鐘 亮，劉小生

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

夜間燈光數(shù)據(jù)是指衛(wèi)星在夜間拍攝的地表亮度輻射值影像，最初由美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program,DMSP)搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(operational linescan system,OLS)拍攝。隨著夜間燈光數(shù)據(jù)研究的發(fā)展，研究人員普遍發(fā)現(xiàn)夜間燈光與人類空間活動(dòng)有著密切的關(guān)系[1-2]，特別是在宏觀經(jīng)濟(jì)及人口動(dòng)態(tài)等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。隨后美國(guó)發(fā)射了具有更高分辨率的夜間燈光遙感衛(wèi)星，即Suomi國(guó)家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(Suomi national polar-orbiting partnership,SNPP)，其搭載的可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer suite,VIIRS)比OLS探測(cè)器高了6倍的空間分辨率及250倍的光感能力，且解決了亮度值過(guò)飽和問(wèn)題[5-6]，使拍攝的夜間燈光影像具有更高的真實(shí)度和更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，這兩種夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類空間活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域[7-12]，并在學(xué)術(shù)界表現(xiàn)出較高的影響力。

2018年6月2日，由武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同研發(fā)制作的珞珈一號(hào)(LJ1-01)成功發(fā)射升空。珞珈一號(hào)是全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星，也是目前國(guó)際上第3顆具備夜間燈光數(shù)據(jù)拍攝能力的衛(wèi)星，彌補(bǔ)了我國(guó)在夜間燈光數(shù)據(jù)獲取方面的不足，具有重要的歷史意義及研究?jī)r(jià)值。2018年6月4日在武漢監(jiān)測(cè)站成功接收首張夜間燈光影像后，珞珈一號(hào)至今正持續(xù)穩(wěn)定地傳回全球范圍的遙感影像。

由于衛(wèi)星軌道及傳感器差異，不同衛(wèi)星拍攝的夜間燈光影像表現(xiàn)出不同的特征[13]。為了解珞珈一號(hào)新型夜間燈光影像的數(shù)據(jù)特點(diǎn)及應(yīng)用潛力，本文選擇北京市作為研究范圍，將其與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)在衛(wèi)星參數(shù)、數(shù)據(jù)特征和數(shù)據(jù)噪聲方面進(jìn)行多層次的對(duì)比分析，之后將去噪處理后的珞珈一號(hào)夜間燈光與人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在說(shuō)明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值及潛力。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選取北京市全市范圍，包含16個(gè)行政區(qū)的子級(jí)范圍。以北京市作為研究區(qū)域一方面是其具有地域代表性，另一方面是因?yàn)楸本┦幸归g燈光的光量豐富，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)能充分體現(xiàn)出不同數(shù)據(jù)之間的特征差異情況。

夜間燈光數(shù)據(jù)采用珞珈一號(hào)衛(wèi)星在2018年7月31號(hào)成像的北京市范圍的影像(數(shù)據(jù)由“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用網(wǎng)”提供)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的2018年7月的月平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)。圖1分別為SNPP-VIIRS及珞珈一號(hào)夜間燈光范圍，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)兩種影像均存在背景噪聲。為了提取有效燈光值，本文利用掩膜法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，由于年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)NOAA官方處理，噪聲值已降至最低水平，且NOAA提供了2015和2016年兩版的全球年平均數(shù)，因此本文利用2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)作為去噪的掩膜數(shù)據(jù)[14]。人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)由北京市統(tǒng)計(jì)局提供，由于2018年上半年各區(qū)GDP數(shù)據(jù)暫未更新，本文GDP數(shù)據(jù)采用北京市2018年第一季度各行政區(qū)數(shù)據(jù)，人口數(shù)據(jù)以北京市各行政區(qū)常住人口為標(biāo)準(zhǔn)。

2 分析方法

2.1 參數(shù)對(duì)比

珞珈一號(hào)與SNPP-VIIRS在參數(shù)方面大為不同，具體參數(shù)見(jiàn)表1。SNPP是美國(guó)計(jì)劃用于21世紀(jì)監(jiān)測(cè)全球環(huán)境的衛(wèi)星項(xiàng)目，包括大氣、海洋、陸地及近太空環(huán)境的監(jiān)測(cè)[15]。SNPP衛(wèi)星項(xiàng)目由5個(gè)不同類型的傳感器組成：臭氧剖面制圖儀(ozone mapper profiler suite，OMPS)、高級(jí)微波探測(cè)器(advanced technology microwave sounder，ATMS)、可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(VIIRS)、云和地球輻射能量系統(tǒng)(cloud and the Earth’s radiant energy system，CERES)及紅外探測(cè)器(cross-track infrared sounder，CrIS)。其中， SNPP-VIIRS僅為SNPP的一個(gè)子項(xiàng)目，其拍攝的夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率中等，無(wú)法滿足更高精度的應(yīng)用要求。珞珈一號(hào)衛(wèi)星采用了大相對(duì)孔徑像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、異形遮光罩雜光抑制、大像元高靈敏成像器件等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了高靈敏大動(dòng)態(tài)范圍夜間燈光成像技術(shù)，致力于提供全球范圍的高精度與高分辨率的夜間燈光遙感影像。

SNPP-VIIRS屬于近極地太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，軌道高度為824 km，可拍攝全球范圍的夜間燈光影像，一天內(nèi)可觀測(cè)地表兩次，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間較快。珞珈一號(hào)屬于極地軌道衛(wèi)星，軌道高度為645 km，具有全球范圍數(shù)據(jù)拍攝能力，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間相對(duì)較慢，理想條件下可在15 d內(nèi)繪制完成全球范圍夜間燈光影像，數(shù)據(jù)分辨率是前者的4倍，因而能夠滿足更高精度的應(yīng)用要求。

表1 珞珈一號(hào)與SNPP-VIIRS夜間燈光參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)分析

分析上述參數(shù)可知，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率達(dá)130 m，其在空間尺度分析方面具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步了解珞珈一號(hào)夜間燈光與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的差異，本文將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行了多層次對(duì)比。圖2分別為SNPP-VIIRS與珞珈一號(hào)北京市局部范圍的夜間燈光數(shù)據(jù)。從圖2(a)可看出，SNPP-VIIRS夜間燈光分辨率較差，勉強(qiáng)可區(qū)分城市邊界，無(wú)法更細(xì)致地表達(dá)城市內(nèi)部情況；從圖2(b)可看出，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)具有明顯的城市結(jié)構(gòu)分布，能夠明顯地區(qū)分城市范圍，甚至道路及大面積房屋的分布。

此外，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)還具有更加精細(xì)的數(shù)值特征(如圖3所示)，兩種夜間燈光影像輻射值的單位不同導(dǎo)致兩者數(shù)據(jù)同一時(shí)間相同區(qū)域的夜間燈光數(shù)值不同。其中，SNPP-VIIRS夜間燈光輻射值的數(shù)量級(jí)為1E2，而珞珈一號(hào)夜間燈光輻射值的數(shù)量級(jí)達(dá)到1E6，其對(duì)夜間燈光強(qiáng)度的識(shí)別精度達(dá)到了前者的4倍，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)在橫向空間和縱向空間的分辨率都遠(yuǎn)優(yōu)于前者。目前SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)在建成區(qū)提取、城市擴(kuò)張識(shí)別及城市不透水面提取方面應(yīng)用廣泛，并取得了較好的成果；而更高分辨率的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)能夠顯示出更優(yōu)異的城市細(xì)節(jié)特征，表明其在上述領(lǐng)域能夠有更加深入的應(yīng)用。

2.3 噪聲分析

夜間燈光影像在拍攝時(shí)會(huì)受到云層、月光照射、大氣折射、極光等因素的干擾，導(dǎo)致拍攝的夜間燈光影像存在不同程度的噪聲[16]。其中，NOAA在提供SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)時(shí)已明確指出月平均無(wú)云版本的夜間燈光影像包含眾多背景噪聲及雜光值，在使用之前需要對(duì)其進(jìn)行去噪處理。通過(guò)對(duì)北京市SNPP-VIIRS夜間燈光不同輻射值之間的數(shù)量關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，DN值在(0,1)之間的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于(1,DNmax)的數(shù)量，如圖4(a)所示，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在市級(jí)范圍以上的夜間燈光影像中均存在此類規(guī)律。

考慮夜間燈光影像受眾多因素的影響，背景噪聲會(huì)隨機(jī)分布在影像的各個(gè)柵格點(diǎn)上，對(duì)于大面積影像，噪聲點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)大于城市燈光點(diǎn)的數(shù)量，因此本文將夜間燈光DN數(shù)量關(guān)系中的斷點(diǎn)值判斷為噪聲點(diǎn)與非噪聲點(diǎn)的近似臨界值，如圖4(a)所示北京市SNPP-VIIRS夜間燈光噪聲點(diǎn)臨界值為0.92。根據(jù)上述方法對(duì)珞珈一號(hào)夜間燈光影像進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，珞珈一號(hào)夜間燈光影像與SNPP-VIIRS夜間燈光影像中的DN數(shù)量分布關(guān)系相似(如圖4(b)所示)，且斷點(diǎn)值更加明顯，北京市珞珈一號(hào)夜間燈光噪聲值臨界點(diǎn)為718.80，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)具有相同的噪聲分布規(guī)律，去噪時(shí)可采用與SNPP-VIIRS夜間燈光相似的去噪方法進(jìn)行處理。

3 珞珈一號(hào)數(shù)據(jù)應(yīng)用精度結(jié)果與分析

夜間燈光數(shù)據(jù)與人口及GDP數(shù)據(jù)的高相關(guān)性表明[17-18]，利用夜間燈光與GDP及人口數(shù)據(jù)的相關(guān)程度可以檢驗(yàn)其在人類活動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用精度。因此，為了驗(yàn)證珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用精度，本文將北京市各行政區(qū)的夜間燈光總量與相應(yīng)的GDP及人口數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而說(shuō)明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力。根據(jù)數(shù)據(jù)的噪聲分析可知，原始的夜間燈光數(shù)據(jù)存在大量背景噪聲，本文采用目前較為通用的掩膜法對(duì)其進(jìn)行去噪處理，并利用北京市2016年的年平均SNPP-VIIRS夜間燈光作為掩膜數(shù)據(jù)，方法是將掩膜數(shù)據(jù)中存在亮度值的柵格按行列號(hào)進(jìn)行編號(hào)，提取待去噪的影像中相同編號(hào)柵格的亮度值，從而達(dá)到提取有效燈光而隔除噪聲的目的。北京市各行政區(qū)去噪后的珞珈一號(hào)和SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)總亮度值見(jiàn)表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分別與各行政區(qū)的人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示。由回歸模型可看出，北京市范圍的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.835 7，與GDP相關(guān)系數(shù)為0.731 1；而SNPP-VIIRS夜間燈光與人口數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.768 4，與GDP相關(guān)性最低僅為0.680 8。此外，兩種夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP的相關(guān)性都低于與人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性，一方面可能是由于去噪方法過(guò)于單一，噪聲無(wú)法完全去除；另一方面是北京市第一二產(chǎn)業(yè)占比較高，而夜間燈光數(shù)據(jù)無(wú)法有效地反映出第一二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展變化，因此夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP數(shù)據(jù)相關(guān)性較低。

表2 北京市各行政區(qū)珞珈一號(hào)和SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)總亮度值

地區(qū)SNPP-VIIRS(×104)LJ1-01(×106)昌平區(qū)2.07341.7922朝陽(yáng)區(qū)8.27855.1166大興區(qū)4.03871.6630東城區(qū)3.18280.6199房山區(qū)2.95300.8892豐臺(tái)區(qū)4.50382.5474海淀區(qū)5.28753.8729懷柔區(qū)1.40520.2947門頭溝區(qū)0.85650.2451密云區(qū)1.47290.1369平谷區(qū)1.04800.1637石景山區(qū)1.00102.0053順義區(qū)4.54761.8844通州區(qū)3.69240.7731西城區(qū)3.35971.9890延慶區(qū)0.61550.1636

結(jié)合上述分析，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP及人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，表明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)能夠更加有效地反映出人類空間活動(dòng)特征，其在人類空間活動(dòng)領(lǐng)域有更大的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用潛力，可為人類可持續(xù)開(kāi)展作出更長(zhǎng)遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。目前珞珈一號(hào)高分辨率夜間燈光數(shù)據(jù)更新范圍有限，還未達(dá)到全球覆蓋水平，在夜間燈光高密度地區(qū)(如北美、歐洲、東亞、中東等)覆蓋范圍較廣。隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)更新，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)也將會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)全球范圍覆蓋。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于北京市范圍的珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)，與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)比較、數(shù)據(jù)特征對(duì)比分析、數(shù)據(jù)噪聲對(duì)比分析及應(yīng)用精度對(duì)比。結(jié)果表明，珞珈一號(hào)夜間燈光在數(shù)據(jù)空間分辨率、數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)特征及燈光強(qiáng)度識(shí)別精度方面優(yōu)于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，且與SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)具有相同的噪聲分布規(guī)律。此外，通過(guò)對(duì)兩種數(shù)據(jù)與GDP及人口的相關(guān)性分析表明，珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)與GDP及人口數(shù)量的相關(guān)性均高于SNPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)，說(shuō)明珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)在人類空間活動(dòng)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。