基于NPP-VIIRS夜间灯光数据的2017年九寨沟地震灾后恢复动态监测

刘文毅 刘耀辉,2,3 高振昌 申 云 周 洁 魏本勇 范熙伟 李晓丽

(1. 山东建筑大学 测绘地理信息学院, 山东 济南 250101;2. 河北省地震动力学重点实验室, 河北 三河 065201;3. 山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590;4. 中国地震局地质研究所, 北京 100029;5. 中国地震局地震与火山灾害重点实验室, 北京 100029;6. 中国地震台网中心, 北京 100045)

0 引言

自然灾害是人类社会面临的全球性问题之一。近年来,我国自然灾害频繁发生,造成严重的经济损失、人员伤亡和生态环境破坏,自然灾害已逐渐成为当今社会面临的严重问题之一。灾后恢复过程中的监测是防灾减灾的重要措施,自然灾害尤其是地震造成的灾害影响范围广,传统的灾后恢复监测工作量大、周期长、同时也伴随着危险性,难以满足灾后恢复过程监测的需求。遥感技术可以动态监测,适应各种恶劣条件,不受大气条件的影响,获取信息量大、效率高,能够快速有效地进行大范围灾害灾后恢复过程的动态监测。目前遥感技术获取灾情信息主要由无人机和白天卫星观测影像分析所得,白天卫星观测影像可获取地表信息,但受重返周期和光学影像空间宽幅限制等,难以实现多时序每日大区域空间尺度监测;无人机遥感系统灵活机动,分辨率较高,获取时间自由,但其覆盖范围小,摄影时飞行姿态容易受到天气和环境影响,数据量大,处理费时费力;随着遥感技术的发展,夜间灯光遥感以其独特的优势应用于自然灾害灾后恢复过程监测中。

国内外学者已开展基于夜间灯光数据进行灾后影响及灾区恢复等研究工作。张宝军等[1]利用美国国防气象卫星计划-卫星运行的线性扫描系统(defense meteorological satellite program-operational linescan system,DMSP-OLS)扫描的数据,研究2003—2013年汶川灾区照明强度的变化,探讨夜间照明变化与灾害损失的相关性。李晓雪等[2]利用多时段的夜光传感器可见光近红外成像辐射搭载国家极轨卫星(national polar orbiting partnership-visible infrared imaging radiometer suite，NPP-VIIRS)夜间灯光数据监测夏河MS5.7地震灾前灾后的夜间灯光指数变化,为甘肃地区应急大地震提供依据。杜若华等[3]以2014年8月鲁甸地震为例,利用NPP-VIIRS夜间灯光月数据,研究灾区夜间灯光时空变化并进行灾后恢复进程监测。付泽钰等[4]基于夜间灯光数据,运用层次分析法评估银川市应对地震灾害的响应能力。Li等[5]根据夜光灯光数据,研究不同地震区夜间照明的变化以及人类活动对其影响的程度。Fan等[6]利用NPP-VIRS夜间灯光数据,监测地震灾后恢复并对地震损失进行快速评估。Soma[7]利用NPP-VIRS夜间灯光数据,对袭击印度人口最多地区的极端强气旋风暴“AMPHAN”造成的损失进行评估。

综上所述,自然灾害给人类生活的各个方面都带来巨大的影响,因此灾后恢复过程监测至关重要。当前,利用遥感技术监测灾后恢复情况的方法主要有无人机遥感系统采集和白天卫星观测影像分析。其中,无人机的机动性强,分辨率高,采集时间自由,但是覆盖面积小,拍摄时的姿态易受气象、环境等因素的影响,数据量大,处理起来耗时耗力;白天卫星观测的影像可以很好地获得地面信息,但受重返周期和光学影像空间宽幅限制等,难以实现多时序每日大区域空间尺度监测。夜间灯光数据在灾后恢复过程监测方面具有独特的数据优势,相对于传统遥感卫星影像,夜间灯光遥感可以更直观地反映人类活动。破坏性地震的发生,会引起灾区灯光强度的变化,利用NPP-VIIRS夜间灯光数据在灾后恢复过程监测方面的应用研究比较少,本研究以2017年九寨沟地震为例,采用NPP-VIIRS夜间灯光数据作为基础数据源,研究灾前、灾中和灾后的灯光指数变化,进而进行灾后恢复过程监测,同时基于影像数据和社会经济统计数据,验证夜间灯光进行灾后恢复监测的可行性,面向灾害应急管理部门、规划管理部门及防灾减灾部门等提供可靠的、有效的数据来源支撑和决策信息参考。本研究基于夜间灯光数据,动态监测灾后影响及灾区恢复过程,对于震灾救援和恢复具有重要科学意义。

1 研究区与数据获取

1.1 研究区概况

1.1.1九寨沟县概况

九寨沟县,隶属于四川省阿坝藏族羌族自治州,位于青藏高原东部边缘,阿坝州东北部。东、北与甘肃省文县、舟曲县、迭部县交界,西、南与四川省若尔盖县、平武县、松潘县接壤。属多民族聚居县、以藏族为主,辖3镇14乡,总面积5 286 km2。据第七次人口普查数据显示,截至2020年11月1日0时,九寨沟县常住人口为66 055人。九寨沟县地势西北、西南高,东南低。属高原湿润气候[8-9]。

1.1.22017年九寨沟地震概述

据中国地震台网测定,2017年8月8日21时19分46秒,四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县发生7.0级地震。震源深度20 km,震中五公里范围内平均海拔3 827 m,并且因地震引发的各种次生灾害频发。灾害发生时正处于学生假期期间,人口密度大(包含本地居民与游客),严重影响居民的正常生活,由于地方各级政府和地震部门风险防范有效,公众防震避险意识较强,此次地震较国内历史同级地震相比, 人员伤亡较轻,本次地震造成29人死亡, 1人失踪, 543人受伤,直接经济损失80.43亿元[10]。此次地震伴随余震多,山体破碎诱发滚石、崩塌等地质隐患和次生灾害突出。同时此次地震震中处于九寨沟景区附近,导致景区内众多景点受损,生态抢救修复任务艰巨[11]。

1.2 数据来源

NPP-VIIRS夜间灯光数据来自美国国家海洋大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA),由NPP卫星搭载可见红外光成像辐射仪器探测所得。由于NPP-VIIRS夜间灯光数据可以获取每天的数据,具有连续性,能在空间分布上直接反映灾害前后灯光分布与集中情况,应用夜间灯光数据辅以社会经济统计数据和卫星遥感影像数据研究分析灾后恢复过程具有独特的优势。本研究实验数据来源如表1所示。

表1 实验数据来源

1.2.1NPP-VIIRS夜间灯光数据

本研究使用日际夜间云灯光产品可见红外成像辐射计套件日/夜带每月无云复合夜间灯光产品。NPP-VIIRS有22个光谱波段,波长范围在0.4～12 μm,涵盖可见光和红外光谱,NPP-VIIRS主要为全色波段,空间分辨率约为750 m,具有优越的夜间灯光探测能力。此外,NPP-VIIRS数据采用板载校准,数据质量得到提高。

1.2.2行政区划边界数据

国家基础地理信息中心公开发布的中国1∶400万基础地理信息数据集,本研究区域数据在阿里云网站进行下载,主要使用四川省九寨沟县的县级行政边界数据。

1.2.3社会经济统计数据

选取四川省统计局网站上九寨沟县2016—2020年生产总值数据。通过对此数据的研究,可以进一步直接与夜间灯光数据相对照,更加直观地反映出夜间灯光数据的准确性。

1.2.4研究区影像数据

选取2017年震前高分1号遥感影像和震后高分2号遥感影像作为辅助验证数据,分别对研究区进行恢复监测分析,验证利用夜间灯光进行灾后恢复监测的可行性。

2 研究方法与处理结果

2.1 夜间灯光数据处理

由于NPP-VIIRS夜间灯光数据存在负值,后续处理还需要统计面积、计算灯光指数以及不同时间的灯光指数进行对比分析。因此,需要对夜间灯光数据进行消除负值、图像裁剪、投影转换、重采样等一系列预处理,为将不同日、月的数据进行对比分析,还需进行夜间灯光数据的归一化处理。

(1)消除负值。利用ArcGIS软件中的栅格计算器,将夜间灯光影像中的负值赋值为0。

(2)图像裁剪。加载NPP-VIIRS数据和研究区矢量地图数据,选择按掩膜提取,提取研究区的夜间灯光数据。

(3)投影转换。将裁剪完成的研究区夜间灯光数据,转换成适合中国地图地形的兰伯特投影。

(4)重采样。使用数据管理工具中投影栅格进行重采样,在其单元设置中将其设为500,即重采样为500 m×500 m的栅格文件。

(5)归一化处理。选择叠加分析中的模糊隶属度,分类值选择线性函数,将研究区域的夜间灯光数据完成归一化处理。

2.2 夜间灯光数据计算

常用的灯光指数有夜间灯光总强度指数(total nighttime light index,TNLI)、平均灯光强度指数(average nighttime light index,ANLI)和综合灯光指数(compounded nighttime light index,CNLI)。夜间灯光总强度(TNL)是指行政单元内遥感影像像元亮度值(digital number,DN)总和;平均灯光强度(ANL)为夜间灯光强度占最大灯光强度的比率;综合灯光强度(CNL)为平均灯光强度(ANL)与灯光面积比(S)的乘积,灯光面积比为灯光面积与行政单元面积之比;TNLI、ANLI、CNLI和S分别可用式(1)～式(4)表示[12-14]。

式中,n为栅格的数量;Ni为每个栅格单元的像元辐射值;A为区域内所有灯光像元的总面积;B为研究区的面积;S为灯光面积比。

2.3 夜间灯光处理结果

经过夜间灯光数据处理,得到九寨沟县灯光图。由于研究数据较多,本研究仅展示部分结果图(图1)。

图1 九寨沟县夜间灯光图

通过公式计算,得到三种灯光指数数据，见表2～表4。

表2 九寨沟县三种日际灯光指数

表3 九寨沟县三种月际灯光指数

表4 九寨沟县三种年际灯光指数

3 实验结果分析

3.1 夜间灯光强度时间变化分析

3.1.1日际变化分析

本研究选取2017年8月6日至2017年8月17日进行地震灾害发生前后夜间灯光指数的日际变化分析,图2为九寨沟县TNL指数的日际变化趋势。图中灯光指数总体波动起伏较大,震前灯光指数值较高,8月8日发生地震后,地震灾害使许多房屋倒塌,道路中断,电力、通信等均受到严重影响,致使灯光指数骤减,8月9日灯光指数降至最低,与震前8月6日相比,下降高达94.5%,表明研究区受到地震严重破坏。灾害发生后,各级各部门紧急采取抢险救灾措施,大量人员抵达灾区进行救灾,同时在8月10日,在地震灾害中受损的九寨沟变电站及相应线路,众多电力单位抢险人员完成电力方面的抢险,恢复临时供电,因此8月10日起灯光指数开始大幅升高。8月12日起,部分单位的抢险人员将陆续撤出九寨沟灾区,电力部门将进一步承担为灾区居民集中安置点搭接电源等工作,同时受到天气变化的影响,灾后10 d内TNL指数跌宕起伏,但灯光总量指数还未恢复震前水平,但与震中比较,灯光总量指数有明显提升,表明灾区内全面抢险救灾工作和灾后安置恢复工作。通过日际变化图可以清晰地看出地震灾害发生前后灯光强度的变化趋势,进一步表明我国抢险救灾活动开展的迅速及国家各部门的重视。

图2 九寨沟县地震前后TNL指数日际变化图

3.1.2月际变化分析

本研究选取2017年7月至2017年12月进行地震灾害发生前后夜间灯光指数的月际变化分析,图3为九寨沟县TNL指数月际变化趋势。九寨沟县的夜间灯光强度受地震灾害影响最大,地震发生在夏季,是暑假期间,正处于旅游旺季,夜间灯光强度高,发生地震后由于抢险救灾,夜间灯光强度并未迅速下降,而是有所短暂升高,8月较7月相比,TNL指数升高76.9%。抢险救灾结束后开始急速降低,地震发生月份与灾后第一个月TNL指数最低下降68.9%,反映出地震对九寨沟县造成严重影响。地震发生后三四个月内仍有余震不断发生,九寨沟景区还未能对外开放,研究区内灯光指数整体呈现下降趋势。通过月际变化趋势可以清晰表明地震灾害发生时,灯光指数会骤增,灾害发生后,破坏力强,灯光指数恢复进程慢。

图3 九寨沟县地震前后TNL指数月际变化图

3.1.3年际变化分析

本研究选取2017—2020年每年的11月数据进行地震灾害发生前后夜间灯光指数的年际变化分析,图4为九寨沟县TNL指数年际变化趋势。结果显示九寨沟县TNL指数在2016年较低,据分析是由于2016年7月25日的九寨沟特大泥石流导致,九寨沟县普降暴雨,发生特大泥石流。2017年发生地震时正处于旅游旺季,所以夜间灯光强度较高,在震后第一年(2018年)和第二年(2019年)由于救援强度逐渐减弱,灯光强度也在不断降低,最低降至48.9%,震后第三年(2020年)由于居住环境、交通等设施的完善,同时在2019年年底,九寨沟景区恢复至震前85%开放面积,人口数量(包括当地居民与游客)不断增多,因此九寨沟县的TNL指数开始逐渐增加,对应恢复重建工作基本完成。通过年际变化趋势可以很明显地反映出地震对九寨沟县的破坏程度以及九寨沟灾区重建的真实恢复过程。

图4 九寨沟县地震前后TNL指数年际变化图

3.2 夜间灯光强度空间变化分析

本研究以九寨沟县漳扎镇小学震前高分1号卫星遥感影像和震后高分2号遥感影像(图5)为辅助验证数据,对灾前、灾后进行对比,验证夜间灯光监测灾后恢复的可行性。据新闻报道,漳扎镇小学位于9号地震破裂区,校舍受损面积达7 947 m2。房屋评估结果显示,漳扎镇小学所有楼宇后期均被鉴定为D级危房,必须全面拆除进行重建。据介绍,作为九寨沟县灾后恢复重建启动69 d后最先挂网招标的房屋重建类项目之一,漳扎镇小学为重点设防类建筑,抗震设防烈度8度(图6)。由于重建进程继续推进,2018年漳扎镇小学工程总建筑面积达9 600 m2,2019年9月漳扎镇小学更名为九寨沟小学,师生复课,与上述灯光年际变化趋势相吻合。研究区在2019—2020年,灯光恢复较快,表明九寨沟县基本恢复并超过震前水平,验证了夜间灯光数据准确地监测震后九寨沟县的恢复重建及扩张过程,与高分辨率影像数据反映的城区建设情况相一致。

图5 九寨沟县漳扎镇小学地震前后遥感影像对比图

图6 九寨沟县漳扎镇小学重建图

3.3 夜间灯光强度与GDP相关性分析

夜间灯光数据可间接表征生产总值估算和贫困评估[15]。为验证夜间灯光数据对灾后恢复监测的可行性,本研究选取九寨沟县生产总值(gross domestic product,GDP)作为辅助验证数据,进行夜间灯光强度与GDP相关性分析。本研究基于研究区夜间灯光TNL指数和地区生产总值(表5),将2016—2020年研究区TNL与其进行对比分析。从生产总值来看,研究区受地震灾害影响,经济受到严重损失,九寨沟县2017年生产总值明显下降,2016—2017年生产总值下降5.5%,灾后随着重建工作的大规模开展,九寨沟县的生产总值开始增长,经过两年的重建,2019年九寨沟景区重新对外开放,吸引大批游客,使得2019年急速增长,恢复并超过震前生产总值水平,2020年受到新冠疫情影响,生产总值增长缓慢,生产总值较2017年增加24.4%,这与灯光强度变化相同,生产总值的变化证实地震对灾区经济模式造成的巨大影响,直到2019年底基本恢复震前水平,后期夜间灯光数据将与地区生产总值呈正比关系,有效验证夜间灯光数据对地震灾后恢复监测的可行性。

表5 九寨沟县2016—2020年生产总值

4 结束语

本研究面向对遭受自然灾害地区灾后恢复监测需求,在总结国内外自然灾害灾后恢复监测研究基础上,以2017年九寨沟地震为例,基于2017年8月6日—8月17日的NPP-VIIRS夜间灯光日数据及2016—2020年的NPP-VIIRS夜间灯光月数据,对九寨沟地震前后夜间灯光日际、月际和年际变化进行提取和分析,探讨灾前、灾中和灾后的夜间灯光强度变化,监测震后九寨沟县的动态恢复过程;辅以高分辨率卫星遥感数据和地区生产总值数据与夜间灯光指数变化分别进行分析,验证利用夜间灯光监测研究区地震灾后恢复过程的可行性。结果表明：震前研究区受泥石流灾害影响,灯光总强度较低;发生地震后由于抢险救灾,灯光总强度并未下降,而是有短暂升高,救灾结束后开始降低,因此夜间灯光指数日际变化趋势有一定起伏;灾后研究区逐渐恢复,经济方面恢复较快,但县城空间方面恢复较慢,研究区整体花费近两年的时间恢复震前水平,表明地震灾害对九寨沟县造成很大的影响。本文研究成果证实NPP-VIIRS夜间灯光数据能够较好地监测灾后恢复情况,对于2017年九寨沟地震灾后恢复动态监测提供科学依据和参考。

然而,NPP-VIIRS夜间灯光存在季节性干扰,尤其是夏季,而此次地震恰好发生在夏季,所获数据可能受一定程度影响,丢失部分恢复重建细节。下一步将充分结合多源异构数据,提高灾后恢复重建监测的精确性。