夜光遥感技术在人道主义灾难评估中的应用*

李德仁， 李熙†

①武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430072；②地球空间信息技术协同创新中心，武汉 430072

1 遥感技术在人道主义灾难评估中的角色

当今世界，由武装冲突导致的人道主义灾难是阻碍人类发展的重要因素之一。联合国报告表明，2017年全球有37个国家共计14 000万人需要人道主义援助。人道主义灾难不仅产生大量的难民，还直接导致大量人员伤亡。特别是近年来，不少中东国家发生了剧烈的社会变革，其中叙利亚、伊拉克、利比亚、也门等国家爆发了大规模内战，对当地经济造成了严重的破坏，仅叙利亚一国已经有约50万人死亡。虽然联合国和大量的非政府组织开展了人道主义灾难的评估工作，但是人道主义灾难地区往往存在安全局势恶化、信息和交通闭塞等问题，因此如何获取人道主义灾难的时空信息是一个难题。在此背景下，科学家们开始关注利用卫星遥感、社交媒体、手机信息等新型数据源来补充目击报告和调查数据的不足，从而更加准确地开展人道主义灾难的评估。特别是卫星遥感数据具有成本低廉、覆盖范围广、重访频率高等优势，能够探测到人道主义灾难发生区域的建筑、道路、交通工具、植被、难民营地等信息，甚至可以检测到坦克、大炮等重型武器以及军事障碍物的分布信息，从而可以用来获取人道主义灾难的时空动态信息。美国科学促进会(AAAS)下属的科学责任-人权-法律项目(Scientific Responsibility, Human Rights and Law Program)多年来利用高分辨率遥感影像开展格鲁吉亚、苏丹、叙利亚等人道主义灾难区域的损失评估工作，并将遥感评估结果提交给多个国际法庭作为审判依据。联合国训练研究所(UNITAR)下属业务化卫星应用项目(UNOSAT)近年来利用多源遥感数据开展了叙利亚、伊拉克、菲律宾等多个国家的武装冲突损害评估，为联合国及其他国际组织在这些国家的人道主义救援工作提供了科学依据。除此之外，不少研究机构和大学的研究人员也利用多源遥感数据开展了中亚、中东、非洲等地的武装冲突损害评估研究。

2 夜光遥感的原理及应用

从夜间的太空观察地球，可以发现人类的主要聚居区在夜幕中发射出璀璨的光芒，这就是夜光遥感影像。公众可以从夜光遥感影像中欣赏所在区域美丽的夜景，科学家则可以从夜光遥感影像中研究社会经济发展的规律。目前，在全球范围内频繁获取夜光遥感影像的卫星传感器有两类：一类是美国军事气象卫星计划(DMSP)搭载的线性扫描业务系统(OLS)，其空间分辨率为2.7 km；另一类是极地环境业务卫星(S-NPP)搭载的可见红外成像辐射仪(VIIRS)，其空间分辨率为740 m[1]。这两类传感器的设计初衷是捕捉夜间云层反射的微弱月光，而当处于无云天气条件下时，遥感传感器可以较为准确地记录下城镇、油气井、渔船等地表发光。美国海洋与大气管理局(NOAA)Christopher Elvidge博士领导的研究小组从2011年开始逐步公布了1992—2013年的DMSP/OLS年平均夜光遥感影像(下文有时简写为“DMSP/OLS数据集”)，导致夜光遥感研究出现了爆发态势。但较为遗憾的是，NOAA目前已经停止更新该数据集。S-NPP卫星发射于2011年底，可以较为精确地获取每日的夜光影像，通过一系列的辐射处理，NOAA发布了2012年至今的VIIRS月平均夜光遥感影像，并在持续更新中。

随着经济发展和城市化的推进，大量夜间黑暗的农村和郊区转化为夜间发光的城市，而城市内部也随着基础设施建设逐渐变亮，因此夜间灯光的变化能够用来解释经济增长和城市化的规律。DMSP/OLS年平均夜光遥感影像覆盖了22年的时间，因此被广泛应用于长时间序列的社会经济动态变化研究。学者们利用该数据集分析了城市化进程在城市、城市群、国家和全球尺度的规律。夜间灯光亮度是一个连续变量，因此可以用来将国内生产总值(GDP)、人口、碳排放、能源消耗、货运总量等一系列社会经济参数进行空间化，生成空间格网尺度的社会经济参数产品[1]。此外，经济学家和社会学家也开始认识到DMSP/OLS数据集对于反映经济活动的客观性，利用该数据集重新核算不同国家的GDP及GDP增长率，并用来研究区域发展不平衡、经济发展与政治的关联度等诸多社会经济问题。此外，夜光遥感数据集还在公共卫生研究领域得到了广泛应用：结合夜光遥感数据集和疾病发病率数据，可以发现夜间灯光的强度与乳腺癌发病率、前列腺癌发病率、青少年夜晚型人格发生概率之间存在显著相关性，对于夜间灯光污染的潜在危害研究具有积极意义[1]。

相比于DMSP/OLS数据集来说，S-NPP/VIIRS数据集具有更高的辐射质量和空间分辨率，因此S-NPP/VIIRS夜光遥感数据集可以在城市化、光污染、GDP核算等领域开展更加精确的建模，可以在年、月、日不同的时间单元上开展时间序列分析。例如，有研究发现中东斋月期间和北美圣诞节期间，当地城市灯光较平时有明显的增长[2]。S-NPP卫星发射于2011年底，获得的数据量有限，因此无法利用S-NPP/VIIRS夜光遥感数据集开展长时间序列的社会经济研究。当然，除了DMSP/OLS和S-NPP/VIIRS两类主流的夜光遥感数据之外，多国联合运营的国际空间站(International Space Station)通过相机拍摄获取了全球许多主要城市的较高分辨率(60～100 m)的夜光遥感影像，我国长光卫星公司运营的“吉林一号”系列卫星也具有夜光遥感功能，能够获取1 m分辨率的彩色夜光影像。这些新型的夜光遥感影像为研究城市地理提供了有力的补充。以上各类夜光遥感影像的示例参见图1。

3 基于夜光遥感的人道主义灾难评估

3.1 全球统计规律

在经济增长和城市化的背景下，一个区域的夜间灯光亮度会持续增加。但是，如果一个区域发生了自然灾害和战争这样的灾难，夜间灯光会如何变化呢？有研究表明，地震和海啸这样的重大自然灾害会导致基础设施和供电设施发生损毁，从而导致区域内的灯光剧烈减少，而灾后重建则会使灯光逐渐恢复[3]。

图1 长三角地区不同时期和类型的夜光遥感影像

然而，对于战争这样的非自然因素的人道主义灾难，需要细致地研究分析夜间灯光是如何发生改变的。为了研究战争对夜间灯光造成的影响，我们在全球范围内开展了一项统计分析工作[4]。我们在全球范围内选取了159个国家，分为战乱组与和平组，其中战乱组为1991—2008年期间内经历了严重的武装冲突的国家，和平组则为剩下的国家。研究发现战乱组中许多国家的夜间灯光经历了剧烈减少的过程，其中灯光剧烈减少的时间一般和战争爆发的时间较为吻合，而和平组的大部分国家的灯光稳定增长或稳定不变(图2)。总的来说，战争国家的灯光的波动较为剧烈，而和平国家的灯光则较为平稳。为了定量地揭示上述规律，我们建立了一个灯光波动指数，并根据指数的大小将159个国家分为5个等级，等级越高代表灯光的波动程度越大。统计发现，随着灯光波动程度的增加，国家发生过战争的概率就越大。此外，我们还根据这个指数计算了全球整体的灯光波动指数，发现灯光波动指数与当年内全球武装冲突的数量存在较好的正相关。这些发现表明，夜间灯光的波动可以用来反映武装冲突的爆发、演进和战后重建。这样的统计性研究不仅证实了武装冲突和灯光变化的经验关系，也为评估正在发生的武装冲突及人道主义灾难提供了有力依据。

图2 战乱国家东帝汶、塞拉利昂与和平国家越南、澳大利亚的灯光波动比较(横轴代表年份，纵轴代表该国当年灯光总量占全球灯光的比值，图片截取自文献[4])

4 叙利亚内战研究

爆发于2011年3月的叙利亚内战是冷战之后全球最严重的人道主义灾难之一，战争导致约一半的叙利亚人流离失所和50万人死亡，同时叙利亚内战还向邻国伊拉克蔓延，导致伊拉克北部的人道主义灾难。虽然国际媒体不断地报道叙利亚内战的各类事件，但是外界难以从全局了解叙利亚内战的全貌。

为了研究叙利亚内战对社会经济造成的影响，我们开展了夜光遥感评估叙利亚内战的研究[5]。我们从美国海洋与大气管理局(NOAA)订购了一批DMSP/OLS夜光遥感月平均数据，这批数据从2008年1月持续到2014年2月，其中部分月份存在数据缺失的情况，所以共计有38个月的数据。我们采用了几何纠正和相对辐射定标的方式改善了时间序列数据的可比性(图3)。对于质量改善后的数据，计算了叙利亚所有14个省份的夜间灯光总量的变化，发现：叙利亚所有省份的灯光在内战爆发后均发生了剧烈减少，其中12个省份的灯光减少量超过60 %；叙利亚全国的灯光减少量达到74 %，其中阿勒颇省(Aleppo)的灯光减少量达到95 %，而政府军牢牢控制的大马士革市(Damascus)和库奈特拉省(Quinetra)的灯光减少量则相对较少，均为约35 %。这反映了交战区域和反政府武装控制区域普遍缺少电力供应，而政府军控制区域的电力供应则相对充足。为了细致地分析叙利亚内战期间的灯光时空变化，我们采用了时空一体化的聚类分析方法，研究了叙利亚内战中灯光变化的时空分布(图4)。研究发现：叙利亚内部的灯光的变化趋势较为一致，如图中的红色部分所示；而叙利亚外部的灯光的变化趋势也较为一致，如图中的绿色部分所示。两种变化模式的分界线恰好是叙利亚的国境线，这也表明国界线不仅仅是国家主权的分界线，也是社会经济变化的分界线。在和平时期，国境线对社会经济的分割效应可能并不明显，而一旦遇到战争这样的重大事件，这种分割效应就十分突出了。

图3 叙利亚内战前和内战中的夜光遥感影像(图片截取自文献[5])

图4 叙利亚内战期间夜光时空变化模式(图片截取自文献[5])

我们的研究论文不仅在学术界，也在国际社会引起了广泛关注。2015年3月11日，我们应邀参加了英国非政府组织“危机行动”(Crisis Action)在美国华盛顿举办的电话新闻发布会。我们将叙利亚灯光变化的分析结果更新到2015年2月，并向全球媒体宣布了“4年的叙利亚内战导致了83 %的夜间灯光消失，其中阿勒颇省损失最为严重”等重要结论。从2015年3月12日开始，40多个国家的超过600家国际媒体对此进行报道和转载。这些媒体不乏重量级媒体，例如美联社、路透社、法新社、《纽约时报》、《华盛顿邮报》、《洛杉矶时报》、《泰晤士报》、《卫报》、《费加罗报》、《科学美国人》、CNN、BBC、卡塔尔半岛电视台等各种国际主流媒体。《纽约时报》在题为“从任何角度看，叙利亚都更加黑暗” (An ever-bleaker Syria, from all vantage points)一文中写到：“在中国武汉大学和马里兰大学科利奇帕克分校开展研究的李熙博士通过卫星影像的研究发现，4年的叙利亚内战大规模毁灭和人口迁移导致了该国80 %的灯光熄灭，这是一个相当残酷的预示。”[6]2015年3月26日，联合国安理会发布了叙利亚问题简报(Security council briefing on Syria)，其中将“叙利亚灯光熄灭83 %”和其他统计数据一并作为叙利亚人道主义灾难的主要证据，呼吁国际社会切实帮助解决叙利亚灾难。

截止到2017年，叙利亚内战仍然在残酷地进行，但NOAA已经停止公布DMSP/OLS夜光遥感月平均产品，取而代之的是公布了S-NPP/VIIRS的夜光遥感月平均产品。但是S-NPP/VIIRS的产品仅能追溯到2012年4月，因此有必要将影像特征差异较大的DMSP/OLS和S-NPP/VIIRS两种数据进行相对校正，使其具有可比性。我们提出了一种相对辐射定标方法，提升了两类数据的可比性，并分析了叙利亚内战爆发到2017年1月的灯光变化，发现叙利亚主要定居点的灯光减少量为79 %，其中伊德利卜省的灯光损失达到99 %。但是2016年初至2017年1月期间，叙利亚的灯光略有增加，这可能是叙利亚部分区域停火的结果[7]。总之，分析夜光遥感数据有助于国际社会了解叙利亚人道主义灾难的时空分布，有利于国际组织进一步加强对叙利亚难民的救援工作。

5 伊拉克研究

叙利亚内战催生了极端组织“伊斯兰国”(Islamic State)，该组织抓住了伊拉克国内教派冲突的机会，2014年开始在伊拉克北部攻城掠地，占领了包括伊拉克第二大城市摩苏尔在内的大量北部城镇，导致了伊拉克北部的人道主义灾难。由于“伊斯兰国”在其控制区域实施残酷统治，并且对外封锁消息，使得外界难以获得其控制区域的人道主义情况。经济学界一直将电力供应作为区域发展的重要指标，因此区域内的电力供应及变化可以在一定程度上反映民生状况。我们利用2014年中6个月的S-NPP/VIIRS月平均夜光遥感影像(图5)，分析了伊拉克北部13个城市的夜间灯光变化[8]。研究发现，所有城市的灯光均发生减少，但不同城市的差异性较大(图6)。为了分析不同城市的差异性，我们将这13个城市分为3类：第一类是已经被“伊斯兰国”占领的城市；第二类是被伊拉克政府军牢牢控制的城市；第三类是在此期间内一直处于交战状态的城市。第一类包含9个城市，夜间灯光在6个月内均发生了锐减，其中7个城市的灯光减少比例在90 %以上；第二类包含3个城市，夜光在6个月内的减少量处于40 %左右；第三类城市仅有一个，夜光减少量约为80 %。总的来说，就灯光减少比例而言，“伊斯兰国”占领的城市＞交战中的城市＞伊拉克政府军控制的城市。这是一个很有意思的现象：武装冲突会破坏一个城市的电力供应，而当一方完全控制一座城市后，电力供应应该会有所恢复；但事实上，被“伊斯兰国”已经占领的城市的灯光减少量居然比正在交战的城市的灯光减少量还要多，难道是“伊斯兰国”刻意减少夜间电力供应吗？

图5 “伊斯兰国”占领伊拉克北部前后的灯光变化(图片截取自文献[8])

为了解释这一现象，我们研究了“伊斯兰国”在叙利亚的情况。我们发现该组织2013年在占领叙利亚的拉卡市(后来该城市成为该组织的政权中心)后，并没有明显降低城市的夜间灯光，甚至在部分月份有所回升。这间接证明了“伊斯兰国”不太可能刻意将夜间的照明设施关闭，而也有资料表明“伊斯兰国”在不断修复所控制区域内的基础设施。是什么因素导致“伊斯兰国”在伊拉克北部控制区一片黑暗呢？我们查阅资料后发现，伊拉克政府为了制裁“伊斯兰国”刻意切断了北部区域的电力供应，这才是“伊斯兰国”控制区域陷入黑暗的原因。诚然，通过切断电力供应的方式能够一定程度打击“伊斯兰国”的实力，但区域内的无辜百姓也同样面临缺电的困境，特别是公共卫生设施缺电会导致医疗水平显著下降。

图6 伊拉克北部13座城市在“伊斯兰国”入侵期间的灯光变化柱状图(图片截取自文献[8]；Contested表示伊拉克政府军和“伊斯兰国”争夺中的城市，ISF表示伊拉克政府军控制的城市，ISIS表示“伊斯兰国”控制的城市)

6 结论与展望

评估人道主义灾难一直是联合国和非政府组织关注的重要问题。夜光遥感从独特的角度反映人类社会经济活动，因此能够从宏观角度反映人道主义灾难的情况。我们的研究证实夜光遥感技术在全球和区域尺度均可以用来评估人道主义灾难，特别是对于国际社会关注叙利亚人道主义灾难发挥了重要作用，较好地补充了统计数据和地面调查信息的不足。目前，我们主要基于月数据开展夜光遥感的人道主义灾难评估。虽然该类型的数据可以在宏观尺度反映人道主义灾难的社会经济影响，但是对于正在发生的事件，存在至少一个月的滞后期，同时也无法获取一个月内的变化信息。如果要解决这一问题，必须依赖于夜光遥感日数据开展更为精确的评估和监测活动。虽然这样的研究工作已经开展[2]，但是由于夜光遥感日数据存在辐射质量等问题，需要更加精确的数据处理方法才能有效挖掘夜光遥感日数据中蕴含的社会经济信息。当然，夜光遥感技术本身对于评估人道主义灾难也存在一定的局限性：对于极端贫穷的区域而言，夜间灯光量在正常时期本来就很少甚至没有，因此这些区域的夜间灯光对于人道主义灾难的响应程度很低。在这些区域开展人道主义灾难的评估，需要更多地依赖于日间成像的高分辨率遥感数据。

[1]李德仁, 李熙. 论夜光遥感数据挖掘[J]. 测绘学报, 2015, 44: 591-601.

[2]ROMÁN M O, STOKES E C. Holidays in lights: tracking cultural patterns in demand for energy services [J]. Earth’s Future, 2015, 3(6):182-205.

[3]GILLESPIE T W, FRANKENBERG E, CHUM K F, et al. Night-time lights time series of tsunami damage, recovery, and economic metrics in Sumatra, Indonesia [J]. Remote Sensing Letters, 2014, 5(3): 286-294.

[4]LI X, CHEN F, CHEN X. Satellite-observed nighttime light variation as evidence for global armed conflicts [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2013, 6(5):2302-2315.

[5]LI X, LI D. Can night-time light images play a role in evaluating the Syrian Crisis? [J]. International Journal of Remote Sensing, 2014,35(18): 6648-6661.

[6]HUBBARD B. An ever-bleaker Syria, from all vantage points[EB/OL]. (2015-03-15)[2017-09-25]. https://www.nytimes.com/2015/03/15/world/an-ever-bleaker-syria-from-all-vantage-points.html.

[7]LI X, LI D, XU H, et al. Intercalibration between DMSP/OLS and VIIRS night-time light images to evaluate city light dynamics of Syria’s major human settlement during Syrian Civil War [J].International Journal of Remote Sensing, 2017, 38(1): 1-18.

[8]LI X, ZHANG R, HUANG C, et al. Detecting 2014 Northern Iraq Insurgency using night-time light imagery [J]. International Journal of Remote Sensing, 2015, 36(13): 3446-3458.