xué)生對(duì) GDP 的空間分布及其影響因素有一個(gè)直觀、深刻的理解。除此外夜間燈光數(shù)據(jù)還可以擴(kuò)展進(jìn)行建設(shè)用地空間化、人口空間化等地理要素的分析，使地理教學(xué)更加豐富多彩，更具吸引力。本文選取近年來(lái)得到廣泛運(yùn)用的夜間燈光數(shù)據(jù)和 Arcgis 軟件平臺(tái)，對(duì)夜間燈光數(shù)據(jù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

一、夜間燈光數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)

（一）夜間燈光數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)

夜間燈光數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)量較小，但是信息量大。相對(duì)其他遙感數(shù)據(jù)，比如常用的 Landsat 陸地資源衛(wèi)星TM 遙感數(shù)據(jù)，一景遙感圖像就有 200M至 300 M 左右，但是空間范圍只有一個(gè)縣的面積大小，所包含信息也只有一個(gè)縣的空間地理信息；而夜間燈光數(shù)據(jù)，地理空間范圍覆蓋全球，但是沒(méi)解壓之前的壓縮包只有 363 M，解壓后有 1.03 G。而一個(gè)省的夜間燈光數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量很小，廣西壯族自治區(qū)（下文以廣西代替）范圍的夜間燈光數(shù)據(jù)就只有 2.62 M，包含了廣西各個(gè)地級(jí)市、縣市區(qū)的夜間燈光信息，所含信息量非常大，善加利用，可以在地理教學(xué)中大放異彩。因?yàn)橐归g燈光數(shù)據(jù)所含信息量大，夜間燈光和城市建設(shè)用地、GDP、人口、用電量、能源碳排放等經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境要素關(guān)系密切，可以展示 GDP、人口、用電量、能源碳排放等在地理空間上的分布，以及其他地理因素對(duì)這些要素的影響，引起學(xué)生的思考，開(kāi)闊學(xué)生視野。除此外，它便于下載，這里的夜間燈光數(shù)據(jù)是指DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）美國(guó)國(guó)防部的極軌衛(wèi)星計(jì)劃制作的 DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)，可以通過(guò)這個(gè)網(wǎng)址（http：//ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html）進(jìn)行下載，和 Landsat TM 遙感衛(wèi)星相比，不需要選取軌道號(hào)、日期等信息，方便地理教師進(jìn)行下載。

（二）夜間燈光數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)

事物都有兩面性，有優(yōu)點(diǎn)，就會(huì)有缺點(diǎn)。DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)也有缺點(diǎn)，首先，DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率不是很高，只有 1 km，這就限制了 DMSP 不能應(yīng)用于高精度的圖像展示，只能展示空間范圍較大的地理信息，比如省域、全國(guó)范圍、全球范圍。其次，DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)是非輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是數(shù)據(jù)存在著一些誤差和缺陷，需要通過(guò)一些校正方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正才能更好地使用，但是 DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用主要是圖示作用，并不是運(yùn)用于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究，對(duì)它是否進(jìn)行校正可以根據(jù)教師的地理信息系統(tǒng)技術(shù)是否嫻熟來(lái)決定，也受教學(xué)環(huán)境和教學(xué)目的所影響。

二、夜間燈光數(shù)據(jù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用

（一）GDP 空間化的操作步驟

首先是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，在互聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)網(wǎng)站和廣西統(tǒng)計(jì)年鑒中得到 2013 年DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)、廣西的縣級(jí)和市級(jí)行政區(qū)界線、面的 shp 格式數(shù)據(jù)以及2013 年廣西各縣市區(qū)的 GDP 數(shù)據(jù)。利用 Arcgis 軟件平臺(tái)的區(qū)域分析功能得到每個(gè)縣市區(qū)的夜間燈光亮度值，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Excel 表格和對(duì)應(yīng)的各縣市區(qū) GDP 進(jìn)行一元線性回歸，得到回歸方程的系數(shù)，再利用 Arcgis 的柵格計(jì)算器的乘法功能得到廣西的 1 km*1 km 分辨率的 GDP 空間化圖像。如果追求更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以利用增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）對(duì) DMSP 夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和校正，然后再進(jìn)行提取數(shù)據(jù)和 GDP 進(jìn)行線性擬合，最后再通過(guò)系數(shù)調(diào)整校正得到更準(zhǔn)確的 GDP 圖像。

（二）GDP 在空間上的分布的教學(xué)展示

根據(jù)上述步驟，就可以得到廣西GDP 空間化的結(jié)果。雖然 GDP 在空間上的差異可以縣級(jí)、市級(jí)、省級(jí)作為地理單元在地理信息系統(tǒng)上展示出來(lái)，但是還是不能確定 GDP 在空間上的具體位置，給學(xué)生的展示效果欠佳，基于夜間燈光數(shù)據(jù)的 GDP 空間化突破了行政界線的限制，能直觀地展示 GDP 在空間上的確切位置，有利于加深學(xué)生對(duì)于 GDP 來(lái)源以及分布的理解，為下一步對(duì) GDP分布影響因素做進(jìn)一步的深入分析做好準(zhǔn)備。根據(jù)廣西 GDP 空間化結(jié)果圖，可以在課堂上引導(dǎo)學(xué)生觀察哪個(gè)市的 GDP 最多？市轄區(qū)的 GDP 和縣級(jí)的 GDP 有什么差異？廣西的 GDP 在空間上的分布有什么規(guī)律？在地理教學(xué)中，特別是傳統(tǒng)人文地理教學(xué)中，GDP 空間的分布、大小排名只是借助文字或者表格給學(xué)生展示，缺少地理空間上的識(shí)別教學(xué)，通過(guò)夜間燈光數(shù)據(jù)的 GDP 空間化成果，可以培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖能力和加深對(duì) GDP 空間分布的理解。以廣西為例，在以夜間燈光數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制作的廣西 GDP 空間化圖像中，引導(dǎo)學(xué)生觀察制作的廣西 GDP空間化專(zhuān)題地圖的圖例、行政界線和行政區(qū)名稱(chēng)，依據(jù) GDP 空間化圖像中柵格的多寡來(lái)判斷 GDP 的排名依次如下：從市級(jí)行政區(qū)域而言，南寧市>柳州市>桂林市>玉林市>梧州市>百色市>欽州市>貴港市>北海市>崇左市>來(lái)賓市>河池市>防城港市>賀州市；從縣市級(jí)行政區(qū)域而言，南寧市轄區(qū)>橫縣>武鳴縣>賓陽(yáng)縣>隆安縣>上林縣>馬山縣。這比簡(jiǎn)單地看表格中 GDP 數(shù)字更加直觀，更加容易理解。

（三）地形對(duì) GDP 的分布影響的教學(xué)展示

在 GDP 排名中，南寧市 GDP 第一，柳州市次之，桂林市排在第三，西北部的百色市和河池市的 GDP 最少。這樣的分布是受什么影響呢？在 Arcgis 平臺(tái)上將高程和廣西 GDP 空間化結(jié)果圖疊加，得到廣西高程與 GDP 空間化疊加圖，可以很明顯地看出地形對(duì) GDP 的影響。之前的GDP 大小排名只能做到“識(shí)圖”，也就是認(rèn)識(shí)地圖，通過(guò)疊加圖則能做到更深一步的“析圖”——解析和分析地圖。同樣以廣西為例，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別高程、GDP空間化圖例、行政界線和行政名稱(chēng)，可以發(fā)現(xiàn)：從省級(jí)行政范圍而言：南寧市的GDP 主要集中于海拔 200 m 以下的南寧盆地，柳州市、桂林市、玉林市、梧州市、北海市等東南部城市 GDP 都分布于海拔 200 m 以下的平坦地區(qū)，西北部山區(qū)的河池市、宜州市市區(qū)和百色市市區(qū) GDP 都分布于海拔 200 m 以下的平坦谷地，而河池市和百色市的縣級(jí) GDP 幾乎都分布于平均海拔 200-1000 m 的喀斯特山區(qū)。在教導(dǎo)學(xué)生“識(shí)圖”之后，就要引導(dǎo)學(xué)生思考為什么GDP都分布于海拔較為平坦的區(qū)域，這就是一個(gè)“析圖”的過(guò)程，通過(guò)不同地貌區(qū)域的 GDP 對(duì)比，可引導(dǎo)學(xué)生得到以下結(jié)論：相比平原地區(qū)，喀斯特山區(qū)典型的峰林、峰叢洼地地貌導(dǎo)致百色市和河池市大部分地區(qū)耕地較少，平坦地方較少，對(duì)交通路線的建設(shè)，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都受到極大的限制，這就是西北部山區(qū)的百色市和河池市 GDP 排名落后的重要原因之一；從縣級(jí)區(qū)域，南寧市內(nèi)的 GDP 排名是：南寧市轄區(qū) GDP>橫縣 GDP>武鳴縣 GDP>賓陽(yáng)縣 GDP>隆安縣 GDP>上林縣 GDP>馬山縣 GDP，從疊加圖上可以發(fā)現(xiàn)，這和各個(gè)縣市級(jí)行政區(qū)域的平均海拔 200 m 以下的土地面積有極大關(guān)聯(lián)。從圖上明顯看出，平坦區(qū)域土地面積大小排名如下：南寧市轄區(qū)所在的南寧盆地>武鳴縣盆地>賓陽(yáng)縣平原>上林縣丘陵>馬山縣喀斯特山區(qū)，同樣可以得出：平原或者盆地地區(qū)的GDP>丘陵或者山區(qū) GDP。這些因素的分析，教師可以在課堂上結(jié)合廣西高程與 GDP 空間化疊加圖對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)、搶答或者其他擴(kuò)展教學(xué)活動(dòng)。

（四）交通對(duì) GDP 的分布影響的教學(xué)展示

除了可以展示地形對(duì) GDP 分布的影響，還可以展示交通對(duì) GDP 的影響分布。通過(guò) Arcgis 將交通路線，主要是公路和鐵路疊加到廣西高程與 GDP 空間化圖像上，就得到高程、GDP 空間化結(jié)果與交通路線疊加圖。從疊加圖上看，市轄區(qū)交通線路數(shù)量>縣級(jí)行政區(qū)交通線路數(shù)量，交通線路越多，交通越發(fā)達(dá)，這和之前展示的市轄區(qū) GDP>縣級(jí) GDP的趨勢(shì)是一樣的，說(shuō)明了交通對(duì) GDP 的分布呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；從地級(jí)市范圍而言，交通路線排名如下：南寧市>柳州市>桂林市>玉林市>梧州市，這和 GDP 的排名分布也是一致的，可見(jiàn)交通對(duì) GDP 的巨大推動(dòng)作用；從更大的區(qū)域而言，西北山區(qū)（河池市和百色市），雖然有公路和鐵路經(jīng)過(guò)，但是受到喀斯特峰林、峰叢等地貌的影響，大型交通路線對(duì)當(dāng)?shù)氐目h級(jí)行政單元資源、人口的輻射作用和經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)作用相對(duì)較弱，東南部較平坦，海拔較低，地形開(kāi)闊，有利于交通路線的輻射，有更多土地發(fā)展工農(nóng)業(yè)。最后得出結(jié)論：東南部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和西北部山區(qū)的相對(duì)落后，這些都是地形、交通路線等多種因素的綜合作用。地理教師可以參照以上這樣的案例講解在課堂上培養(yǎng)學(xué)生綜合思考的思維模式。

經(jīng)過(guò)上文分析，可以得到以下結(jié)論：夜間燈光數(shù)據(jù)量小，信息量大，處理比較簡(jiǎn)單，適合中學(xué)地理教師發(fā)掘利用來(lái)進(jìn)行地理教學(xué)，特別是人文地理方面的教學(xué)。除了利用夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的GDP 空間化以外，夜間燈光數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行城市建設(shè)用地的提取、人口的空間化等地理要素的分析和處理，再結(jié)合高程、交通路線等數(shù)據(jù)的疊加可以激發(fā)學(xué)生對(duì)地理教學(xué)的興趣，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)地理這一門(mén)課相關(guān)內(nèi)容的理解。隨著地理教師教學(xué)水平以及電腦信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，不久的將來(lái)可以引入更多有助于教學(xué)的遙感數(shù)據(jù)，使地理教學(xué)更上一層樓。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】吳桂梅（1989— ），女，漢族，廣西藤縣人，梧州市藤縣中學(xué)教師，研究方向：中學(xué)地理教育。

（責(zé)編 羅汝君）