DMSP/OLS和VIIRS/DNB夜间灯光影像的校正及拟合

运用不变目标法对DMSP/OLS影像数据进行了相互校正、连续性校正和过饱和校正,以校正后的DMSP/OLS数据为参考对VⅡRS/DNB数据进行了重分类,利用两者影像数据在时间与空间中的重叠区域拟合VⅡRS/DNB数据,并对结果进行了评价,目的是获得长时间序列连续稳定的夜间灯光数据。同时建立了新疆区域校正后影像数据与社会经济指标中年末人口总数、生产总值、平均每天耗电量、建设用地之间的关系,探讨了夜间灯光数据在长时间序列下模拟社会经济参量的能力。结果表明,运用不变目标法校正后的夜间灯光影像更稳定、更连续,缩小了VⅡRS/DNB数据与DMSP/OLS数据像元DN值量级差异,使长时间序列下的灯光数据具有可比性。校正后长时间序列夜间灯光数据与社会经济参量的相关性高,说明校正后的长时间序列灯光影像数据在省级尺度上与社会经济指标契合。     

中国区域DMSP-OLS与NPP-VIIRS夜间灯光影像校正

本文基于对传统不变目标区域校正法的改进,选择4期辐射定标参考影像对DMSP-OLS影像进行了饱和校正与时间序列连续性校正。通过阈值法去除了NPP-VIIRS影像的背景噪声及异常值,利用对数变换压缩了其灯光辐射值的动态范围,使其亮度分布更接近于DMSP-OLS数据。利用BiDoseResp函数模型对NPP-VIIRS影像进行了一致性校正,获得了1992-2019年长时间序列夜间灯光影像。从定性、定量及校正影像与社会经济参量的相关性方面对校正结果进行了精度验证。结果表明,改进后的校正方法改善了DMSP-OLS影像饱和严重的现象,使其获得了长时间序列纵向可比性。BiDoseResp函数模型可以很好地拟合DMSP-OLS和对数变换后的NPP-VIIRS之间的回归。校正后的长时间序列灯光影像数据与社会经济参量高度契合。校正结果对推广长时间序列夜间灯光影像的广泛应用、深化长时间序列科学问题的研究具有重要价值。     

中国区域DMSP/OLS夜间灯光影像的校正

美国国防军事气象卫星（DMSP）搭载的线性扫描系统（OLS）获取的夜间灯光影像具有很强的光电放大能力,存储量小,可直观反映人类活动,被广泛应用于城镇化监测、社会经济因素估算等方面。但是获取这些数据集的各传感器均未经过星上定标,存在像元饱和问题,并且传感器获得的1992—2013年的各数据之间缺乏可比性、连续性,无法直接用于长时间序列的研究,因此需要对长时间序列的DMSP/OLS夜间灯光影像进行校正处理。校正内容包括中国区域各灯光影像间的相互校正、饱和校正、年内融合、年际间校正等;并对校正后的DMSP/OLS夜间灯光影像进行合理性检验,检验结果表明该校正方法是可行的。     

DMSP/OLS稳定夜间灯光影像的校正方法

由于DMSP/OLS稳定夜间灯光遥感图像的不连续性和过饱和问题,该数据不具有直接可比性,使用前需进行影像校正。本文提出了一套新的稳定夜间灯光数据的校正方法,包括传感器间的依次校正、连续性校正和过饱和校正,系统校正了1992—2013年时间序列上的34期影像,并对得到的目标影像进行了目视评价、定量评价、相关评价和优势分析。校正后的图像连续性、稳定性大幅提高,与社会经济数据呈现更强烈的线性相关。同时避免了传统方法中的误差引入问题,得到了较好的校正结果。     

DMSP-OLS与NPP-VIIRS夜间灯光遥感影像数据整合

DMSP-OLS夜间灯光遥感数据截至2013年,现已被NPP-VIIRS夜间灯光数据取代。因此,要获得长时间序列且稳定的夜间灯光数据集,需要整合两类夜间灯光数据。基于此,本文提出了基于重采样的两类数据整合方法,对2013—2020年NPP-VIIRS数据进行模拟,最终建立了1992—2020年长时间序列校正—模拟DMSP-OLS夜光遥感数据集。结果表明,基于重采样的整合方法效果良好(城市区域Pearson相关系数ρ=0.9852,RMSE=3.4607),整合数据集与相关社会经济参考量高度契合(影像DN值总和与GDP的相关系数ρ=0.946,与人口的相关系数ρ=0.971,二次多项式模型拟合R²≈0.98,RMSE<5.55),优于已有研究。因此,利用该方法整合后的数据集能更好地支撑基于夜间灯光影像的长时间序列研究。     

中巴经济走廊DMSP/OLS与NPP/VIIRS夜光数据辐射一致性校正

由美国国防气象卫星搭载的可见光成像线性扫描业务系统(DMSP/OLS)和国家极轨卫星搭载的可见光近红外成像辐射仪(NPP/VIIRS)获取的夜间灯光影像是监测人类社会经济活动和自然现象(如林火、油气燃烧等)的主要数据源。然而,现有的夜间灯光数据存在缺乏星上的辐射定标、像元饱和、时间尺度不连续、多源夜间灯光影像辐射不一致等问题。基于此,本文以中巴经济走廊区域为研究区,提出了一种基于线性拟合提取不变目标区域的方法,实现了DMSP/OLS影像间、DMSP/OLS与NPP/VIIRS两种数据间的相互校正。然后对中巴经济走廊的校正结果在不同空间尺度上选用区域灰度总量、标准化差异指数以及标准化差异指数和作为评价指标进行检验。结果表明:两种校正模型的拟合优度均在0.78以上,校正后的DMSP/OLS影像灰度总量与GDP和人口数据的相关性显著提高(GDP:R~2=0.7689;人口:R~2=0.9033),且标准化差异指数明显降低;NPP/VIIRS影像经过与DMSP/OLS互校正后在辐射亮度、时空分布上与DMSP/OLS更加一致,空间细节信息更加突出,从而增强了多源夜间灯光影像的一致性,更加适合用于长时间序列社会经济要素发展趋势的分析。     

由NPP-VIIRS影像估算广东省碳排放的尺度效应分析

碳排放估算是节能减排和全球气候变化研究的重要领域之一,NPP-VIIRS夜间灯光影像能够反映人类活动强度而被广泛应用于碳排放的空间估算分析。本文构建和对比了基于2015年NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省能源消耗碳排放估算拟合模型,并重点研究了NPP-VIIRS影像的尺度效应,探讨了500、1000、1500和2000 m分辨率的模型结果精度。研究显示：①二次多项式拟合模型是碳排放估算的较优化方法,广东省21个城市之间拟合结果差异较大;②1000 m分辨率的NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省碳排放估算结果均方根误差最小,2000 m分辨率的绝对误差较小,并通过升尺度提高了模型运算效率;③间隔100 m从500 m连续递增至2000 m的不同空间分辨率的夜间灯光影像碳排放估算结果具有波动性,在1000 m分辨率处趋于平衡。本文分析了基于NPP-VIIRS夜间灯光影像的广东省碳排放估算模型,揭示了不同空间分辨率影像的尺度效应规律,可为夜间灯光影像碳排放估算提供空间尺度优化和结果精化方面的参考。     

中国DMSP-OLS长时间序列夜间灯光遥感数据饱和校正研究

利用夜间灯光数据进行长时期社会经济问题研究时,需要对数据饱和校正,从而得到可信可靠的研究结果。针对不变区域法在长时间序列夜间灯光数据饱和校正时假设不变区域数据不随时间变化以及未区分数据饱和部分和未饱和部分的不足,本文提出首先对数据年际校正,再以NDVI数据为辅助进行饱和校正的方法。年际校正时准确定义了基准区域和基准年份,饱和校正过程中分别对不同城市聚类分区构建校正模型。研究发现,夜间灯光数据包括未饱和部分和饱和部分,饱和阈值为30;两部分数据亮度值与相应无饱和数据亮度值的函数关系不同,未饱和部分符合线性模型,饱和部分符合指数模型;区分不同城市聚类分区进行饱和校正十分必要,尤其是大范围区域数据饱和校正;以NDVI足迹数据为辅助,运用指数模型对饱和部分数据校正后,数据值域增大,空间异质性增强,与区域GDP拟合程度改善,很好地消除了由于卫星传感器设置特性产生的饱和效应,得到更好反映人类社会经济活动强度和空间分布特征的长时间序列饱和校正夜间灯光数据。文中得到的年际校正和饱和校正模型可以不做参数调整而直接运用,校正方法适用性较强。     

夜间灯光遥感与城市问题研究：数据、方法、应用和展望

夜间灯光遥感是能够探测夜间微光的光学遥感技术,可获取白天遥感无法获取的信息。由于城市区域的人造光源是夜间稳定亮光的主要来源,夜间灯光遥感影像已被证明可以更直观地反映夜间人类活动差异,同时具有覆盖范围大、时效快和易获取等优势,可广泛应用于多尺度长时序的城市问题研究。目前,基于夜间灯光遥感数据的应用研究成果较为丰富,不少学者对夜间灯光遥感数据的数据预处理以及应用潜力等方面进行了归纳。但基于夜间灯光遥感与城市问题研究的整理和总结还有待进一步加强。基于此,本文通过对近几十年来有关夜间灯光遥感数据的研究成果进行了详细梳理,从多尺度城市空间结构分析、城市社会经济指标估算以及城市公共安全领域研究3方面入手,系统梳理夜间灯光遥感数据的应用能力。进一步根据数据应用过程中出现的问题,从夜间灯光遥感日数据应用、长时间序列数据集生产以及定量验证等角度探讨了夜间灯光遥感所面临的挑战与前景。     

DMSP-OLS与NPP-VIIRS夜间灯光数据测算统计指标能力评估——以京津冀地区县域GDP、人口及能源消耗为例

夜间灯光数据记录了地球表面的人造灯光强度,是估计社会统计指标的有效手段之一。为了评估DMSP-OLS和NPP-VIIRS 2种夜间灯光数据对社会统计指标的模拟潜力,采用4种常用的灯光校正方法分别对2种夜间灯光数据进行灯光饱和性校正,根据校正后的夜间灯光数据分别建立与京津冀地区县域GDP、人口和能源消耗3种社会统计指标间的线性回归模型,从模型拟合的相关系数、F统计量值与概率p值中分析并评价了2种夜间灯光数据对GDP、人口和能源消耗3种社会统计指标的测算能力。本文研究结果表明：EANTLI法是2种夜间灯光数据的最佳校正方式,而HSI法不适用于夜间灯光数据校正后与县域社会统计指标的线性关系拟合2种夜间灯光数据对GDP的拟合效果都较好,NPP-VIIRS夜间灯光数据估算社会统计指标的拟合能力要优于DMSP-OLS数据。     

基于夜间灯光数据的南京城镇用地提取

针对多时相夜间灯光影像无法直接对比的问题,该文提出了一种基于不变目标进行不同年份不同卫星夜间灯光数据的校正方法。在系统校正多时相夜间灯光数据的基础上,应用支持向量机分类算法提取城镇用地信息,并分析1992—2013年南京城镇扩张动态变化规律。结果表明:该数据校正方法可以有效减少年际夜间灯光影像之间的异常差异,提高不同年份数据间的连续性和可比较性;支持向量机分类算法提取的4个样区城镇用地信息总体精度和Kappa系数平均值分别为88.35%和0.56,能够准确反映区域城镇发展的实际情况;1992—2013年南京城镇经历先缓慢后快速的扩张过程,主城区在1992年城镇基础上往四周扩张,并沿长江及南北交通走廊发展。     

基于夜间灯光影像的云南省建成区演变研究

夜间灯光影像可衡量城市进程.建成区与植被覆盖度具有一定的负相关性.本文用基于植被校正的城市夜间灯光指数(Vegetation Adjusted NTL Urban Index,VANUI)提取云南城市建成区.先对两种影像进行相互校正,再与归一化植被指数合成基于植被校正的城市夜间灯光指数,最后基于指数采用分水岭分割算法提取城市建成区进行时空演变分析.研究表明:VANUI指数可以对建成区边缘进行较高精度的识别;滇中建成区的扩张速度和强度在全省保持在较高水平;主要城市的建成区紧凑度都在减小;全省建成区重心的偏移呈现东南—东南—东南—东北—西南—东北方向,建成区重心偏移位置变化不大.     

黄河流域夜间灯光数据与社会经济发展指标的时空耦合关系研究

本文通过对1992—2013年全国夜间灯光数据的校正和处理,获得全国及流域夜间灯光数据影像,进行经济空间聚合分析,以及与相关因子进行对比分析。研究结果表明：经济空间聚合高的区域分布在黄河河道附近,从黄河上游到下游,热力强度逐渐增强,并且以省会城市为核心区向外扩散,即呈现为在旧聚合点聚合度加剧的情况下,聚合区域有向周边分散的趋势;夜间灯光数据的变化趋势与GDP的变化趋势具有一定的相似性,并且与城镇化率、人口数量、第三产比例、人均公园绿地面积、流域发展指数（BDI）具有一定的相关性;流域9省（自治区）的夜间灯光数据整体变化趋势与全国灯光数据的变化趋势基本一致,呈稳定上升的趋势,但整体值均低于全国的夜间灯光数据,并且差距有所扩大,黄河流域高质量发展迫在眉睫。     

启明星一号夜间灯光影像的评估

武汉大学研制的启明星一号（Qimingxing-1,QMX-1）卫星具备夜间可见光成像的功能,该卫星于2022年2月27日成功发射。为评估QMX-1夜间灯光影像的数据特点,选择北京市、深圳市和武汉市作为研究区域,将QMX-1夜间灯光影像与珞珈一号01星（Luojia1-01,LJ1-01）夜间灯光影像在数据统计特征、路网方面进行了多层次的对比分析,并利用小波分析评价启明星一号夜间灯光影像的空间特性。分析结果显示,QMX-1夜光影像与LJ1-01夜光影像灰度值分布不同,QMX-1夜光影像灰度值更加均一;QMX-1夜光影像中道路更易于辨认,且QMX-1夜光影像灰度值与道路长度和道路核密度具有更高的相关性;在QMX-1夜光影像上,23 m和46 m分辨率的小波分量均占约15%的能量,说明QMX-1夜光影像蕴含了丰富的空间细节信息。研究发现QMX-1夜光影像是一种质量较高的夜间灯光数据源,20 m左右空间分辨率的夜光数据能够更有效地反映城市细节信息。     

SNPP-VIIRS夜间灯光影像去噪方法研究

高精度的夜间灯光数据能够有效反映人类空间活动特征,传统的SNPP-VⅡRS夜间灯光影像去噪方法容易忽略新增加或消失的有效灯光,且未处理灯光异常值,随着时间推移,去噪误差会逐渐增大。因此,本文提出了利用中值滤波与低阈值去噪相结合的方法过滤SNPP-VⅡRS夜间灯光影像中的异常值及背景噪声,并将去噪后的夜间灯光总量与GDP进行相关性分析及精度验证。试验结果表明,通过中值滤波与低阈值去噪结合的方法提取的夜间灯光总量与GDP的相关性优于传统方法,利用该方法建立的模型估算出的亮度值精度更高,证明该方法具有更高的去噪精度。     

基于多源夜间灯光数据的成渝地区近15年城市扩展监测

针对成渝地区双城经济圈建设前期对成渝地区城市扩展监测的需求,本文研究了利用多源夜间灯光数据进行城市扩展监测的方法,并优化了多源夜间灯光数据整合过程中拟合样本选取的方法.本文利用2004—2018年成渝地区多源夜间灯光数据进行示范应用,围绕夜间灯光总量、夜光标准差椭圆和首位度等指标,开展了成渝地区近15年城市扩展监测.研究结果表明:整合后的多源夜间灯光数据一致性明显上升,可提高宏观尺度上长时间序列的城市扩展监测的可靠性;近15年,成渝地区"成都-重庆"双核发展趋势增强,重心逐渐东移,建成区夜间灯光总增长率超过154％.     

基于珞珈一号与DMSP/OLS数据的辽宁省城市空间扩张分析

基于珞珈一号和DMSP/OLS夜间灯光数据,提取辽宁省城市空间用地信息并监测分析了2003—2018年城市空间扩张特征。结果表明:1)利用辽宁省DMSP/OLS长时间序列夜间灯光数据提出了一种适合校正长时间序列DMSP/OLS数据的校正方法,提高了数据的连续性和可对比性;2)弥补了统计数据在空间属性的不足,消除了过去单纯依靠统计数据分析城市空间扩张的弊端,为其他省市分析城市扩张提供新的遥感监测分析方法;3)在2003—2018年间,辽宁省城市空间扩张存在城市空间扩张与南方省份相比发展比较缓慢及协调性欠佳等问题。     

基于DMSP/OLS数据的我国省级经济发展水平研究

基于2000~2009年的DMSP/OLS夜间灯光数据,提取了同期中国省级行政单元的夜间灯光遥感信息;将灯光遥感亮度信息与各省市GDP数据进行曲线拟合回归分析,建立了基于灯光遥感数据区域亮度信息的GDP估算模型;以全新的视角利用夜间灯光遥感数据进行了中国省级尺度上经济发展水平分析,取得了很好的实际效果。     

基于珞珈一号与DMSP/OLS数据的辽宁省城市空间扩张分析

基于珞珈一号和DMSP/OLS夜间灯光数据,提取辽宁省城市空间用地信息并监测分析了2003—2018年城市空间扩张特征。结果表明:1)利用辽宁省DMSP/OLS长时间序列夜间灯光数据提出了一种适合校正长时间序列DMSP/OLS数据的校正方法,提高了数据的连续性和可对比性; 2)弥补了统计数据在空间属性的不足,消除了过去单纯依靠统计数据分析城市空间扩张的弊端,为其他省市分析城市扩张提供新的遥感监测分析方法; 3)在2003—2018年间,辽宁省城市空间扩张存在城市空间扩张与南方省份相比发展比较缓慢及协调性欠佳等问题。     

NPP-VIIRS夜间灯光数据的县级电力消费空间化研究

以NPP-VIIRS夜间灯光数据和Landsat-8影像为数据源,通过CART算法将Landsat-8影像分为人工表面地类和非人工表面地类,为非人工表面地类对应的夜间灯光区域赋值0,将人工表面地类对应到夜间灯光区域,并求取各个县级行政区域内的灯光值总和,结合廊坊市的电力消费统计数据建立夜间灯光总量与电力消费量之间的二次多项式回归模型。根据模型生成廊坊市500 m格网大小的电力消费空间分布图。研究结果表明:模拟的各县电力消费量的绝对误差和相对误差较小,相对误差最大为0.03%,这说明夜间灯光结合Landsat-8土地利用分类方法模拟的县级电力消费量的精度较高。全局Moran's I指数为0.63,表明廊坊市电力消费在空间分布上呈现较显著的聚集性;局部空间自相关分析表明廊坊市的电力消费具有一定的差异性。