吳 翰,汪 明,劉 凱
(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;2.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.應(yīng)急管理部教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京 100875)
地震災(zāi)害及其誘發(fā)出的災(zāi)害鏈所帶來的破壞對人類社會將是巨大的,震后災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建規(guī)劃顯得尤為重要。因此,開展地震后災(zāi)區(qū)恢復(fù)狀況動態(tài)跟蹤評估,對調(diào)整部署的災(zāi)區(qū)重建規(guī)劃及掌握區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)恢復(fù)情況具有積極意義。目前的研究針對地震災(zāi)區(qū)恢復(fù)狀態(tài)的定義不盡相同,通常表述為“將災(zāi)后情況提升至可接受的程度,可能與受影響前的程度相同,也可能不同”[1],恢復(fù)、復(fù)原或重建都認(rèn)定為恢復(fù)過程中的一部分。Reddy[2]等認(rèn)為,讓一個城市社區(qū)恢復(fù)到災(zāi)前水平有利于重建災(zāi)后脆弱的環(huán)境,而Wisner 等[3]認(rèn)為災(zāi)害恢復(fù)沒有明確的終點(diǎn),災(zāi)害恢復(fù)所要完成的不是恢復(fù)災(zāi)前的脆弱性,而是應(yīng)該提高社區(qū)的抗災(zāi)能力。但都沒有明確一個指標(biāo)對災(zāi)害恢復(fù)狀態(tài)進(jìn)行評價,本文將借助城市規(guī)模與遙感數(shù)據(jù)等與災(zāi)害高相關(guān)的變量,以對災(zāi)前災(zāi)后水平是否相同對恢復(fù)狀態(tài)進(jìn)行評估。
過去的幾十年中,自然災(zāi)害造成的社會經(jīng)濟(jì)損失急劇上升[4],因?yàn)?zāi)害導(dǎo)致建筑不同等級受損所帶來的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的,2005年臺風(fēng)“麥莎”淹沒上海大量房屋及道路,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為人民幣1.38億元。2013 年4 月雅安地震,造成大量人員受傷死亡,預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超百億元[5]。因此獲取關(guān)于城市擴(kuò)張態(tài)的準(zhǔn)確和及時的信息對于闡明城市化的驅(qū)動力、估計(jì)其影響和促進(jìn)中國有效的城市化進(jìn)行至關(guān)重要[6-7],尤其是監(jiān)測城市建筑規(guī)模、災(zāi)后損失評定及狀況恢復(fù)等。楊孟禹通過建立刻畫城市規(guī)模變動空間競爭的空間計(jì)量模型,構(gòu)架城市規(guī)模指數(shù),以詮釋對以人口、土地等指標(biāo)衡量的城市規(guī)模的城市化說明,并驗(yàn)證其合理性[8],以此為輔佐進(jìn)行災(zāi)害評定研究,對中國未來地震災(zāi)害管理工作的開展和綜合災(zāi)害風(fēng)險管理體系的完善都有著重要意義[9]。
遙感觀測技術(shù)可快速、同步且有效獲取大時間大尺度區(qū)域數(shù)據(jù),以協(xié)助研究人員掌握研究區(qū)的多維信息。其中美國國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP)搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Operational Linescan System,OLS)與美國新一代Suomi NPP 衛(wèi)星搭載的VIIRS傳感器(National Polar-Orbiting Partnership's Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,NPP-VIIRS)生產(chǎn)的燈光數(shù)據(jù)(Night Time Light,NTL)被運(yùn)用到大部分夜光遙感研究領(lǐng)域。燈光遙感與夜間輻射屬性相互關(guān)聯(lián),能有效地反映人類活動,被廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境、水文、氣象、地質(zhì)科學(xué)與地理等領(lǐng)域中[10-11]。有研究表明經(jīng)濟(jì)活動與NTL水平具有較高相關(guān)性,并指出NTL 數(shù)據(jù)在社會經(jīng)濟(jì)空間化領(lǐng)域的巨大潛力[12-13]。然而DMSP-OLS 因數(shù)據(jù)過飽和、數(shù)據(jù)可用性(具體數(shù)據(jù)可用性參照表1)、傳感器差異等限制,無法與新一代高靈敏度和高空間分辨NPP-VIIRS同時使用,而進(jìn)行長時間序列燈光遙感研究,故如何有效整合2 種數(shù)據(jù)成為近年來的燈光遙感研究領(lǐng)域熱點(diǎn)。Li等根據(jù)DMSP-OLS 與NPP-VIIRS 重合期內(nèi)兩類數(shù)據(jù)高冪數(shù)相關(guān)性的特點(diǎn),利用NPP-VIIRS 月合成數(shù)據(jù)模擬DMSP-OLS 月合成數(shù)據(jù)取得了較好的驗(yàn)證效果[14],實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的整合研究,但未實(shí)現(xiàn)兩種年合成數(shù)據(jù)之間的整合。
文中基于DMSP-OLS 與NPP-VIIRS 之間存在的冪數(shù)關(guān)系完成年合成數(shù)據(jù)整合模擬,形成長時間NTL數(shù)據(jù)序列,后結(jié)合第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值評價整合結(jié)果;利用城市規(guī)模指數(shù)提取研究區(qū)內(nèi)NTL,完成信息轉(zhuǎn)換,對2008年汶川地震災(zāi)前災(zāi)后各10年(1998~2018年)的災(zāi)區(qū)恢復(fù)情況評價,并利用增長率對結(jié)果佐證說明,以此評估汶川災(zāi)區(qū)城市恢復(fù)與災(zāi)后發(fā)展情況。
文中選取中國地震局2008 年8 月29 日公布的汶川地震烈度分布圖中的Ⅶ度及以上區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1),其面積為84 449 km2,東北向呈不規(guī)則橢圓形狀展布,東南向受地形影響有不規(guī)則衰減,西南較東北端窄,長軸約566 km,短軸約267 km,內(nèi)含15 個重災(zāi)縣(市、區(qū);按照中國行政區(qū)域矢量ID 順序進(jìn)行編號,作為本文制圖編號):都江堰市(a)、彭州市(b)、綿竹市(c)、什邡市(d)、廣漢市(e)、安縣(f)、北川縣(g)、平武縣(h)、江油市(i)、青川縣(j)、汶川縣(k)、理縣(l)、茂縣(m)、武都縣(n)和文縣(o),本文重點(diǎn)關(guān)注上述15 個縣(市、區(qū))。
圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area
本文使用的原始DMSP-OLS為夜間穩(wěn)定燈光(NSL),已經(jīng)過輻射校正和無云合成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理,空間分辨率為30弧秒,時間可用序列與可選衛(wèi)星情況如表1所示;NPP-VIIRS原始數(shù)據(jù)空間分辨率為15弧秒,可使用時間序列為情況如表1所示。數(shù)據(jù)預(yù)處理后,DMSP-OLS與NPP-VIIRS數(shù)據(jù)分辨率為0.008 993 220 3°,參考坐標(biāo)系統(tǒng)均為WGS-84。
表1 數(shù)據(jù)可用性Table 1 Data visualization
社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):1992~2019 年《四川統(tǒng)計(jì)年鑒》,主要使用汶川地震15 個重災(zāi)縣(市、區(qū))的第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)。
DMSP-OLS 搭載的多個傳感器具有較大差異,同時未做星上輻射校正,導(dǎo)致該數(shù)據(jù)集出現(xiàn):(1)影像DN值飽和效應(yīng)(DMSP-OLS 影響DN 值范圍只有0~63,實(shí)際亮度值大于63 只顯現(xiàn)為63);(2)影像非連續(xù)性。文中使用相互校正與連續(xù)校正分別解決影像DN值飽和現(xiàn)象和非連續(xù)性等問題。
圖2 數(shù)據(jù)處理過程Fig.2 Data processing
2.1.1 相互校正
Hall和Lenney等[15-16]提出連續(xù)時相遙感影像中的穩(wěn)定像元可作為目標(biāo)參考點(diǎn)來校正數(shù)據(jù)集,以此完成DMSP-OLS 數(shù)據(jù)集的相互校正。Elvidge 等[17]使用不變目標(biāo)區(qū)域法對全球范圍內(nèi)的天燃?xì)馊紵吭u估,證明了該方法的有效性。曹子陽[18]同樣使用不變目標(biāo)區(qū)域法,以鶴崗市市轄區(qū)作為目標(biāo)參考區(qū)域?qū)艄鈹?shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)、線性、對數(shù)、二次多項(xiàng)式與冪函數(shù)等5 種形式的回歸,最后使用最高相關(guān)性的冪數(shù)回歸完成數(shù)據(jù)整合。本文同樣使用冪函數(shù)回歸模型式(1)以鶴崗市市轄區(qū)為不變區(qū)域完成數(shù)據(jù)校正。
式中,DN為待校正影像中的像元DN值;DNim為校正后的像元DN值;a和b為冪函數(shù)回歸模型的不同參數(shù),具體參數(shù)見表2。
表2 回歸模型參數(shù)Table 2 Regression model parameter
續(xù)表2
2.1.2 連續(xù)校正
傳感器參數(shù)與狀態(tài)等原因?qū)е峦荒攴軳TL 有較大的差異,雖相互校正模型可一定程度上減小差異,但總體效果欠佳[19]。為最大程度上提高精度,文中采用連續(xù)校正對相互校正后結(jié)果進(jìn)行處理,具體公式如下:
NPP-VIIRS數(shù)據(jù)較DMSP-OLS數(shù)據(jù)具有更高空間與輻射量分辨率,但未經(jīng)去光處理,導(dǎo)致VIIRS輻射儀錯將無人區(qū)域存在的較弱輻射認(rèn)定為有效光源,即噪聲點(diǎn)[20]。VIIRS不僅能夠探測到植被、水和沙漠等自然土地覆蓋反射的月光,且能探測低于DMSP/OLS光照水平的區(qū)域,故以DMSP-OLS最低探測信號值為閾值過濾NPP-VIIRS數(shù)據(jù)噪聲。遵照Xi等的經(jīng)驗(yàn),以0.3 nW cm-2 sr-1 為基準(zhǔn)去除NPP-VIIRS背景噪聲[21]。
NTL 數(shù)據(jù)可以廣泛應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)學(xué)研究領(lǐng)域[22],如何有效整合2 種數(shù)據(jù)集,擴(kuò)寬研究領(lǐng)域顯得尤為重要。Zhang等發(fā)現(xiàn)DMSP-OLS與NPP-VIIRS數(shù)據(jù)集之間存在較好的類似于山脊線的曲線關(guān)系[23]。
式中,x為DMSP-OLS值;a,b為系數(shù);y為NPP-VIIRS值。
鑒于上述Xi 等通過冪數(shù)模型回歸擬合2 種數(shù)據(jù)集,以評價2011 至2017 年間敘利亞主要人類定居點(diǎn)的城市[21]。本文基于式(4)完成2 種數(shù)據(jù)集的長時間序列整合處理。通過最小化絕對殘差與Levenberg-Marquardt算法對預(yù)處理后的2012年DMSP-OLS與2012年NPP-VIIRS整合,整合公式與參數(shù)如下:
式中,Radiance為NPP-VIIRS數(shù)據(jù)輻射亮度值;DNcon為整合后NTL值,即DMSP-OLS模擬值。
提取整合后燈光灰度大小為6 以上的區(qū)域,可最大限度避免燈光影像背景噪聲。本文以新城市規(guī)模指數(shù)為基礎(chǔ),提取1998~2018 年中國區(qū)域城市規(guī)模分布情況,來分析災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建境況。具體指數(shù)公示如下式(6)。
式中,UREi為城市規(guī)模指數(shù);Hi為大于全國各地級及以上城市燈光亮度中位數(shù)的光斑所代表的實(shí)際面積;Si為小于全國各地級以上城市燈光亮度中位數(shù)的光斑所代表的實(shí)際面積。
城市規(guī)模指數(shù)彌補(bǔ)了僅考慮人口、土地、經(jīng)濟(jì)的單一指標(biāo)所固有的缺陷,綜合城市擴(kuò)張中上述因素的空間特征,采用全國城市中位數(shù)防止了燈光亮度異常區(qū)域?qū)Y(jié)果的干擾,反映了高密度區(qū)面積變動的趨勢,同時也避免與“城市蔓延”(低密度區(qū)擴(kuò)張)相混淆,能較好地度量城市擴(kuò)張[24]。
增長率是指一定時期內(nèi)某一數(shù)據(jù)指標(biāo)的觀察值與基期觀測值的比值,根據(jù)采用的基值不同可有不同的表示方式:同比增長率、環(huán)比增長率與定基增長率。本文借助統(tǒng)計(jì)學(xué)中常見的定基增長率輔助說明NTL 水平變化以及城市規(guī)模指數(shù)變動,具體如下式:
式中,Gn為第n年NTL 的增長率;NTLi為第i年的研究區(qū)燈光數(shù)據(jù)總值;NTL0為第1997 年燈光數(shù)據(jù)研究區(qū)總值為基準(zhǔn);n=1,2,3,···20。
統(tǒng)計(jì)學(xué)中通常將增長率用在經(jīng)濟(jì)上,即經(jīng)濟(jì)增長率,反映一定時期經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平變化程度的動態(tài)指標(biāo),能反應(yīng)一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動。本文用在燈光數(shù)據(jù)上,以表示該地區(qū)發(fā)展與恢復(fù)活力。
燈光數(shù)據(jù)的像元均值與亮像元數(shù)都能較好的表征數(shù)據(jù)處理前后的變化情況。1992~2008 年中國區(qū)域原始NSL的像元均值與亮像元數(shù)如圖3(a)與圖3(b)所示。經(jīng)相互校正與連續(xù)校正后如圖3(c)所示,連續(xù)性和可比性得到了較大的改善,并且同載異星傳感器獲取的數(shù)據(jù)差異也得到減少。
圖3 中國區(qū)域DMSP-OLS校正對比Fig.3 Comparison of DMSP-OLS correction in China
圖4(a)為2017年NPP-VIIRS 未去噪研究區(qū)燈光影像圖,圖4(b)為去噪后圖,圖4(c)為研究區(qū)同年份樣本點(diǎn)高分2號影像圖,圖4(c)為隨機(jī)一處無人區(qū)域,與圖4a對應(yīng)紅色區(qū)域存在輻射,即認(rèn)定為有經(jīng)濟(jì)活動現(xiàn)象。經(jīng)去噪后,如圖4(b)所示,已為0值,經(jīng)多點(diǎn)抽樣驗(yàn)證符合實(shí)際情況。
圖4 2017年研究區(qū)去噪對比Fig.4 Denoising comparison of the research area in 2017
整合數(shù)據(jù)后,研究區(qū)內(nèi)燈光指數(shù)總值與15個重災(zāi)市縣的第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值擬合結(jié)果如圖5所示,呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,其調(diào)整后擬合優(yōu)度R2高達(dá)0.883 51,文中數(shù)據(jù)校正及整合精度較高。
圖5 燈光指數(shù)與第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值擬合Fig.5 The lighting index is fitted with the GDP of the secondary and tertiary industries
以上是對數(shù)據(jù)處理過程的分析描述。以下對比分析中NTL 水平代表當(dāng)?shù)睾暧^經(jīng)濟(jì)水平、城市規(guī)模水平描述當(dāng)?shù)亟ㄖ秶?,增長率水平輔助NTL 水平與城市規(guī)模水平進(jìn)行對比分析。NTL 數(shù)值與增長率結(jié)合直觀表述汶川地震前后重災(zāi)縣宏觀經(jīng)濟(jì)水平變化,以評判恢復(fù)程度。而城市規(guī)模與增長率可從經(jīng)濟(jì)高發(fā)展區(qū)域?qū)?zāi)區(qū)恢復(fù)進(jìn)行評價。
NPP-VIIRS 去除噪聲后與改善后的DMSP-OLS 數(shù)據(jù)集整合,形成1992 年至2019 年的長時間序列,后選用1998 至2018 年間NTL 數(shù)據(jù)集,以增長率為輔統(tǒng)計(jì)分析,總體趨勢見下圖6。
圖6 研究區(qū)NTL總值趨勢圖Fig.6 Total value trend chart of NTL in study area
研究區(qū)內(nèi)大量建筑設(shè)施等能提供有效光源的輻射源因地震遭到毀壞,從圖6 中可得出,2008 年研究區(qū)夜間燈光輻射量較2007 年下降較大,2009 年小幅度減少。2009 至2011 年為汶川災(zāi)區(qū)規(guī)劃重建期,3 年后災(zāi)區(qū)整體NTL 水平趨近震前,與恢復(fù)重建過程中災(zāi)區(qū)外部援助幫扶使得災(zāi)區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)活動一定程度上出現(xiàn)短期的回升,GDP 水平表現(xiàn)為汶川重災(zāi)市縣2011 年(1 349.9 億元)高于2007 年(911.9 億元),具體如圖7所示。
圖7 重災(zāi)縣GDP總和趨勢圖Fig.7 GDP trend chart of disaster-stricken counties
至2012 年3 年規(guī)劃重建期結(jié)束,災(zāi)區(qū)開始自我恢復(fù)重建,與一直上升的GDP 變化趨勢相反的是NTL 總值趨勢下滑,直至2015年開始回升,2017年才恢復(fù)到震前水平,大致符合恢復(fù)重建目標(biāo),本文的宏觀經(jīng)濟(jì)角度結(jié)論與WU等人使用ARIO模型從微觀經(jīng)濟(jì)角度預(yù)測的汶川地震重建期為8年相吻合[25]。
圖8 重災(zāi)市縣NTL總值與增長率Fig.8 Total value and growth rate of NTL in severely affected cities and counties
從15 個重災(zāi)市縣NTL 與增長率趨勢圖中,2008 年汶川地震后各市縣的NTL 水平與NTL 增長率同步下降,至2010 年時各市縣的NTL 增長率開始處于較為平穩(wěn)狀態(tài),總體水平低于震前。災(zāi)區(qū)外部援助幫扶措施所帶來的經(jīng)濟(jì)提升促使各市縣NTL 水平有一定回升。3年重建結(jié)束后,各重災(zāi)市縣NTL 水平均在2011年左右后急劇下降,下降周期短則3年,長則6年。
震前10 年內(nèi),大部分重災(zāi)市縣NTL 水平均以較為穩(wěn)定的增長速率上升。震后第10 年:2018 年市縣NTL 水平恢復(fù)到震前:都江堰(a)、彭州市(b)、綿竹市(c)、什邡市(d)、安縣(f)、平武縣(h)、江油市(i)、青川縣(j)、汶川縣(k)、理縣(l)、茂縣(m)與武都縣(n),其中彭州市(b)、安縣(f)、青川縣(j)、汶川縣(k)、茂縣(m)與武都縣(n)NTL水平遠(yuǎn)超震前。而廣漢市(e)、北川縣(g)與文縣(o)NTL 水平未恢復(fù)到震前??傮w上重災(zāi)市縣NTL水平均恢復(fù)到震前比例達(dá)80%。
城市規(guī)模指數(shù)變化趨勢圖中(圖9),地震使整體災(zāi)區(qū)城市規(guī)模下降,2009年至2011年,災(zāi)區(qū)外部大力支持汶川災(zāi)區(qū)重建,城市規(guī)模水平逐漸回升,同樣當(dāng)災(zāi)區(qū)外部提供的恢復(fù)建設(shè)協(xié)助結(jié)束后,各市縣開始自我發(fā)展與重建時,汶川災(zāi)區(qū)城市規(guī)模水平與NTL 水平均在2012年有一定的下降,而城市規(guī)模水平從2013年后開始回升。
各市縣的城市規(guī)模指數(shù)與NTL 總值變化趨勢對比圖中,城市規(guī)模指數(shù)呈現(xiàn)出較NTL 更穩(wěn)定的變化趨勢。在汶川地震的破壞下,各市縣NTL總值的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)浮動,表現(xiàn)出快速下降趨勢,而城市規(guī)模指數(shù)變動較小。
震前10 年內(nèi),大部分重災(zāi)市縣城市規(guī)模水平以一定增長速率上升,震后第10 年,即到2018 年所有市縣城市規(guī)模水平均恢復(fù)到震前。震前10 年,部分城市規(guī)模未變化的低經(jīng)濟(jì)水平市縣:北川縣(g)、青川縣(j)、理縣(l)與文縣(o)等地震后得到一定發(fā)展,城市規(guī)模水平高速提升。與NTL 水平變化波動較大相反的是各市縣城市規(guī)模水平受地震影響波動較小,兩變量水平之差對應(yīng)的是一些發(fā)展較為落后的區(qū)域,即為未達(dá)到城市規(guī)模水平的區(qū)域,此次地震對該類區(qū)域的破壞性或者影響較大。
本文使用的夜間燈光數(shù)據(jù)與第二、三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值具有較高的相關(guān)性,利用冪數(shù)將長時間序列的DMSP-OLS 數(shù)據(jù)與具有更高靈敏度、更為精確空間分布信息特點(diǎn)的NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,極大地擴(kuò)寬了NTL 應(yīng)用與研究領(lǐng)域,發(fā)揮多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢。同時結(jié)合NTL 總值水平、城市規(guī)模指數(shù)與增長率等多指標(biāo)完成汶川地震前后社會經(jīng)濟(jì)活動變化描述。
研究表明,汶川地震3 年規(guī)劃重建期內(nèi),當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平恢復(fù)效果明顯,社會經(jīng)濟(jì)活動能力與城市規(guī)模水平都有一定回升,但均未恢復(fù)到震前水平。3 年規(guī)劃重建期結(jié)束后,重災(zāi)市縣進(jìn)入經(jīng)濟(jì)恢復(fù)適應(yīng)期,NTL 水平與城市規(guī)模水平均有一定下降。重災(zāi)區(qū)市縣因自身產(chǎn)業(yè)布局與經(jīng)濟(jì)活動能力等限制,3~6 年的適應(yīng)期內(nèi),NTL 水平呈現(xiàn)下滑再回升的趨勢。震前各市縣均已一定速度發(fā)展,經(jīng)濟(jì)活動水平同比增長,震后第十年,80%重災(zāi)市縣NTL 水平恢復(fù)到震前,其中部分市縣NTL 水平與城市規(guī)模水平遠(yuǎn)超震前。剩余20%重災(zāi)市縣未恢復(fù)到震前水平,且有一定下降??傮w上完成了以NTL水平及相關(guān)指標(biāo)評價災(zāi)區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動能力的目標(biāo),得出汶川地震重災(zāi)區(qū)在3年規(guī)劃重建期基礎(chǔ)上恢復(fù)期平均為八年的結(jié)論。