夜光遙感技術(shù)在人道主義災(zāi)難評估中的應(yīng)用*

李德仁， 李熙?

①武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430072；②地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072

1 遙感技術(shù)在人道主義災(zāi)難評估中的角色

當今世界，由武裝沖突導(dǎo)致的人道主義災(zāi)難是阻礙人類發(fā)展的重要因素之一。聯(lián)合國報告表明，2017年全球有37個國家共計14 000萬人需要人道主義援助。人道主義災(zāi)難不僅產(chǎn)生大量的難民，還直接導(dǎo)致大量人員傷亡。特別是近年來，不少中東國家發(fā)生了劇烈的社會變革，其中敘利亞、伊拉克、利比亞、也門等國家爆發(fā)了大規(guī)模內(nèi)戰(zhàn)，對當?shù)亟?jīng)濟造成了嚴重的破壞，僅敘利亞一國已經(jīng)有約50萬人死亡。雖然聯(lián)合國和大量的非政府組織開展了人道主義災(zāi)難的評估工作，但是人道主義災(zāi)難地區(qū)往往存在安全局勢惡化、信息和交通閉塞等問題，因此如何獲取人道主義災(zāi)難的時空信息是一個難題。在此背景下，科學家們開始關(guān)注利用衛(wèi)星遙感、社交媒體、手機信息等新型數(shù)據(jù)源來補充目擊報告和調(diào)查數(shù)據(jù)的不足，從而更加準確地開展人道主義災(zāi)難的評估。特別是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有成本低廉、覆蓋范圍廣、重訪頻率高等優(yōu)勢，能夠探測到人道主義災(zāi)難發(fā)生區(qū)域的建筑、道路、交通工具、植被、難民營地等信息，甚至可以檢測到坦克、大炮等重型武器以及軍事障礙物的分布信息，從而可以用來獲取人道主義災(zāi)難的時空動態(tài)信息。美國科學促進會(AAAS)下屬的科學責任-人權(quán)-法律項目(Scientific Responsibility, Human Rights and Law Program)多年來利用高分辨率遙感影像開展格魯吉亞、蘇丹、敘利亞等人道主義災(zāi)難區(qū)域的損失評估工作，并將遙感評估結(jié)果提交給多個國際法庭作為審判依據(jù)。聯(lián)合國訓(xùn)練研究所(UNITAR)下屬業(yè)務(wù)化衛(wèi)星應(yīng)用項目(UNOSAT)近年來利用多源遙感數(shù)據(jù)開展了敘利亞、伊拉克、菲律賓等多個國家的武裝沖突損害評估，為聯(lián)合國及其他國際組織在這些國家的人道主義救援工作提供了科學依據(jù)。除此之外，不少研究機構(gòu)和大學的研究人員也利用多源遙感數(shù)據(jù)開展了中亞、中東、非洲等地的武裝沖突損害評估研究。

2 夜光遙感的原理及應(yīng)用

從夜間的太空觀察地球，可以發(fā)現(xiàn)人類的主要聚居區(qū)在夜幕中發(fā)射出璀璨的光芒，這就是夜光遙感影像。公眾可以從夜光遙感影像中欣賞所在區(qū)域美麗的夜景，科學家則可以從夜光遙感影像中研究社會經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)律。目前，在全球范圍內(nèi)頻繁獲取夜光遙感影像的衛(wèi)星傳感器有兩類：一類是美國軍事氣象衛(wèi)星計劃(DMSP)搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(OLS)，其空間分辨率為2.7 km；另一類是極地環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星(S-NPP)搭載的可見紅外成像輻射儀(VIIRS)，其空間分辨率為740 m[1]。這兩類傳感器的設(shè)計初衷是捕捉夜間云層反射的微弱月光，而當處于無云天氣條件下時，遙感傳感器可以較為準確地記錄下城鎮(zhèn)、油氣井、漁船等地表發(fā)光。美國海洋與大氣管理局(NOAA)Christopher Elvidge博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從2011年開始逐步公布了1992—2013年的DMSP/OLS年平均夜光遙感影像(下文有時簡寫為“DMSP/OLS數(shù)據(jù)集”)，導(dǎo)致夜光遙感研究出現(xiàn)了爆發(fā)態(tài)勢。但較為遺憾的是，NOAA目前已經(jīng)停止更新該數(shù)據(jù)集。S-NPP衛(wèi)星發(fā)射于2011年底，可以較為精確地獲取每日的夜光影像，通過一系列的輻射處理，NOAA發(fā)布了2012年至今的VIIRS月平均夜光遙感影像，并在持續(xù)更新中。

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化的推進，大量夜間黑暗的農(nóng)村和郊區(qū)轉(zhuǎn)化為夜間發(fā)光的城市，而城市內(nèi)部也隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸變亮，因此夜間燈光的變化能夠用來解釋經(jīng)濟增長和城市化的規(guī)律。DMSP/OLS年平均夜光遙感影像覆蓋了22年的時間，因此被廣泛應(yīng)用于長時間序列的社會經(jīng)濟動態(tài)變化研究。學者們利用該數(shù)據(jù)集分析了城市化進程在城市、城市群、國家和全球尺度的規(guī)律。夜間燈光亮度是一個連續(xù)變量，因此可以用來將國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、人口、碳排放、能源消耗、貨運總量等一系列社會經(jīng)濟參數(shù)進行空間化，生成空間格網(wǎng)尺度的社會經(jīng)濟參數(shù)產(chǎn)品[1]。此外，經(jīng)濟學家和社會學家也開始認識到DMSP/OLS數(shù)據(jù)集對于反映經(jīng)濟活動的客觀性，利用該數(shù)據(jù)集重新核算不同國家的GDP及GDP增長率，并用來研究區(qū)域發(fā)展不平衡、經(jīng)濟發(fā)展與政治的關(guān)聯(lián)度等諸多社會經(jīng)濟問題。此外，夜光遙感數(shù)據(jù)集還在公共衛(wèi)生研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：結(jié)合夜光遙感數(shù)據(jù)集和疾病發(fā)病率數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)夜間燈光的強度與乳腺癌發(fā)病率、前列腺癌發(fā)病率、青少年夜晚型人格發(fā)生概率之間存在顯著相關(guān)性，對于夜間燈光污染的潛在危害研究具有積極意義[1]。

相比于DMSP/OLS數(shù)據(jù)集來說，S-NPP/VIIRS數(shù)據(jù)集具有更高的輻射質(zhì)量和空間分辨率，因此S-NPP/VIIRS夜光遙感數(shù)據(jù)集可以在城市化、光污染、GDP核算等領(lǐng)域開展更加精確的建模，可以在年、月、日不同的時間單元上開展時間序列分析。例如，有研究發(fā)現(xiàn)中東齋月期間和北美圣誕節(jié)期間，當?shù)爻鞘袩艄廨^平時有明顯的增長[2]。S-NPP衛(wèi)星發(fā)射于2011年底，獲得的數(shù)據(jù)量有限，因此無法利用S-NPP/VIIRS夜光遙感數(shù)據(jù)集開展長時間序列的社會經(jīng)濟研究。當然，除了DMSP/OLS和S-NPP/VIIRS兩類主流的夜光遙感數(shù)據(jù)之外，多國聯(lián)合運營的國際空間站(International Space Station)通過相機拍攝獲取了全球許多主要城市的較高分辨率(60～100 m)的夜光遙感影像，我國長光衛(wèi)星公司運營的“吉林一號”系列衛(wèi)星也具有夜光遙感功能，能夠獲取1 m分辨率的彩色夜光影像。這些新型的夜光遙感影像為研究城市地理提供了有力的補充。以上各類夜光遙感影像的示例參見圖1。

3 基于夜光遙感的人道主義災(zāi)難評估

3.1 全球統(tǒng)計規(guī)律

在經(jīng)濟增長和城市化的背景下，一個區(qū)域的夜間燈光亮度會持續(xù)增加。但是，如果一個區(qū)域發(fā)生了自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭這樣的災(zāi)難，夜間燈光會如何變化呢？有研究表明，地震和海嘯這樣的重大自然災(zāi)害會導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施和供電設(shè)施發(fā)生損毀，從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的燈光劇烈減少，而災(zāi)后重建則會使燈光逐漸恢復(fù)[3]。

圖1 長三角地區(qū)不同時期和類型的夜光遙感影像

然而，對于戰(zhàn)爭這樣的非自然因素的人道主義災(zāi)難，需要細致地研究分析夜間燈光是如何發(fā)生改變的。為了研究戰(zhàn)爭對夜間燈光造成的影響，我們在全球范圍內(nèi)開展了一項統(tǒng)計分析工作[4]。我們在全球范圍內(nèi)選取了159個國家，分為戰(zhàn)亂組與和平組，其中戰(zhàn)亂組為1991—2008年期間內(nèi)經(jīng)歷了嚴重的武裝沖突的國家，和平組則為剩下的國家。研究發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)亂組中許多國家的夜間燈光經(jīng)歷了劇烈減少的過程，其中燈光劇烈減少的時間一般和戰(zhàn)爭爆發(fā)的時間較為吻合，而和平組的大部分國家的燈光穩(wěn)定增長或穩(wěn)定不變(圖2)?？偟膩碚f，戰(zhàn)爭國家的燈光的波動較為劇烈，而和平國家的燈光則較為平穩(wěn)。為了定量地揭示上述規(guī)律，我們建立了一個燈光波動指數(shù)，并根據(jù)指數(shù)的大小將159個國家分為5個等級，等級越高代表燈光的波動程度越大。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，隨著燈光波動程度的增加，國家發(fā)生過戰(zhàn)爭的概率就越大。此外，我們還根據(jù)這個指數(shù)計算了全球整體的燈光波動指數(shù)，發(fā)現(xiàn)燈光波動指數(shù)與當年內(nèi)全球武裝沖突的數(shù)量存在較好的正相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，夜間燈光的波動可以用來反映武裝沖突的爆發(fā)、演進和戰(zhàn)后重建。這樣的統(tǒng)計性研究不僅證實了武裝沖突和燈光變化的經(jīng)驗關(guān)系，也為評估正在發(fā)生的武裝沖突及人道主義災(zāi)難提供了有力依據(jù)。

圖2 戰(zhàn)亂國家東帝汶、塞拉利昂與和平國家越南、澳大利亞的燈光波動比較(橫軸代表年份，縱軸代表該國當年燈光總量占全球燈光的比值，圖片截取自文獻[4])

4 敘利亞內(nèi)戰(zhàn)研究

爆發(fā)于2011年3月的敘利亞內(nèi)戰(zhàn)是冷戰(zhàn)之后全球最嚴重的人道主義災(zāi)難之一，戰(zhàn)爭導(dǎo)致約一半的敘利亞人流離失所和50萬人死亡，同時敘利亞內(nèi)戰(zhàn)還向鄰國伊拉克蔓延，導(dǎo)致伊拉克北部的人道主義災(zāi)難。雖然國際媒體不斷地報道敘利亞內(nèi)戰(zhàn)的各類事件，但是外界難以從全局了解敘利亞內(nèi)戰(zhàn)的全貌。

為了研究敘利亞內(nèi)戰(zhàn)對社會經(jīng)濟造成的影響，我們開展了夜光遙感評估敘利亞內(nèi)戰(zhàn)的研究[5]。我們從美國海洋與大氣管理局(NOAA)訂購了一批DMSP/OLS夜光遙感月平均數(shù)據(jù)，這批數(shù)據(jù)從2008年1月持續(xù)到2014年2月，其中部分月份存在數(shù)據(jù)缺失的情況，所以共計有38個月的數(shù)據(jù)。我們采用了幾何糾正和相對輻射定標的方式改善了時間序列數(shù)據(jù)的可比性(圖3)。對于質(zhì)量改善后的數(shù)據(jù)，計算了敘利亞所有14個省份的夜間燈光總量的變化，發(fā)現(xiàn)：敘利亞所有省份的燈光在內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)后均發(fā)生了劇烈減少，其中12個省份的燈光減少量超過60 %；敘利亞全國的燈光減少量達到74 %，其中阿勒頗省(Aleppo)的燈光減少量達到95 %，而政府軍牢牢控制的大馬士革市(Damascus)和庫奈特拉省(Quinetra)的燈光減少量則相對較少，均為約35 %。這反映了交戰(zhàn)區(qū)域和反政府武裝控制區(qū)域普遍缺少電力供應(yīng)，而政府軍控制區(qū)域的電力供應(yīng)則相對充足。為了細致地分析敘利亞內(nèi)戰(zhàn)期間的燈光時空變化，我們采用了時空一體化的聚類分析方法，研究了敘利亞內(nèi)戰(zhàn)中燈光變化的時空分布(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)：敘利亞內(nèi)部的燈光的變化趨勢較為一致，如圖中的紅色部分所示；而敘利亞外部的燈光的變化趨勢也較為一致，如圖中的綠色部分所示。兩種變化模式的分界線恰好是敘利亞的國境線，這也表明國界線不僅僅是國家主權(quán)的分界線，也是社會經(jīng)濟變化的分界線。在和平時期，國境線對社會經(jīng)濟的分割效應(yīng)可能并不明顯，而一旦遇到戰(zhàn)爭這樣的重大事件，這種分割效應(yīng)就十分突出了。

圖3 敘利亞內(nèi)戰(zhàn)前和內(nèi)戰(zhàn)中的夜光遙感影像(圖片截取自文獻[5])

圖4 敘利亞內(nèi)戰(zhàn)期間夜光時空變化模式(圖片截取自文獻[5])

我們的研究論文不僅在學術(shù)界，也在國際社會引起了廣泛關(guān)注。2015年3月11日，我們應(yīng)邀參加了英國非政府組織“危機行動”(Crisis Action)在美國華盛頓舉辦的電話新聞發(fā)布會。我們將敘利亞燈光變化的分析結(jié)果更新到2015年2月，并向全球媒體宣布了“4年的敘利亞內(nèi)戰(zhàn)導(dǎo)致了83 %的夜間燈光消失，其中阿勒頗省損失最為嚴重”等重要結(jié)論。從2015年3月12日開始，40多個國家的超過600家國際媒體對此進行報道和轉(zhuǎn)載。這些媒體不乏重量級媒體，例如美聯(lián)社、路透社、法新社、《紐約時報》、《華盛頓郵報》、《洛杉磯時報》、《泰晤士報》、《衛(wèi)報》、《費加羅報》、《科學美國人》、CNN、BBC、卡塔爾半島電視臺等各種國際主流媒體。《紐約時報》在題為“從任何角度看，敘利亞都更加黑暗” (An ever-bleaker Syria, from all vantage points)一文中寫到：“在中國武漢大學和馬里蘭大學科利奇帕克分校開展研究的李熙博士通過衛(wèi)星影像的研究發(fā)現(xiàn)，4年的敘利亞內(nèi)戰(zhàn)大規(guī)模毀滅和人口遷移導(dǎo)致了該國80 %的燈光熄滅，這是一個相當殘酷的預(yù)示?！盵6]2015年3月26日，聯(lián)合國安理會發(fā)布了敘利亞問題簡報(Security council briefing on Syria)，其中將“敘利亞燈光熄滅83 %”和其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)一并作為敘利亞人道主義災(zāi)難的主要證據(jù)，呼吁國際社會切實幫助解決敘利亞災(zāi)難。

截止到2017年，敘利亞內(nèi)戰(zhàn)仍然在殘酷地進行，但NOAA已經(jīng)停止公布DMSP/OLS夜光遙感月平均產(chǎn)品，取而代之的是公布了S-NPP/VIIRS的夜光遙感月平均產(chǎn)品。但是S-NPP/VIIRS的產(chǎn)品僅能追溯到2012年4月，因此有必要將影像特征差異較大的DMSP/OLS和S-NPP/VIIRS兩種數(shù)據(jù)進行相對校正，使其具有可比性。我們提出了一種相對輻射定標方法，提升了兩類數(shù)據(jù)的可比性，并分析了敘利亞內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)到2017年1月的燈光變化，發(fā)現(xiàn)敘利亞主要定居點的燈光減少量為79 %，其中伊德利卜省的燈光損失達到99 %。但是2016年初至2017年1月期間，敘利亞的燈光略有增加，這可能是敘利亞部分區(qū)域?；鸬慕Y(jié)果[7]?？傊治鲆构膺b感數(shù)據(jù)有助于國際社會了解敘利亞人道主義災(zāi)難的時空分布，有利于國際組織進一步加強對敘利亞難民的救援工作。

5 伊拉克研究

敘利亞內(nèi)戰(zhàn)催生了極端組織“伊斯蘭國”(Islamic State)，該組織抓住了伊拉克國內(nèi)教派沖突的機會，2014年開始在伊拉克北部攻城掠地，占領(lǐng)了包括伊拉克第二大城市摩蘇爾在內(nèi)的大量北部城鎮(zhèn)，導(dǎo)致了伊拉克北部的人道主義災(zāi)難。由于“伊斯蘭國”在其控制區(qū)域?qū)嵤埧峤y(tǒng)治，并且對外封鎖消息，使得外界難以獲得其控制區(qū)域的人道主義情況。經(jīng)濟學界一直將電力供應(yīng)作為區(qū)域發(fā)展的重要指標，因此區(qū)域內(nèi)的電力供應(yīng)及變化可以在一定程度上反映民生狀況。我們利用2014年中6個月的S-NPP/VIIRS月平均夜光遙感影像(圖5)，分析了伊拉克北部13個城市的夜間燈光變化[8]。研究發(fā)現(xiàn)，所有城市的燈光均發(fā)生減少，但不同城市的差異性較大(圖6)。為了分析不同城市的差異性，我們將這13個城市分為3類：第一類是已經(jīng)被“伊斯蘭國”占領(lǐng)的城市；第二類是被伊拉克政府軍牢牢控制的城市；第三類是在此期間內(nèi)一直處于交戰(zhàn)狀態(tài)的城市。第一類包含9個城市，夜間燈光在6個月內(nèi)均發(fā)生了銳減，其中7個城市的燈光減少比例在90 %以上；第二類包含3個城市，夜光在6個月內(nèi)的減少量處于40 %左右；第三類城市僅有一個，夜光減少量約為80 %?？偟膩碚f，就燈光減少比例而言，“伊斯蘭國”占領(lǐng)的城市＞交戰(zhàn)中的城市＞伊拉克政府軍控制的城市。這是一個很有意思的現(xiàn)象：武裝沖突會破壞一個城市的電力供應(yīng)，而當一方完全控制一座城市后，電力供應(yīng)應(yīng)該會有所恢復(fù)；但事實上，被“伊斯蘭國”已經(jīng)占領(lǐng)的城市的燈光減少量居然比正在交戰(zhàn)的城市的燈光減少量還要多，難道是“伊斯蘭國”刻意減少夜間電力供應(yīng)嗎？

圖5 “伊斯蘭國”占領(lǐng)伊拉克北部前后的燈光變化(圖片截取自文獻[8])

為了解釋這一現(xiàn)象，我們研究了“伊斯蘭國”在敘利亞的情況。我們發(fā)現(xiàn)該組織2013年在占領(lǐng)敘利亞的拉卡市(后來該城市成為該組織的政權(quán)中心)后，并沒有明顯降低城市的夜間燈光，甚至在部分月份有所回升。這間接證明了“伊斯蘭國”不太可能刻意將夜間的照明設(shè)施關(guān)閉，而也有資料表明“伊斯蘭國”在不斷修復(fù)所控制區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施。是什么因素導(dǎo)致“伊斯蘭國”在伊拉克北部控制區(qū)一片黑暗呢？我們查閱資料后發(fā)現(xiàn)，伊拉克政府為了制裁“伊斯蘭國”刻意切斷了北部區(qū)域的電力供應(yīng)，這才是“伊斯蘭國”控制區(qū)域陷入黑暗的原因。誠然，通過切斷電力供應(yīng)的方式能夠一定程度打擊“伊斯蘭國”的實力，但區(qū)域內(nèi)的無辜百姓也同樣面臨缺電的困境，特別是公共衛(wèi)生設(shè)施缺電會導(dǎo)致醫(yī)療水平顯著下降。

圖6 伊拉克北部13座城市在“伊斯蘭國”入侵期間的燈光變化柱狀圖(圖片截取自文獻[8]；Contested表示伊拉克政府軍和“伊斯蘭國”爭奪中的城市，ISF表示伊拉克政府軍控制的城市，ISIS表示“伊斯蘭國”控制的城市)

6 結(jié)論與展望

評估人道主義災(zāi)難一直是聯(lián)合國和非政府組織關(guān)注的重要問題。夜光遙感從獨特的角度反映人類社會經(jīng)濟活動，因此能夠從宏觀角度反映人道主義災(zāi)難的情況。我們的研究證實夜光遙感技術(shù)在全球和區(qū)域尺度均可以用來評估人道主義災(zāi)難，特別是對于國際社會關(guān)注敘利亞人道主義災(zāi)難發(fā)揮了重要作用，較好地補充了統(tǒng)計數(shù)據(jù)和地面調(diào)查信息的不足。目前，我們主要基于月數(shù)據(jù)開展夜光遙感的人道主義災(zāi)難評估。雖然該類型的數(shù)據(jù)可以在宏觀尺度反映人道主義災(zāi)難的社會經(jīng)濟影響，但是對于正在發(fā)生的事件，存在至少一個月的滯后期，同時也無法獲取一個月內(nèi)的變化信息。如果要解決這一問題，必須依賴于夜光遙感日數(shù)據(jù)開展更為精確的評估和監(jiān)測活動。雖然這樣的研究工作已經(jīng)開展[2]，但是由于夜光遙感日數(shù)據(jù)存在輻射質(zhì)量等問題，需要更加精確的數(shù)據(jù)處理方法才能有效挖掘夜光遙感日數(shù)據(jù)中蘊含的社會經(jīng)濟信息。當然，夜光遙感技術(shù)本身對于評估人道主義災(zāi)難也存在一定的局限性：對于極端貧窮的區(qū)域而言，夜間燈光量在正常時期本來就很少甚至沒有，因此這些區(qū)域的夜間燈光對于人道主義災(zāi)難的響應(yīng)程度很低。在這些區(qū)域開展人道主義災(zāi)難的評估，需要更多地依賴于日間成像的高分辨率遙感數(shù)據(jù)。

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