基于NPP-VIIRS夜間燈光數據的2017年九寨溝地震災后恢復動態(tài)監(jiān)測

劉文毅 劉耀輝,2,3 高振昌 申 云 周 潔 魏本勇 范熙偉 李曉麗

(1. 山東建筑大學 測繪地理信息學院, 山東 濟南 250101;2. 河北省地震動力學重點實驗室, 河北 三河 065201;3. 山東科技大學 測繪與空間信息學院, 山東 青島 266590;4. 中國地震局地質研究所, 北京 100029;5. 中國地震局地震與火山災害重點實驗室, 北京 100029;6. 中國地震臺網中心, 北京 100045)

0 引言

自然災害是人類社會面臨的全球性問題之一。近年來,我國自然災害頻繁發(fā)生,造成嚴重的經濟損失、人員傷亡和生態(tài)環(huán)境破壞,自然災害已逐漸成為當今社會面臨的嚴重問題之一。災后恢復過程中的監(jiān)測是防災減災的重要措施,自然災害尤其是地震造成的災害影響范圍廣,傳統(tǒng)的災后恢復監(jiān)測工作量大、周期長、同時也伴隨著危險性,難以滿足災后恢復過程監(jiān)測的需求。遙感技術可以動態(tài)監(jiān)測,適應各種惡劣條件,不受大氣條件的影響,獲取信息量大、效率高,能夠快速有效地進行大范圍災害災后恢復過程的動態(tài)監(jiān)測。目前遙感技術獲取災情信息主要由無人機和白天衛(wèi)星觀測影像分析所得,白天衛(wèi)星觀測影像可獲取地表信息,但受重返周期和光學影像空間寬幅限制等,難以實現多時序每日大區(qū)域空間尺度監(jiān)測;無人機遙感系統(tǒng)靈活機動,分辨率較高,獲取時間自由,但其覆蓋范圍小,攝影時飛行姿態(tài)容易受到天氣和環(huán)境影響,數據量大,處理費時費力;隨著遙感技術的發(fā)展,夜間燈光遙感以其獨特的優(yōu)勢應用于自然災害災后恢復過程監(jiān)測中。

國內外學者已開展基于夜間燈光數據進行災后影響及災區(qū)恢復等研究工作。張寶軍等[1]利用美國國防氣象衛(wèi)星計劃-衛(wèi)星運行的線性掃描系統(tǒng)(defense meteorological satellite program-operational linescan system,DMSP-OLS)掃描的數據,研究2003—2013年汶川災區(qū)照明強度的變化,探討夜間照明變化與災害損失的相關性。李曉雪等[2]利用多時段的夜光傳感器可見光近紅外成像輻射搭載國家極軌衛(wèi)星(national polar orbiting partnership-visible infrared imaging radiometer suite，NPP-VIIRS)夜間燈光數據監(jiān)測夏河MS5.7地震災前災后的夜間燈光指數變化,為甘肅地區(qū)應急大地震提供依據。杜若華等[3]以2014年8月魯甸地震為例,利用NPP-VIIRS夜間燈光月數據,研究災區(qū)夜間燈光時空變化并進行災后恢復進程監(jiān)測。付澤鈺等[4]基于夜間燈光數據,運用層次分析法評估銀川市應對地震災害的響應能力。Li等[5]根據夜光燈光數據,研究不同地震區(qū)夜間照明的變化以及人類活動對其影響的程度。Fan等[6]利用NPP-VIRS夜間燈光數據,監(jiān)測地震災后恢復并對地震損失進行快速評估。Soma[7]利用NPP-VIRS夜間燈光數據,對襲擊印度人口最多地區(qū)的極端強氣旋風暴“AMPHAN”造成的損失進行評估。

綜上所述,自然災害給人類生活的各個方面都帶來巨大的影響,因此災后恢復過程監(jiān)測至關重要。當前,利用遙感技術監(jiān)測災后恢復情況的方法主要有無人機遙感系統(tǒng)采集和白天衛(wèi)星觀測影像分析。其中,無人機的機動性強,分辨率高,采集時間自由,但是覆蓋面積小,拍攝時的姿態(tài)易受氣象、環(huán)境等因素的影響,數據量大,處理起來耗時耗力;白天衛(wèi)星觀測的影像可以很好地獲得地面信息,但受重返周期和光學影像空間寬幅限制等,難以實現多時序每日大區(qū)域空間尺度監(jiān)測。夜間燈光數據在災后恢復過程監(jiān)測方面具有獨特的數據優(yōu)勢,相對于傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星影像,夜間燈光遙感可以更直觀地反映人類活動。破壞性地震的發(fā)生,會引起災區(qū)燈光強度的變化,利用NPP-VIIRS夜間燈光數據在災后恢復過程監(jiān)測方面的應用研究比較少,本研究以2017年九寨溝地震為例,采用NPP-VIIRS夜間燈光數據作為基礎數據源,研究災前、災中和災后的燈光指數變化,進而進行災后恢復過程監(jiān)測,同時基于影像數據和社會經濟統(tǒng)計數據,驗證夜間燈光進行災后恢復監(jiān)測的可行性,面向災害應急管理部門、規(guī)劃管理部門及防災減災部門等提供可靠的、有效的數據來源支撐和決策信息參考。本研究基于夜間燈光數據,動態(tài)監(jiān)測災后影響及災區(qū)恢復過程,對于震災救援和恢復具有重要科學意義。

1 研究區(qū)與數據獲取

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1九寨溝縣概況

九寨溝縣,隸屬于四川省阿壩藏族羌族自治州,位于青藏高原東部邊緣,阿壩州東北部。東、北與甘肅省文縣、舟曲縣、迭部縣交界,西、南與四川省若爾蓋縣、平武縣、松潘縣接壤。屬多民族聚居縣、以藏族為主,轄3鎮(zhèn)14鄉(xiāng),總面積5 286 km2。據第七次人口普查數據顯示,截至2020年11月1日0時,九寨溝縣常住人口為66 055人。九寨溝縣地勢西北、西南高,東南低。屬高原濕潤氣候[8-9]。

1.1.22017年九寨溝地震概述

據中國地震臺網測定,2017年8月8日21時19分46秒,四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震。震源深度20 km,震中五公里范圍內平均海拔3 827 m,并且因地震引發(fā)的各種次生災害頻發(fā)。災害發(fā)生時正處于學生假期期間,人口密度大(包含本地居民與游客),嚴重影響居民的正常生活,由于地方各級政府和地震部門風險防范有效,公眾防震避險意識較強,此次地震較國內歷史同級地震相比, 人員傷亡較輕,本次地震造成29人死亡, 1人失蹤, 543人受傷,直接經濟損失80.43億元[10]。此次地震伴隨余震多,山體破碎誘發(fā)滾石、崩塌等地質隱患和次生災害突出。同時此次地震震中處于九寨溝景區(qū)附近,導致景區(qū)內眾多景點受損,生態(tài)搶救修復任務艱巨[11]。

1.2 數據來源

NPP-VIIRS夜間燈光數據來自美國國家海洋大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA),由NPP衛(wèi)星搭載可見紅外光成像輻射儀器探測所得。由于NPP-VIIRS夜間燈光數據可以獲取每天的數據,具有連續(xù)性,能在空間分布上直接反映災害前后燈光分布與集中情況,應用夜間燈光數據輔以社會經濟統(tǒng)計數據和衛(wèi)星遙感影像數據研究分析災后恢復過程具有獨特的優(yōu)勢。本研究實驗數據來源如表1所示。

表1 實驗數據來源

1.2.1NPP-VIIRS夜間燈光數據

本研究使用日際夜間云燈光產品可見紅外成像輻射計套件日/夜帶每月無云復合夜間燈光產品。NPP-VIIRS有22個光譜波段,波長范圍在0.4～12 μm,涵蓋可見光和紅外光譜,NPP-VIIRS主要為全色波段,空間分辨率約為750 m,具有優(yōu)越的夜間燈光探測能力。此外,NPP-VIIRS數據采用板載校準,數據質量得到提高。

1.2.2行政區(qū)劃邊界數據

國家基礎地理信息中心公開發(fā)布的中國1∶400萬基礎地理信息數據集,本研究區(qū)域數據在阿里云網站進行下載,主要使用四川省九寨溝縣的縣級行政邊界數據。

1.2.3社會經濟統(tǒng)計數據

選取四川省統(tǒng)計局網站上九寨溝縣2016—2020年生產總值數據。通過對此數據的研究,可以進一步直接與夜間燈光數據相對照,更加直觀地反映出夜間燈光數據的準確性。

1.2.4研究區(qū)影像數據

選取2017年震前高分1號遙感影像和震后高分2號遙感影像作為輔助驗證數據,分別對研究區(qū)進行恢復監(jiān)測分析,驗證利用夜間燈光進行災后恢復監(jiān)測的可行性。

2 研究方法與處理結果

2.1 夜間燈光數據處理

由于NPP-VIIRS夜間燈光數據存在負值,后續(xù)處理還需要統(tǒng)計面積、計算燈光指數以及不同時間的燈光指數進行對比分析。因此,需要對夜間燈光數據進行消除負值、圖像裁剪、投影轉換、重采樣等一系列預處理,為將不同日、月的數據進行對比分析,還需進行夜間燈光數據的歸一化處理。

(1)消除負值。利用ArcGIS軟件中的柵格計算器,將夜間燈光影像中的負值賦值為0。

(2)圖像裁剪。加載NPP-VIIRS數據和研究區(qū)矢量地圖數據,選擇按掩膜提取,提取研究區(qū)的夜間燈光數據。

(3)投影轉換。將裁剪完成的研究區(qū)夜間燈光數據,轉換成適合中國地圖地形的蘭伯特投影。

(4)重采樣。使用數據管理工具中投影柵格進行重采樣,在其單元設置中將其設為500,即重采樣為500 m×500 m的柵格文件。

(5)歸一化處理。選擇疊加分析中的模糊隸屬度,分類值選擇線性函數,將研究區(qū)域的夜間燈光數據完成歸一化處理。

2.2 夜間燈光數據計算

常用的燈光指數有夜間燈光總強度指數(total nighttime light index,TNLI)、平均燈光強度指數(average nighttime light index,ANLI)和綜合燈光指數(compounded nighttime light index,CNLI)。夜間燈光總強度(TNL)是指行政單元內遙感影像像元亮度值(digital number,DN)總和;平均燈光強度(ANL)為夜間燈光強度占最大燈光強度的比率;綜合燈光強度(CNL)為平均燈光強度(ANL)與燈光面積比(S)的乘積,燈光面積比為燈光面積與行政單元面積之比;TNLI、ANLI、CNLI和S分別可用式(1)～式(4)表示[12-14]。

式中,n為柵格的數量;Ni為每個柵格單元的像元輻射值;A為區(qū)域內所有燈光像元的總面積;B為研究區(qū)的面積;S為燈光面積比。

2.3 夜間燈光處理結果

經過夜間燈光數據處理,得到九寨溝縣燈光圖。由于研究數據較多,本研究僅展示部分結果圖(圖1)。

圖1 九寨溝縣夜間燈光圖

通過公式計算,得到三種燈光指數數據，見表2～表4。

表2 九寨溝縣三種日際燈光指數

表3 九寨溝縣三種月際燈光指數

表4 九寨溝縣三種年際燈光指數

3 實驗結果分析

3.1 夜間燈光強度時間變化分析

3.1.1日際變化分析

本研究選取2017年8月6日至2017年8月17日進行地震災害發(fā)生前后夜間燈光指數的日際變化分析,圖2為九寨溝縣TNL指數的日際變化趨勢。圖中燈光指數總體波動起伏較大,震前燈光指數值較高,8月8日發(fā)生地震后,地震災害使許多房屋倒塌,道路中斷,電力、通信等均受到嚴重影響,致使燈光指數驟減,8月9日燈光指數降至最低,與震前8月6日相比,下降高達94.5%,表明研究區(qū)受到地震嚴重破壞。災害發(fā)生后,各級各部門緊急采取搶險救災措施,大量人員抵達災區(qū)進行救災,同時在8月10日,在地震災害中受損的九寨溝變電站及相應線路,眾多電力單位搶險人員完成電力方面的搶險,恢復臨時供電,因此8月10日起燈光指數開始大幅升高。8月12日起,部分單位的搶險人員將陸續(xù)撤出九寨溝災區(qū),電力部門將進一步承擔為災區(qū)居民集中安置點搭接電源等工作,同時受到天氣變化的影響,災后10 d內TNL指數跌宕起伏,但燈光總量指數還未恢復震前水平,但與震中比較,燈光總量指數有明顯提升,表明災區(qū)內全面搶險救災工作和災后安置恢復工作。通過日際變化圖可以清晰地看出地震災害發(fā)生前后燈光強度的變化趨勢,進一步表明我國搶險救災活動開展的迅速及國家各部門的重視。

圖2 九寨溝縣地震前后TNL指數日際變化圖

3.1.2月際變化分析

本研究選取2017年7月至2017年12月進行地震災害發(fā)生前后夜間燈光指數的月際變化分析,圖3為九寨溝縣TNL指數月際變化趨勢。九寨溝縣的夜間燈光強度受地震災害影響最大,地震發(fā)生在夏季,是暑假期間,正處于旅游旺季,夜間燈光強度高,發(fā)生地震后由于搶險救災,夜間燈光強度并未迅速下降,而是有所短暫升高,8月較7月相比,TNL指數升高76.9%。搶險救災結束后開始急速降低,地震發(fā)生月份與災后第一個月TNL指數最低下降68.9%,反映出地震對九寨溝縣造成嚴重影響。地震發(fā)生后三四個月內仍有余震不斷發(fā)生,九寨溝景區(qū)還未能對外開放,研究區(qū)內燈光指數整體呈現下降趨勢。通過月際變化趨勢可以清晰表明地震災害發(fā)生時,燈光指數會驟增,災害發(fā)生后,破壞力強,燈光指數恢復進程慢。

圖3 九寨溝縣地震前后TNL指數月際變化圖

3.1.3年際變化分析

本研究選取2017—2020年每年的11月數據進行地震災害發(fā)生前后夜間燈光指數的年際變化分析,圖4為九寨溝縣TNL指數年際變化趨勢。結果顯示九寨溝縣TNL指數在2016年較低,據分析是由于2016年7月25日的九寨溝特大泥石流導致,九寨溝縣普降暴雨,發(fā)生特大泥石流。2017年發(fā)生地震時正處于旅游旺季,所以夜間燈光強度較高,在震后第一年(2018年)和第二年(2019年)由于救援強度逐漸減弱,燈光強度也在不斷降低,最低降至48.9%,震后第三年(2020年)由于居住環(huán)境、交通等設施的完善,同時在2019年年底,九寨溝景區(qū)恢復至震前85%開放面積,人口數量(包括當地居民與游客)不斷增多,因此九寨溝縣的TNL指數開始逐漸增加,對應恢復重建工作基本完成。通過年際變化趨勢可以很明顯地反映出地震對九寨溝縣的破壞程度以及九寨溝災區(qū)重建的真實恢復過程。

圖4 九寨溝縣地震前后TNL指數年際變化圖

3.2 夜間燈光強度空間變化分析

本研究以九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)小學震前高分1號衛(wèi)星遙感影像和震后高分2號遙感影像(圖5)為輔助驗證數據,對災前、災后進行對比,驗證夜間燈光監(jiān)測災后恢復的可行性。據新聞報道,漳扎鎮(zhèn)小學位于9號地震破裂區(qū),校舍受損面積達7 947 m2。房屋評估結果顯示,漳扎鎮(zhèn)小學所有樓宇后期均被鑒定為D級危房,必須全面拆除進行重建。據介紹,作為九寨溝縣災后恢復重建啟動69 d后最先掛網招標的房屋重建類項目之一,漳扎鎮(zhèn)小學為重點設防類建筑,抗震設防烈度8度(圖6)。由于重建進程繼續(xù)推進,2018年漳扎鎮(zhèn)小學工程總建筑面積達9 600 m2,2019年9月漳扎鎮(zhèn)小學更名為九寨溝小學,師生復課,與上述燈光年際變化趨勢相吻合。研究區(qū)在2019—2020年,燈光恢復較快,表明九寨溝縣基本恢復并超過震前水平,驗證了夜間燈光數據準確地監(jiān)測震后九寨溝縣的恢復重建及擴張過程,與高分辨率影像數據反映的城區(qū)建設情況相一致。

圖5 九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)小學地震前后遙感影像對比圖

圖6 九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)小學重建圖

3.3 夜間燈光強度與GDP相關性分析

夜間燈光數據可間接表征生產總值估算和貧困評估[15]。為驗證夜間燈光數據對災后恢復監(jiān)測的可行性,本研究選取九寨溝縣生產總值(gross domestic product,GDP)作為輔助驗證數據,進行夜間燈光強度與GDP相關性分析。本研究基于研究區(qū)夜間燈光TNL指數和地區(qū)生產總值(表5),將2016—2020年研究區(qū)TNL與其進行對比分析。從生產總值來看,研究區(qū)受地震災害影響,經濟受到嚴重損失,九寨溝縣2017年生產總值明顯下降,2016—2017年生產總值下降5.5%,災后隨著重建工作的大規(guī)模開展,九寨溝縣的生產總值開始增長,經過兩年的重建,2019年九寨溝景區(qū)重新對外開放,吸引大批游客,使得2019年急速增長,恢復并超過震前生產總值水平,2020年受到新冠疫情影響,生產總值增長緩慢,生產總值較2017年增加24.4%,這與燈光強度變化相同,生產總值的變化證實地震對災區(qū)經濟模式造成的巨大影響,直到2019年底基本恢復震前水平,后期夜間燈光數據將與地區(qū)生產總值呈正比關系,有效驗證夜間燈光數據對地震災后恢復監(jiān)測的可行性。

表5 九寨溝縣2016—2020年生產總值

4 結束語

本研究面向對遭受自然災害地區(qū)災后恢復監(jiān)測需求,在總結國內外自然災害災后恢復監(jiān)測研究基礎上,以2017年九寨溝地震為例,基于2017年8月6日—8月17日的NPP-VIIRS夜間燈光日數據及2016—2020年的NPP-VIIRS夜間燈光月數據,對九寨溝地震前后夜間燈光日際、月際和年際變化進行提取和分析,探討災前、災中和災后的夜間燈光強度變化,監(jiān)測震后九寨溝縣的動態(tài)恢復過程;輔以高分辨率衛(wèi)星遙感數據和地區(qū)生產總值數據與夜間燈光指數變化分別進行分析,驗證利用夜間燈光監(jiān)測研究區(qū)地震災后恢復過程的可行性。結果表明：震前研究區(qū)受泥石流災害影響,燈光總強度較低;發(fā)生地震后由于搶險救災,燈光總強度并未下降,而是有短暫升高,救災結束后開始降低,因此夜間燈光指數日際變化趨勢有一定起伏;災后研究區(qū)逐漸恢復,經濟方面恢復較快,但縣城空間方面恢復較慢,研究區(qū)整體花費近兩年的時間恢復震前水平,表明地震災害對九寨溝縣造成很大的影響。本文研究成果證實NPP-VIIRS夜間燈光數據能夠較好地監(jiān)測災后恢復情況,對于2017年九寨溝地震災后恢復動態(tài)監(jiān)測提供科學依據和參考。

然而,NPP-VIIRS夜間燈光存在季節(jié)性干擾,尤其是夏季,而此次地震恰好發(fā)生在夏季,所獲數據可能受一定程度影響,丟失部分恢復重建細節(jié)。下一步將充分結合多源異構數據,提高災后恢復重建監(jiān)測的精確性。