夜光数据简介

1. 概述

随着经济社会发展,夜间照明设施逐渐普及,人类已经逐步摆脱了黑暗的夜间生活。如果从太空观测夜间无云时的地球,可以发现人类聚居区和经济带发出夺目的光芒。鉴于夜光遥感影像的独特魅力,著名的谷歌地球软件(Google Earth)已经将夜光影像作为影像层之一。公众可以欣赏不同经济带的夜景来比较不同区域的发展水平,而科学工作者可以对这些影像进行数据挖掘从而发现社会和自然规律。相比于普通的遥感卫星影像,夜光遥感影像更多地反映人类活动,因此它在社会科学领域得到了广泛的应用。

始于20世纪70年代的美国军事气象卫星计划(defense meteorological satellite program,DMSP)的线性扫描业务系统(operational linescan system,OLS)的设计初衷是捕捉夜间云层反射的微弱月光,从而获取夜间云层分布信息,然而科学家们意外的发现DMSP/OLS可以捕捉到无云情况下的夜间城镇等发光,这就是夜光遥感的起源。

科学家利用夜光数据开展了较多社会经济参量估算,如人口、GDP、能源消耗、碳排放、货运量和贫困度。使用夜光遥感数据估算社会经济参量,具有空间细节丰富、时效快和统计口径一致等优势。

城市监测是夜光遥感的典型应用领域。由于城镇在夜间利用照明设施发出亮光,夜光遥感能够有效捕捉灯光辐射信息,中国遥感卫星地面站的科研人员利用夜光遥感影像能够快速重建“一带一路”沿线国家城市化过程。利用多时相合成的“一带一路”地区夜光遥感图,白色表示夜间灯光不变区,红色表示夜间灯光扩展区,蓝色和绿色表示夜间灯光下降区。从该图可以看出,日本和西欧发达国家夜间灯光较稳定,而中国、印度以及东欧发展中国家夜间灯光呈明显增长趋势。利用夜光遥感可直观反映城市化空间扩展过程,有助于分析城市群和城市空间结构演化规律。此外,利用历史时序数据可重建过去20年“一带一路”沿线国家城市化发展历程,为沿线国家城市化规划和区域城市网络体系发展提供科学支撑。

中国遥感卫星地面站的科研人员还利用夜光遥感影像评估战争危机等。例如也门战争发生后,导致夜光发生骤变。通过时序夜光遥感数据挖掘分析也门战争前后的夜光变化,可以发现夜光下降明显。通过定量化分析,也门战争前后夜光总值减少了7成,其中下降幅度最大是在2015年3月到4月,该时间与沙特空袭也门时间(2015年3月26日开始)一致,下降区域主要位于中东部省份。通过夜光遥感能够客观准确评估战争造成也门人道主义危机的范围和程度,有助于国际社会开展援助。

2. 用途

相比于大多数白天成像的可见光卫星和雷达卫星,夜光遥感卫星通过获取地表发射的可见光近红外电磁波信息,主要反映的是地表人类活动状况,最主要的是人类夜间灯光照明,同时也包括石油天然气燃烧、海上渔船灯光、森林火灾以及火山爆发等来源。相比于普通的遥感卫星影像,夜光遥感能够提供以人类活动为中心的独特视角,能够直接揭示地表人类活动的潜在规律,因此在社会科学领域有广泛的应用。

例如,科研人员利用夜光遥感影像所直观反映的社会经济发展差异,进行社会经济参量估算。利用DMSP-OLS时序夜光遥感合成全球夜光图,其中白色亮区为经济发展水平较高区域,而黑色则是经济发展水平较低或者无人类居住区。从图上可直观看到,北美、欧洲、印度、中国和日本的夜光亮度较大,反映出经济发展水平较高,而南美、非洲、中亚大部分区域则处于黑暗中,整体经济水平较低。由此,科学家利用夜光数据开展了较多社会经济参量估算,如人口、GDP、能源消耗、碳排放、货运量和贫困度。使用夜光遥感数据估算社会经济参量,具有空间细节丰富、时效快和统计口径一致等优势。

城市监测是夜光遥感的典型应用领域。由于城镇在夜间利用照明设施发出亮光,夜光遥感能够有效捕捉灯光辐射信息,中国遥感卫星地面站的科研人员利用夜光遥感影像能够快速重建“一带一路”沿线国家城市化过程。利用多时相合成的“一带一路”地区夜光遥感图,白色表示夜间灯光不变区,红色表示夜间灯光扩展区,蓝色和绿色表示夜间灯光下降区。从该图可以看出,日本和西欧发达国家夜间灯光较稳定,而中国、印度以及东欧发展中国家夜间灯光呈明显增长趋势。利用夜光遥感可直观反映城市化空间扩展过程,有助于分析城市群和城市空间结构演化规律。此外,利用历史时序数据可重建过去20年“一带一路”沿线国家城市化发展历程,为沿线国家城市化规划和区域城市网络体系发展提供科学支撑。

中国遥感卫星地面站的科研人员还利用夜光遥感影像评估战争危机等。例如也门战争发生后,导致夜光发生骤变。通过时序夜光遥感数据挖掘分析也门战争前后的夜光变化,可以发现夜光下降明显。通过定量化分析,也门战争前后夜光总值减少了7成,其中下降幅度最大是在2015年3月到4月,该时间与沙特空袭也门时间(2015年3月26日开始)一致,下降区域主要位于中东部省份。通过夜光遥感能够客观准确评估战争造成也门人道主义危机的范围和程度,有助于国际社会开展援助。

其它应用研究总结:
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关于夜光数据在人口方面的研究成果如下:
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3. 常见数据种类

观测平台 所在国家 已有存档 空间分辨率 数据可获取性
DMSP-OLS 美国国防部 1992-2013 2700米 免费,数据丰富
NPP-VIIRS 美国 2011-今 740米 免费,数据丰富,有月底合成产品,也有每日影像
珞珈一号 中国 2018/8-今 130米 免费,数据丰富,15天遍历全球

4. 示例数据

珞珈一号数据海南三亚的覆盖情况(2018/8-2019/2),可下载,下载后图像文件大小约25M:

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珞珈一号01星夜光遥感影像全国一张图:
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该图由武汉大学、高分辨率对地观测系统湖北数据与应用中心共同制作,它利用2018年6月至2018年12月拍摄的全国范围内的珞珈一号01星影像,幅宽250km共计275景,基于地面控制点生产制作,是全国130m分辨率195m定位精度的正射影像一张图。

下面,对比一下美版2015年全球夜光数据集和中科院制作的2012~2017夜光变化检测产品的截图,便于大家对夜光数据有一个直观认识。

美版局部:
美版局部

中科院版局部:
中科院版局部

与美版的相比,中科院版不仅能描述夜光的明暗分布,还能描述这五年间的变化情况,其中黑白(灰色)是表示期间变化不大,橘色表示亮度增强,蓝色表示亮度减弱。

5. 参考资料

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