利用城市穩(wěn)定燈光反演夜間氣溶膠光學(xué)厚度

李浩，馬爍，徐煒，胡申森，嚴(yán)衛(wèi)

(1.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.海西州氣象局，青海 德令哈 817099)

0 引言

大氣氣溶膠不僅在全球氣候研究方面發(fā)揮重要作用[1]，在云微物理過(guò)程中也是形成云凝結(jié)核的關(guān)鍵要素[2]。近年來(lái)隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展，人為氣溶膠的含量不斷增加，對(duì)空氣質(zhì)量和人類健康產(chǎn)生不利的影響[3]。

盡管氣溶膠影響廣泛，但對(duì)于氣溶膠的觀測(cè)目前主要限于白天。牟福生等[4]利用CE318型太陽(yáng)光度計(jì)研究了合肥地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和大氣水汽含量之間的關(guān)系。除此之外，激光雷達(dá)能夠精確探測(cè)氣溶膠的微物理垂直分布。Campbell等[5]利用正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(cloud-aerosol LiDAR with orthogonal polarization，CALIOP)反演的氣溶膠物理特性進(jìn)行耦合二維/三維變分同化，結(jié)果表明CALIOP氣溶膠產(chǎn)品的同化能夠有效改進(jìn)模型氣溶膠光學(xué)厚度。然而激光雷達(dá)由于測(cè)量的水平空間范圍較小，無(wú)法得到大范圍氣溶膠空間分布狀況。衛(wèi)星觀測(cè)彌補(bǔ)了激光雷達(dá)水平測(cè)量范圍的局限，基于衛(wèi)星反演的氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical thickness，AOT)具有廣泛的空間覆蓋度。楊光等[6]基于2004—2018年中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)長(zhǎng)期觀測(cè)的氣溶膠白天產(chǎn)品MOD04L2，得到中國(guó)區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列的氣溶膠光學(xué)特性與氣溶膠類型的時(shí)空變化規(guī)律。雷茜[7]利用MODIS、臭氧監(jiān)測(cè)儀(ozone monitoring instrument，OMI)、熱帶測(cè)雨衛(wèi)星(tropical rainfall measuring mission，TRMM)多氣溶膠產(chǎn)品對(duì)“一帶一路”區(qū)域的氣溶膠時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。

隨著衛(wèi)星可見(jiàn)光儀器的發(fā)展，夜間氣溶膠觀測(cè)的可行性研究逐漸被學(xué)者關(guān)注。Zhang等[8]通過(guò)業(yè)務(wù)化線掃描系統(tǒng)(operational linescan system，OLS)的夜間掃描儀計(jì)算夜間人造光源經(jīng)過(guò)大氣的輻射衰減量來(lái)反演氣溶膠特性。然而由于OLS缺乏在軌定標(biāo)，這項(xiàng)研究只能定性分析此方法的可行性。作為美國(guó)新一代的國(guó)家極軌衛(wèi)星(Suomi national polar-orbiting partnership，Suo-NPP)搭載的可見(jiàn)光紅外成像輻射計(jì)組(visible/infrared imaging radiometer suite，VIIRS)的晝/夜波段(day night band，DNB)傳感器，比OLS具有更高的空間分辨率和更精確的輻射定標(biāo)，可用于定量應(yīng)用。Johnson 等[9]利用夜間無(wú)云的DNB數(shù)據(jù)計(jì)算人造光源與光源鄰近的背景區(qū)域的輻亮度差異來(lái)反演夜間氣溶膠光學(xué)厚度，第一次實(shí)現(xiàn)夜間氣溶膠的定量分析研究。McHardy等[10]對(duì)文獻(xiàn)[9]的理論進(jìn)行改進(jìn)，提出了“方差法”，可以不用考慮背景輻射等影響，計(jì)算城市燈光的空間標(biāo)準(zhǔn)差反演氣溶膠光學(xué)厚度，使算法能夠在全球范圍內(nèi)應(yīng)用。

然而，對(duì)于由數(shù)百個(gè)像素組成的城市燈光源，其光源內(nèi)部存在輻亮度變化，會(huì)造成一定的反演誤差。McHardy等通過(guò)輻亮度閾值篩選城市燈光像素，沒(méi)有考慮像素的輻亮度穩(wěn)定性。Zhang等[11]發(fā)現(xiàn)人造燈光源的瞬時(shí)輻亮度標(biāo)準(zhǔn)偏差強(qiáng)烈依賴于衛(wèi)星視角，使用DNB數(shù)據(jù)評(píng)估了燈光源的輻亮度與觀測(cè)條件的關(guān)系。Solbrig等[12]利用DNB數(shù)據(jù)評(píng)估人造燈光源的穩(wěn)定性，分析發(fā)現(xiàn)雖然許多燈光源都較為不穩(wěn)定而無(wú)法可靠地用于大氣反演，但仍有一些燈光源表現(xiàn)出足夠的穩(wěn)定性。

本文基于輻亮度統(tǒng)計(jì)減小輻射源固有變化帶來(lái)的反演誤差，提供了一種“方差法”的優(yōu)化方案。采用3個(gè)不同規(guī)模的城市區(qū)域的DNB數(shù)據(jù)，評(píng)估了城市燈光像素的時(shí)間穩(wěn)定性，建立穩(wěn)定的夜間燈光樣本。將樣本數(shù)據(jù)應(yīng)用到傳統(tǒng)“方差法”上，反演夜間氣溶膠光學(xué)厚度，并將反演結(jié)果與相關(guān)衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，探討“方差法”可能的適用條件以及影響因素。

1 數(shù)據(jù)集和研究區(qū)域

實(shí)驗(yàn)中的輻亮度數(shù)據(jù)采用NASA發(fā)布的“Black Marble”的三級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品VNP461。VNP461經(jīng)過(guò)地理校準(zhǔn)、輻射校正將VIIRS數(shù)據(jù)映射成標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，分辨率為500 m，產(chǎn)品有26類，包含輻亮度、衛(wèi)星天頂角、云掩膜、觀測(cè)時(shí)間、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)、月相角和月球照明分?jǐn)?shù)等信息。本文共收集了2017—2019年整3年的DNB輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。DNB輻亮度數(shù)據(jù)的光譜響應(yīng)范圍為0.5～0.9 μm，探測(cè)的輻射動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到107個(gè)量級(jí)，最低可探測(cè)到～3 nW·cm-2·sr-1的輻射強(qiáng)度，可滿足白天和夜間的觀測(cè)需求[13-14]。在缺少地基觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，本文采用MOD04L2和IVAOT產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。MOD04L2數(shù)據(jù)是由MODIS傳感器提供的逐日二級(jí)氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以提供海洋和部分陸地上空的10 km空間分辨率的AOT數(shù)據(jù)。前期諸多研究針對(duì)MOD04L2氣溶膠數(shù)據(jù)與地基觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估[15-17]，結(jié)果表明，二者的相關(guān)性比較好，滿足誤差標(biāo)準(zhǔn)。由于MOD04L2數(shù)據(jù)只有白天數(shù)據(jù)，且氣溶膠時(shí)空分布變化較大，為了得到夜間氣溶膠驗(yàn)證數(shù)據(jù)，將與實(shí)驗(yàn)日期時(shí)間間隔不超過(guò)24 h的相鄰白天MOD04L2數(shù)據(jù)的平均值作為夜間氣溶膠數(shù)據(jù)。MOD04L2數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生缺測(cè)值，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性，采用IVAOT數(shù)據(jù)作為交叉驗(yàn)證數(shù)據(jù)。IVAOT數(shù)據(jù)是由VIIRS傳感器提供的氣溶膠中間產(chǎn)品(intermediate product，IP)，可以提供750 m空間分辨率的AOT數(shù)據(jù)，文件包含550 nm AOT、550 nm斜程AOT以及數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)等。對(duì)應(yīng)的地理信息位于其相匹配的氣溶膠地理位置文件(GMTCO)中。

選取3個(gè)不同規(guī)模的中國(guó)城市(長(zhǎng)沙、銀川、婁底)作為研究案例。這些城市按照建成區(qū)面積被定義為大、中、小城市3類(表1)。3座城市都代表著城市氣溶膠模型，文獻(xiàn)[9]研究表明本文所用的反演算法可以應(yīng)用于城市氣溶膠模型當(dāng)中。

表1 長(zhǎng)沙、銀川、婁底的基本地理信息

為了避免附近其他城市燈光的干擾，人為規(guī)定一個(gè)研究區(qū)域，研究區(qū)域由其西北角和東北角的經(jīng)緯度坐標(biāo)定義(表1)，該區(qū)域包含城市的主要燈光群，忽略離散的部分區(qū)域燈光。

2 燈光穩(wěn)定性分析

為了評(píng)估城市燈光像素的輻亮度穩(wěn)定性，對(duì)預(yù)處理后的DNB數(shù)據(jù)進(jìn)行輻亮度特征統(tǒng)計(jì)。采用文獻(xiàn)[12]的輻亮度統(tǒng)計(jì)參數(shù)，分別計(jì)算研究區(qū)域中每個(gè)像素在時(shí)間序列中的DNB輻亮度最小值、最大值、平均值以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)。每種統(tǒng)計(jì)結(jié)果以二維圖像形式顯示，以保留輻亮度信息的空間特征。

最小輻亮度可以得到每個(gè)像素在時(shí)間序列中的最小值。最小輻亮度能夠過(guò)濾一些瞬態(tài)的燈光源，保留明亮的非瞬態(tài)燈光源。

平均輻亮度是每個(gè)像素在時(shí)間系列中的平均亮度。平均輻亮度可以得到在時(shí)間序列中經(jīng)常明亮的燈光源，能夠較為準(zhǔn)確地衡量城市燈光的發(fā)展水平。

最大輻亮度圖像可以獲取時(shí)間序列中每個(gè)像素的最大值，其囊括了時(shí)間序列中所有的燈光源輻射量，瞬態(tài)燈光源和非瞬態(tài)燈光源都顯得較為明亮。

相對(duì)輻亮度標(biāo)準(zhǔn)偏差是每個(gè)像素的輻亮度標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均輻亮度的物理量(RSD=σ/μ)，用來(lái)衡量輻亮度的時(shí)間穩(wěn)定性。由于月球周期亮度的變化，遠(yuǎn)離人造燈光源的像素具有RSD?1，而人造燈光源區(qū)域具有RSD?1。瞬態(tài)或變化光源具有較高的RSD，穩(wěn)定的城市燈光往往RSD值較小。

2.1 確定恒亮燈光

基于最小輻亮度、平均輻亮度和最大輻亮度所反映的城市燈光分布并不相同，通過(guò)規(guī)定輻射源的邊界閾值，將研究區(qū)域內(nèi)所有的輻射源劃分為“恒亮光源”“常亮光源”“變化光源”3類。通過(guò)這種方式，不僅能夠得到3類輻射源的位置信息和像素?cái)?shù)量，還可以直觀表現(xiàn)城市燈光的空間分布的狀況(圖1)。根據(jù)城市各類燈光群的分布狀況，可以初步評(píng)估城市空間發(fā)展特征[18]。

注：圖中紅色像素為“恒亮光源”；綠色像素為“常亮光源”；藍(lán)色像素為“變化光源”。

圖1顯示了3座城市的燈光源分布情況，從城市中心逐漸向外，燈光源的輻亮度穩(wěn)定性逐漸變差?！昂懔凉庠础毕袼?圖中紅色像素)主要分布在城市各個(gè)區(qū)縣的商貿(mào)中心，郊區(qū)的點(diǎn)狀光源和環(huán)城軌道交通的柱狀光源都是一些“常亮光源”，時(shí)間穩(wěn)定性較差。燈光指數(shù)與反映城市化水平的復(fù)合指數(shù)存在較高的相關(guān)關(guān)系[19]，通過(guò)“恒亮光源”燈光群間接反映出城市最繁榮的區(qū)域。

長(zhǎng)沙市(圖1(a))的主要燈光密集區(qū)可以分為三大區(qū)域：湘江西側(cè)的岳麓區(qū)燈光群；湘江東側(cè)是由開(kāi)福區(qū)、芙蓉區(qū)以及雨花區(qū)組成的燈光群，它位于城市中部，是長(zhǎng)沙最大的城市燈光群；位于城市東部的密集燈光群來(lái)自長(zhǎng)沙縣區(qū)域。這些密集燈光群表征各個(gè)區(qū)縣的繁榮中心。值得注意的是，長(zhǎng)沙是一座由湘江貫穿的城市，由于水面反射燈光輻射，湘江也表現(xiàn)出燈源的特征，它在輻射度上始終比附近燈光低一個(gè)量級(jí)。可以大致地在圖中看到湘江的流向，湘江由城市的西北角匯入，后經(jīng)望城區(qū)流向兩大密集城市燈光區(qū)，此時(shí)表現(xiàn)出“常亮光源”的特征。這種現(xiàn)象說(shuō)明城市中的河流、湖泊能夠表現(xiàn)出燈光源的特征。

銀川市作為中國(guó)西北部較為繁華的城市，其城區(qū)面積約占長(zhǎng)沙市的一半。從圖1(b)中可以看出，城市的主要燈光群集中在市人民政府周圍，分別為興慶區(qū)、金鳳區(qū)和西夏區(qū)，其中以興慶區(qū)為最，該區(qū)域的燈光群基本可以反映出轄區(qū)的大致范圍。銀川市的3類輻射源組成的像元面積相差較大，說(shuō)明銀川市區(qū)域發(fā)展較為不均衡。最繁榮的商業(yè)中心(圖中紅色像素)主要集中在主城區(qū)，并且城市東側(cè)的興慶區(qū)繁榮程度要大于城市西側(cè)的西夏區(qū)。城市周邊的燈光較為散亂，多是柱狀和點(diǎn)狀光源。這些燈光來(lái)自環(huán)城軌道交通、郊區(qū)火車站、飛機(jī)場(chǎng)和周邊的小型人類居住地(村、莊、寨等)。

婁底市是湖南省轄內(nèi)的一座地級(jí)市。近兩年內(nèi)婁底市發(fā)展迅速，其城區(qū)面積不斷擴(kuò)大。圖1(c)顯示出城市周邊受其他城市的雜光影響較小，燈光源聚集且類型單一，多是“常亮光源”，只有城區(qū)中心較小區(qū)域的燈光是“恒亮光源”(僅有幾十個(gè)像素)，反映出婁底市僅有一個(gè)繁榮中心，位于市人民政府所在的婁星區(qū)，占城市總面積百分比較小。城市外圍的234國(guó)道和新星南路呈現(xiàn)出“變化光源”的特征。新星南路附近的婁底南站屬于“常亮光源”，其輻亮度高于周邊公路燈光源一個(gè)量級(jí)，可以在圖像中辨認(rèn)其地理位置。

3類燈光輻射源能夠表征城市區(qū)域不同發(fā)展的程度?！昂懔凉庠础钡臒艄馊罕碚鞒鞘休^為發(fā)達(dá)的商業(yè)中心，商業(yè)中心的數(shù)量間接衡量一個(gè)城市的繁榮程度。長(zhǎng)沙市的3類燈光輻射源面積差異較小，而婁底則差異較大，說(shuō)明長(zhǎng)沙市區(qū)域發(fā)展較為均衡，婁底則主要集中于市中心向外發(fā)展。因此3類燈光輻射源的面積差異可以作為間接衡量城市發(fā)展水平的指標(biāo)之一。

在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，“恒亮光源”的燈光群是城市燈光中時(shí)間穩(wěn)定性較好的一類輻射源。在定量反演氣溶膠光學(xué)厚度的研究中，為了盡可能減少燈光源自身的變化差異，選擇“恒亮光源”燈光群作為輻射源應(yīng)用到反演算法中。

2.2 去除異常像素

“恒亮光源”燈光群雖然是3類輻射源中最穩(wěn)定的，然而由于城市布局、建筑高度等因素影響，恒亮燈光源內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生個(gè)別不穩(wěn)定的燈光像素(圖2)。這些燈光像素雖然每次觀測(cè)都有較大的輻亮度，但輻亮度值變化劇烈，穩(wěn)定性依然較差。通過(guò)定義的RSD值進(jìn)一步評(píng)估燈光源輻亮度的穩(wěn)定性，去除一些RSD值明顯異常的像素。

恒亮燈光源區(qū)域中大部分燈光像素的RSD值普遍在0.3以下，屬于較為穩(wěn)定的燈光。其中夾雜著RSD值大于0.7的像素屬于異常不穩(wěn)定的燈光(如圖2(a)紅色箭頭所示)。通過(guò)RSD異常值區(qū)域的地理位置和像元面積大致判斷產(chǎn)生輻亮度劇烈變化的原因。長(zhǎng)沙市的異常值區(qū)域面積相對(duì)較小，并且周圍都是穩(wěn)定且密集的燈光源(RSD值在0.2左右)，產(chǎn)生異常值的原因可能是城市建筑高度不同，導(dǎo)致衛(wèi)星在不同的衛(wèi)星天頂角下觀測(cè)的輻射不同造成的；大氣散射效應(yīng)也會(huì)使得無(wú)人區(qū)域出現(xiàn)人造光源的特征(如圖2(b)的銀川市城市公園區(qū)域)。如果周圍沒(méi)有其他建筑和燈光影響，RSD值依然較大，這就說(shuō)明是由于該區(qū)域燈光源自身輻亮度的不穩(wěn)定所造成的(如圖2(c)中的婁底市孫水公園)。

圖2 針對(duì)“恒亮光源”的燈光群RSD統(tǒng)計(jì)值

通過(guò)設(shè)定閾值，去除異常不穩(wěn)定的RSD像素，將剩余DNB數(shù)據(jù)作為城市穩(wěn)定的燈光樣本。該燈光樣本數(shù)量與城市規(guī)模有關(guān)，城市規(guī)模越大，獲取的燈光樣本數(shù)量越多。

3 反演氣溶膠光學(xué)厚度

基于建立得到的城市穩(wěn)定燈光樣本，應(yīng)用于反演氣溶膠光學(xué)厚度算法，期待減少輻射源固有變化給反演算法帶來(lái)的誤差。

3.1 反演算法

利用城市燈光反演氣溶膠的理論基礎(chǔ)是Mchardy等提出的“方差法”。此算法是利用城市燈光像素的空間標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量大氣對(duì)燈光輻射的衰減。通過(guò)對(duì)輻射傳輸方程推導(dǎo)分析，最終得到氣溶膠光學(xué)厚度，如式(1)所示。

(1)

式中：μ為衛(wèi)星天頂角的余弦值；Isat為衛(wèi)星傳感器觀測(cè)輻亮度；Ia為人造光源輻亮度；D和Ip分別為大氣經(jīng)過(guò)多次散射到達(dá)傳感器的散射輻射和路程輻射；Im為下行月光輻射反射的直接輻射和漫散射輻射，稱為由月光引起的總輻射；rs和rA分別為地表反射率和氣溶膠層的反射率。假設(shè)研究期間D、Ip、Im等參數(shù)的空間分布差異很小，忽略rs和rA的影響，對(duì)式(1)進(jìn)行空間求導(dǎo)，可以得到式(2)。

(2)

式中：ΔIsat和ΔIa分別表示衛(wèi)星觀測(cè)到的輻亮度與人造光源的輻亮度的空間差異。ΔIsat可以通過(guò)對(duì)城市燈光各像素之間求取空間標(biāo)準(zhǔn)差得到，ΔIa假設(shè)為實(shí)驗(yàn)期間兩個(gè)最大輻亮度標(biāo)準(zhǔn)差的平均值。

3.2 反演結(jié)果

基于穩(wěn)定燈光樣本的“方差法”進(jìn)行反演氣溶膠光學(xué)厚度，反演結(jié)果與IVAOT數(shù)據(jù)、MOD04L2數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖3顯示了基于3座城市的反演AOT與IVAOT數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，長(zhǎng)沙、銀川、婁底的均方根誤差(root mean squared error，RMSE)分別在0.08、0.08、0.12。圖4顯示了反演AOT與MOD04L2數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，長(zhǎng)沙、銀川、婁底的均方根誤差分別在0.08、0.08、0.09。實(shí)驗(yàn)表明，反演算法可以應(yīng)用于不同規(guī)模的城市。

圖3 基于穩(wěn)定城市燈光反演夜間AOT與IVAOT數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較

圖4 反演AOT與MOD04L2氣溶膠日間產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較

根據(jù)反演結(jié)果與IVAOT數(shù)據(jù)的比較，反演算法在不同規(guī)模的城市中的適用情況并不相同。圖3顯示長(zhǎng)沙市與銀川市的反演結(jié)果相對(duì)較好，相關(guān)系數(shù)在0.42左右，而婁底市的反演AOT效果稍差，相關(guān)系數(shù)在0.36(表2)。長(zhǎng)沙市和婁底市的反演結(jié)果說(shuō)明算法的適用性與城市規(guī)模有關(guān)。城市規(guī)模決定著穩(wěn)定燈光的像元數(shù)量。實(shí)驗(yàn)選取長(zhǎng)沙市的像元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)婁底市的像元數(shù)量(表1)。像元數(shù)量直接影響著反演算法的穩(wěn)健性。

表2 反演AOT與IVAOT數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較

圖3同時(shí)反映了“方差法”在不同氣溶膠濃度下的適用情況并不相同。在AOT<0.25的情況下，反演結(jié)果普遍比IVAOT數(shù)據(jù)偏低；而在AOT>0.25的情況下，這種現(xiàn)象稍好?！胺讲罘ā笔抢么髿鈱?duì)燈光輻射的衰減量來(lái)計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度。在氣溶膠濃度較低時(shí)，氣溶膠對(duì)于燈光輻亮度變化影響較小，造成反演AOT偏低。擬合線的截距均在y軸的上半部，表明反演結(jié)果與IVAOT數(shù)據(jù)相比，整體上存在普遍高估的現(xiàn)象。氣溶膠貢獻(xiàn)只占了燈光輻亮度變化的一部分，殘存云、月光等其他因素都會(huì)影響燈光輻亮度的變化，從而制約反演結(jié)果的精度。

比較圖3和圖4，反演結(jié)果總體上與MOD04L2數(shù)據(jù)的相關(guān)性更好。長(zhǎng)沙市和銀川市的兩種驗(yàn)證結(jié)果較為相似，但對(duì)于婁底市，基于MOD04L2數(shù)據(jù)的驗(yàn)證效果明顯優(yōu)于IVAOT數(shù)據(jù)(表3)。說(shuō)明IVAOT數(shù)據(jù)在較大范圍內(nèi)可以一定程度上反映氣溶膠的真實(shí)狀況。對(duì)于小型城市的氣溶膠分布，IVAOT數(shù)據(jù)與MOD04L2數(shù)據(jù)差異較大。

表3 反演AOT與MOD04L2數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較

兩種驗(yàn)證結(jié)果都表明，小型城市的反演結(jié)果的穩(wěn)健性不如中等城市和大型城市，初步評(píng)估了基于穩(wěn)定燈光的“方差法”更加適用于城市規(guī)模較大的城市，即穩(wěn)定城市燈光像素越多，反演算法越穩(wěn)健。在AOT<0.25的情況下，反演結(jié)果普遍比驗(yàn)證數(shù)據(jù)偏低，反演算法在氣溶膠濃度較高的情況下效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將基于城市穩(wěn)定燈光對(duì)夜間氣溶膠反演算法作出改進(jìn)，提出了輻亮度穩(wěn)定性優(yōu)化方案，反演效果良好。這項(xiàng)研究有效減小城市燈光在時(shí)間序列上的固有變化，使得基于城市燈光的氣溶膠反演算法在業(yè)務(wù)上變得穩(wěn)健。但這種方法更加適用于城區(qū)規(guī)模較大的城市。穩(wěn)定城市燈光像素越多，反演算法越穩(wěn)健。城市周邊的鄉(xiāng)村地區(qū)燈光輻亮度變化較大，缺少穩(wěn)定的燈光像素，并不適用此法。這種方法應(yīng)用于中等氣溶膠濃度的大氣條件下，效果較好。在氣溶膠濃度較低時(shí)，氣溶膠對(duì)于燈光輻亮度的變化影響較小，造成反演AOT偏低。

3類燈光輻射源能夠表征不同城市區(qū)域發(fā)展的程度，其像元面積差異也可以作為衡量城市發(fā)展水平的指標(biāo)?！昂懔凉庠础钡臒艄馊狠椛淞孔畲笠沧罘€(wěn)定，代表著城市較為繁華的區(qū)域，主要分布在城市各個(gè)區(qū)縣的商貿(mào)中心?！昂懔凉庠础钡臒艄饷娣e占總城區(qū)面積百分比較大，表明城市區(qū)域發(fā)展均衡且發(fā)展水平較高。從城中心向外的區(qū)域燈光穩(wěn)定性逐漸變差，輻亮度穩(wěn)定性呈現(xiàn)出輻散狀趨勢(shì)。城軌道交通、郊區(qū)火車站、飛機(jī)場(chǎng)和周邊的小型人類居住地(村、莊、寨)等在DNB圖像上一般為點(diǎn)狀光源或者柱狀光源，輻射穩(wěn)定性較差，不適合作為長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)源。值得注意，城市中的河流、湖泊在水面反射的作用下可以表現(xiàn)出燈光的特征，但輻射度始終比附近燈光低一個(gè)量級(jí)。

論文只提供了3座城市作為研究案例，不能排除地域的偶然性，但所描述的研究方法具有一定的普適性，可以應(yīng)用到全球范圍內(nèi)。