Ape. &2021
Vol. 32 No. 2
照明工程学报
zhaoming gongcheng xuebao
2021年4月 第32
卷第2期
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1 ，刘郁川1，郝庆丽1，江威2，3，焦伟利4
（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）
摘 要
：夜间人工光治理已经是生态光环境的重要议题之一。夜光遥感技术从外空视角为夜间光环境研究提供了 丰富的数据库，但当前遥感为基础的夜间光环境研究在时间序列、大尺度研究方面较少（为揭示全球夜间灯光的 时间演变及空间格局，本文使用DMSP-0LS % NPP-VIIRS 两类开源夜间灯光遥感数据，以三个夜间灯光参量，对 1992-2018年全球典型国家的夜间光环境的时空演变格局进行评估，并探讨相关社会影响因素（研究发现：（1） 全球夜间灯光总量占比最多的国家分别是美国、俄国、中国、印度、加拿大、巴西；（2）以美国、俄国、加拿大 为代表的发达国家夜间灯光均值呈下降趋势，以中国、印度、巴西为代表的发展中国家夜间灯光均值呈上升趋势； （3）夜间灯光数值较高的国家主要分布在亚洲、欧洲和美洲；（4）夜间光环境水平和国家社会指标（GDP %国家 人口总量）密切相关（
关键词
：光污染；夜间生态环境；卫星遥感；夜光图像；空间格局
中图分类号：TM923 文献标识码：A DOI ： 10. 3969/j. issn. 1004-40X. 2021. 02. 023
Asssing Light Pollution in Typical Countriet of the
World Bad on Nighttime Light Imagery
LIU Ming 1" LIU Yuchuan 1, HA0 Qing/1, JIUNG Wei 2"3, JIAO Weili 4
黄芪的功效与禁忌（1. School of Architecture and Fine Ad , Dalian University of Technology , Dalian 116024 ,
China
；
2. China Insthute C Water Resoorces and Hyyrogofer ReercC ,
Beijing 100038 , China
；
3. Postdoctoral worestahog o/ China Reinsurance （ Groop ） Corporahoo ,
Beijing 100033 , China教案是什么
；
4. Aerospace Informahog Rearch Institute , Chine Acedemy o Sciences , Beijing 100094 , China ）
Abstract : Artificial light manayement at night has been one of the important issues of ecelogicai light
en ioeonment. Lum onous eemote ns ong technology p eo iodes a la ege amount of data suppo et fo ethe study of
n oght l oght en ioeonment , butcu e nteeaech lackslong-teem and la ege-scale l oght en ioeonment e ialuatoon and rearch. To revaxi the spatial and temporal patterns of variation and night lights of the world , DMSP-
0LS and NPP-VIIRS , thesa too types of tree open-sou/e remote nsing data lights at night are ud. With th eee l oghts pa eamete es at n oght , spatoaland tempoealteend of the l oght cond otoons at n oght os a s e s ed feom
1992 ta 2018 in typical ceuntries of the world and the relevent social fcctorr are discusd. The study found that : （1 ） The ceuntries that centributa the most of night lights in the world are the United States , Russia ,
Chona , Indoa , Canada , and Beaaol ； （2） ThTa iTeagTn oght l oghts on dTiTlopTd counteoTpeTsTntd bythT元宵节祝福短语
基金项目：国家重点研发计划（项目编号：2017YFE0125900 ）；国家自然科学基金（项目编号：51678103 ）；辽宁省自然科学
（ : 20170540165）
通信作者：刘鸣，E-mail : *****************
第%2卷第2期刘鸣等：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127
United States,Russia,and Canada show a downward Wend.The average night lights in developing countries reprented by China,India and Brazil,show a upward Wend;(3)The countries with higher value in nigh-lights are mainly in Asia,Europe and the Americss;(4)Night light environment and the ceunWa's social indicctors(GDP,national Population)is cloly related.
Key words:light pollution；night gcelgicyl environment；remote nsing；nighttime light imayera；
spatiotemporal patterns
恶的象征
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［%「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(Defen Meteerologicci Satellite Program, DMSP)搭载的OLS(Operational Linescsn 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］(
煎饺怎么煎才酥脆好吃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人的夜光量，光量与国千人数量，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
光量表示国的国土内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
128照明工程学报2021年4月上，中国从从全球第四增长到全球第二，呈现较的增长，
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1992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013
年份
图11992—2013年六个典型国家夜间灯光总量趋势图
Fig.1Trends of total nighttime lighting of DMSP-OLS in the sis ceuntrics from1992te2013
表11992—2013年六个典型国家夜间灯光总量趋势统计表
Table1Statistical mmary of total DMSP nighttime lighting trends in the six countries from1992to2013国均标准极最小值中位数最大值国 6.38x107 5.96x106 1.86x107 5.49x1076-37x1077-34x107
国2-90x1073-88x106 1.59x107 2.11x1072-93x1073-70x107中国 1.力x1076-37x106 2.13x1078.63x106 1.58x1072-99x107加拿大 1.37x107 2.64x1069-55x1069.14x106 1.32x107 1.87x107
印度 1.06x107 2.64x1069.09x106 5.59x106 1.04x107 1.47x107
生命是什么
巴西7-53x106 1.43x1065-43x1064-87x1067-51x106 1.03x107
2.2夜间灯光平均值
光总量适用于分析各国对全球照明的贡献，果对于各个国照明水评估，夜光总量因为数值的评估结果不准确。因此引入光平均值的概念，六个国栅格像元平准值计算结果的对比，判各个国家的照明水平。比较1992-2013年六个代表性国家光平均（图2）及统计表（表2），从平均，美国的光平均，在2008年前于国家。印、中国整体呈增长的，其中印度在2008年后光平均值已经与美国持平。巴西、俄
国、的光平均值仅为美国夜间灯光平均值的20%〜50%o
2.3线性拟合
为了分析各国1992—2013年间夜间灯光的总体，分别对六个国家的逐年光平均值
处理及（图3），光环境的体，国、国、的光均体呈现逐年下降的，三个国家的降为＞美国＞俄国。中国、印、西总体年，三个国家增长趋势
为中国＞印度〉巴西。
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年份
图21992—2013年六个典型国家夜间灯光平均值趋势图
Fig.2Trends of averaae nighttime lighting of DMSP-OLS in the sis ceuntrics from1992te
2013
第32卷第2期刘鸣等：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129
表21992—2013年六个典型国家夜间灯光平均值趋势统计表
Table2Statistical mmary of average DMSP nighttime lighting trends in the six countries from1992to2013
国均中位数最小值最大值标准差极差国 3.96795 3.95682 3.41047 4.565210.37057 1.15475印度 2.62929 2.593 1.39191 3.657820.65801 2.26591
中国 1.24499 1.15610.62985 2.180190.46495 1.55033
巴西0.737160.734750.47679 1.00820.140280.53141国0.70780.716920.515630.90410.094810.38847加拿大0.624750.600730.415530.849660.120090.43412
年份年份
(a)美国(b)中国
年份年份
(c)俄国(d)印度
1.0r
■巴西
199219941996199820002002200420062008201020122014199219941996199820002002200420062008201020122014
年份年份
(e)加拿大(f)巴西
图31992-2013年六个典型国家夜间灯光数据平均值线性拟合
Fig.3Linear fitting of mean nighttime DMSP night light data from1992to2013
1%0照明工程学报2021年4月
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•ss-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，所对25个型国
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、亚洲三大洲的发国，国、国、，及国土
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。
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）、夜间光均（6）和千人均光值变化趋势图（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，使得国内在量照明水较的域，使
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
