基于DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的新疆1992—2013年能源消費(fèi)研究

范小晶， 張永福， 程珍珍

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046； 2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046)

0 引言

我國國土廣袤，能源資源儲(chǔ)量豐富，但人口基數(shù)龐大，造成人均儲(chǔ)量低的現(xiàn)狀。而且，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)各方面迅速發(fā)展，能源需求量也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年底全國煤炭人均占有量約84.1 t、石油人均占有量1.8 t、天然氣人均占有量2 045 m3，均未達(dá)到世界平均水平[1]。因此及時(shí)有效地掌握我國以及各地區(qū)能源消費(fèi)總量的空間化演變特征，準(zhǔn)確地預(yù)測分析能源消費(fèi)總量情況，在國家以及各地區(qū)制定相關(guān)政策制度，保障能源安全有效應(yīng)用方面具有重要意義。

夜間燈光數(shù)據(jù)被廣泛地運(yùn)用于各個(gè)研究領(lǐng)域。在能源消費(fèi)方面Welch[2]最早研究了1980年美國行政區(qū)范圍內(nèi)的夜間燈光數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了燈光面積與能源消費(fèi)間的關(guān)系； 1997年Elvidge等[3]研究了美國、巴西等21個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同國家的夜間燈光數(shù)據(jù)，得到燈光面積與能源消費(fèi)之間的相關(guān)性公式； 之后Chand等[4]、Amaral等[5]、Doll[6]、Letu等[7]、Takashima等[8]均在運(yùn)用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)研究電力資源消費(fèi)量與其線性關(guān)系以及空間化方面也做出了不同貢獻(xiàn)。在國內(nèi)，吳建生等[9]結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了夜間燈光總DN值和能源消費(fèi)總量間的線性相關(guān)性，并模擬了一定時(shí)間內(nèi)的時(shí)空演變； 李通等[10]在2011年模擬構(gòu)建了中國1995—2008年間的能源消費(fèi)空間格局； 吳耀文等[11]運(yùn)用回歸模型及夜間燈光數(shù)據(jù)預(yù)測了湖北的能源消費(fèi)動(dòng)態(tài)需求； 楊續(xù)超等[12]綜合夜間燈光數(shù)據(jù)和植被指數(shù)，修正人居指數(shù)并建立了能源消費(fèi)空間模型； 之后Zhao[13]等、蘇泳嫻[14]等、王琪等[15]在構(gòu)建預(yù)測能源消費(fèi)空間化模型方面做了許多不同的研究。

目前能源消費(fèi)數(shù)據(jù)的獲取主要來源于統(tǒng)計(jì)年鑒，而有些省級(jí)統(tǒng)計(jì)年鑒中只有省(市、自治區(qū))級(jí)的數(shù)據(jù)，缺少地州市級(jí)的數(shù)據(jù)，新疆就是如此。因此在GIS和RS技術(shù)的支持下結(jié)合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對新疆1992—2013年間的能源消費(fèi)進(jìn)行空間化研究，利用相關(guān)分析構(gòu)建模擬模型，并對其進(jìn)行降尺度處理從而獲取了地州市級(jí)的能源消費(fèi)情況。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于亞歐大陸腹地中緯地帶，經(jīng)緯度處于N34°25′～49°11′，E73°40′～96°18′之間，屬于干旱半干旱氣候地區(qū)，氣象要素分布不均，是生態(tài)環(huán)境脆弱及敏感區(qū)域。該區(qū)地形情況復(fù)雜，高山、平原和盆地相互交雜，沙漠與綠洲共存。新疆能源儲(chǔ)備量相對豐富，改革開放以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展。自20世紀(jì)90年代優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略實(shí)施起，能源的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。尤其是“一帶一路”倡議出臺(tái)以來，新疆經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，能源需求量顯著增大，造成能源消費(fèi)與城市發(fā)展之間的矛盾不斷加深。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源

從美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站上下載1992—2013年間的DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光(http: //www.ngdc.noaa.gov/)。能源消費(fèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自于1992—2014年間《新疆維吾爾族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》。從國家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)(http: //www.ngcc.cn/)獲取中國1∶400萬數(shù)據(jù)庫中行政區(qū)面狀數(shù)據(jù)。

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)由美國國防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program)搭載的OLS(operational linescan system)傳感器自1976年9月開始獲取。該傳感器不僅能觀測星下云層情況，還能同時(shí)監(jiān)測到地表城市燈光、火光以及水上漁船燈光等發(fā)射出的電磁波[2]。前期OLS傳感器主要基于較弱燈光獲取穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品； 后期針對缺乏燈光強(qiáng)度信息這一缺點(diǎn)，進(jìn)行了輻射標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，還可以獲得經(jīng)輻射定標(biāo)的夜間燈光數(shù)據(jù)。研究采用的是1992—2013年間的DMSP/OLS非輻射定標(biāo)夜間平均燈光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，空間分辨率為30″，DN值范圍是0～63，DN值和燈光強(qiáng)度成正比，涉及6個(gè)傳感器(表1)。為消除不同傳感器帶來的誤差，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。

表1 夜間燈光數(shù)據(jù)傳感器Tab.1 Sensors involved in DMSP/OLS

1.2.2 夜間燈光數(shù)據(jù)修正

首先，使用新疆行政區(qū)界線面狀數(shù)據(jù)裁剪全球范圍的夜間燈光數(shù)據(jù)； 然后，統(tǒng)計(jì)裁剪后的DN總值，形成新疆1992—2013年間的DN總值數(shù)據(jù)。由于獲取數(shù)據(jù)涉及的傳感器不同，且各年份之間數(shù)據(jù)與各傳感器同一年份數(shù)據(jù)之間都存在一定差異，通過分析1992—2013年間新疆的夜間燈光數(shù)據(jù)屬性發(fā)現(xiàn)以下問題(圖1(a))： ①理論上隨著時(shí)間推移，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，DN總值應(yīng)該逐年遞增，但是出現(xiàn)了局部下降的情況，如2002—2003年； ②不同傳感器同一年份數(shù)據(jù)誤差較大，其中最明顯的是F14與F12和F15之間的差異。

(a) 修正前(b) 修正后

圖11992—2013年間新疆夜間燈光數(shù)據(jù)DN總值修正前后對比

Fig.1ComparisonoftotalDNvalueofnightlightdatabeforeandaftercorrectionfrom1992to2013inXinjiang

為了消除這些誤差，使數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。首先,進(jìn)行重分類，將數(shù)據(jù)按DN值分為0和1—632類; 然后，得到1992—2013年間新疆全區(qū)夜間燈光數(shù)據(jù)DN總值(圖1(b))。

近年來，新疆城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，社會(huì)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，因此可以認(rèn)為新疆的燈光亮度總值是在不斷增加的，就具體像元而言，前一年出現(xiàn)的亮值像元在后一年也應(yīng)該繼續(xù)出現(xiàn)。這類亮值像元可視為正常像元，否則就為誤差像元，需要予以去除[16-17]。按照這個(gè)思路將新疆全區(qū)亮值像元矢量化，并對其進(jìn)行簡化，從而得到長時(shí)間序列的矢量數(shù)據(jù)。

為了消除不同年份之間的誤差，對不同傳感器同一年份的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析，排除差異亮值像元，獲得正常的像元。接著以2013年的矢量數(shù)據(jù)與2012年數(shù)據(jù)進(jìn)行相交分析，用得出的面狀矢量數(shù)據(jù)邊界對2012的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪獲得2012年的正常亮值像元。進(jìn)而，最終得到新疆1992—2013年的夜間燈光數(shù)據(jù)集。

為了消除同一年份不同傳感器之間的差異，進(jìn)行DN值平均化，得到消除誤差后的DN總值，即

(1)

式中：DN(x)c為校正后的像元x的DN值；DNa(x)和DNb(x)分別為傳感器a和b像元x的DN值。

1.2.3 夜間燈光數(shù)據(jù)修正后數(shù)據(jù)提取

根據(jù)修正后的新疆1992—2013年間的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺(tái)上分別計(jì)算出新疆每年的燈光亮度DN總值G、燈光面積S和平均燈光強(qiáng)度I，表達(dá)式分別為

(2)

(3)

(4)

式中：DNx為第x級(jí)像元的亮度值；Nx為第x級(jí)亮度的像元總個(gè)數(shù)；Nz為第z級(jí)像元的個(gè)數(shù)；Area為新疆行政區(qū)總面積；N為行政區(qū)內(nèi)所有燈光像元總個(gè)數(shù)。

2 研究方法

2.1 夜間燈光數(shù)據(jù)與能源消費(fèi)總量相關(guān)性分析

為了發(fā)現(xiàn)各個(gè)要素之間的相關(guān)性，并分析要素之間的相關(guān)程度，故進(jìn)行相關(guān)分析[18-19]。相關(guān)系數(shù)值范圍為[-1，1]，值大于0表示要素間正相關(guān)，值越大則相關(guān)性越強(qiáng)； 值小于0表示要素間負(fù)相關(guān)，值越小則負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)值不在[-1，1]之間或者等于0時(shí)，表示要素之間不相關(guān)[20]。對DN總值、燈光面積、平均燈光強(qiáng)度與能源消費(fèi)總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)分析，如圖2所示。

圖2 夜間燈光數(shù)據(jù)及能源消費(fèi)總量相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis of night light data and energy consumption data

夜間燈光數(shù)據(jù)的DN總值、燈光面積、平均燈光強(qiáng)度之間決定系數(shù)分別為0.947 6、0.977 8和0.267 2。由此可以看出燈光面積與夜間燈光DN總值相關(guān)性較高，且通過了0.001的顯著性水平，可用于能源消費(fèi)的空間化建模研究。

2.2 能源消費(fèi)總量及夜間燈光數(shù)據(jù)回歸分析

從相關(guān)分析中得知，平均燈光強(qiáng)度和能源消費(fèi)之間相關(guān)性不高，故本文將其排除，僅以總DN值、燈光面積2個(gè)指標(biāo)為自變量，先分別進(jìn)行以燈光面積為變量的一元回歸分析、以DN總值和燈光面積為變量的二元回歸分析，再分析各種回歸分析的模型精度，最后找到能最優(yōu)化模擬能源總量消費(fèi)數(shù)據(jù)的模型。

2.2.1 一元回歸分析

在以往的研究中一般都使用直線、反函數(shù)、復(fù)合曲線和對數(shù)等模型進(jìn)行回歸分析。為了獲取符合新疆特點(diǎn)及實(shí)際情況的模型，針對燈光面積和新疆1992—2013年間的能源消費(fèi)量進(jìn)行多種一元回歸分析，包括一元線性回歸模型、擬合二次函數(shù)模型、擬合三次函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型、對數(shù)函數(shù)模型和冪函數(shù)模型，再根據(jù)分析結(jié)果選取最適合新疆實(shí)際情況的模型。

(a) 線性函數(shù)(b) 二次函數(shù)(c) 三次函數(shù)

(d) 指數(shù)函數(shù)(e) 對數(shù)函數(shù)(f)冪函數(shù)

圖3一元回歸分析

Fig.3Onedimensionalregressionanalysisofnightlightdataandenergyconsumptiondata

由圖3可見，對新疆1992—2013年能源消費(fèi)總量和燈光面積進(jìn)行回歸擬合分析，顯示線性、二次、三次、指數(shù)、對數(shù)和冪函數(shù)的相關(guān)性都比較高，同時(shí)可以看出其中三次函數(shù)的相關(guān)程度在所有函數(shù)中最高，其決定系數(shù)R2=0.981 7。根據(jù)三次函數(shù)模擬構(gòu)建新疆能源消費(fèi)總量E模型為

E=0.310 8S-0.003 7S2+3×10-5S3+0.242 1。

(5)

2.2.2 多元回歸分析

依據(jù)能源消費(fèi)數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)相關(guān)分析的結(jié)果選取DN總值和燈光面積2個(gè)變量作為二元回歸分析的自變量，分析得其決定系數(shù)R2=0.984。并建立了新疆能源消費(fèi)總量的多元回歸模型公式為

E=0.315S-0.006G+1 312.824。

(6)

2.3 新疆各地州市級(jí)能源消費(fèi)總量空間化模型建立

新疆1992—2013年間的能源消費(fèi)數(shù)據(jù)來自自治區(qū)級(jí)的統(tǒng)計(jì)年鑒，然而各地州市級(jí)能源消費(fèi)的統(tǒng)計(jì)比較困難，在各地州市級(jí)統(tǒng)計(jì)年鑒中幾乎沒有這類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此利用模擬模型對各個(gè)地州市級(jí)進(jìn)行能源消費(fèi)量的反演。

假設(shè)DN總值和燈光面積在反演能源消費(fèi)總值的過程中權(quán)重相同且2個(gè)變量在新疆全區(qū)的占比平均值相同(即各地州市能源消費(fèi)總量占新疆全區(qū)能源消費(fèi)總量的比值)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各地州市DN總值占新疆范圍內(nèi)總DN值的比例與各地州市燈光面積占新疆范圍內(nèi)總燈光面積的比例，取其平均值即為各地州市能源消費(fèi)總量占比，將反演新疆全區(qū)能源的多元回歸模型公式進(jìn)行修改，按各地州占新疆全區(qū)能源消費(fèi)總量比例即可建立新疆地州市級(jí)能源消費(fèi)空間化模型。

通過分別獲取新疆1992—2013年間各地州市各年的夜間燈光數(shù)據(jù)DN總值和夜間燈光面積，再運(yùn)用降尺度處理過的模型推算新疆各地州市的能源消費(fèi)總量模擬值，并分析各地州市的能源消費(fèi)總量的時(shí)空特點(diǎn)，其表達(dá)式為

(7)

式中：Ex為新疆x地州市的能源消費(fèi)總量的模擬值；DNx和DNz分別為不同地州市每年的DN總值和新疆全區(qū)每年的DN總值；Sx和Sz分別為不同地州市每年的燈光面積和新疆全區(qū)每年的燈光面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 夜間燈光數(shù)據(jù)與能源消費(fèi)總量相關(guān)性分析及精度檢驗(yàn)

使用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源為《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》的21 a間的能源消費(fèi)量，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 一元與多元回歸分析精度檢驗(yàn)Tab.2 Accuracy test of one dimensional and multiple regression analysis model

由表2可知，一元回歸模型模擬的新疆1992—2013年能源消費(fèi)總量統(tǒng)計(jì)值和模擬值2個(gè)值之間的相對誤差有16個(gè)年份小于10%，剩余年份都小于20%。其中相對誤差最小為1997年的0.03%，最大為1992年的-19.53%。二元回歸模擬模型分析得出的相對誤差都小于11%，其中共有20個(gè)年份的誤差都在10%之下，且誤差最小為1992年的0.80%，最大為2000年的10.95%。

3.2 能源消費(fèi)總量模擬精度分析

由于無法通過一元回歸模擬值及多元回歸模擬值的相對誤差，來判斷哪個(gè)模型的精度比較高，故通過2種模型的平均誤差(對相對誤差值取絕對值后的均值)以及擬合度來判斷哪個(gè)模型公式更為適合。分析得出一元回歸的平均誤差和擬合度分別為8.48%和0.982，二元回歸分析的平均誤差和擬合度分別為5.18%和0.984?？梢钥闯龆貧w分析的精度比較高，更適當(dāng)于進(jìn)行新疆能源消費(fèi)總量的研究。

3.3 新疆地州市級(jí)能源消費(fèi)總量空間化模型精度檢驗(yàn)

采用新疆各年各地州市的能源消費(fèi)總量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來進(jìn)行空間化模型精度的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3，其中空間化相加數(shù)據(jù)為本文構(gòu)建降尺度模型計(jì)算各地州市能源消費(fèi)總量的新疆全區(qū)總和。

表3 新疆能源消費(fèi)空間化成果檢驗(yàn)Tab.3 Xinjiang energy consumption spatialization achievement check

3.4 新疆各地州市級(jí)能源消費(fèi)總量空間分布

將模擬的能源消費(fèi)總量進(jìn)行矢量化及空間化，假設(shè)能源消費(fèi)呈線性增長，計(jì)算1992—2013年間新疆各地州市能源消費(fèi)總量的年均值，得到新疆能源消費(fèi)的分布(圖4)。并采用標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法(表4)對能源消費(fèi)總量的年均值進(jìn)行分級(jí)，將新疆各地州市的能源消費(fèi)總量按標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)等級(jí)，分析得到新疆各地州市1992—2013年間的年均能源消費(fèi)總量空間格局(圖5)。

圖4新疆1992—2013年間各地州市能源消費(fèi)量模擬數(shù)據(jù)分布
Fig.4EnergyconsumptionsimulationdatadistributioninXinjiangfrom1992to2013

表4 能源消費(fèi)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Xinjiang energy consumption classification standard

①E為新疆1992—2013年間各地州市年均能源消費(fèi)量；s為標(biāo)準(zhǔn)差。

圖5 1992—2013年新疆各地州市能源消費(fèi)總量等級(jí)分布Fig.5 Energy consumption level simulation diagram in Xinjiang from 1992 to 2013

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)與新疆能源消費(fèi)總量的一元回歸與多元回歸分析,構(gòu)建新疆1992—2013年間的能源消費(fèi)總量的空間化模擬模型、用模擬模型降尺度反演新疆地州市級(jí)能源消費(fèi)，得到如下結(jié)論：

1)DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)中的DN總值和燈光面積均與新疆的能源消費(fèi)總量存在較高的正相關(guān)性，其中燈光面積的相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)，決定系數(shù)R2為0.981 7。

2)對比所構(gòu)建的新疆1992—2013年間的能源消費(fèi)總量一元及多元模擬模型的模擬精度得出，以亮度總值和燈光面積為自變量的多元回歸分析建立的模型精度較高，其決定系數(shù)R2為0.984，更適合于研究新疆的能源消費(fèi)總量的時(shí)空變化。

3)使用降尺度處理過的空間化模擬模型反演新疆1992—2013年間的各地州市能源消費(fèi)總量，模擬值的精度較整個(gè)新疆維吾爾族自治區(qū)的模擬精度只降低了0.01%，對整體的影響較小。

4)新疆的能源消費(fèi)主要集中在昌吉回族自治州、烏魯木齊市、巴音郭楞蒙古自治州、塔城地區(qū)和喀什地區(qū)5個(gè)地州市，其中烏魯木齊作為新疆的首府能源消費(fèi)量的增長是迅速的，而昌吉回族自治州因?yàn)榕R近首府烏魯木齊，又在烏昌一體化的帶動(dòng)下，與烏魯木齊相鄰地帶發(fā)展迅速，造成能源消費(fèi)量巨大。

4.2 討論

由于新疆的能源消費(fèi)總量處在持續(xù)增長中，且能源消費(fèi)總量和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展呈正相關(guān)，因此能源消費(fèi)與能源供給之間的矛盾是在與日俱增，及時(shí)有效地獲取能源消費(fèi)總量的時(shí)空變化，對制定相關(guān)計(jì)劃是十分重要的。

利用DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)及新疆的能源消費(fèi)總量進(jìn)行相關(guān)分析的研究，構(gòu)建了新疆能源消費(fèi)總量時(shí)空變化模擬模型，但受到夜間燈光數(shù)據(jù)精度的影響及分析方法的選取，還存在許多需要完善的地方： ①夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率在1 km左右，相對其他影像數(shù)據(jù)而言比較低，并且不同傳感器及不同年份之間的數(shù)據(jù)存在誤差。雖然本文對這些誤差進(jìn)行了處理，但是不能完全排除這些誤差的影響； ②夜間燈光數(shù)據(jù)存在溢出現(xiàn)象，且燈光亮度取值范圍有限，這就意味著一些實(shí)際亮度值較大的地方會(huì)出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象，會(huì)影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性。這種現(xiàn)象在本研究中得到了體現(xiàn)，如昌吉回族自治州的能源消費(fèi)量在反演中成為消耗量最大的城市，甚至比烏魯木齊市還要高許多。當(dāng)然烏昌一體化造成昌吉回族自治州和烏魯木齊市接壤處建設(shè)迅速發(fā)展，且實(shí)際發(fā)展并不按行政界線劃分，數(shù)據(jù)中兩州市間的邊界顯得模糊是原因之一； 而更主要的是燈光溢出現(xiàn)象造成一些本屬于烏魯木齊市的燈光亮度在研究中被當(dāng)作是昌吉回族自治州的，同時(shí)烏魯木齊市范圍內(nèi)許多實(shí)際亮度值高的點(diǎn)受到亮度值取值范圍的限制沒有得到完全反映，從而造成了烏魯木齊市的夜間燈光數(shù)據(jù)比實(shí)際值低的情況。因此消除這方面的誤差在今后的研究中應(yīng)得到重視。