夜间灯光遥感数据应用综述和展望

在遥感应用研究中,夜间灯光遥感作为发展活跃的一个重要分支,近年来受到越来越多来自自然科学领域和社会经济领域的关注。与传统的光学遥感卫星获取地物辐射信息不同,夜间灯光遥感是获取夜间无云条件下地表发射的可见光-近红外电磁波信息。相比于普通的遥感卫星影像,夜间灯光遥感所使用的夜间灯光影像记录的地表灯光强度信息更直接反映人类活动差异,因而被广泛应用于城市化进程研究、不透水面提取、社会经济指标空间化估算、重大事件评估、生态环境评估等领域。目前,虽然基于夜间灯光数据的应用研究成果正在不断积累,但对成果的系统性总结、整理的研究目前存在着覆盖面不全、时效性不强等不足。基于此,论文通过对近几十年来有关夜间灯光数据的研究成果的详细梳理,从数据处理与技术方法、应用研究等方面进行归纳总结。最后,文章从多源数据融合、应用领域拓展和短周期地表灯光监测3个方面指出了未来的研究热点。     

转型期京津冀城市群空间扩展格局及其动力机制研究——基于夜间灯光数据方法

针对中西方城市群空间扩展路径研究的争论,以京津冀城市群为例,运用夜间灯光数据,采取扩展强度指数、空间关联模型、多维驱动力分析模型,定量揭示了城市群时空扩展路径及其动力机制。结果表明：① 1992-2012年,京津冀城市群时空扩展呈现以京津唐为核心的中心集聚扩展模式,保定—衡水—石家庄之间的“三角地带”成为城市群空间扩展的冷点区;② 城市群空间扩展虽然已经出现了扩散势头,但向心集聚的惯性作用力依然强大;③ 城市群时空扩展的动力机制表现出以市场力为主要驱动因子的特征,行政力、外向力和内源力对城市群空间扩展的影响作用依次递减,从城市群空间扩展的驱动力演化趋势看,市场力、行政力、外向力的影响呈现上升趋势,而内源力的影响系数则呈现下降趋势。最后,提出降低行政干预、构建市场主导机制、强化内外双向开放、推动产业升级政策建议,促进城市群空间结构持续优化。     

基于灯光数据的京津冀城市多标度异速分析

城镇体系的时空演化是一个复杂的动力学过程,具有无尺度性,其特征可以采用异速标度指数定量描述。论文以京津冀为例,基于1992—2013年夜间灯光数据的校正结果,提取城镇夜间灯光信息,采用多标度异速分析方法,分析京津冀城镇体系的相对发展特征及其空间分异格局。研究发现：①京津冀大城市的增长空间局限日益显著。虽然大城市如京津唐的绝对发展水平高,但接近环境承载量的极限,22 a间增长快速的是大城市交接地带的小城市(如三河、迁安、廊坊等)。②相对增长速度快的城市从东北到西南呈现带状分布——政府选择发展的“雄安新区”就在这个轴带上。由此可以得出两个结论：其一,京津冀城市演化的趋势相对均衡化,空间结构异质性逐步减弱,整个城镇体系的发展趋于相对平衡状态;其二,大、小城市“两极”贯通或许是增强城镇体系功能的有效途径。京津冀的空间格局优化不能仅仅考虑主要的、规模大的中心城市,而应该基于等级结构协调整个城镇网络体系。     

Spatio-temporal variations and influencing factors of energy-related carbon emissions for Xinjiang cities in China based on time-series nighttime light data

This essay combines the Defense Meteorological Satellite Program Operational Linescan System(DMSP-OLS) nighttime light data and the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite(VIIRS) nighttime light data into a “synthetic DMSP” dataset, from 1992 to 2020,to retrieve the spatio-temporal variations in energy-related carbon emissions in Xinjiang,China. Then, this paper analyzes several influencing factors for spatial differentiation of carbon emissions in Xinjiang with the application of geographical...     

Classifying urban land use by integrating remote sensing and social media data

Urban land use information plays an important role in urban management, government policy-making, and population activity monitoring. However, the accurate classification of urban functional zones is challenging due to the complexity of urban systems. Many studies have focused on urban land use classification by considering features that are extracted from either high spatial resolution (HSR) remote sensing images or social media data, but few studies consider both features due to the lack of available models. In our study, we propose a novel scene classification framework to identify dominant urban land use type at the level of traffic analysis zone by integrating probabilistic topic models and support vector machine. A land use word dictionary inside the framework was built by fusing natural–physical features from HSR images and socioeconomic semantic features from multisource social media data. In addition to comparing with manual interpretation data, we designed several experiments to test the land use classification accuracy of our proposed model with different combinations of previously acquired semantic features. The classification results (overall accuracy = 0.865, Kappa = 0.828) demonstrate the effectiveness of our strategy that blends features extracted from multisource geospatial data as semantic features to train the classification model. This method can be applied to help urban planners analyze fine urban structures and monitor urban land use changes, and additional data from multiple sources will be blended into this proposed framework in the future.     

基于EVI指数的DMSP/OLS夜间灯光数据去饱和方法

DMSP/OLS夜间灯光数据被广泛应用于表征人类活动强度及其生态环境影响的诸多研究中,但因OLS传感器设计的局限,在用电强度较高的城市中心,灯光信号存在明显的饱和,这一不足可能影响到一些基于夜间灯光数据研究成果的可靠性。针对这一问题,NOAA-NGDC研发了辐射定标算法,但因缺乏星上定标系统,算法较为复杂,且受较多条件限制等原因,目前只有部分时期的辐射定标数据产品（RCNTL）。近期有学者提出一种基于植被指数NDVI构建的城市灯光指数VANUI,为灯光数据去饱和研究提供了一个操作简单且结果良好的方法,但该方法在一些城市效果不佳。基于此,本文综合利用夜间灯光与EVI指数信息,通过对VANUI指数构建方法进行改进,建立了一个新的缓解夜间灯光强度饱和的EANTLI指数。为了评价指数的效果,将EANTLI与VANUI从三个方面进行比较：① 区分、识别饱和区内地物的能力;② 与RCNTL的拟合程度;③ 对用电量估算的效果。结果表明：EANTLI在三个方面均表现出优势,在潜在饱和区内对特征地物具有更高的可区分性,与RCNTL的线性相关程度更高,与用电量的相关性相比于NTL、VANUI亦明显提高。因此可以认为EANTLI在指数的设计上较为合理,不仅易于计算,而且能达到较好的缓解灯光强度饱和、凸现城市内部差异的目的,在用于反演城市发展指标时能获得更为准确的结果,因此具有较高的应用价值。     

基于多源遥感的聚落与多级人口统计 数据的关系分析

在四川省市州、区县和典型村等三级尺度上,探讨了基于多源遥感的聚落面积与多级人口统计数据的关系。首先,从LANSAT TM影像中提取农村和城镇聚落信息,从Quickbird 影像上提取农村聚落及其房屋地基信息。其次,通过叠加统计得到各级统计单元内的聚落面积;再次,在四川省市州和区县尺度上,分别对城乡聚落面积和总人口数、城镇聚落面积和非农业人口数、农村聚落面积和农业人口数等进行相关性分析, 城镇聚落和非农业人口数的相关系数最高,分别为0.962和0.791,并建立了基于城镇聚落面积的非农业人口数估算模型,其模型的判定系数分别为0.926和0.625;最后,在村级尺度上,对农村聚落及其房屋地基面积与农村人口数之间的相关性进行分析,其相关系数分别为0.806和0.825,分别建立基于农村聚落及其房屋地基面积的农村人口数估算模型,其模型的判定系数分别为0.65和0.68。研究表明,LANDSAT TM适用于大尺度的非农业人口估算,估算效果随尺度的降低而有所降低;Quickbird适合于精细尺度的农业人口估算。     

Similarities and differences of city-size distributions in three main urban agglomerations of China from 1992 to 2015: A comparative study based on nighttime light data

Comparing the city-size distribution at the urban agglomeration (UA) scale is important for understanding the processes of urban development. However, comparative studies of city-size distribution among China’s three largest UAs, the Beijing-Tianjin-Hebei agglomeration (BTHA), the Yangtze River Delta agglomeration (YRDA), and the Pearl River Delta agglomeration (PRDA), remain inadequate due to the limitation of data availability. Therefore, using urban data derived from time-series nighttime light data, the common characteristics and distinctive features of city-size distribution among the three UAs from 1992 to 2015 were compared by the Pareto regression and the rank clock method. We identified two common features. First, the city-size distribution became more even. The Pareto exponents increased by 0.17, 0.12, and 0.01 in the YRDA, BTHA, and PRDA, respectively. Second, the average ranks of small cities ascended, being 0.55, 0.08 and 0.04 in the three UAs, respectively. However, the average ranks of large and medium cities in the three UAs experienced different trajectories, which are closely related to the similarities and differences in the driving forces for the development of UAs. Place-based measures are encouraged to promote a coordinated development among cities of differing sizes in the three UAs.     

A surface network based method for studying urban hierarchies by night time light remote sensing data

Urban hierarchies are closely related to economic growth, urban planning and sustainable urban development. Due to the limited availability of reliable statistical data at fine scales, most existing studies on urban hierarchy characterization failed to capture the detailed urban spatial structure information. Previous studies have demonstrated that night time light data are correlated with many urban socio-economic indicators and hence can be used to characterize urban hierarchies. This paper presents a novel method for studying urban hierarchies from night time light data. Night time light data were first conceptualized as continuous mathematical surfaces, termed night time light surfaces. From the morphology of these surfaces the corresponding surface networks were derived. Hereafter, a night time light intensity (NTLI) graph was defined to describe the morphology of the surface network. Then, structural similarity between the night time light surfaces of any two different cities was calculated via a threshold-based maximum common induced graph searching algorithm. Finally, urban hierarchies were defined on the basis of the structural similarities between different cities. Using the 2015 annual NPP-VIIRS night time light data, the urban hierarchies of 32 major cities in China were successfully examined. The results are highly consistent with the reference urban hierarchies.     

适用于遥感影像的水生态空间多功能分类体系研究

水生态空间分类体系是研究水生态空间变化的重要前提。目前,水生态空间分类体系一般都基于特定的研究或者管理目的,没有相对统一的划定标准。因此,这些水生态空间分类体系间的可比性及可操作性就存在一定的局限。鉴于此,论文结合遥感观测技术,基于系统论提出了适用于遥感影像的水生态空间多功能分类体系。该分类体系具有一定的理论基础,同时也兼具遥感技术的可操作性和可比性,能为研究水生态空间的面积动态变化提供理论基础和技术保障。此外,研究还结合生产管理经验和专家咨询等方法,建立了适用于Landsat卫星遥感数据的各类水生态空间的解译标志。最后,以中国为例,运用2015年的Landsat卫星遥感数据,划定了中国各类水生态空间的分布,并得到了不同水生态空间类型所占的面积比,这为进一步研究中国水生态空间的演化规律奠定了坚实基础。     

大都市城乡融合区空间演进及内在关联性测度——基于武汉市夜间灯光数据

大都市城乡融合区时空演变及其内在空间关联性研究对避免城市低效蔓延式发展、实现空间结构协同和精明增长有重大意义。论文以武汉市城乡融合区为研究对象,基于NPP/VIIRS夜间灯光强度表征都市要素配置及运行效率和效益,利用引力模型测度2016—2018年各城乡融合区空间关联强度,分析各城乡融合区空间联系势能时空演变趋势和社会经济区位度变化。研究结果表明：① 武汉市城乡融合区面积在2016—2018年间扩大了28.10%,小斑块区域逐渐整合,区域发展连续性增强,总体向西北方向扩展最为显著;② 武汉市城乡融合区之间的空间联系网络结构整体上趋向“多中心”分布,这一过程源于各城乡融合区的经济发展水平、城镇化发展规模和交通通达性变化,东湖新技术开发区、中法武汉生态示范城、武汉临空经济区等在此过程中是各城乡融合区的区域发展引擎;③ 武汉市城乡融合区空间联系强度整体上逐年上升,空间联系整体格局从武洪区和江夏区的“大小中心”结构过渡到江夏区—武洪区—蔡汉区—江黄区—江硚东区的“外围圈层式”结构,但洪山区和江夏区作为武汉市城乡融合区中心区域,未能形成多方向空间辐射力和吸引力,对其他地区的带动明显不足;④ 各城乡融合区社会经济区位度变化显示,现行武汉市都市发展区规划实施成效在北部、西部和东北部城乡融合区较为显著。     

北京市出租车运量分布的时空格局及生成机制

出租车是城市交通的重要组成部分,对其精细化的管控需要理解运量分布的时空特征和生成机制.通过北京市出租车大数据,采用系统聚类法将其15分钟时间片段归并为空间分布相似的时段,刻画出运量分布的时空格局,进而采用地理加权回归模型分析了生成机制.本研究揭示的出租车运量分布变化的时间点并不完全对应传统的整时点;各时段运量均呈现空间...     

Fusing remote sensing with sparse demographic data for synthetic population generation: an algorithm and application to rural Afghanistan

We develop a new algorithm for population synthesis that fuses remote-sensing data with partial and sparse demographic surveys. The algorithm addresses non-binding constraints and complex sampling designs by translating population synthesis into a computationally efficient procedure for constrained network growth. As a case, we synthesize the rural population of Afghanistan, validate the algorithm with in-sample and out-of-sample tests, examine the variability of algorithm outputs over k-nearest neighbor manifolds, and show the responsiveness of our algorithm to additional data as a constraint on marginal population counts.     

Mapping fine-scale population distributions at the building level by integrating multisource geospatial big data

Fine-scale population distribution data at the building level play an essential role in numerous fields, for example urban planning and disaster prevention. The rapid technological development of remote sensing (RS) and geographical information system (GIS) in recent decades has benefited numerous population distribution mapping studies. However, most of these studies focused on global population and environmental changes; few considered fine-scale population mapping at the local scale, largely because of a lack of reliable data and models. As geospatial big data booms, Internet-collected volunteered geographic information (VGI) can now be used to solve this problem. This article establishes a novel framework to map urban population distributions at the building scale by integrating multisource geospatial big data, which is essential for the fine-scale mapping of population distributions. First, Baidu points-of-interest (POIs) and real-time Tencent user densities (RTUD) are analyzed by using a random forest algorithm to down-scale the street-level population distribution to the grid level. Then, we design an effective iterative building-population gravity model to map population distributions at the building level. Meanwhile, we introduce a densely inhabited index (DII), generated by the proposed gravity model, which can be used to estimate the degree of residential crowding. According to a comparison with official community-level census data and the results of previous population mapping methods, our method exhibits the best accuracy (Pearson R = .8615, RMSE = 663.3250, p < .0001). The produced fine-scale population map can offer a more thorough understanding of inner city population distributions, which can thus help policy makers optimize the allocation of resources.     

VIIRS/DNB夜间灯光月度产品插补方法对比——以北京为例

新一代VIIRS/DNB(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Day/Night Band)夜间灯光数据因其具备更精细的时空分辨率、数据不存在饱和现象、不同年份数据可比性强等优点而迅速代替DMSP/OLS(Defense Meteorological Satellite Program's Operational Linescan System)夜间灯光数据成为新的研究热点。但由于杂散光的污染,VIIRS/DNB夏季数据数值缺失严重,致使数据在空间和时间上不连续,因此,插补缺失数据成为后续应用的前提。鉴于此,论文从插补结果异常值、与参照值对比、计算性能三个方面,系统比较了三次样条插值(样条)、三次Hermite插值(Hermite)、灰色预测模型(GM)、三次指数平滑法(指数)4种插补方法的适用性,以期为插补VIIRS/DNB夜间灯光数据提供方法选择的依据。研究结果表明：①异常值比较方面,Hermite法未出现异常值,另外3种算法仅出现少量异常值(0.02%~1.34%);②与参照值的对比方面,Hermite法与参考值接近程度最高,GM接近程度最低,样条法和指数法介于两者中间;③算法性能比较方面,4种方法都具备计算简单、容易编程的特点,但指数法的算法时长是另外3种方法的10倍以上。因此,综合多方表现,当插补月份前后两侧均有足够长的原始数据时,插补效果好、计算速度快、不会出现过冲现象的Hermite法最适宜,样条法次之;当插补月份仅单侧有足够长的数据时,适宜采用指数法(插补效果好、计算速度较慢)或GM(插补效果偏低、计算速度快)进行插补。     

无人机组网遥感数据体系建设评介

无人机组网遥感数据是指在无人机组网条件下获取的遥感观测数据。随着无人机组网系统的复杂化,获取的遥感数据呈几何量级增长,迫切需要一种与无人机组网技术相匹配的标准化无人机组网遥感数据管理体系。遗憾的是,迄今为止,国内外还没有完善的无人机组网遥感数据体系,也没有相关文献系统地介绍无人机组网遥感数据体系的发展历程。论文依次对无人机组网遥感数据的发展历史、数据特点、数据界定和分类标准、获取和处理流程、不同场景下的应用进行了系统的梳理,指出了无人机组网遥感数据体系未来的研究方向。研究成果是无人机组网遥感数据体系研究的一次探索,将为无人机组网条件下相关行业标准的制定提供参考依据,也为无人机组网遥感数据的深层次应用提供借鉴。     

基于遥感数据的叶尔羌河流域水文过程模拟与分析

在西北荒漠-绿洲生态系统中,山区水循环对下游水资源管理具有重要作用。为了准确地理解高寒山区水文过程,以降水、温度和潜在蒸散发的遥感数据为模型输入,建立叶尔羌河流域的MIKE SHE模型。根据模型输出,从径流、积雪和蒸散发三方面探讨了流域的水文过程。结果表明：经校正后的遥感产品在叶尔羌河流域的水文模拟中取得了良好的应用效果,出山口卡群站日径流的效率系数达0.71,相关系数达0.85。河道的年平均径流深为146.66 mm,其中稳定的基流补给占21.3%。流域的年平均降雪231 mm,占总降水的74%左右;73.9%的融雪发生在7-9月,积雪主要分布于5000 m以上区域。蒸散发以7-9月中低山区植被覆盖良好的针叶林和草地为主。选用合适的方法对遥感数据进行验证和率定,有助于提高对资料缺失的高寒山区流域水文过程的认识。对不同水文要素进行分析验证,可更准确地理解水资源的转化、储存方式及其时空分布,以便为下游水资源管理提供依据。     

集成遥感数据的陆地净初级生产力估算模型研究综述

净初级生产力(NPP)是衡量碳循环、指导土地利用、评估生态安全、指示环境变化、反映粮食安全等的重要参量,其估算受模型构建机理和生态系统关键地表参数输入的影响。近年来,随着遥感数据的不断丰富和遥感处理技术的快速发展,集成遥感数据的NPP估算模型相较于仅采用气候、土壤等传统观测数据的非遥感模型,在分析时空异质性等方面的优势日益凸显。本文基于Web of Science和CNKI两大数据库,采用文献统计分析方法,系统回顾NPP研究概况及国内外集成遥感数据的NPP估算模型的近期进展;并将集成遥感数据进行NPP估算的模型分为统计模型、光能利用率模型、过程模型及耦合模型四类;重点阐述了各类遥感估算模型的机理、差异性、适宜性及局限性;最后,在分析NPP遥感估算面临困境和科学挑战的基础上,从机理与影响因素、数据基础、参数反演、时空尺度拓展、软硬件支撑等方面对未来研究进行了展望。     

基于SAIL模型的多角度多光谱遥感叶面积指数反演

随着多角度传感器的陆续出现及植被遥感传输机理研究的深入,多角度遥感逐渐成为地表信息反演的热点问题.以SAIL冠层反射率模型为基础,通过联合多角度和多光谱数据,可以从物理机理角度进行植被叶面积指数(LAI)反演的应用研究.首先通过计算得到多角度多光谱遥感影像的角度信息,并经6S模型纠正后得到多光谱多角度植被冠层反射率数据.然后将PROSPECT模型模拟出的植被叶片反射率和透过率,以及多角度观测数据、LAI和其它实测数据输入SAIL模型,模拟得到了多角度多光谱冠层反射率,进而建立多角度多光谱冠层反射率与LAI的查找表.最后,将影像的多角度多光谱冠层反射率与查找表进行匹配,实现植被LAI的反演.最后对反演结果进行了验证和分析,结果表明反演精度较高,误差均在合理范围之内.     

基于多源遥感数据的玛纳斯河流域冰川物质平衡变化

冰川物质平衡变化是连接气候和水资源的重要纽带,对河川径流有重要的调节功能。本文采用MOD11C3和TRMM 3B43等多源遥感数据驱动度日模型,模拟了2000—2016年玛纳斯河（简称玛河）流域冰川物质平衡过程,并分析了冰川融水对径流的补给规律。结果表明： ① 通过构建气温及降水反演模型能有效校正气象遥感原数据的精度,且经降尺度后能较精细刻画冰川区气候变化特征。冰川区年均气温和降水量分别为-7.57 ℃和410.71 mm,海拔4200 m处为气候变化剧烈地带,气温直减率以其为界上下分别为-0.03 ℃/100 m和-0.57 ℃/100 m,降水梯度分别为-2.66 mm/100 m和4.8 mm/100 m,海拔大于4700 m后降水又以5.17 mm/100 m递增。② 研究期内流域冰川持续呈负平衡状态,累积物质平衡达-9811.19 mm w.e.,年均物质平衡介于-464.85~-632.19 mm w.e.之间。垂向物质平衡在消融区和积累区分别以244.83 mm w.e./100 m、18.77 mm w.e./100 m递增。2000—2002年、2008—2010年冰川消融减缓,2002—2008年、2010—2016年消融加剧,其中2005—2009年期间冰川亏损最为强烈。③ 年内河川径流对冰川物质平衡变化响应强烈,尤以7月、8月物质平衡亏损最为严重占全年总量的75.4%,使得同期河川径流量占全年径流总量的55.1%。年际冰川融水补给率波动于19%~31%之间,可能是不同年份降水和积雪融水补给率差异较大所致。玛河与天山北坡其他河流冰川融水贡献率非常接近,也进一步证实了本研究物质平衡估算结果的可靠性。本研究可为其他流域冰川物质平衡研究提供借鉴和参考。