夜光遙感數(shù)據(jù)應用述評與展望

鄭淵茂，何原榮，王曉榮，高元衡

(1.廈門理工學院 數(shù)字福建自然災害監(jiān)測大數(shù)據(jù)研究所，福建 廈門 361024；2.中國科學院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021；3.桂林旅游學院，廣西 桂林 541006)

0 引言

在經(jīng)濟全球化的背景下，夜間燈光的強弱直接反映人類活動區(qū)域的社會發(fā)展進程。基于夜間燈光遙感數(shù)據(jù)視角，國內(nèi)外學者在城市外部空間結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)在社會經(jīng)濟發(fā)展的改變方面開展了不少研究。夜間燈光(nighttime light，NTL)遙感可直接反映人類的社會經(jīng)濟活動，因為來自城市、城鎮(zhèn)、工業(yè)場所、漁船和其他人類活動的人造光在夜間均被記錄下來[1]。夜光遙感是利用遙感技術(shù)從空中獲取地球表面的夜間光線強度信息，其來源是1976年9月美國發(fā)射的軍事氣象衛(wèi)星計劃(defense meteorological satellite program，DMSP)搭載的傳感器(operational linescan system，OLS)，該計劃最初為獲取夜間云層反射的微弱月光，來提取夜間云層的空間分布信息，意外發(fā)現(xiàn)DMSP/OLS在無云情況下可獲取城鎮(zhèn)、夜間漁船、天然氣燃燒、閃電及火光等地表活動信息[2]。與主要用來監(jiān)測地表變化的普通遙感衛(wèi)星影像相比，夜光遙感更多地反映以人類社會經(jīng)濟活動為中心的觀測，夜光遙感數(shù)據(jù)的空間覆蓋范圍廣、成像周期短、經(jīng)濟成本低，可快速、準確、客觀地獲取地球地表和人類活動信息。

目前，在國際上有2種常用的能夠觀測夜光數(shù)據(jù)的遙感衛(wèi)星：一種是國防氣象衛(wèi)星項目的業(yè)務線掃描系統(tǒng)(DMSP/OLS)；另一種是Suomi國家極軌合作伙伴(Suomi national polar-orbit partnership，S-NPP)衛(wèi)星上搭載的可見光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite，VIIRS)。DMSP/OLS在夜間工作可探測到地球表面的城鎮(zhèn)燈光、閃電及火光等活動信息，與黑暗的鄉(xiāng)村背景在影像數(shù)據(jù)上形成鮮明的對比[3]。DMSP/OLS最開始獲取夜光影像數(shù)據(jù)，存在輻射測量精度粗糙、空間分辨率低和缺乏星載標定等局限性。后來新一代高分辨率的NPP/VIIRS提供前所未有的夜光觀測能力，極大地克服DMSP/OLS數(shù)據(jù)的一些限制和不足，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)具有更高的星載校準輻射測量精度，保證能夠探測極低亮度光的能力[4]。高分辨率的NPP/VIIRS夜光遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，使得應用領(lǐng)域更加廣泛。常用夜光遙感數(shù)據(jù)集的特點及應用，如表1所示。

表1 常用夜光遙感數(shù)據(jù)集的特點及應用

此外，中國在2018年成功地發(fā)射中國首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星“珞珈一號”，其空間分辨率更高，“珞珈一號”衛(wèi)星的出現(xiàn)為夜光遙感數(shù)據(jù)的研究提供了更大的舞臺和潛力[5-6]?？偨Y(jié)前人的研究結(jié)果[7]，不同夜光遙感對地觀測平臺的基本參數(shù)，如表2所示。夜光遙感數(shù)據(jù)在人口空間化、GDP、電力消耗量、碳排放、貧困基尼系數(shù)、城市群空間格局、城市擴張、城市建筑物提取、城市群演變分析、自然災害風險評估及重大事件評估等社會科學領(lǐng)域得到廣泛應用。夜光遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)成為研究社會經(jīng)濟參數(shù)及時空動態(tài)模擬的重要數(shù)據(jù)源之一。夜光遙感數(shù)據(jù)具有空間信息豐富、時效性強的優(yōu)點，適用于大尺度的研究和事件序列分析。目前，雖然基于夜光數(shù)據(jù)的應用研究成果在不斷積累，但缺乏對成果進行系統(tǒng)性的歸納總結(jié)，以及存在總結(jié)的覆蓋面不全、時效性不強等不足?；诖?，本文對夜光遙感數(shù)據(jù)在人口空間化、GDP、電力消耗量、城市建成區(qū)提取、城市群與城市體系發(fā)展監(jiān)測、城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的監(jiān)測及重大事件評估等領(lǐng)域的研究成果進行詳細地概況總結(jié)，并探索其應用前景。

表2 不同夜光遙感對地觀測平臺的基本參數(shù)

1 社會經(jīng)濟參數(shù)估算

夜間燈光強度與人類社會經(jīng)濟活動高度相關(guān)，可用于進行人類社會活動分析及社會經(jīng)濟指標估算。傳統(tǒng)統(tǒng)計調(diào)查方法在獲取社會經(jīng)濟參數(shù)時往往存在缺乏空間信息等局限性；而夜光數(shù)據(jù)具有時空連續(xù)性，可為社會經(jīng)濟參數(shù)估算提供重要價值。

從夜間燈光數(shù)據(jù)中提取人口和社會經(jīng)濟發(fā)展信息的研究可分為2類。一類是建立夜間燈光數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系。采用夜間燈光區(qū)域內(nèi)的面積和DN值構(gòu)建統(tǒng)計模型；從線性回歸模型、非線性回歸模型，以及對數(shù)回歸模型等不同統(tǒng)計模型對提取的參數(shù)進行統(tǒng)計及分析計算。He等[8]建立夜光影像飽和校正DN值與電力消耗之間的線性回歸模型，韓向娣等[9]提出一種在城市指標(GDP、建成區(qū)、用電量)之間建立對數(shù)回歸模型方法，用分區(qū)模型計算形成了GDP密度圖，較完整地表征全國社會經(jīng)濟的宏觀分布狀況及特征。另一類是繪制特定參數(shù)的時空分布圖，不僅可從統(tǒng)計年鑒的人口普查數(shù)據(jù)中評估夜光影像強度分布與人口密度或GDP之間的關(guān)系[10]，且應用增強植被指數(shù)及數(shù)字高程模型等輔助空間信息[11-13]，提高了各類參數(shù)的反演提取精度。

1.1 人口統(tǒng)計估算

人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)是研究城市發(fā)展、國家及政府制定政策和發(fā)展戰(zhàn)略的重要數(shù)據(jù)來源，可為經(jīng)濟發(fā)展、社會進步、全球變化等研究提供關(guān)鍵參數(shù)，而夜光影像與人口數(shù)據(jù)相關(guān)性較強。因此可通過對夜光影像的研究實現(xiàn)人口數(shù)據(jù)空間化評估。

Sutton等[14]基于燈光區(qū)域與人口密度之間的相關(guān)性，以美國區(qū)域為研究對象，提出城市人口密度衰減模型，從城市邊緣到中心，驗證DMSP/OLS燈光數(shù)據(jù)在分析及估算人口的潛在可行性，得到DMSP/OLS數(shù)據(jù)的定量關(guān)系。Lo[15]以中國區(qū)域為研究對象，采用夜光面積、夜光強度、夜光強度和夜光面積百分比為自變量，構(gòu)建多元夜光指標估算模型，應用“夜光百分比”的夜光密度測量方法，對縣、市級非農(nóng)業(yè)人口的估算相當準確。Amaral等[16]基于巴西的亞馬遜區(qū)域DMSP/OLS夜光影像，采用夜光影像面積與人口的相關(guān)性來實現(xiàn)人口空間化，最終得到其決定系數(shù)大于0.8。Briggs等[17]對歐盟區(qū)域的人口空間化進行評估，基于普查人口與土地覆蓋面積、光發(fā)射之間的相關(guān)性，進行回歸統(tǒng)計得R2>0.9，結(jié)果表明模型可用性較好。Zeng等[18]根據(jù)夜光強度與普查人口變量建立線性回歸模型，采用RY聚類算法與最短路徑算法，有效地提高模型性能，獲得更明確詳細的人口分布特征。高義等[19]根據(jù)中國沿海地區(qū)統(tǒng)計年鑒中人口數(shù)據(jù)與夜光數(shù)據(jù)的回歸函數(shù)進行人口數(shù)據(jù)空間化，反演得到1 km×1 km和0.5 km×0.5 km 2個不同空間尺度的區(qū)縣人口空間化網(wǎng)格，得出NPP/VIIRS數(shù)據(jù)反演精度優(yōu)于DMSP/OLS數(shù)據(jù)，表明NPP/VIIRS數(shù)據(jù)更適用于人口空間化研究。Tan等[20]利用夜光數(shù)據(jù)、人口普查統(tǒng)計數(shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建1 km×1 km分辨率的人口密度圖，對縣的人口進行空間匹配，模擬精度高，得出500～1 500人/km2之間的人口密度下降了41%，表明該區(qū)域發(fā)生密度區(qū)域消失現(xiàn)象?？傊?，NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)在實現(xiàn)人口空間化及社會經(jīng)濟參數(shù)空間化具有巨大潛力。近年來在地理信息和遙感技術(shù)的輔助下，大量的研究基于不同的空間模型進行人口空間化[18-21]，最新主要研究是利用NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)生成空間格網(wǎng)的人口密度圖，隨著夜光數(shù)據(jù)研究的深入，人口空間化逐步趨于精細化。采用夜光數(shù)據(jù)進行人口估算總結(jié)，如表3所示。

表3 夜光數(shù)據(jù)估算人口的總結(jié)

1.2 國民生產(chǎn)總值分析

國民生產(chǎn)總值(GDP)反映經(jīng)濟綜合性發(fā)展的水平，是衡量各個國家及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要指標，其增長率即經(jīng)濟增長率。GDP一般是基于各類報表進行統(tǒng)計獲得，其工作量較大且繁瑣，同時得出的結(jié)果不能體現(xiàn)空間信息，不能快速地衡量各區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展狀況。對國家和地區(qū)而言，高精度的GDP是發(fā)展的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但完整的序列數(shù)據(jù)通常難以獲取，由于夜間燈光與GDP存在較高相關(guān)性，夜光數(shù)據(jù)在GDP估算中具有較好的應用潛能，可為國家GDP估算的經(jīng)濟參數(shù)提供重要依據(jù)。

早在1997年，Elvidge等[22]以21個國家為研究對象，研究表明DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)與GDP總值存在高度相關(guān)性，其回歸系數(shù)達到0.97。之后，Doll等[23]以歐盟及美國區(qū)域為研究對象，構(gòu)建區(qū)域尺度GDP估算模型，并繪制出分辨率5 km的GDP格網(wǎng)地圖，結(jié)果表明應用夜光數(shù)據(jù)研究分析GDP可行性極高。Chen等[24]鑒于數(shù)據(jù)缺失，利用1992—2008年1°緯度×1°經(jīng)度網(wǎng)格修正GDP格網(wǎng)，得出夜光數(shù)據(jù)可彌補信息匱乏缺失。隨著NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，夜光數(shù)據(jù)在GDP研究取得進一步發(fā)展。Li等[25]分析中國31個省份的NPP/VIIRS夜光影像，采用線性回歸模型進行經(jīng)濟建模評估，表明NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)(R2=0.854 4)比DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)(R2=0.767 8)與GDP的相關(guān)性更加顯著，具有更好地預測性及建模能力，為NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)構(gòu)建全球和區(qū)域經(jīng)濟模型奠定基礎(chǔ)。徐康寧等[26]基于1992—2012年中國的省級數(shù)據(jù)，采用夜光數(shù)據(jù)客觀評價GDP增長與中國經(jīng)濟發(fā)展的真實性，結(jié)果雖有差異，但整體之間誤差較小。李宗光等[27]基于根據(jù)夜光強度與GDP顯著的相關(guān)性，提取了連片特困區(qū)的GDP回歸模型并進行空間化建模，相關(guān)系數(shù)R2達到0.873 8，客觀地反映經(jīng)濟發(fā)展狀況。此外，由于夜光數(shù)據(jù)存在飽和現(xiàn)象，可結(jié)合輔助數(shù)據(jù)，如人口數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等對GDP進行綜合評價分析。Wang等[28]以烏干達為研究區(qū)域，基于夜光數(shù)據(jù)提出一種新的增強型夜光模型(ELIM)和農(nóng)業(yè)價值比率，結(jié)果與網(wǎng)格化的全球GDP數(shù)據(jù)集相比，差異為1 km水平，因此，可獲取社會經(jīng)濟活動的空間異質(zhì)性。

總之，采用夜光數(shù)據(jù)與GDP之間的相關(guān)性來統(tǒng)計預測經(jīng)濟發(fā)展狀況，是評估GDP的有效措施，夜光遙感數(shù)據(jù)在監(jiān)測國民生產(chǎn)總值方面可發(fā)揮重要作用。此外，夜光數(shù)據(jù)對社會經(jīng)濟參數(shù)研究具有較大潛力，但僅采用單一的數(shù)據(jù)源難以全面準確地表達社會經(jīng)濟參數(shù)。因此，可結(jié)合其他輔助數(shù)據(jù)來提高估算與分析精度。夜光數(shù)據(jù)進行GDP估算的應用總結(jié)，如表4所示。

表4 夜光數(shù)據(jù)估算GDP的總結(jié)

1.3 電力消耗量估算

能源消耗與經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)，而電力消耗是能源消耗的重要組成，電力消耗量可客觀地衡量社會發(fā)展水平。由于電力統(tǒng)計單位仍處于行政單位層面，空間差異信息缺乏，限制了統(tǒng)計的有效應用。而夜光數(shù)據(jù)可體現(xiàn)城鄉(xiāng)區(qū)域的燈光密度和燈光設(shè)施的使用狀況，可為電力消耗的空間化信息提供依據(jù)，高分辨率的夜光數(shù)據(jù)可快速、準確地反演得出電力消耗狀況，引起廣大學者探索。

始于20世紀80年代，Welch[29]利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)構(gòu)建電力消耗和燈光面積之間的回歸模型，證明夜光數(shù)據(jù)估算電力消耗量的潛在可行性。Elvidge等[22]根據(jù)夜光與電力消耗量的相關(guān)性構(gòu)建對數(shù)模型，開發(fā)一種新方法來校正夜光飽和像素，采用光斑植被(SPOT/ACT)10 d合成產(chǎn)物，去除夜光影像的飽和現(xiàn)象。Amaral等[30]發(fā)現(xiàn)電力消耗和夜光存在線性相關(guān)性，構(gòu)建了單時相電力消耗估算模型，并采用DMSP/OLS數(shù)據(jù)分析亞馬遜地區(qū)的電力消耗的時空模式。Letu等[31]根據(jù)夜間穩(wěn)定燈光的空間分布特征對影像飽和區(qū)域進行校正，采用三次回歸方程修正用電量數(shù)據(jù)之間的回歸關(guān)系，進一步驗證夜光影像能較好地估計電耗量。He等[8]分析了中國大陸在2000—2008年EPC(electric power consumption)的時空動態(tài)，通過建模反演得到中國2000—2008年電力消費的空間格網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)果證明飽和校正后的夜光數(shù)據(jù)與電力消耗量的相關(guān)性更強。Shi等[32]采用穩(wěn)定夜光數(shù)據(jù)從多個角度探討一帶一路國家EPC的時空模式，驗證新型夜光數(shù)據(jù)NPP/VIIRS對于一帶一路國家EPC的估算能力。之后，Shi等[33]嘗試評估電力的時空格局變化，基于夜光數(shù)據(jù)和用電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，比較不同邊界內(nèi)用電量的時空演變，得出夜光數(shù)據(jù)與用電量的R2>0.95，發(fā)現(xiàn)1992—2013年間，城市化成為城市建成區(qū)用電量快速增長的推手，并得出城市不同邊界存在時空變異性。

2 城市化進程監(jiān)測分析

城市化程度是各個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要標志。城市化可促進區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展，區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展又可推動生活及生產(chǎn)進步。因此，城市化進程監(jiān)測有利于評估區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。利用夜光數(shù)據(jù)直觀地反映城市化建設(shè)過程中的空間動態(tài)過程，可提取城市空間信息進行城市群體系發(fā)展監(jiān)測，有助于分析城市化發(fā)展模式和空間結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。

2.1 城市建成區(qū)監(jiān)測提取

由于城市的城鎮(zhèn)區(qū)域在夜間發(fā)出燈光，因此夜光遙感數(shù)據(jù)可準確提取、分析城市建成區(qū)的范圍及空間聚集現(xiàn)象(城市群)，對準確地評估全球范圍和國家區(qū)域的城市化進程具有重要的作用[7]。城市建成區(qū)的區(qū)域范圍是城市化的重要參數(shù)，夜光影像數(shù)據(jù)能有效地提取城市建成區(qū)范圍及變化狀況，研究表明對夜光影像數(shù)據(jù)進行圖像分割，將較亮區(qū)域視為城市建成區(qū)[34-35]。在國內(nèi)外學者研究中，Croft[2]首次提出依據(jù)夜光數(shù)據(jù)提取城市建成區(qū)可行性，之后許多學者基于夜光數(shù)據(jù)對城市建成區(qū)開展了大量的研究，主要包含基于閾值的影像分類法、基于像元的影像分類法、基于采樣的影像分類法3種提取方法?；陂撝档挠跋穹诸惙ㄖ校?jīng)典提取方法有：經(jīng)驗閾值法[36-38]、突變檢測法[39-40]、統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較法[41-42]、較高分辨率影像數(shù)據(jù)空間比較法[43-45]。Milesi等[37]基于土地覆蓋數(shù)據(jù)和DMSP/OLS數(shù)據(jù)，采用區(qū)域閾值法對建成區(qū)提取，表明中分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)結(jié)合夜光數(shù)據(jù)可快速評估城市化帶來的城市土地覆蓋及生態(tài)變化。黃璐等[40]基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)，建立一元二次回歸模型，采用突變檢測法確定提取城市建成區(qū)閾值，并采用最大似然法分類建成區(qū)來分析城市建成區(qū)發(fā)展狀況。Henderson等[43]基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)，采用較高分辨率影像數(shù)據(jù)空間比較法來確定提取夜光影像提取建成區(qū)的閾值，并劃分確定了不同經(jīng)濟發(fā)展狀況的城市邊界。王曉慧等[44]采用DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)，基于分區(qū)的較高分辨率數(shù)據(jù)比較法提取城鎮(zhèn)用地信息，來不斷調(diào)整確定最佳閾值，結(jié)果表明該方法增強了提取效率，也提高總體精度，較準確地反映城鎮(zhèn)發(fā)展狀況。經(jīng)驗閾值法是根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)來確定閾值，具有便捷性且易實現(xiàn)性，但受主觀意識影響，閾值確定不穩(wěn)定。突變檢測法具有較強的客觀性，依據(jù)夜光自身來確定閾值，無需其他輔助數(shù)據(jù)的支持，符合實際但工作量大。統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較法以政府發(fā)布的建成區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定閾值，操作簡便，但受統(tǒng)計數(shù)據(jù)影響，結(jié)果略有偏頗。較高分辨率影像數(shù)據(jù)比較法具有較強客觀性，但在大尺度區(qū)域的研究成本高且效率較低。近年來，基于閾值的影像分類法的研究方法層出不窮，比如鄰域分析法[47-49]、聚類閾值法[50-51]、最大自相關(guān)雙閾值法[52]、分層閾值法[53-54]等。此外，存在基于像元的影像分類法，比如支持向量機法[55-56]，混合像元線性分解方法[57]；還有基于采樣的影像分類法進行城市建成區(qū)的提取，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法[58]。綜上所述，基于夜光影像數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)提取方法總結(jié)，如表5所示。

表5 基于夜光數(shù)據(jù)的城市建成區(qū)提取方法總結(jié)

2.2 城市群與城市體系發(fā)展監(jiān)測

夜光遙感數(shù)據(jù)不僅用來監(jiān)測、提取城市建成區(qū)，還可分析城市群的時空演化模式。城市是一個復雜系統(tǒng)，不僅關(guān)系到人口、社會經(jīng)濟及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，也表征區(qū)域的國際競爭力。城市化進程是在時空上的區(qū)域地理形態(tài)漸變過程，也是復雜人文內(nèi)涵形成變化過程。城市群是以中心城市為核心，向周圍輻射構(gòu)成城市集合，反映社會經(jīng)濟、生產(chǎn)生活、城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相互影響。國外研究中，Zhang等[59]對1992—2008年印度、中國、日本和美國的城市夜光遙感影像數(shù)據(jù)提取分類，得到其城市化的動態(tài)圖，表明夜光影像在衡量全球城市化動態(tài)的時空變化具有潛在性。范俊甫等[60]采用經(jīng)驗閾值法對渤海城市群的DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)進行校正，分析1992—2010年環(huán)渤海區(qū)域的空間格局，發(fā)現(xiàn)中小城市比大城市持續(xù)擴張的速度快，核心城市與周圍衛(wèi)星城市聯(lián)通性漸增。Yu等[61]通過對夜光數(shù)據(jù)的空間聚類分析，對城市空間群進行地理劃分，得到中國的五大城市群。Zhou等[62]利用東南亞的夜光遙感數(shù)據(jù)，研究1999—2000年其夜光數(shù)據(jù)與人口、城市規(guī)模的定量關(guān)系，結(jié)果表明斯里蘭卡、印度和巴基斯坦的夜間燈光增長速率較快，而孟加拉國和尼泊爾則較慢。

Henderson等[43]利用 DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)提取不同發(fā)展水平狀況城市的城市范圍，如舊金山、北京和拉薩等城市，證明DMSP/OLS數(shù)據(jù)可應于城市區(qū)域提取。一些學者通過融合多源的遙感數(shù)據(jù)來解決 DMSP/OLS 夜光數(shù)據(jù)的飽和現(xiàn)象問題，提高提取精度，如融合遙感植被指數(shù)[63]、地表溫度[64]或更高空間分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)[65]。相較于 DMSP/OLS 夜光數(shù)據(jù)，新一代的NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)克服了DMSP/OLS數(shù)據(jù)的一些限制，采用星上定標來保證探測地球表面極低亮度光線的能力。Shi等[66]利用 NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)提取了中國12個城市的城市建成區(qū)，并證明NPP/VIIRS數(shù)據(jù)提取精度優(yōu)于 DMSP/OLS；Chen等[67]采用 NPP/VIIRS數(shù)據(jù)獲取上海市 33 個城市核心區(qū)，并保留更多的城市地表細節(jié)，可為城市土地遙感監(jiān)測提供更精確數(shù)據(jù)來源。

夜光遙感數(shù)據(jù)不僅廣泛地應用于城市群研究，在城市體系也得到逐步發(fā)展研究。城市體系是以中心城市為核心，在一定地理空間區(qū)域范圍內(nèi)不同性質(zhì)、規(guī)模和類型的城市相互聯(lián)系、相互作用的城鎮(zhèn)體系。張超等[68]基于長江經(jīng)濟帶1996—2010年城市夜間燈光數(shù)據(jù)分析其空間結(jié)構(gòu)，得出城市體系由數(shù)量增長向規(guī)模擴張轉(zhuǎn)變。Li等[69]提出了一種基于遺傳算法的城市群自動閾值(GA-UCAT)方法確定最優(yōu)閾值，通過整合VIIRS DNB、MODIS及Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)，定性定量檢測城市化動態(tài)(OA=0.854和Kappa=0.699)，最終可準確高效地監(jiān)測城市化進程。Zhong等[70]以鄱陽湖為區(qū)域，結(jié)合DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)、土地使用數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于輔助數(shù)據(jù)比較法選取最優(yōu)閾值，應用時空模式分析，構(gòu)建標準偏差橢圓(SDEO模型)得到土地擴展重心由西南向東北偏移，經(jīng)濟空間快速發(fā)展。

Li等[71]采用Luojia 1-01 數(shù)據(jù)與NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，通過計算人類住區(qū)指數(shù)(HSI)、簡單閾值分割(STS)和SVM監(jiān)督分類這3種方法來提取城市區(qū)域。得出采用Luojia 1-01數(shù)據(jù)的HSI方法提取城市區(qū)域的效果最佳，其Kappa系數(shù)值最大，達到0.834。研究結(jié)果表明，采用Luojia 1-01夜間燈光數(shù)據(jù)可提高城市區(qū)域的提取精度，且誤數(shù)據(jù)具有更高的分辨率和更豐富的空間信息，比前人得到更好的提取與識別結(jié)果。

Ou等[72]首次對Luojia 1-01夜光數(shù)據(jù)容量進行調(diào)查并提取不透水表面的范圍和程度。主要以北京、上海和廣州這3個城市為研究對象，采用動態(tài)閾值分割方法，從NPP/VIIRS和Luojia 1-01 2種類型的夜光數(shù)據(jù)中提取了不透水面積空間范圍。研究得出Luojia 1-01數(shù)據(jù)具有空間分辨率更高、測量范圍廣等特點，比NPP/VIIRS數(shù)據(jù)能更精確地繪制出不透水面的空間范圍。結(jié)果表明：對于不透水面積的空間范圍，Luojia 1-01夜光影像是一種具有潛力和應用前景的遙感影像數(shù)據(jù)源，但其難以準確估計其不透水的程度。將來的研究可通過聯(lián)合Luojia 1-01數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)來改善不透性估計程度的準確性。

2.3 城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的監(jiān)測

城市加速發(fā)展會帶來一系列生態(tài)環(huán)境破壞問題。因此，保護生態(tài)環(huán)境，努力實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。夜光遙感數(shù)據(jù)可快速、有效、長時段地監(jiān)測生態(tài)環(huán)境，為優(yōu)化城市土地利用格局和防范生態(tài)環(huán)境風險提供重要數(shù)據(jù)支撐。

Imhoff等[73]應用1994—1995年夜光結(jié)合普查數(shù)據(jù)和數(shù)字土壤，分析城市化帶來的生態(tài)效應，發(fā)現(xiàn)城市化對土地的初級生產(chǎn)力具有削弱的影響。Milesi等[37]基于MODIS數(shù)據(jù)、土地覆蓋圖和夜光數(shù)據(jù)，構(gòu)建光能利用模型，選擇凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)指標來研究城市化進程對生態(tài)環(huán)境的影響，得到分辨率1 km×1 km的土地覆蓋圖及城市空間擴展圖，發(fā)現(xiàn)城市擴張會導致植物初級生產(chǎn)力下降，表明夜光結(jié)合NPP可對生態(tài)環(huán)境快速評估。彭建等[74]綜合利用DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)、SPOT/VGT數(shù)據(jù)，基于閾值分割法可快速識別生態(tài)用地，精度達到85.64%，有效地彌補了單一的數(shù)據(jù)源進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的不足。董晨煒等[75]運用夜光數(shù)據(jù)，結(jié)合MODIS NDVI數(shù)據(jù)，以NDVI均值作為評價指標，發(fā)現(xiàn)2007—2013年的環(huán)杭州灣區(qū)域的城市NDVI均值變小，而城市建成區(qū)的植被狀況變差，表明夜光數(shù)據(jù)結(jié)合NDVI數(shù)據(jù)可反演城市植被覆蓋情況。喬旭寧等[76]結(jié)合DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)和MODIS17A3數(shù)據(jù)，基于一元線性趨勢法構(gòu)建熱點分析模型研究太湖流域人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響，發(fā)現(xiàn)在2000—2010年間的年均NPP變化范圍是388.79～452.54 gCm-2a-1，土地轉(zhuǎn)型導致城市擴張使得植被NPP呈波動下降。

此外，夜光影像數(shù)據(jù)也應用于生態(tài)環(huán)境方面監(jiān)測。比如，Duan等[77]利用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)可監(jiān)測洪澤湖非法采砂對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響，解決了夜間砂船非法采砂的傳統(tǒng)監(jiān)測方法的失效，得出NPP/VIIRS數(shù)據(jù)可有效地反映挖沙船的時空分布，可監(jiān)測非法挖沙活動，較好地應用于洪澤湖的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。廖李紅等[78]基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)和Landsat遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建表征城市化與生態(tài)環(huán)境的夜光指數(shù)，采用城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度模型，結(jié)果表明晉江市的城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)性較高。黃隆楊等[79]利用夜間燈光數(shù)據(jù)和土地利用類型構(gòu)建最小累積阻力模型(MCR)，最終得出水生廊道貫穿市域呈雙十字型構(gòu)架，陸生廊道在外圍呈環(huán)狀分布，呈環(huán)狀分布在市域四周，整體上呈現(xiàn)出“四橫三縱”的空間格局，量化了生態(tài)格局為相關(guān)的城市空間規(guī)劃提供支撐。此外，在生態(tài)環(huán)境損失與污染調(diào)查中，李景剛等[80]基于NDVI指數(shù)，結(jié)合多種地理遙感空間數(shù)據(jù)(如DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)、SPOT/VGT時間序列數(shù)據(jù))來構(gòu)建半定量化模型，可快速評估城市擴建中生態(tài)損失。Jiang等[81]首次采用Luojia 1-01夜光遙感數(shù)據(jù)用于調(diào)查人工光污染的研究，表明Luojia 1-01夜光數(shù)據(jù)可獲取更精細的人工空間細節(jié)夜間光線，并得出在機場、街道和商業(yè)服務區(qū)域的人工光污染的程度較大。

3 重大事件評估

夜光遙感數(shù)據(jù)可估算社會經(jīng)濟參數(shù)，當發(fā)生重大事件時，經(jīng)濟參數(shù)會隨之變動，而重大事件尤其是自然災害發(fā)生時，需要及時準確地進行災損評估，而傳統(tǒng)的調(diào)查耗時長、精度差且存在一定的風險性。近年來，越來越多的新型夜光遙感數(shù)據(jù)用于自然災害的快速評估及應用研究，夜光遙感數(shù)據(jù)的變化在一定程度上能夠反映重大自然災害對災區(qū)社會經(jīng)濟的影響。

3.1 自然災害評估

氣候變幻異常導致自然災害頻發(fā)，不僅影響人類生產(chǎn)和生活，也阻礙可持續(xù)發(fā)展進程。因此，地震、臺風、火災等自然災害的快速評估亟待發(fā)展?？焖儆行У剡M行災損評估是降低災后經(jīng)濟損失和應急救援的重要措施，也是災后重建科學決策的重要依據(jù)。

Hayashi等[82]應用DMSP/OLS影像數(shù)據(jù)對1999年土耳其科卡耶利地震和臺灣吉吉地震的震區(qū)進行了估算，發(fā)現(xiàn)夜光影像監(jiān)測到的損失與真實報道的損傷情況吻合較好。Kohiyama等[83]基于顯著性檢驗的GES(BTI)方法和時間序列圖像(TSI)方法，在2001年西印度地震災害評估中，TSI方法其結(jié)果可很好地識別出災后損傷區(qū)域。劉雙慶[84]以強地震為研究對象，基于夜光數(shù)據(jù)與人口統(tǒng)計的關(guān)系模型構(gòu)建地震生命易損性模型分析災損情況，得出理論與實際結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)具有可行性。Cole等[85]基于NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，結(jié)合斷電數(shù)據(jù)和人口統(tǒng)計制作了一種斷電產(chǎn)品，可進行颶風“桑迪”停電預測及估計斷電量大小。Zheng等[86]采用NPP/VIIRS夜光遙感日數(shù)據(jù)對臺風災害進行快速評估，提出受影響人口計算方法并得出災后受影響人口提取的準確率為83.2%，可得NPP/VIIRS日數(shù)據(jù)對于提取臺風造成的受影響人口是有效；同時提取災后受影響區(qū)域及受影響人口的時空分布和受影響程度，可為政府制定應急救援管理措施快速提供決策數(shù)據(jù)支撐。

張寶軍[87]基于DMSP/OLS夜光遙感數(shù)據(jù)，以汶川地震重災區(qū)為研究區(qū)域，探索夜光數(shù)據(jù)與災損狀況的相關(guān)性，研究結(jié)果表明，災后夜光影像的亮度情況和亮度值減少的大小與災后的受影響人口數(shù)及受影響建筑面積等災情指標存在較顯著的相關(guān)性。李鋼[88]采用精度較高的NPP/VIIRS夜光遙感數(shù)據(jù)對GDP空間化進行模擬，并構(gòu)建包含GDP數(shù)據(jù)、臺風災害綜合評價指數(shù)與經(jīng)濟損失指數(shù)之間的經(jīng)濟損失模型，結(jié)果表明，臺風災害過程的綜合評價指數(shù)與經(jīng)濟損失指數(shù)具有很高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達到0.866，具有較好的可行性。

3.2 其他重大事故評估

夜光遙感數(shù)據(jù)不僅能監(jiān)測評估自然災害，還可用于評估其他重大事故及人道主義災難。比如在火災方面，Badarinath等[89]、Chand等[90]、Elvidge等[91]描述DMSP/OLS夜光數(shù)據(jù)在巴西、印度北安查爾邦、喀拉拉邦森林火災探測和監(jiān)測方面，夜光數(shù)據(jù)和火災表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。在強風暴方面，Cao等[92]采用NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)研究華盛頓颶風“桑迪”所帶來的電力中斷，通過與電力公司的實際調(diào)查數(shù)據(jù)對比核對，證明NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)能夠定量統(tǒng)計颶風造成的損失。在洪澇方面，莫建飛等[93]利用夜光數(shù)據(jù)與社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，應用GIS技術(shù)構(gòu)建廣西流域洪澇社會經(jīng)濟暴露度模型，并獲得洪澇人口數(shù)量和GDP格網(wǎng)圖，表明夜光影像數(shù)據(jù)在洪澇評估具有一定的可行性。在戰(zhàn)爭方面，Li等[94]研究夜光影像在敘利亞危機的人道主義災難方面的時空洞察力，獲得了傳統(tǒng)方式難以獲知的時空分布信息，結(jié)果表明夜光遙感數(shù)據(jù)可作為監(jiān)測人道主義危機的可靠數(shù)據(jù)源[95]。

4 結(jié)束語

4.1 應用評述

隨著科技的不斷進步，在經(jīng)濟全球化背景下，夜光遙感數(shù)據(jù)可用性逐漸增強，夜光遙感數(shù)據(jù)的共享性使其在不同領(lǐng)域應用中發(fā)揮重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)定夜光數(shù)據(jù)，每日和每月的夜光數(shù)據(jù)集，主要是DMSP/OLS和NPP/VIIRS數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的處理應用、空間化信息提取分析、空間數(shù)據(jù)挖掘等，被廣泛用于人口空間化分析、能源消耗估算等社會經(jīng)濟參數(shù)分析評估、城市建成區(qū)提取和自然災害評估等研究熱點主題。

近年來，夜間燈光遙感數(shù)據(jù)可用性不斷加強，由遙感科學、經(jīng)濟學等社會科學逐步向生態(tài)學、物理學等自然科學領(lǐng)域發(fā)展?jié)B透。雖然基于夜光遙感數(shù)據(jù)研究在深度和廣度均有諸多進展，但仍存一定的局限性。

1)夜光遙感數(shù)據(jù)本身的缺陷阻礙和削弱了其在定量分析中的準確性。具體表現(xiàn)在：DMSP/OLS數(shù)據(jù)擁有較長的時間跨度，但分辨率較低且存在輻射飽和導致定量化精度不高，存在一定的誤差，且由于區(qū)域間社會經(jīng)濟水平、發(fā)展程度差異，導致在采用DMSP/OLS數(shù)據(jù)時需分區(qū)進行參數(shù)設(shè)計(非機理性)，在一定程度上限制夜光遙感數(shù)據(jù)精細化應用。

而NPP/VIIRS數(shù)據(jù)在2012年才有數(shù)據(jù)相繼發(fā)布，由于其分辨率較高，使得NPP/VIIRS數(shù)據(jù)與社會經(jīng)濟指標相關(guān)性更高，其模擬社會經(jīng)濟參量的殘差小于DMSP/OLS數(shù)據(jù)[96]。NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)在輻射飽和、空間分辨率有顯著的提升，但是卻存在背景噪聲、數(shù)據(jù)時間跨度較短等不足。

學者們針對這些問題也積極開展多方面的努力，在一定程度彌補數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷帶來的干擾，但還是不可避免地會削弱定量分析的準確性和結(jié)論可靠性。今后可獲取更高空間分辨率和時間分辨率的夜間燈光影像數(shù)據(jù)進行地理空間國情和社會經(jīng)濟參數(shù)的監(jiān)測評估。

2)夜光遙感數(shù)據(jù)受不同經(jīng)濟狀況及大氣云層氣候局限性影響。主要表現(xiàn)在：夜光遙感數(shù)據(jù)反演社會經(jīng)濟參數(shù)更適用于城市和發(fā)達農(nóng)村的夜光強度相對較高的區(qū)域。在農(nóng)村山區(qū)或小村莊里的住宅分布稀疏，基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)設(shè)施較分散且不發(fā)達，夜間光線較少，遙感衛(wèi)星較難探測到地面光線數(shù)據(jù)。

大氣云層氣候局限性主要是暴雨和較厚的云層的氣象，影響夜光遙感數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量，大量降水會引起地表反射率的變化。此外，夜間燈光數(shù)據(jù)不適合大氣校正，特別應考慮氣溶膠散射人工光，可降低檢測到的夜間燈光數(shù)據(jù)這一事實[86]。

3)基于夜光遙感的研究目前還局限于全球、國家、市級城市尺度及市級城市內(nèi)部小尺度研究應用，且夜光遙感數(shù)據(jù)在城市化研究大部分還停留在建成區(qū)識別、區(qū)域經(jīng)濟、人口相關(guān)性分析等區(qū)域尺度；而在城市內(nèi)部尺度的燈光概率分布、城市內(nèi)部發(fā)展特征的研究相對不足，尤其針對大型工程項目監(jiān)測和局部尺度的監(jiān)管尚處于空缺階段，迫切需要發(fā)掘新型夜光遙感數(shù)據(jù)的潛力以拓展新尺度的科學研究和應用實踐。

此外，針對不同的研究區(qū)域需要選擇合適的空間尺度，來提高研究結(jié)果的可靠性。對不同的研究區(qū)可充分考慮文化因素的影響，如城市和農(nóng)村電力消費習慣之間的差異、民族風俗等可被充分考慮。因此，要完整地考慮研究區(qū)域的概況，來確定合適的空間尺度和模型進行分析以得到更準確的研究成果。

4)夜光遙感數(shù)據(jù)廣泛應用于人口、經(jīng)濟參數(shù)評估、城市擴張范圍識別、能源消耗估算等區(qū)域尺度，但在城市內(nèi)部特征的多要素提取、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估方面的研究相對不足，需要擴展新的研究領(lǐng)域。此外，目前利用夜光遙感數(shù)據(jù)開展的社會經(jīng)濟研究中，夜光遙感數(shù)據(jù)充當?shù)氖且环N輔助數(shù)據(jù)，研究中缺乏對區(qū)域燈光差異的地表真實情況的對比分析。今后，可采用夜光遙感數(shù)據(jù)結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)等方式對各個領(lǐng)域開展更加精細的、定量化的分析研究。

4.2 展望

夜光遙感數(shù)據(jù)可為空間尺度的研究提供快捷有效的數(shù)據(jù)源，夜光數(shù)據(jù)廣泛應用于社會經(jīng)濟與城市化進程等研究，如人口空間化、GDP統(tǒng)計、電力能源消耗估算等社會經(jīng)濟參數(shù)估計；城市建成區(qū)提取、城市群和城市體系發(fā)展監(jiān)測、城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)影響的監(jiān)測等城市化進程監(jiān)測分析。然而，由于受夜光數(shù)據(jù)自身的存在的局限性影響，仍需研究新的數(shù)據(jù)處理方法。未來發(fā)展主要有以下幾個方面：研究發(fā)展新型數(shù)據(jù)源；多源數(shù)據(jù)結(jié)合，提高數(shù)據(jù)反演精度；優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，進行知識深度挖掘；注重多學科交叉融合來擴展研究領(lǐng)域。

1)新型數(shù)據(jù)源。夜光遙感的數(shù)據(jù)集將由單一的DMSP/OLS數(shù)據(jù)發(fā)展為更高的空間分辨率和更寬輻射范圍的數(shù)據(jù)源。如新一代的NPP/VIIRS夜光影像，其空間分辨率為742 m，以及最新成功發(fā)射地中國新型的“珞珈一號”夜光影像的空間分辨率高達130 m。與NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)相比，“珞珈一號”夜光數(shù)據(jù)具有更高空間分辨率，將為社會經(jīng)濟參數(shù)等評估提供更加精確的、定量化的數(shù)據(jù)支撐。未來，可發(fā)展更多更高空間分辨率和更高質(zhì)量的夜光影像數(shù)據(jù)。

2)多源數(shù)據(jù)結(jié)合。與多源數(shù)據(jù)結(jié)合應用，更好地發(fā)揮夜光數(shù)據(jù)在各種領(lǐng)域的深入應用；夜光遙感影像數(shù)據(jù)可結(jié)合日間遙感影像、高分辨率影像數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)及社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)等進行宏觀社會經(jīng)濟等參數(shù)評估的知識發(fā)現(xiàn)，加速促進夜光遙感應用發(fā)展和其他相關(guān)研究。多源數(shù)據(jù)聯(lián)合應用將成為未來研究趨勢。

3)知識深度挖掘。夜光遙感數(shù)據(jù)研究將更加側(cè)重于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，來提升已有研究成果進行知識深度挖掘，而不是僅僅對已有的結(jié)論和觀點的重新論證。夜光遙感數(shù)據(jù)將由定性討論逐漸走向定量分析，尤其在各尺度的社會經(jīng)濟參數(shù)估算和生態(tài)環(huán)境健康監(jiān)測領(lǐng)域研究中，夜光遙感數(shù)據(jù)具有其他數(shù)據(jù)無法比擬的優(yōu)勢，通過采用地面觀測數(shù)據(jù)與空中衛(wèi)星數(shù)據(jù)的“地空”一體化的方式，能夠?qū)⒁构膺b感數(shù)據(jù)的空間化信息更加精確地展示出來。因此，通過對夜光遙感數(shù)據(jù)的知識深度挖掘，可增強國家及城市的社會經(jīng)濟的監(jiān)測估算能力和提高其監(jiān)測的準確度。

4)注重學科滲透融合。學科交叉融合應可用來拓展新的研究領(lǐng)域，自然地理學、應用經(jīng)濟學及社會學等不同學科的結(jié)合研究交流也將成為研究熱點。不同學科思想的碰撞擴展應用領(lǐng)域，與各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)相結(jié)合對比分析，可將夜光遙感數(shù)據(jù)逐步走向精細化的研究，準確反映空間信息分布，有助于數(shù)據(jù)挖掘，能夠快速獲取全國及全世界范圍內(nèi)的社會經(jīng)濟參數(shù)信息，可用來快速、大范圍地進行地理國情及世情狀況的監(jiān)測。因此，從長遠來看，夜光遙感數(shù)據(jù)將結(jié)合不同學科領(lǐng)域，在監(jiān)測人類社會活動方面發(fā)揮重要的作用，并在地理國情和世情監(jiān)測、自然科學及社會科學等領(lǐng)域具有更廣闊的應用前景。