東北地理所提出準(zhǔn)確表征夜光遙感數(shù)據(jù)新方法
夜光遙感是估算社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)、評(píng)估城市發(fā)展以及研究光污染對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的重要手段。然而，如何準(zhǔn)確地反映夜間燈光能量強(qiáng)弱目前仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的夜光遙感數(shù)據(jù)為SNPP-VIIRS數(shù)據(jù)，其空間分辨率為15角秒（赤道處約500m），采用輻亮度（單位：nW/cm2/sr）來(lái)描繪夜間燈光輻射能量強(qiáng)弱。輻亮度代表單位投影面積、單位立體角、單位時(shí)間內(nèi)面輻射源輻射的能量，本質(zhì)上講反映的是能量密度在某一方向上的特征而非能量本身。因此，當(dāng)影像像元面積相同時(shí)，輻亮度可以反映夜光像元間的相對(duì)能量強(qiáng)弱，但是當(dāng)像元面積不同時(shí)，使用建立在單位面積基礎(chǔ)上的物理量來(lái)反映能量強(qiáng)弱，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重系統(tǒng)誤差。而使用SNPP-VIIRS數(shù)據(jù)的大部分研究都面臨這一問(wèn)題，其像元面積隨緯度而變化，直接使用輻亮度來(lái)反映其能量強(qiáng)弱顯然不夠準(zhǔn)確。本研究提出將輻亮度轉(zhuǎn)換為輻射通量（某一表面單位時(shí)間輻射出的能量，單位：W），以達(dá)到更準(zhǔn)確、直觀地描繪夜間燈光的目的（圖1）。
圖1 輻亮度至輻射通量基本轉(zhuǎn)換思路
考慮到SNPP-VIIRS數(shù)據(jù)的角度效應(yīng)等問(wèn)題，本研究選取SNPP-VIIRS年度均值掩膜合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為轉(zhuǎn)換模型建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。基于該數(shù)據(jù)建立起的轉(zhuǎn)換模型如公式1所示。
式中Lp為SNPP-VIIRS數(shù)據(jù)的像元輻亮度，單位為nW/cm2/sr，θ為各像元中心緯度,Φp為各像元的輻射通量，單位為 W。
通過(guò)轉(zhuǎn)換模型，本研究基于SNPP-VIIRS 2022年度均值掩膜數(shù)據(jù)，計(jì)算了2022年夜間燈光輻射通量，結(jié)果如圖2所示。在本研究選取的50座用于驗(yàn)證分析的代表城市中，莫斯科輻射通量最高，達(dá)到12.5MW，其次是洛杉磯（9.8MW）、芝加哥（8.3MW）和紐約（7.7MW）。
圖2 2022年夜間燈光輻射通量計(jì)算結(jié)果
本研究通過(guò)輻亮度、輻射通量分別與人口進(jìn)行擬合來(lái)說(shuō)明采用輻射通量的優(yōu)勢(shì)。圖3展示了全部50座城市的擬合結(jié)果，圖4則分別對(duì)北美、歐洲以及東亞三個(gè)地區(qū)的城市進(jìn)行了擬合分析。結(jié)果表明，輻射通量顯著提升了夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對(duì)人口等社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行估算的能力。
圖3 50座代表城市輻亮度、輻射通量分別與人口進(jìn)行線性擬合
圖4 北美、歐洲、東亞三地區(qū)城市輻亮度、輻射通量分別與人口進(jìn)行線性擬合
使用輻射通量代替輻亮度來(lái)描繪夜間燈光，提升了夜光遙感數(shù)據(jù)估算社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，還解決了像元輻亮度相加沒(méi)有物理意義這一問(wèn)題。夜光遙感本質(zhì)是對(duì)夜光輻射能量的探測(cè)，從能量的角度來(lái)看，以瓦特為單位的輻射通量更接近人類對(duì)能量的理解，可以更加直觀地反映夜間燈光能量的強(qiáng)弱。
該研究發(fā)表在遙感領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Remote Sensing of Environment》，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所碩士研究生曾海航為第一作者，東北地理所賈明明副研究員、河海大學(xué)薛朝輝教授為通訊作者。東北地理所王宗明研究員、趙傳朋副研究員、張蓉特別研究助理、碩士研究生寧祥雨和顏洋洋為共同作者。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42330109，42171372和42171379）、國(guó)際大數(shù)據(jù)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)研究中心開(kāi)放研究計(jì)劃（Grant No.CBAS2022ORP06）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2021227）、吉林省自然科學(xué)基金（20240101016JJ）和國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.geodata.cn）的聯(lián)合支持。
論文信息:Zeng Haihang,Jia Mingming*,Ning Xiangyu,Xue Zhaohui*,Zhang Rong,Zhao Chuanpeng,Yan Yangyang,Wang Zongming. Quantitative characterization of global nighttime light: A method for measuring energy intensity based on radiant flux and SNPP-VIIRS data. Remote Sensing of Environment,2025,318,114576.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114576
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