夜间灯光数据在我国自然保护区人类活动监测中应用的思考

陈妍 李双成

摘要：夜间灯光数据的应用一直以来都在围绕人类活动展开；同时，我国自然保护区工作的人类活动监测早已引入遥感手段。单从夜间灯光数据的观测特点与自然保护区人类活动的监测需求非常契合这一点来看，夜间灯光数据在自然保护区人类活动监测中应该具有一定的使用价值。本文以DMSP/OLS数据为例，对其在自然保护区人类活动监测中的应用前景进行预测，同时指出其存在的问题，并提出可行的解决办法和应用方法。

关键词：夜间灯光数据；DMSP/OLS；自然保护区；人类活动

中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）05-0146-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.086

Abstract： The application of nighttime lighting data has always been centered on human activities. At the same time， monitoring of human activities in Chinas nature reserves has long been the introduction of remote sensing methods. From the point of view that the observational characteristics of nighttime light data are in good agreement with the needs of human activities monitoring in nature reserves， nighttime lighting data should have a certain value in the monitoring of human activities in nature reserves. This article will use the DMSP/OLS data as an example to predict the application of the DMSP/OLS in the monitoring of human activities in the nature reserve. At the same time， it also points out deficiencies and proposes possible solutions and application methods.

Keywords：Nighttime lighting data；DMSP/OLS；Nature reserves；Human activities

夜间灯光数据最初的设计是以捕捉地球上夜晚灯光数据为主要职责，目的是气象应用；然而随着人类社会的发展，人口聚集、城市扩张、经济飞速增长等社会现象在夜间灯光影像上得到了明确的表达——地球越来越多的地方被灯光笼罩，黑暗的区域越来越少，我们的地球正变得越来越明亮。因此，多年来夜间灯光数据的应用都在围绕人类活动开展。与此同时，改革开放以来，隨着我国经济的快速稳步发展，人们更加关注我们身处的环境和生态健康问题。自然保护区是对于地球和人类的共同健康发展具有重大意义、依法划出一定面积予以特殊保护和管理的区域。我国的自然保护区管理和监督工作很早以前就已经开展。于1994年颁布开始实施并于2017年进行修改的《中华人民共和国自然保护区条例》中有明确规定：“自然保护区的核心区和缓冲区内禁止出现各种人类活动”。然而，近年来随着经济的发展，旅游产业兴旺发达，人类活动已经成为当前自然保护区保护与管理所面临的主要威胁因素之一。

其实，自然保护区的人类活动监测早已引入遥感科学手段，并已经形成一套专业化、业务化的处理方法和流程，并取得了良好的监测效果。单从夜间灯光数据的观测特点与自然保护区人类活动监测的需求非常契合这一点来看，夜间灯光数据在自然保护区人类活动监测中应该也有可以被利用的价值。本文以DMSP/OLS数据为例，具体从夜间灯光数据的特点、应用、发展方向出发，对其在自然保护区人类活动监测中的应用前景进行预测，同时也指出其存在的主要问题，并提出可行的解决办法和应用方法。

1 夜间灯光数据概述

提起夜间灯光数据，人们首先想到的是始于20世纪70年代的美国军事气象卫星计划的线性扫描业务系统——美MSP/OLS。时至今日，夜间灯光遥感数据源已得到很大拓展，但DMSP/OLS数据仍然凭借其丰富的历史存档、全球的覆盖范围、成熟的处理方法以及广泛的应用等优势，成为人们开展相关研究和应用的首选数据。

DMSP/OLS数据的最初设计是为了获取夜间云层分布信息，然而随着数据的获取和使用，科学家们发现DMSP/OLS数据除了云层分布信息外，还可以通过其光学倍增器捕捉到城市灯光、道路灯光甚至低亮度暂时性灯光，如渔火、火灾、小规模的人类活动区域等，使之明显区别于黑暗的背景[1]。因此数十年来，DMSP/OLS数据在全球的应用范围已十分广泛，远远超越了其最初的气象应用目标。我国学者经过不断努力探索，也已将DMSP/OLS数据应用到各个领域，如城市建成区提取分析[2， 3]、城市群空间格局变化[4-7]、人口分布[8]、经济水平估算[9-11]、能源消耗[12]等。在生态环境研究中，夜间灯光数据的主要应用方向是通过评估城市化导致的生态和环境问题，以及监测光污染及其健康效应[17]，但在自然保护区的人类活动监测中比较鲜见。

2 我国自然保护区人类活动遥感监测概述

自然保护区是指对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的陆地、陆地水域或海域，依法划出一定面积予以特殊保护和管理的区域。自然保护区分为国家级自然保护区和地方级自然保护区[13]。1994年9月国务院颁布了《中华人民共和国自然保护区条例》（以下简称“条例”），以加强自然保护区的建设和管理，保护自然环境和自然资源。2017年10月，《国务院关于修改部分行政法规的决定》将条例第二十七条第一款修改为：“禁止任何人进入自然保护区的核心区”[14] 。

虽然按照条例规定，自然保护区核心区及缓冲区内均禁止出现各种人类活动，但实际上随着我国社会经济的飞速发展，自然保护与经济开发之间的矛盾日益突出，涉及自然保护区的各类开发建设项目、农业生产、资源采集以及旅游等人为活动呈逐年增长趋势[15]。2017年7月20日，关于印发《自然保护区人类活动遥感监测及核查处理办法（试行）》的通知在环境保护部网站上公布，要求通过遥感监测对自然保护区范围内的人类活动类型、面积、变化进行初步判读，编写遥感监测报告[16]。

目前自然保护区人类活动遥感监测的主要方法是，通过收集自然保

护区不同时相的中高分辨率日间光学遥感卫星影像，采用面向对象的分类方法及目视解译方法，提取自然保护区内的人类活动斑块，判定其土地利用类型，进而统计人类活动分布状况。通过现有的遥感监测方法得到的监测结果，其土地利用类型明确清晰、准确率高、便于实地核查和整改，但同时也存在数据量大、处理工作量大、数据质量良莠不齐、数据时相不易统一等问题，这是由于遥感数据本身在获取和处理上的特点而决定的。因此对于《自然保护区人类活动遥感监测及核查处理办法（试行）》中规定的“国家级自然保护区常规遥感监测每半年开展一次”，“省级自然保护区常规遥感监测每年开展一次”的要求，要达到要求需要投入更多的时间和人力。

3 夜间灯光数据在自然保护区人类活动监测中的应用优势

DMSP/OLS数据是已经公认的能够很好反映人类活动综合信息的遥感数据源，其观测特点与我国自然保护区人类活动监测的需求相吻合；同时，使用夜间灯光数据进行保护区监测有以下优势：

3.1 数据覆盖范围广，年度数据稳定获取

传统遥感监测数据由于分辨率越来越高，数据量也越来越大，因此数据的下载、处理、人类活动提取、审核、集成、存储等一系列工作面临着时间紧、任务重等特点。而DMSP/OLS夜间灯光数据的数据量很小、可以通过互联网随时下载，且无需任何手续和费用，并在未来将持续提供下载，并且覆盖全球范围，一次成像全球范围内统一时点，是少有的全球性时间序列数据。

3.2 处理方法简单、快速

夜间灯光数据反映灯光强度，其影响的DN值范围在0～63之间，其中0值为完全黑暗，63为最亮。在其他应用中，研究者们通常需要对DMSP/OLS数据进行数据处理，如在城市人口密集区进行灯光值的去饱和处理，在进行城市建成区分析时需要确定城市建成区的灯光阈值范围，在进行人口、能源消耗、GDP等社会经济参数估算时，需要建立灯光数据与这些参数之间的对应关系等。在自然保护区的人类监测应用中，即直接使用灯光强度值来反映人类活动的强度，因此在不考虑确定具体的土地利用类型的情况下，无需对灯光阈值进行划定。同时，由于我国自然保护区人类活动在相关法规中有明确的禁止规定，且相关部门在自然保护区的监测和监管工作中始终严格把控，因此虽有人类活动存在，但其范围和强度都得到了很大限制，因此不同于人口稠密的城市，自然保护区内的灯光数据鲜有达到饱和程度的情况。

3.3 能直接反映活动强度

在核心区和缓冲区内禁止出现任何人类活动的相关规定下，使用夜间灯光数据监测自然保护区的核心区和缓冲区时，除零星灯光之外，任何强度和范围的灯光显示都客观反映了人类活动的存在。尤其是灯光值大小的不同，能够直观反映出人类活动的强弱。与使用光学数据通过确定土地利用类型的方式监测保护区内人类活动强度的方法不同，夜间灯光数据的监测结果除了在面积上有所体现，在单位面积强度上也有所体现，这可能是使用日间光学遥感数据所不易直接取得的结果。

4 夜间灯光数据的不足和弥补方法

虽然夜间灯光数据目前已经应用在人类社会的各个领域，且理论上在自然保护区人类活动监测中也应该能够起到应有的作用。但经过思考和分析不难得出结论，夜间灯光数据在自然保护区人类活动监测应用中还存在一些不足：

4.1 数据分辨率仍然较低，难精确定位

DMSP/OLS数据的空间分辨率约为1km，相对于我国自然保护区来说分辨率偏低，监测的精细程度不够，较难进行精确定位；并且自夜间灯光面世以来，其地面调查鲜见[17]，对于独立支持相关部门完成自然保护区人类活动监测、核查及整改等工作还有很大困难。

4.2 数据时效性有待提高，以满足更短间隔的监测需求

目前DMSP/OLS数据每一年获取一次，但对于我国国家级自然保护区常规监测每半年进行一次，以及省级自然保护区常规监测每年进行一次的要求还有差距。

4.3 数据反映的信息仅为灯光强弱，不能直接反映土地利用类型

夜间灯光数据对第一产业人类活动的监测灵敏度不高，但对第二、三产业人类活动比较敏感，因此，使用DMSP/OLS数据并不能完整监测保护区内的所有人类活动，尤其是面积较大的农业生产用地，而只能倾向于人口聚集形成、违规工业生产和资源开发、旅游区建设和旅游开发等方面的人类活动监测。

5 未来展望

综合分析，使用夜间灯光数据进行自然保护区人类活动监测仍然可能存在一定的困难和急需解决的问题。但随着夜光数据的不断发展和进步，一方面数据来源將从单一的DMSP/OLS数据发展到多种数据源，另一方面夜光数据的分辨率也将得到提高，试想如果将1m分辨率的夜光灯光数据应用在保护区人类活动监测中，那么监测精准度将大大提高。

目前，我国自然保护区人类活动遥感监测工作目标明确、方法成熟、结果可靠，能够很好地支持后续的实地核查和整改工作。夜间灯光数据可作为现有日间遥感数据的有力补充，将单位面积人类活动强度特点与不同土地利用类型面积大小相结合，最终得到保护区综合的人类影响参数，形成更加科学和直观的监测结果；与此同时，利用夜间灯光数据还可以进行长时间序列自然保护区人类活动快速动态监测，预测自然保护区内人类活动未来的发展趋势，对保护区保护和监测政策的制定具有实际意义。

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收稿日期：2018-05-02

作者简介：陈妍（1982-），女，大学本科，业务助理，初级，研究方向为自然保护区人类活动监测。