珞珈一號(hào)新型夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用潛力分析

鐘 亮，劉小生

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

夜間燈光數(shù)據(jù)是指衛(wèi)星在夜間拍攝的地表亮度輻射值影像，最初由美國國防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program,DMSP)搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(operational linescan system,OLS)拍攝。隨著夜間燈光數(shù)據(jù)研究的發(fā)展，研究人員普遍發(fā)現(xiàn)夜間燈光與人類空間活動(dòng)有著密切的關(guān)系[1-2]，特別是在宏觀經(jīng)濟(jì)及人口動(dòng)態(tài)等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。隨后美國發(fā)射了具有更高分辨率的夜間燈光遙感衛(wèi)星，即Suomi國家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(Suomi national polar-orbiting partnership,SNPP)，其搭載的可見光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)比OLS探測(cè)器高了6倍的空間分辨率及250倍的光感能力，且解決了亮度值過飽和問題[5-6]，使拍攝的夜間燈光影像具有更高的真實(shí)度和更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，這兩種夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類空間活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域[7-12]，并在學(xué)術(shù)界表現(xiàn)出較高的影響力。

2018年6月2日，由武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同研發(fā)制作的珞珈一號(hào)(LJ1-01)成功發(fā)射升空。珞珈一號(hào)是全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星，也是目前國際上第3顆具備夜間燈光數(shù)據(jù)拍攝能力的衛(wèi)星，彌補(bǔ)了我國在夜間燈光數(shù)據(jù)獲取方面的不足，具有重要的歷史意義及研究?jī)r(jià)值。2018年6月4日在武漢監(jiān)測(cè)站成功接收首張夜間燈光影像后，珞珈一號(hào)至今正持續(xù)穩(wěn)定地傳回全球范圍的遙感影像。

由于衛(wèi)星軌道及傳感器差異，不同衛(wèi)星拍攝的夜間燈光影像表現(xiàn)出不同的特征[13]。為了解珞珈一號(hào)新型夜間燈光影像的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及應(yīng)用潛力，本文選擇北京市作為研究范圍，將其與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)在衛(wèi)星參數(shù)、數(shù)據(jù)特征和數(shù)據(jù)噪聲方面進(jìn)行多層次的對(duì)比分析，之后將去噪處理后的珞珈一號(hào)夜間燈光與人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在說明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值及潛力。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選取北京市全市范圍，包含16個(gè)行政區(qū)的子級(jí)范圍。以北京市作為研究區(qū)域一方面是其具有地域代表性，另一方面是因?yàn)楸本┦幸归g燈光的光量豐富，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)能充分體現(xiàn)出不同數(shù)據(jù)之間的特征差異情況。

夜間燈光數(shù)據(jù)采用珞珈一號(hào)衛(wèi)星在2018年7月31號(hào)成像的北京市范圍的影像(數(shù)據(jù)由“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用網(wǎng)”提供)和美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的2018年7月的月平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)。圖1分別為SNPP-VIIRS及珞珈一號(hào)夜間燈光范圍，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)兩種影像均存在背景噪聲。為了提取有效燈光值，本文利用掩膜法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，由于年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)過NOAA官方處理，噪聲值已降至最低水平，且NOAA提供了2015和2016年兩版的全球年平均數(shù)，因此本文利用2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)作為去噪的掩膜數(shù)據(jù)[14]。人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)由北京市統(tǒng)計(jì)局提供，由于2018年上半年各區(qū)GDP數(shù)據(jù)暫未更新，本文GDP數(shù)據(jù)采用北京市2018年第一季度各行政區(qū)數(shù)據(jù)，人口數(shù)據(jù)以北京市各行政區(qū)常住人口為標(biāo)準(zhǔn)。

2 分析方法

2.1 參數(shù)對(duì)比

珞珈一號(hào)與SNPP-VIIRS在參數(shù)方面大為不同，具體參數(shù)見表1。SNPP是美國計(jì)劃用于21世紀(jì)監(jiān)測(cè)全球環(huán)境的衛(wèi)星項(xiàng)目，包括大氣、海洋、陸地及近太空環(huán)境的監(jiān)測(cè)[15]。SNPP衛(wèi)星項(xiàng)目由5個(gè)不同類型的傳感器組成：臭氧剖面制圖儀(ozone mapper profiler suite，OMPS)、高級(jí)微波探測(cè)器(advanced technology microwave sounder，ATMS)、可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)、云和地球輻射能量系統(tǒng)(cloud and the Earth’s radiant energy system，CERES)及紅外探測(cè)器(cross-track infrared sounder，CrIS)。其中， SNPP-VIIRS僅為SNPP的一個(gè)子項(xiàng)目，其拍攝的夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率中等，無法滿足更高精度的應(yīng)用要求。珞珈一號(hào)衛(wèi)星采用了大相對(duì)孔徑像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、異形遮光罩雜光抑制、大像元高靈敏成像器件等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了高靈敏大動(dòng)態(tài)范圍夜間燈光成像技術(shù)，致力于提供全球范圍的高精度與高分辨率的夜間燈光遙感影像。

SNPP-VIIRS屬于近極地太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道高度為824 km，可拍攝全球范圍的夜間燈光影像，一天內(nèi)可觀測(cè)地表兩次，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間較快。珞珈一號(hào)屬于極地軌道衛(wèi)星，軌道高度為645 km，具有全球范圍數(shù)據(jù)拍攝能力，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間相對(duì)較慢，理想條件下可在15 d內(nèi)繪制完成全球范圍夜間燈光影像，數(shù)據(jù)分辨率是前者的4倍，因而能夠滿足更高精度的應(yīng)用要求。

表1 珞珈一號(hào)與SNPP-VIIRS夜間燈光參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)分析

分析上述參數(shù)可知，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率達(dá)130 m，其在空間尺度分析方面具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步了解珞珈一號(hào)夜間燈光與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的差異，本文將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行了多層次對(duì)比。圖2分別為SNPP-VIIRS與珞珈一號(hào)北京市局部范圍的夜間燈光數(shù)據(jù)。從圖2(a)可看出，SNPP-VIIRS夜間燈光分辨率較差，勉強(qiáng)可區(qū)分城市邊界，無法更細(xì)致地表達(dá)城市內(nèi)部情況；從圖2(b)可看出，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)具有明顯的城市結(jié)構(gòu)分布，能夠明顯地區(qū)分城市范圍，甚至道路及大面積房屋的分布。

此外，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)還具有更加精細(xì)的數(shù)值特征(如圖3所示)，兩種夜間燈光影像輻射值的單位不同導(dǎo)致兩者數(shù)據(jù)同一時(shí)間相同區(qū)域的夜間燈光數(shù)值不同。其中，SNPP-VIIRS夜間燈光輻射值的數(shù)量級(jí)為1E2，而珞珈一號(hào)夜間燈光輻射值的數(shù)量級(jí)達(dá)到1E6，其對(duì)夜間燈光強(qiáng)度的識(shí)別精度達(dá)到了前者的4倍，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)在橫向空間和縱向空間的分辨率都遠(yuǎn)優(yōu)于前者。目前SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)在建成區(qū)提取、城市擴(kuò)張識(shí)別及城市不透水面提取方面應(yīng)用廣泛，并取得了較好的成果；而更高分辨率的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)能夠顯示出更優(yōu)異的城市細(xì)節(jié)特征，表明其在上述領(lǐng)域能夠有更加深入的應(yīng)用。

2.3 噪聲分析

夜間燈光影像在拍攝時(shí)會(huì)受到云層、月光照射、大氣折射、極光等因素的干擾，導(dǎo)致拍攝的夜間燈光影像存在不同程度的噪聲[16]。其中，NOAA在提供SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)時(shí)已明確指出月平均無云版本的夜間燈光影像包含眾多背景噪聲及雜光值，在使用之前需要對(duì)其進(jìn)行去噪處理。通過對(duì)北京市SNPP-VIIRS夜間燈光不同輻射值之間的數(shù)量關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，DN值在(0,1)之間的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(1,DNmax)的數(shù)量，如圖4(a)所示，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在市級(jí)范圍以上的夜間燈光影像中均存在此類規(guī)律。

考慮夜間燈光影像受眾多因素的影響，背景噪聲會(huì)隨機(jī)分布在影像的各個(gè)柵格點(diǎn)上，對(duì)于大面積影像，噪聲點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)大于城市燈光點(diǎn)的數(shù)量，因此本文將夜間燈光DN數(shù)量關(guān)系中的斷點(diǎn)值判斷為噪聲點(diǎn)與非噪聲點(diǎn)的近似臨界值，如圖4(a)所示北京市SNPP-VIIRS夜間燈光噪聲點(diǎn)臨界值為0.92。根據(jù)上述方法對(duì)珞珈一號(hào)夜間燈光影像進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，珞珈一號(hào)夜間燈光影像與SNPP-VIIRS夜間燈光影像中的DN數(shù)量分布關(guān)系相似(如圖4(b)所示)，且斷點(diǎn)值更加明顯，北京市珞珈一號(hào)夜間燈光噪聲值臨界點(diǎn)為718.80，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)具有相同的噪聲分布規(guī)律，去噪時(shí)可采用與SNPP-VIIRS夜間燈光相似的去噪方法進(jìn)行處理。

3 珞珈一號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用精度結(jié)果與分析

夜間燈光數(shù)據(jù)與人口及GDP數(shù)據(jù)的高相關(guān)性表明[17-18]，利用夜間燈光與GDP及人口數(shù)據(jù)的相關(guān)程度可以檢驗(yàn)其在人類活動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用精度。因此，為了驗(yàn)證珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用精度，本文將北京市各行政區(qū)的夜間燈光總量與相應(yīng)的GDP及人口數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而說明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力。根據(jù)數(shù)據(jù)的噪聲分析可知，原始的夜間燈光數(shù)據(jù)存在大量背景噪聲，本文采用目前較為通用的掩膜法對(duì)其進(jìn)行去噪處理，并利用北京市2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光作為掩膜數(shù)據(jù)，方法是將掩膜數(shù)據(jù)中存在亮度值的柵格按行列號(hào)進(jìn)行編號(hào)，提取待去噪的影像中相同編號(hào)柵格的亮度值，從而達(dá)到提取有效燈光而隔除噪聲的目的。北京市各行政區(qū)去噪后的珞珈一號(hào)和SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)總亮度值見表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分別與各行政區(qū)的人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示。由回歸模型可看出，北京市范圍的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.835 7，與GDP相關(guān)系數(shù)為0.731 1；而SNPP-VIIRS夜間燈光與人口數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.768 4，與GDP相關(guān)性最低僅為0.680 8。此外，兩種夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP的相關(guān)性都低于與人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性，一方面可能是由于去噪方法過于單一，噪聲無法完全去除；另一方面是北京市第一二產(chǎn)業(yè)占比較高，而夜間燈光數(shù)據(jù)無法有效地反映出第一二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展變化，因此夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關(guān)性較低。

表2 北京市各行政區(qū)珞珈一號(hào)和SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)總亮度值

地區(qū)SNPP-VIIRS(×104)LJ1-01(×106)昌平區(qū)2.07341.7922朝陽區(qū)8.27855.1166大興區(qū)4.03871.6630東城區(qū)3.18280.6199房山區(qū)2.95300.8892豐臺(tái)區(qū)4.50382.5474海淀區(qū)5.28753.8729懷柔區(qū)1.40520.2947門頭溝區(qū)0.85650.2451密云區(qū)1.47290.1369平谷區(qū)1.04800.1637石景山區(qū)1.00102.0053順義區(qū)4.54761.8844通州區(qū)3.69240.7731西城區(qū)3.35971.9890延慶區(qū)0.61550.1636

結(jié)合上述分析，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP及人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)能夠更加有效地反映出人類空間活動(dòng)特征，其在人類空間活動(dòng)領(lǐng)域有更大的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用潛力，可為人類可持續(xù)開展作出更長(zhǎng)遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。目前珞珈一號(hào)高分辨率夜間燈光數(shù)據(jù)更新范圍有限，還未達(dá)到全球覆蓋水平，在夜間燈光高密度地區(qū)(如北美、歐洲、東亞、中東等)覆蓋范圍較廣。隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)更新，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)也將會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)全球范圍覆蓋。

4 結(jié) 語

本文基于北京市范圍的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)，與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)比較、數(shù)據(jù)特征對(duì)比分析、數(shù)據(jù)噪聲對(duì)比分析及應(yīng)用精度對(duì)比。結(jié)果表明，珞珈一號(hào)夜間燈光在數(shù)據(jù)空間分辨率、數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)特征及燈光強(qiáng)度識(shí)別精度方面優(yōu)于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，且與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)具有相同的噪聲分布規(guī)律。此外，通過對(duì)兩種數(shù)據(jù)與GDP及人口的相關(guān)性分析表明，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP及人口數(shù)量的相關(guān)性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，說明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)在人類空間活動(dòng)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。