內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征分析

郭旭冉，蘇曉明，邁力斯

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引言

在夜間，人類的活動(dòng)依賴燈光的照明，但過度的照明會(huì)對(duì)人類本身以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[1,2]?？茖W(xué)的量化夜間燈光亮度是控制夜間照明光污染的首要條件。從20世紀(jì)開始，美國(guó)就利用DMSP衛(wèi)星來觀測(cè)夜間地表燈光[3]，隨后相關(guān)學(xué)者利用此類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了全球以及各洲、各國(guó)的夜間燈光亮度變化。如：Small等[4]分析了全球1992年至2009年間的夜間燈光亮度水平、范圍變化；Bennie等[5]對(duì)比了歐洲各地區(qū)之間夜間燈光亮度的增長(zhǎng)性差異；Rehman等[6]分析了印度全國(guó)夜間燈光亮度的時(shí)空分布特點(diǎn)。但目前的研究仍缺少對(duì)生態(tài)薄弱地區(qū)夜間燈光亮度的分析，缺少夜間燈光亮度的量化指標(biāo)。所以本文以內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度為研究對(duì)象，建立夜間燈光的發(fā)亮面積、形態(tài)、水平三個(gè)特征指標(biāo)，分析內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的時(shí)空分布特征，以及特征指標(biāo)與研究區(qū)土地面積、人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平之間的線性相關(guān)性(以下簡(jiǎn)稱相關(guān)性)。

1 研究范圍

本文研究范圍選取了內(nèi)蒙古滿洲里市、錫林浩特市、二連浩特市等22個(gè)草原地區(qū)所組成的研究區(qū)(圖1),研究區(qū)域橫跨內(nèi)蒙古中西部、中部、東部，包含了荒漠草原、典型草原、草甸草原三大草原類型[7]。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

在分析內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征時(shí)，選用的數(shù)據(jù)為夜間燈光遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于NASA、NOAA、美國(guó)空軍共同研制的NPP衛(wèi)星，其搭載的VIIRS(可見紅外成像輻射儀)可采集22個(gè)光譜波段通道，范圍為0.3～14 μm，分辨率約為500 m，重返周期為一天[8]。為了避免地面積雪、植被對(duì)燈光值的影響，本文選取了我國(guó)2015—2019年4月和10月的夜間燈光遙感數(shù)據(jù)(TIFF格式)[9]，此數(shù)據(jù)消除了雜散光、月光、云層、閃電影響[10]，數(shù)值為月平均光輻射亮度值。另一方面，本文討論了草原地區(qū)夜間燈光亮度特征指標(biāo)與土地面積、人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平(以下簡(jiǎn)稱為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))的相關(guān)性。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒 2020》[11]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)背景降噪。

夜間燈光遙感數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的背景噪聲，背景噪聲主要是體現(xiàn)在研究區(qū)域內(nèi)單位像元(500 m×500 m)光輻射亮度的負(fù)值、極小值和異常極大值[12]，所以本文利用GIS(地理信息系統(tǒng))對(duì)夜間燈光遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。處理方法為閾值過濾(圖2)，其中xm代表上級(jí)地區(qū)中單位像元的光輻射亮度最大值[12]，0.3為經(jīng)驗(yàn)閾值[13]。即若待處理像元值小于0.3×10-9(W/cm2/sr)，則令其像元值為零；若待處理像元的值大于上級(jí)地區(qū)單位像元的最大值，則令其像元值為上級(jí)地區(qū)單位像元的最大值。

圖2 夜間燈光數(shù)據(jù)的背景降噪流程Fig.2 Background noise reduction process of night light data

(2)像元計(jì)算。

在NPP-VIIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中，圖像是由多個(gè)像元所構(gòu)成的，每個(gè)像元都包含了一個(gè)可為零的光輻射亮度值，單位為10-9(W/cm2/sr)。光輻射亮度值的大小代表了此像元包含區(qū)域內(nèi)的亮度大小，利用GIS對(duì)研究區(qū)域內(nèi)發(fā)光像元數(shù)量、強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)，可以分析研究區(qū)域內(nèi)夜間燈光亮度的范圍和大小。

(3)最鄰近指數(shù)計(jì)算。

地理學(xué)中在研究點(diǎn)狀要素的空間分布時(shí)，一般將其分布形態(tài)分為聚集分布、均勻分布、隨機(jī)分布三種類型[14，15](圖3)。而在區(qū)分這三種空間分布類型時(shí)，常用到最鄰近指數(shù)，它表示點(diǎn)狀要素在空間中的鄰近程度，其計(jì)算式為：

圖3 分布形態(tài)類型Fig.3 Distribution form type

(1)

其中R為最鄰近指數(shù)，Do為實(shí)際觀測(cè)到的研究區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)與其最近鄰點(diǎn)之間距離的平均值，Dr為研究區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)隨機(jī)分布時(shí)之間的平均距離。當(dāng)最鄰近指數(shù)R<1時(shí)，點(diǎn)狀要素在空間內(nèi)為聚集分布；當(dāng)最鄰近指數(shù)R=1時(shí)，點(diǎn)狀要素在空間內(nèi)為隨機(jī)分布；當(dāng)R>1時(shí)，點(diǎn)狀要素在空間內(nèi)為均勻分布。

本文在研究時(shí)，利用GIS計(jì)算了研究區(qū)域內(nèi)所有發(fā)光像元之間的最鄰近指數(shù)，并以此來分析研究區(qū)域內(nèi)夜間燈光亮度的分布形態(tài)。

3 特征分析

通過量化夜間燈光亮度分布面積、密度、形態(tài)、水平，將夜間燈光亮度特征分為分布面積特征、分布形態(tài)特征、亮度水平特征三個(gè)方面，以此分析了各草原地區(qū)的夜間燈光亮度現(xiàn)狀，同時(shí)分析了2015年至2019年五年間草原地區(qū)整體的夜間燈光亮度變化。

3.1 亮度分布面積特征

在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，發(fā)亮區(qū)域總面積達(dá)到了4 470 km2，占總研究區(qū)域面積的1.26%。從不同草原地區(qū)的發(fā)亮區(qū)域面積數(shù)值分布來看(圖4)，22個(gè)地區(qū)的發(fā)亮區(qū)域面積平均值為203.18 km2，標(biāo)準(zhǔn)差為131.94 km2，總體差異較大。在22個(gè)草原地區(qū)中，西烏珠穆沁旗的發(fā)亮面積最大，達(dá)到了500 km2以上，鑲黃旗的面積最小，為50 km2以下，兩者相差10倍。

圖4 各草原地區(qū)發(fā)亮區(qū)域面積Fig.4 Luminous area of each grassland area

另一方面，本文計(jì)算出了22個(gè)草原地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積占地區(qū)總面積的比值(圖5)。22個(gè)草原地區(qū)發(fā)亮面積占比的平均值為4.92%，標(biāo)準(zhǔn)差為9.69%，總體差異較大。高密度發(fā)亮區(qū)域主要集中在海拉爾區(qū)、滿洲里市、扎賚諾爾區(qū)，發(fā)亮面積占比在20%以上；低密度發(fā)亮區(qū)域則主要集中在蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、東烏珠穆沁旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗，發(fā)亮面積占比在0.5%以下；而其他區(qū)域的發(fā)亮面積占比多集中在5%以下。

圖5 各草原地區(qū)發(fā)亮面積占比Fig.5 Proportion of luminous area in eachgrassland area

3.2 亮度分布形態(tài)特征

從整個(gè)研究區(qū)來看，最鄰近指數(shù)R為0.19，夜間燈光亮度的分布形態(tài)呈聚集性。在22個(gè)草原地區(qū)中(圖6)，20個(gè)地區(qū)的最鄰近指數(shù)R都低于1，只有滿洲里市、扎賚諾爾區(qū)的最鄰近指數(shù)R大于1。數(shù)據(jù)表明，大部分草原地區(qū)的夜間燈光亮度分布形態(tài)呈聚集性，而少部分草原地區(qū)的夜間燈光亮度分布形態(tài)呈隨機(jī)性、均勻性(圖7)。

圖6 各草原地區(qū)最鄰近指數(shù)Fig.6 Nearest neighbor index of each grassland area

圖7 各草原地區(qū)夜間燈光亮度分布形態(tài)圖Fig.7 Distribution pattern of night light brightness in various grassland areas

通過對(duì)比不同草原地區(qū)的最鄰近指數(shù)R，發(fā)現(xiàn)最鄰近指數(shù)R最大的是扎賚諾爾區(qū)，達(dá)到了1.10，最小值為0.18，為新巴爾虎左旗。此外，如果將夜間燈光亮度分布形態(tài)中的聚集性分布再細(xì)分為低聚集分布形態(tài)(0.6

3.3 亮度水平特征

區(qū)域發(fā)光總量為研究區(qū)域內(nèi)光輻射亮度的總和，發(fā)光總量可以反映一個(gè)地區(qū)夜間燈光亮度的整體水平。研究區(qū)域內(nèi)整體的發(fā)光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，而從各草原地區(qū)發(fā)光總量的中位數(shù)931.62×10-9(W/cm2/sr)，平均值1 597.75×10-9(W/cm2/sr)，標(biāo)準(zhǔn)差1 927.46×10-9(W/cm2/sr)來看，各地區(qū)夜間燈光亮度水平差異較大，整體水平不高(圖8)。

圖8 各草原地區(qū)區(qū)域發(fā)光總量Fig.8 Total regional luminous amount of each grassland area

根據(jù)22個(gè)草原地區(qū)發(fā)光總量的中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差劃分了低、中、高三個(gè)夜間燈光亮度水平，間斷值分別為1 000×10-9(W/cm2/sr)、3 000×10-9(W/cm2/sr)、5 000×10-9(W/cm2/sr)。

從圖9可以看出，高亮度水平地區(qū)主要包括錫林浩特市、海拉爾區(qū)，其中錫林浩特市的夜間燈光發(fā)光總量達(dá)到了8 519.37×10-9(W/cm2/sr)，中亮度水平地區(qū)則包括西烏珠穆沁旗、鄂溫克族自治旗等八個(gè)地區(qū)，其余12個(gè)地區(qū)均為低亮度水平地區(qū)，夜間燈光發(fā)光總量最低的地區(qū)為鑲黃旗，為126.35×10-9(W/cm2/sr)。

圖9 各草原地區(qū)夜間燈光亮度水平分布圖Fig.9 Distribution map of night light brightness level in each grassland area

3.4 時(shí)間性變化

為了進(jìn)一步明確內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的發(fā)展趨勢(shì)，本文通過計(jì)算得到了內(nèi)蒙古草原地區(qū)2015年—2019年夜間燈光亮度特征的具體數(shù)值。從表1可以看出，從2015年到2019年，各亮度特征指標(biāo)數(shù)值都在增長(zhǎng)，發(fā)亮面積、密度五年間增長(zhǎng)了133%，最鄰近指數(shù)增長(zhǎng)了46%，發(fā)光總量增長(zhǎng)了28%。說明內(nèi)蒙古草原地區(qū)的夜間燈光亮度的面積、密度、分散程度、水平都在快速增長(zhǎng)，特別是發(fā)亮面積，年平均增長(zhǎng)量達(dá)到了512.5 km2。

表1 2015—2019年內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征指標(biāo)值Table 1 Characteristic index value of night light brightness in grassland area of Inner Mongolia from 2015 to 2019

4 討論

為了探明研究區(qū)域內(nèi)夜間燈光亮度特征與地區(qū)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的影響關(guān)系，本文分別將量化后的分布面積特征指標(biāo)、分布形態(tài)特征指標(biāo)、亮度水平特征指標(biāo)與土地面積、人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)水平進(jìn)行了相關(guān)性分析。

根據(jù)表2中的相關(guān)性結(jié)果可以得知，地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積與地區(qū)生產(chǎn)總值、地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之間具有中度的正相關(guān)，其中發(fā)亮面積與地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)性更高，本文認(rèn)為可能是第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)、建筑業(yè)的經(jīng)濟(jì)性活動(dòng)擴(kuò)大了人工照明對(duì)草原地區(qū)的影響范圍。

表2 相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis results

發(fā)亮面積占比、最鄰近指數(shù)與地區(qū)人口密度之間具有高度的正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了0.9以上，所以本文認(rèn)為地區(qū)人口密度可能是影響草原地區(qū)夜間燈光亮度密度大小、分散聚集程度高低的重要因素。另一方面，發(fā)亮面積占比、最鄰近指數(shù)與地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值之間具有中低度的負(fù)相關(guān)，本文認(rèn)為可能是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)、牧業(yè)經(jīng)濟(jì)性活動(dòng)較為活躍的草原地區(qū)，其人口密度較低，同時(shí)人口活動(dòng)分布較為聚集所導(dǎo)致的。

發(fā)光總量方面，地區(qū)人口數(shù)量與其具有中度正相關(guān)。在與經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)的相關(guān)程度中，地區(qū)生產(chǎn)總值與發(fā)光總量的相關(guān)程度最高，通過對(duì)比不同產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與亮度水平的相關(guān)性程度后發(fā)現(xiàn)，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其相關(guān)程度較弱，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其具有中度相關(guān)，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其具有高度相關(guān)。本文認(rèn)為，其差異的原因可能是草原地區(qū)第一產(chǎn)業(yè)中農(nóng)業(yè)、牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)性活動(dòng)對(duì)夜間燈光的需求度較低，而草原地區(qū)第二、三產(chǎn)業(yè)中工業(yè)、商業(yè)、服務(wù)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性活動(dòng)對(duì)夜間燈光的需求度更高。

5 結(jié)論

本文從分布面積、分布形態(tài)、亮度水平這三方面量化了內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征，闡述了內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征的時(shí)間性變化，分析了亮度特征指標(biāo)與基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。結(jié)論如下：

(1)內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面為4 470 km2，占總土地面積的1.26%，各個(gè)草原地區(qū)的發(fā)亮面積差異較大，在發(fā)亮面積占比上，中東部地區(qū)比中西部其他地區(qū)的密度要高；內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度分布形態(tài)整體呈高度聚集性，各個(gè)草原地區(qū)分布形態(tài)中，除東部部分地區(qū)分布形態(tài)呈均勻性、隨機(jī)性，其余地區(qū)分布形態(tài)聚集程度較高，差異性不大；內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，各個(gè)草原地區(qū)亮度水平差異較大，中高亮度水平地區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古中東部。

(2)從2015年到2019年，內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度分布面積特征指標(biāo)、分布形態(tài)特征指標(biāo)、亮度水平特征指標(biāo)均在增長(zhǎng)，內(nèi)蒙古草原地區(qū)的夜間燈光的影響范圍正在逐年加大，影響程度正在逐年加重。

(3)各特征指標(biāo)在與基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析中，地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的相關(guān)性最高；發(fā)亮面積占比、最鄰近指數(shù)與人口密度之間的相關(guān)性最高；發(fā)光總量與生產(chǎn)總值的相關(guān)性最高。

通過對(duì)內(nèi)蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的時(shí)空分析，本研究豐富了我國(guó)草原地區(qū)的夜間光環(huán)境研究。另一方面，依據(jù)本研究建立的夜間燈光亮度特征指標(biāo)，可以更好地評(píng)估生態(tài)薄弱地區(qū)的夜間燈光亮度水平，量化生態(tài)薄弱地區(qū)的光污染程度。而利用本研究得到的相關(guān)性結(jié)果，可以為草原城鎮(zhèn)規(guī)劃發(fā)展、草原城鎮(zhèn)照明設(shè)計(jì)、草原城鎮(zhèn)光污染控制提供針對(duì)性參考。