盧 秀,李 佳,段 平,張碧蓉,李 晨

(1. 云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500; 2. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500; 3. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

美國(guó)國(guó)防軍事氣象衛(wèi)星(Defense Meteorological Satellite Program,DMSP)搭載的線性掃描系統(tǒng)(operational linescan system,OLS)傳感器與一般接收太陽(yáng)光輻射地表后反射信號(hào)的傳感器不同，OLS傳感器接收的主要是夜間燈光照射下的地面火情、云層分布及云頂溫度，因此該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的光電放大能力，使得OLS傳感器可運(yùn)用到火光、燈光等的探測(cè)中[1]。鑒于夜間燈光影像具有很強(qiáng)的光電放大能力，且存儲(chǔ)量小，可直觀反映人類活動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)化監(jiān)測(cè)[2-5]、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素估算[6-8]、戰(zhàn)爭(zhēng)等重大事件評(píng)估[9-11]等方面。

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)包括3種圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分別為:①第四版本的非輻射定標(biāo)夜間平均燈光強(qiáng)度影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為：https:∥www.ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)目前包括34期影像，時(shí)間跨度為：1992—2013年，每期的DN值范圍為0～63。經(jīng)過(guò)濾除云、火光等的偶然噪聲后進(jìn)行平均化處理得到，每期影像均包括3種數(shù)據(jù)類型，分別為平均可見(jiàn)光影像、穩(wěn)定燈光影像和無(wú)云觀測(cè)頻數(shù)影像，一般使用穩(wěn)定燈光影像對(duì)城鎮(zhèn)化監(jiān)測(cè)等進(jìn)行反演和定量研究，但是各期數(shù)據(jù)之間缺乏連續(xù)性和可比性，且存在數(shù)據(jù)飽和問(wèn)題，因此本文研究校正的是該長(zhǎng)時(shí)間序列的影像數(shù)據(jù)。②全球輻射定標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)是對(duì)非輻射定標(biāo)夜間燈光影像進(jìn)行的輻射定標(biāo)試驗(yàn)，去除或降低燈光數(shù)據(jù)飽和的問(wèn)題，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品目前僅包括8期數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列的研究。③平均燈光XPct產(chǎn)品數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源于無(wú)云光監(jiān)測(cè)的平均可見(jiàn)光波段DN值乘以燈光檢測(cè)的百分比頻率。

DMSP/OLS夜間燈光影像由于傳感器未經(jīng)過(guò)星上定標(biāo)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間序列的各期影像之間缺乏連續(xù)性和可比性，且由于光譜分辨率的限制，使得大量的城市中心像元出現(xiàn)DN值為63的集聚飽和現(xiàn)象等問(wèn)題，因此學(xué)者們對(duì)以上存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決辦法。2009年，文獻(xiàn)[12]提出了不變目標(biāo)區(qū)域的方法對(duì)全球的夜間燈光影像的不連續(xù)和不可比問(wèn)題進(jìn)行了校正，該方法以Sicily為不變動(dòng)的參考區(qū)域，以F121999為參考數(shù)據(jù)集，將待校正影像與F121999參考數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較建立回歸方程。該方法較適用于全球夜間燈光數(shù)據(jù)的校正，對(duì)于某一國(guó)家尺度的適用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[3]在Elvidge的基礎(chǔ)上，提出了適合中國(guó)區(qū)域的夜間燈光影像的校正方法。首先統(tǒng)計(jì)分析了中國(guó)主要城市1992—2008年的GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和建成區(qū)面積數(shù)據(jù)，確定黑龍江省的雞西市為校正中國(guó)區(qū)域的不變動(dòng)參考區(qū)域，選擇F16的2007年數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的相互校正、年內(nèi)融合和年際間校正，卻忽略了影像的飽和問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]基于地理探測(cè)器模型驗(yàn)證分析，提出利用單元路網(wǎng)長(zhǎng)度去飽和算法。結(jié)合2006年的輻射定標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)2013年DMSP/OLS穩(wěn)定燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行飽和校正。文獻(xiàn)[14]結(jié)合DMSP/OLS數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)，建立去除水體并且緩解燈光強(qiáng)度飽和的指數(shù)RwNTLI，結(jié)果表明該方法在一定程度上降低了影像的飽和問(wèn)題。以上幾位學(xué)者提出的方法能夠在一定程度上緩解影像的飽和問(wèn)題，但是僅局限在單期影像的校正，無(wú)法在長(zhǎng)時(shí)間序列上進(jìn)行研究。因此，本文旨在對(duì)1992—2013年長(zhǎng)時(shí)間序列的DMSP/OLS夜間燈光影像進(jìn)行飽和校正、相互校正、年內(nèi)融合及年際間校正等一系列校正內(nèi)容，從而解決夜間燈光影像的飽和、影像間不連續(xù)及不可比等的問(wèn)題。

1 校正方法

具體校正思路為：①確定黑龍江省的雞西市為參考區(qū)域；②選取已經(jīng)經(jīng)過(guò)飽和校正的輻射定標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的2006年F16傳感器的數(shù)據(jù)作為對(duì)連續(xù)穩(wěn)定燈光影像進(jìn)行飽和校正、相互校正的參考數(shù)據(jù)集；③對(duì)1992年至2013年34期夜間燈光影像進(jìn)行相同年份的年內(nèi)融合及不同年份的年際間校正，從而解決燈光影像的飽和、影像間不連續(xù)及不可比等問(wèn)題。

1.1 影像預(yù)處理

原始穩(wěn)定燈光影像的坐標(biāo)為WGS-84，空間分辨率為30″。研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)區(qū)域，因此根據(jù)原始影像裁剪出中國(guó)區(qū)域影像。為了使投影面積變形最小，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行變換，橢球體為D_Krassovsky_1940，投影坐標(biāo)為Krassovsky_1940_Albers。統(tǒng)一影像分辨率為1000 m。

1.2 中國(guó)區(qū)域的DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)校正

1.2.1 影像數(shù)據(jù)分析

圖1所示為未經(jīng)校正的中國(guó)區(qū)域的所有亮值像元(像元DN值大于0)的數(shù)量，圖2所示為未經(jīng)校正的中國(guó)區(qū)域的所有亮值像元的DN值總和(total DN value,TDV)?？梢钥闯觯孩偻荒攴莸臄?shù)據(jù)可由不同傳感器進(jìn)行獲取，且不同傳感器獲取的亮值像元總數(shù)量不一致、總DN值不一致；②同一傳感器獲取的不同年份的像元總數(shù)量、總DN值存在異常波動(dòng)；③由于以上兩個(gè)問(wèn)題的存在，導(dǎo)致多期夜間燈光影像間數(shù)據(jù)不連續(xù)、不可比；④由于傳感器光譜分辨率的限制，使得城市中心區(qū)域的像元值集聚飽和，DN值最大為63，使得城市中心地帶的差異不明顯。TDV的計(jì)算公式為

(1)

式中，DNi表示i像元的DN值；Ni表示i像元的數(shù)量。

1.2.2 相互校正與飽和校正

將1992—2013年的34期待校正的穩(wěn)定燈光影像與輻射定標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的2006年F16傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正、飽和校正。不變動(dòng)的參考區(qū)域選擇：黑龍江省的雞西市。分別對(duì)待校正影像和輻射定標(biāo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)裁剪出雞西市的數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)DN值，進(jìn)行如式(2)的二次回歸模型計(jì)算，將模型結(jié)果運(yùn)用到待校正的34期影像，完成影像的飽和校正、相互校正。

DNcorrect=a×DN2+b×DN+c

(2)

式中，DN表示校正前的亮度值；a、b、c為回歸系數(shù)；DNcorrect表示校正后的DN值。

所求結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定燈光影像二次回歸模型的模型參數(shù)

續(xù)表1

1.2.3 年內(nèi)融合

不同傳感器獲取的同一年份的數(shù)據(jù)不一致，為了充分利用各獨(dú)立傳感器獲取的數(shù)據(jù)，同時(shí)為了能夠解決傳感器獲取數(shù)據(jù)的不連續(xù)問(wèn)題，研究按照式(3)對(duì)相互校正及飽和校正后的部分影像進(jìn)行年內(nèi)融合。需要進(jìn)行年內(nèi)融合的年份包括：1994、1997—2007年。年內(nèi)融合包括：①兩幅影像對(duì)應(yīng)的某像元的DN值，均為0，則該像元的DN值為0；②否則，取二者的平均值作為該像元的DN值。

DN(n,i)=

(3)

1.2.4 年際間校正

經(jīng)過(guò)年內(nèi)融合之后，仍然存在不同年份之間的影像不可比的現(xiàn)象，因此對(duì)其進(jìn)行年際間校正。校正依據(jù)是：后一年的像元DN值應(yīng)該不小于前一年同一位置的像元DN值。如式(4)所示，年際間校正包括：①后一年的某像元DN值為0，則前一年的同一位置的像元DN值也為0；②前一年的某像元的DN值大于后一年同位置的像元DN值，則將前一年的DN值賦值給后一年該位置的像元DN值；③否則，后一年的像元DN值為本身的DN值。

(4)

式中，n=1992,1993,1994,…,2013；DN(n-1,i)、DN(n,i)、DN(n+1,i)分別表示影像的像元i在n-1、n、n+1年的DN值。

1.2.5 影像校正結(jié)果

對(duì)1992—2013年的夜間燈光影像進(jìn)行以上相互校正、飽和校正，年內(nèi)融合及年際間校正，校正結(jié)果如圖3所示(由于篇幅限制，文中僅列出中國(guó)區(qū)域1995、2000、2005及2010年的影像的校正結(jié)果)。

2 檢驗(yàn)校正結(jié)果

定量檢驗(yàn)對(duì)中國(guó)區(qū)域夜間燈光影像校正的合理性，分別從2個(gè)角度進(jìn)行校驗(yàn)：①對(duì)校正后影像的亮值像元總數(shù)和亮值像元總DN值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，校正后的像元總數(shù)和像元總DN值變化趨勢(shì)如圖4、圖5所示；②早期文獻(xiàn)[15—16]的研究結(jié)果表明，GDP數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù)在國(guó)家或大區(qū)域空間尺度上存在線性相關(guān)關(guān)系，因此，本文研究在省級(jí)尺度上對(duì)2013年校正前后影像的TDV值進(jìn)行對(duì)比，比較省級(jí)尺度GDP與校正前后的TDV值之間的線性相關(guān)性，校正前后的相關(guān)性如圖6、圖7所示。

校正后的夜間燈光數(shù)據(jù)每一年的亮值像元總數(shù)和總DN值較未校正前的數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)校正，充分利用各傳感器獲取的數(shù)據(jù)，每一年均只有一份有效數(shù)據(jù)，影像的一致性和連貫性均得到提升。

以2013年的夜間燈光數(shù)據(jù)為例，對(duì)校正前后的夜間燈光TDV值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與中國(guó)各個(gè)省GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(除香港、澳門、臺(tái)灣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))進(jìn)行線性關(guān)系比較，發(fā)現(xiàn)校正前的TDV值與GDP之間的相關(guān)性并不高，且數(shù)據(jù)點(diǎn)雜亂分布，不呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，R2僅為0.333 3。校正后的TDV值與GDP的相關(guān)性較高，R2為0.791 8，影像數(shù)據(jù)得到了較好的校正。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究對(duì)中國(guó)區(qū)域1992—2013年的DMSP/OLS夜間燈光影像進(jìn)行了校正，包括：相互、飽和校正，年內(nèi)融合，年際間校正等步驟，并對(duì)校正結(jié)果從一致性、連貫性及與GDP的相關(guān)性等角度進(jìn)行驗(yàn)證，校正結(jié)果較好，可使DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)充分發(fā)揮其功能性和時(shí)效性，后續(xù)可用于GDP、人口等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間序列擬合，用于城市群演化、城鎮(zhèn)空間擴(kuò)展等研究。