基于卫星灯光遥感图像数据的全球典型国家夜间光环境分布评估

刘 鸣，刘郁川，郝庆丽，江 威，焦伟利

(1.大连理工大学建筑与艺术学院，辽宁 大连 116000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100094；3.中国再保险(集团)股份有限公司博士后工作站，北京 100033；4.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094)

引言

在经济快速发展的今天，过度的不良照明造成室外光污染[1，2]，在地面光环境监测中，遥感监测相比传统的地面光环境监测，具有低成本、大尺度、高频次等特点[3-5]，夜光观测卫星的出现为从天空视角观测地球夜光环境提供了一个机会[6，7]。目前，国际上常用的夜光遥感数据包括：美国军事气象卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program，DMSP)搭载的OLS(Operational Linescan System, OLS)传感器获取夜间灯光影像、国家极轨合作-可见光与红外成像辐射计(NPP-VIIRS，全称the Suomi National Polar-Orbiting Partnership Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)、中国珞珈一号夜光遥感卫星以及以及美国、阿根廷、以色列等国的卫星及国际空间站发布的夜间灯光卫星遥感数据[8]。

本文将利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)下属的国家地理数据中心(NESDIS)发布的DMSP-OLS开源数据[9]，及Light pollution map网站提供全球2013—2018年的NPP-VIIRS开源数据[10]，对各国的夜间灯光总量进行统计，选取夜间灯光总量较高的国家，利用27年夜间灯光数据展开分析，从而认识全球的夜光环境变化趋势及分布情况；同时，将各夜间灯光参量与各国的国土面积、人口密度、人口总量、GDP总值进行相关分析，探索夜间光环境动态变化的影响因素。

1 夜间灯光参量构建

本文为了明确各国家的夜间光环境量级，构建了3个夜间人工光照参量：夜间灯光总量(Rad.Sum)，夜间灯光平均值(Rad.Mean)，千人均夜间灯光量(Rad./1000Pop)。夜间灯光总量是研究国家范围内所有像元值的总和，代表全国范围内的灯光总量，显示国家整体夜间灯光辐射强度；夜间灯光平均值是夜间灯光总量与国家范围内像元数量的比值，代表全国平均夜间灯光辐射强度；千人均夜间灯光量是指统计区域内平均每1000人的夜间灯光量，夜间灯光总量与国家千人口数量比值，代表居民受到灯光辐射的强度。

2 1992—2013年六个典型国家的光污染分布分析

对1992年到2013年的DMSP-OLS原始数据进行传感器自校正、连续性校正处理，得到具有空间连续性的1992—2013年夜间灯光影像。在GIS中以2013年DMSP数据为数据源，使用各国的矢量边界对全球各国夜间灯光总量值进行计算，选取排名前六的国家作为典型国家，分别为美国、俄国、中国、印度、巴西、加拿大。六个国家不仅夜间灯光总量排名遥遥领先，而且国土面积之和占全球陆地面积的38.8%。且六个国家中包含三个发达国家，三个发展中国家，整体能够对全球发达国家和发展中国家起到一定的代表作用。随后以1992—2013年的DMSP长时间序列数据为基础，以夜间灯光总量、夜间灯光平均值两个参数开展各国夜间光环境的演变分析。

2.1 夜间灯光总量

夜间灯光总量表示国家的国土面积内夜间灯光产生的总光照辐射值，通过与全球夜间灯光数据的对比可判断各个国家的夜间灯光对全球夜间灯光的贡献。通过1992—2013年DMSP夜间灯光数据总量趋势图(图1)及趋势统计表(表1)可以比较各国的夜间灯光总量。从数值量级来看，美国的夜间灯光总量在各年份均遥遥领先其他国家，对全球夜间灯光总量贡献最多，其次依次为俄国、中国、印度、加拿大、巴西。1992—2013年夜间灯光总量上，中国从从全球第四增长到全球第二，呈现着较快速的增长态势。

图1 1992—2013年六个典型国家夜间灯光总量趋势图Fig.1 Trends of total nighttime lighting of DMSP-OLS in the six countries from 1992 to 2013

表1 1992—2013年六个典型国家夜间灯光总量趋势统计表

2.2 夜间灯光平均值

夜间灯光总量适用于分析各国对全球照明的贡献，但如果对于各个国家夜间照明水平进行评估，夜间灯光总量因为面积数值的差异性而造成评估结果不准确。因此引入夜间灯光平均值的概念，通过六个国家栅格像元平准值计算结果的对比，判断各个国家的夜间照明水平。比较1992—2013年六个代表性国家夜间灯光平均值趋势图(图2)及趋势统计表(表 2)，从平均值来看，美国的夜间灯光平均值最高，在2008年以前远大于其他国家。印度、中国整体呈增长的态势，其中印度在2008年以后夜间灯光平均值已经与美国持平。巴西、俄国、加拿大的夜间灯光平均值仅为美国夜间灯光平均值的20%～50%。

图2 1992—2013年六个典型国家夜间灯光平均值趋势图Fig.2 Trends of average nighttime lighting of DMSP-OLS in the six countries from 1992 to 2013

表2 1992—2013年六个典型国家夜间灯光平均值趋势统计表

2.3 线性拟合

为了分析各国1992—2013年间夜间灯光的总体变化趋势，分别对六个国家的逐年夜间灯光平均值进行归一化处理及线性拟合(图3)，从夜间光环境的总体变化趋势来看，美国、俄国、加拿大的夜间灯光均值总体呈现逐年下降的趋势，三个国家的降低趋势排名为加拿大>美国>俄国。中国、印度、巴西总体呈逐年上升趋势，三个国家增长趋势排名为中国>印度>巴西。

图3 1992—2013年六个典型国家夜间灯光数据平均值线性拟合Fig.3 Linear fitting of mean nighttime DMSP night light data from 1992 to 2013

其中俄国在夜间灯光总量排序中位居第二，而在夜间灯光均值排名中位居第五，在六个代表性国家中位次变化最大，这说明由于俄国的国土面积大，且国家大部分区域被林地所覆盖，整体的城镇化水平较低。国家夜间人工光呈现着不均匀分布的特征，因此导致位次的变化。

通过对比六个典型国家的夜间灯光总量和平均值，可以初步对全球视角下的夜间灯光分布情况形成一定认知。根据六个国家夜间灯光总量、夜间灯光平均值的增长态势可以将国家分为以美国、俄罗斯和加拿大为代表的发达国家及中国、印度、巴西为代表的发展中国家。其中，美国、俄罗斯和加拿大作为发达国家，城镇化水平及夜间基础设置建设水平较高，其夜间照明已达到饱和状态，加以倡导节能低碳的全球环境背景下国家出台的相关政策对夜间的灯光照明进行优化，因此形成灯光数量下降的趋势。比如美国各州以及加拿大皇家天文学会等光环境保护组织提出的夜空保护及光污染防治法案和指导性意见，为各国夜间光照的优化做出了较大的贡献。而发展中国家多处于快速城镇化阶段，城镇面积的扩张和夜间活动所需的配套设施的建设使得夜间灯光数量呈现着较为稳定的持续增长态势，即使部分国家已经注意到夜间光污染问题并进行一定的治理，但由于国家仍然处于发展阶段，夜间灯光数量在短期内还是会保持增长的态势。

3 2013—2018年VIIRS数据分析

由Suomi国家极轨道伙伴关系卫星(SNPP)提供的新一代夜间灯光数据NPP-VIIRS作为DMSP-OLS的接替者，于2012年升空后可以提供比DMSP-OLS有着更高的精度及辐射范围的夜光遥感数据。且NPP-VIIRS搭载自交准设备，可以直接生成具有时间连续性的卫星影像产品。投入使用至今共有8年的数据。VIIRS数据像元值(Digital Number,DN)代表灯光的辐射强度,单位为W·cm-2·sr-1。使用Light pollution map网站提供的开源NPP-VIIRS夜间灯光数据，进行降噪处理。选取夜间灯光总量排名前25的国家，以2013—2018年的VIIRS全球夜光遥感数据为数据源，使用夜间灯光总量、夜间灯光平均值、千人均夜间灯光量三个夜间灯光参量。对25个国家的夜间灯光环境进行逐年分析。25个国家分别为美国、俄国、加拿大、中国、巴西、印度、哈萨克斯坦、沙特阿拉伯、伊朗、法国、墨西哥、委内瑞拉、意大利、伊拉克、阿尔及利亚、西班牙、澳大利亚、英国、波兰、阿根廷、印度尼西亚、土耳其、埃及、德国、日本。表 3为其中18个国家的2018年的国家基础数据、VIIRS夜间灯光地图、夜间灯光数据，作为数据辅助理解与示意。

为从全球视角研究夜间灯光的宏观分布情况，首先以所属大洲对25个典型国家进行归类并绘制洲际分布图(图4)。可以看出25个国家分布于不同的大洲，主要位于亚洲大陆、欧洲大陆、美洲大陆。全球夜间灯光集中分布于欧洲、美洲、亚洲三大洲的发达国家，如美国、俄国、加拿大，以及国土面积大、人口总量大的发展中国家，如中国、印度、巴西。相比之下，非洲、大洋洲内国家的夜间灯光总量在全球夜间灯光总量的占比较少，整体照明水平较低。

图4 25个典型国家的洲际分布图Fig.4 Intercontinental distribution map of 25 countries

为了更直观的表达2013—2018年间25个典型国家各夜间灯光参数的变化趋势，在GIS中使用VIIRS数据对25个典型国家的三个灯光参数进行计算，并绘制夜间灯光总量变化趋势图(图5)、夜间灯光平均值变化趋势图(图6)和千人均夜间灯光值变化趋势图(图7)。在2013—2018年夜间灯光总量的逐年变化图中，国家间夜间灯光总量差距较大，美国、俄国、加拿大的夜间灯光总量在各年份均位于第一梯队，对全球夜间照明数量贡献较大，中国、巴西、印度次之。其他国家夜间灯光数量各年份数值差异较小。对比2018年各国的国土面积排行、人口数量排行和GDP排行，发现美国、俄国、加拿大、中国、巴西、印度在这各个参数中都处于第一梯队的位置。从夜间灯光平均值逐年变化图可以看出，夜间灯光总量大的国家夜间灯光平均值排行靠后，这是由于国土面积大且发展不均匀，使得国内存在大量夜间照明水平较低的区域，进而使得面积较大的国家在夜间灯光总量上排名靠前而在夜间灯光均值的排名靠后；伊拉克、意大利、波兰、西班牙、英国、德国的夜间灯光均值排行靠前，表明国家内的夜间照明水平较高。这是因为以上国家虽然国土面积小，但GDP排行靠前，整体发达程度高，从而导致夜间灯光平均值呈现着较高的水平。加拿大、哈萨克斯坦、俄国、沙特阿拉伯、澳大利亚、美国依次为世界千人均夜间灯光值排行的前六，这些国家发达程度高，但国家人口数量较少，因此以上六个国家的千人均夜间灯光值排行靠前。通过以上分析，国家的夜间光环境水平与经济发展情况、国土面积、人口数量存在着一定的相关关系。

表3 2018 NPP-VIIRS光污染地图及相关数据统计

图5 2013—2018年25个典型国家VIIRS夜间灯光总量逐年变化图Fig.5 Trends in the total amount of nighttime light of VIIRS in the 25 countries from 2013 to 2018

图6 2013—2018年25个典型国家VIIRS夜间灯光平均值逐年变化图Fig.6 Trends in the average value of nighttime light of VIIRS in 25 countries from 2013 to 2018

为准确分析不同夜间灯光参量和国家、国土面积、经济、人口之间的关系，将夜间灯光总量、夜间灯光平均值、千人均夜间灯光量分别与GDP总值、人口、人口密度、国土面积进行了相关性分析，结果如表4所示。夜间灯光总量与国土面积、GDP总值的相关系数分别为0.756、0.576，表示两者之间存在不完全相关关系，两者之间不相关的双侧显著性值为0.00<0.01，表示在0.01的显著性水平上否定了两者不相关的假设。千人均夜间灯光量与和国土面积之间的相关系数为0.405，表示两者之间存在不完全相关，两者之间不相关的双侧显著性值为0.00<0.01，表示在0.01的显著性水平上否定了两者不相关的假设。夜间灯光平均值和国土面积间的相关系数为-0.520，表示两者之间存在不完全相关且为负相关，两者之间不相关的双侧显著性值为0.00<0.01，表示在0.01的显著性水平上否定了两者不相关的假设。

图7 2013—2018年25个典型国家VIIRS千人均夜间灯光值逐年变化图Fig.7 Trends of nighttime light per 1000 capita in the VIIRS of 25 countries from 2013 to 2018

表4 相关分析输出结果表

所以可以得出结论：夜间灯光总量与国土面积、GDP总值之间存在显著相关关系。千人均夜间灯光量与与国土面积，夜间灯光平均值与国土面积之间同均存在着显著相关关系。夜间灯光平均值和国土面积之间存在显著负相关关系。

4 讨论

DMSP-OLS和NPP-VIIRS夜间灯光数据作为全球范围的长时间序列夜间灯光数据，各自具有数据优势及研究价值。本文利用的DMSP-OLS和NPP-VIIRS夜间灯光数据对全球典型国家的夜间光环境进行了评估，以夜间灯光总量(Rad.Sum)、夜间灯光平均值(Rad.Mean)、千人均夜间灯光量(Rad./1000Pop)3个夜间人工光照参量为基础，进行了夜间灯光数据分析。结论总结如下：

1)利用1992—2013年的DMSP-OLS数据分析了夜间灯光总量排名最高、对全球夜间人工光照总量贡献最大的6个典型国家。通过对国家夜间灯光总量和平均值进行拟合，发现以美国、俄罗斯和加拿大为代表的发达国家夜间灯光呈下降趋势，可能与低碳节能的全球背景下各国家出台的节能政策及光环境保护组织的努力有关；且以中国、印度、巴西为代表的快速发展中大国的夜间灯光数量呈上升趋势，可能与不断增长的GDP和人口数量有关。

2)利用2013—2018年的VIIRS数据分析了夜间灯光总量排名前25位的国家。从分布来看，25个国家主要为亚洲大陆、欧洲大陆、美洲大陆发达国家。从增长来看，各国家夜间灯光整体呈现增长趋势，并且增长情况与国家国土面积、人口数量和经济发展程度相关。

本研究从宏观的角度评估了1992—2018年的全球典型国家的城市夜间光环境的演变趋势，总结了城市夜间光环境的社会影响因素，为后续相关研究提供了新的思路和方法。该成果有利于研究人员和管理部门在快速现代化发展过程中客观认识夜间光环境现状，把握整体的光环境发展。为光污染治理、评估和规范制定，乃至智慧城市建设提供参考。