胡為安, 劉傳立, 詹淇雯

(1.江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 贛州 341000； 2.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510)

0 引 言

當(dāng)夜間天空無(wú)云時(shí), 遙感衛(wèi)星傳感器能夠捕捉到城市燈光、漁船燈光、火點(diǎn)等可見光輻射源, 這些為夜間無(wú)云條件下獲取的地球可見光的影像即為夜間燈光數(shù)據(jù)。目前使用最為廣泛的夜間燈光數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program, DMSP)搭載的可見紅外成像線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(operational linescan system, OLS)數(shù)據(jù)和美國(guó)新一代國(guó)家極軌衛(wèi)星(Suomi national polar-orbiting partnership, Suomi-NPP)搭載的可見光近紅外成像輻射(visible infrared imaging suite, VIIRS)傳感器數(shù)據(jù)[1]。DMSP的設(shè)計(jì)初衷是為了獲取月光照射下的云層信息, 由于OLS傳感器具有較強(qiáng)的光電放大能力使其可探測(cè)到夜間地表微弱的近紅外輻射[2], 敏銳地捕捉到地表極光、火光以及夜間城市燈光等輻射光源, 對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)有較好的表征, 從此拉開了基于夜間燈光數(shù)據(jù)科研工作的序幕。2011年美國(guó)航天局成功發(fā)射了Suomi NPP衛(wèi)星, 其搭載的VIIRS傳感器相比與OLS傳感器而言, 具有更高的時(shí)間和空間分辨率, 輻射探測(cè)范圍更廣, 相比于傳統(tǒng)DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)更具發(fā)展?jié)摿3]。

DMSP-OLS穩(wěn)定年度夜間燈光數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括由6個(gè)不同衛(wèi)星傳感器獲取的1992—2013年共34期年度影像, OLS傳感器的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致影像之間存在不連續(xù)、未經(jīng)星上輻射校正[4]和像元DN值過(guò)飽和等問(wèn)題。由于DMSP-OLS穩(wěn)定年度夜間燈光數(shù)據(jù)發(fā)布較早, 目前校正方法有像元DN值頻率分布法[5]、不變目標(biāo)法[6-7]、輔助參數(shù)法[8]等, 影像校正研究已相對(duì)成熟。

反觀NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù), 其作為未來(lái)研究新的數(shù)據(jù)源, 分為年度平均數(shù)據(jù)和月度平均數(shù)據(jù)兩種。目前發(fā)布經(jīng)過(guò)校正的年度夜間燈光數(shù)據(jù)只有2015和2016年兩期, 未校正的月度數(shù)據(jù)從2012年4月起每月一期。針對(duì)NPP-VIIRS年度夜間燈光數(shù)據(jù)缺乏和月度數(shù)據(jù)校正的問(wèn)題, 一些學(xué)者提出過(guò)相應(yīng)的解決方法： Shi等[9]、柴子為等[10]提出利用DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)剔除NPP-VIIRS月度數(shù)據(jù)中噪聲的方法, 由于DMSP-OLS數(shù)據(jù)存在燈光飽和效應(yīng)且僅適用于2012和2013年, 并不適用于長(zhǎng)時(shí)間序列NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的校正； 陳慕琳等[11]針對(duì)NPP-VIIRS部分月度數(shù)據(jù)中高緯度地區(qū)燈光缺失的情況, 對(duì)比了4種插補(bǔ)方法的適宜性, 研究對(duì)象只適用于反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的穩(wěn)定光源； 周翼等[12]采用12個(gè)月的月份數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù), 忽略了部分月度數(shù)據(jù)中高緯度地區(qū)燈光缺失的不足； 李明峰等[13]提出了NPP-VIIRS多時(shí)相影像的校正方法, 缺乏對(duì)年度數(shù)據(jù)合成方法的研究。為了彌補(bǔ)NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)在年際研究中的不足, 本文提出一種基于部分月度(不包括5—7月)夜間燈光影像數(shù)據(jù)合成年度夜間燈光影像數(shù)據(jù)的方法, 通過(guò)將其他類型的NPP-VIIRS數(shù)據(jù)與合成數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量對(duì)比分析, 驗(yàn)證了合成年度夜間燈光方法的可靠性和科學(xué)性。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA/NGDC)。NPP-VIIRS有云掩膜處理數(shù)據(jù)(vcmcfg)和云掩膜散光校正數(shù)據(jù)(vcmslcfg)兩種數(shù)據(jù)格式。由于2013年缺少vcmslcfg類型數(shù)據(jù), 本文選擇時(shí)序性相對(duì)完整的vcmcfg類型數(shù)據(jù)進(jìn)行研究, 該數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)址https: //eogdata.mines.edu/download_dnb_composites.html獲得。將NOAA/NGDC網(wǎng)站提供的2015和2016年兩期年度夜間燈光數(shù)據(jù)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)?！盎鹗?Flint)”夜間燈光數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)科學(xué)院提供的網(wǎng)址https: //pan.baidu.com/s/17UqS7P66_6AMdr-a4sfUXA獲得。

省、市級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)信息中心的1∶4×106的數(shù)據(jù)庫(kù)(審圖號(hào): GS(2016)2556號(hào)), 社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量等數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 數(shù)據(jù)分析

DNB(day night band)是NPP-VIIRS用于探測(cè)夜間燈光強(qiáng)度的重要波段, 波長(zhǎng)范圍為0.5～0.9 μm, 空間分辨率約為0.5 km, 輻射分辨率為14 bit且經(jīng)過(guò)在軌輻射定標(biāo)操作, 這就意味著DNB傳感器不但可以探測(cè)到穩(wěn)定的城鎮(zhèn)燈光, 同時(shí)可以捕獲火光、漁船和油氣井等短暫光源及冰雪高反射導(dǎo)致的異常燈光, 降低了燈光數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 此外, 由于DNB數(shù)據(jù)產(chǎn)品未進(jìn)行去光處理, 導(dǎo)致NPP-VIIRS月度夜間燈光數(shù)據(jù)中存在負(fù)值和大量背景噪聲, 這些影響因素仍在一定程度上限制了該數(shù)據(jù)的應(yīng)用。 因此, 利用月度數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù)的過(guò)程中, 仍需對(duì)負(fù)值、背景噪聲、不穩(wěn)定光源和連續(xù)性問(wèn)題進(jìn)行處理。

2 NPP-VIIRS年度數(shù)據(jù)的合成

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

NPP-VIIRS月度夜間燈光數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)系為GCS_WGS_1984, 影像網(wǎng)格會(huì)隨著緯度的變化而發(fā)生變形, 需要對(duì)下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先將影像數(shù)據(jù)投影至符合中國(guó)地形的Albers等面積投影坐標(biāo)系, 并將像元大小重采樣至0.5 km×0.5 km, 利用中國(guó)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)掩膜裁剪出中國(guó)區(qū)域的夜間燈光影像數(shù)據(jù)。由于裁剪出的影像存在極少數(shù)的異常值(DN值大于原始月度數(shù)據(jù)的最大值), 利用原始月度數(shù)據(jù)中的最大值將異常值進(jìn)行替換。

2.2 年度均值圖像合成

由于受到雜散光污染的影響, 中國(guó)夏季中高緯度地區(qū)的燈光數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真(全部像元值為0), 該情況集中體現(xiàn)在5—7月的數(shù)據(jù)中, 因此利用月度數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù)時(shí)將5—7月的燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除, 利用2012—2018年的其他9個(gè)月的燈光數(shù)據(jù)合成年度燈光數(shù)據(jù)

(1)

其中,DNi表示某月的燈光亮度值,DNj表示某年的平均燈光亮度值。

2.3 負(fù)值消除

通過(guò)將合成年度燈光數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件可知, NPP-VIIRS月度燈光數(shù)據(jù)中存在負(fù)值的情況在合成的年度燈光數(shù)據(jù)中并未得到解決。但是, 理論上燈光輻射值應(yīng)該大于等于0, 本文按照式(2)， 利用網(wǎng)站提供的2015年的標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)替換2015年合成年度數(shù)據(jù)中的負(fù)值, 然后以2015年合成年度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù), 2012—2014年按照各年數(shù)據(jù)中的負(fù)值由后一年的均值圖像中的非負(fù)值替換, 2016—2018年按照各年數(shù)據(jù)中的負(fù)值由前一年的均值圖像中的非負(fù)值替換, 最后得到不包含負(fù)值的2012—2018年的合成年度燈光數(shù)據(jù)。

(2)

式中:DNi表示2015年合成年度夜間燈光像元值,DN2015表示NOAA/NGDC網(wǎng)站提供的2015年標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)的夜間燈光像元值。

2.4 不穩(wěn)定光源與背景噪聲消除

DNB波段對(duì)于波段范圍內(nèi)的微弱光源具有非常高的敏感性, 探測(cè)城鎮(zhèn)燈光的同時(shí)也能捕獲漁船燈光、人為火點(diǎn)和氣體燃燒等不穩(wěn)定光源。這些不穩(wěn)定光源不可能同時(shí)存在于連續(xù)兩年的夜間燈光數(shù)據(jù)的同一位置, 可以認(rèn)為上一年(下一年)的燈光在下一年(上一年)中沒(méi)有出現(xiàn), 即可認(rèn)定其為不穩(wěn)定光源。此外, 合成的年度夜間燈光數(shù)據(jù)中仍然存在大量背景噪聲, 需要對(duì)不穩(wěn)定光源和背景噪聲進(jìn)行剔除。

NOAA/NGDC網(wǎng)站發(fā)布了已經(jīng)去除不穩(wěn)定光源和背景噪聲的2015和2016年兩期年度夜間燈光數(shù)據(jù), 因此其他各年均值影像中的不穩(wěn)定光源和背景噪聲可以利用該兩年數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行去除。先將兩期年度夜間燈光數(shù)據(jù)的二值圖像相乘得到合成二值圖像,DN>0的部分設(shè)置為1,DN≤0的部分設(shè)置為0,DN=1的部分認(rèn)定為穩(wěn)定光源和無(wú)背景噪聲區(qū)域。將合成二值圖像與2015和2016年均值影像相乘去除不穩(wěn)定光源和背景噪聲, 從而獲得穩(wěn)定可靠的2015和2016年均值影像。分別提取其他各年均值影像的二值圖像, 以合成二值圖像為基準(zhǔn)數(shù)據(jù), 2012—2015年年度數(shù)據(jù)按照式(3)獲取穩(wěn)定可靠光源區(qū)域, 2016—2018年年度數(shù)據(jù)按照式(4)獲取穩(wěn)定可靠光源區(qū)域, 將穩(wěn)定可靠光源區(qū)域與對(duì)應(yīng)年份均值影像相乘, 得到去除不穩(wěn)定光源和背景噪聲的2012—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列影像。

(3)

(4)

式中:DN表示待校正年份均值影像中的穩(wěn)定可靠光源；DNk表示待校正年份影像的穩(wěn)定可靠光源;DNk+1表示校正年份后一年二值影像的穩(wěn)定可靠光源；DNk-1表示校正年份前一年二值影像的穩(wěn)定可靠光源。

2.5 極高值消除與連續(xù)校正

由于地表存在發(fā)射率較高的表面, 使得月度夜間燈光影像數(shù)據(jù)中部分燈光亮度值發(fā)生異常, 這些異常值一般都較高, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際情況, 因此需要消除影像中的極高值。利用MATLAB編程對(duì)合成的年度夜間燈光數(shù)據(jù)中的亮度值進(jìn)行提取, 去除非連續(xù)的極高值, 經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出2012—2018年各年中國(guó)區(qū)域的最大燈光亮度值分別為157.41、172.16、195.39、220.92、243.86、269.88和293.27。若將燈光亮度值大于該年最大燈光亮度值視為極高值, 應(yīng)對(duì)其進(jìn)行消除。對(duì)各年合成年度均值影像的燈光亮度值進(jìn)行提取, 發(fā)現(xiàn)極高值只是數(shù)值較高, 但數(shù)量較少。為了消除合成年度均值影像中的極高值, 本文采用均值濾波法[14]和降值法進(jìn)行效果對(duì)比研究。用均值濾波解算出極高值周圍24個(gè)像元的平均值, 再用平均值替換極高值; 消除極高值的目的是為了降低其對(duì)整體燈光的影響, 可通過(guò)對(duì)極高值進(jìn)行降值處理來(lái)削弱這種影響, 本文用中國(guó)區(qū)域最大亮度值將該年中所有的極高值進(jìn)行替換, 達(dá)到降值的目的。研究表明均值濾波法和降值法對(duì)消除極高值的效果差異不大。

以上僅消除了合成年度均值影像中的極高值, 但是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列的夜間燈光影像數(shù)據(jù)仍存在連續(xù)性的問(wèn)題, 需要進(jìn)一步校正。按照下一年的燈光亮度值不低于上一年的原則, 以2018年年度均值夜間燈光數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù), 對(duì)其他年份數(shù)據(jù)進(jìn)行逐年校正, 從而得到2012—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列穩(wěn)定可靠的年度夜間燈光數(shù)據(jù)

(5)

式中：DN表示經(jīng)過(guò)校正后的年度燈光亮度值;DNx表示待校正的年度燈光亮度值;DNx+1表示后一年經(jīng)過(guò)校正的年度燈光亮度值。

3 合成結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)方法的可靠性與科學(xué)性, 分別進(jìn)行了定性和定量對(duì)比分析。定性對(duì)比分析采用目視解譯法比較合成年度數(shù)據(jù)校正前與校正后相比同年度間像元DN值的變化, 檢驗(yàn)校正后的燈光數(shù)據(jù)是否解決了校正前存在的問(wèn)題。定量對(duì)比分析利用合成的年度夜間燈光數(shù)據(jù)、NOAA/NGDC網(wǎng)站提供的2015和2016年年度夜間燈光數(shù)據(jù)、中國(guó)科學(xué)院用NPP-VIIRS月度數(shù)據(jù)合成的年度數(shù)據(jù)“火石”和月度夜間燈光數(shù)據(jù)在省級(jí)[15]和市級(jí)[16]兩方面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合[17]能力進(jìn)行對(duì)比, 從像元DN值變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合能力兩方面來(lái)對(duì)比驗(yàn)證合成方法的可靠性與科學(xué)性。

3.1 像元DN值對(duì)比

由于未經(jīng)校正而直接合成年度均值夜間燈光數(shù)據(jù)沒(méi)有解決月度夜間燈光數(shù)據(jù)中存在的問(wèn)題, 從校正后的長(zhǎng)時(shí)間序列的NPP-VIIRS數(shù)據(jù)集中選擇2012和2018年的合成年度數(shù)據(jù)與校正前的合成年度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 如圖1所示。夜間燈光數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量存在較好的線性相關(guān)性早已得到證實(shí), 說(shuō)明燈光可以反映城市的發(fā)展水平, 2012—2018年間廣東省是全國(guó)GDP貢獻(xiàn)最大的省份, 因此本文以廣東省作為典型區(qū)域, 選取2013、2015和2017年的影像數(shù)據(jù)直觀地對(duì)比校正前后夜間燈光影像局部的變化, 如圖2所示。

圖1 中國(guó)區(qū)域校正前后對(duì)比(底圖審圖號(hào)： GS(2016)2556號(hào)， 自然資源部監(jiān)制)Fig.1 Comparison before and after correction in China

圖2 廣東省校正前后對(duì)比Fig.2 Comparison before and after correction in Guangdong

可以看出, 校正前的年度燈光數(shù)據(jù)中存在負(fù)值、大量背景噪聲和不穩(wěn)定光源, 影像中存在年際之間不連續(xù)的情況, 與實(shí)際情況不符。經(jīng)過(guò)校正后的合成年度燈光數(shù)據(jù)在一定程度上消除了負(fù)值、背景噪聲和不穩(wěn)定光源, 最大DN值也較為合理, 說(shuō)明合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)更符合實(shí)際情況。

3.2 經(jīng)濟(jì)參量擬合能力對(duì)比

本文從省級(jí)和市級(jí)兩方面比較其他類型NPP-VIIRS數(shù)據(jù)與合成年度數(shù)據(jù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合能力來(lái)驗(yàn)證合成年度數(shù)據(jù)方法的可靠性和科學(xué)性。中國(guó)科學(xué)院利用NPP-VIIRS月度數(shù)據(jù)合成了名為“火石(Flint)”的年度數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)具有更高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和易用性。鑒于此, 本文選擇NOAA/NGDC網(wǎng)站發(fā)布的兩期標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)、“火石”年度夜光數(shù)據(jù)和12月份的月度數(shù)據(jù)與合成年度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》, 提取2012—2018年中國(guó)31個(gè)省級(jí)行政區(qū)(不包括香港、澳門、臺(tái)灣地區(qū))的GDP和電力消費(fèi)量與2015—2016年中國(guó)336個(gè)市級(jí)行政區(qū)的GDP和年末常住人口, 利用提取的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量與省級(jí)和市級(jí)尺度的TDN進(jìn)行線性回歸分析。

圖3a、b分別是省級(jí)尺度下4類數(shù)據(jù)與GDP和電力消費(fèi)的回歸決定系數(shù)R2的對(duì)比結(jié)果?？芍? 2012—2018年長(zhǎng)時(shí)間序列的合成年度夜光數(shù)據(jù)的決定系數(shù)R2均大于0.81, 比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)略高, 明顯高于“火石”年度夜光數(shù)據(jù)的決定系數(shù)R2范圍0.10～0.50和12月原始月度夜光數(shù)據(jù)的決定系數(shù)R2范圍0～0.60。

圖3 4類數(shù)據(jù)省級(jí)尺度下的線性回歸決定系數(shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of 4 kinds of data of linear regression determination coefficients at the provincial scale

圖4、5分別是2015—2016年市級(jí)尺度下4類社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量數(shù)據(jù)與GDP的線性回歸結(jié)果。 可知, 2015—2016年合成年度夜光數(shù)據(jù)質(zhì)量不亞于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù), 與GDP的線性回歸決定系數(shù)R2高達(dá)0.843 4～0.849 8, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“火石”年度夜光數(shù)據(jù)的0.657 0～0.658 9和12月份原始月度夜光數(shù)據(jù)的0.469 7～0.555 0。

圖4 2015年4類數(shù)據(jù)與市級(jí)GDP的線性回歸結(jié)果Fig.4 Linear regression results of 4 types of data and municipal GDP in 2015

圖6、7分別是2015—2016年市級(jí)尺度下4類數(shù)據(jù)與常住人口的線性回歸結(jié)果可知, 2015—2016

圖5 2016年4類數(shù)據(jù)與市級(jí)GDP的線性回歸結(jié)果Fig.5 Linear regression results of 4 types of data and municipal GDP in 2016

圖6 2015年4類數(shù)據(jù)與市級(jí)常住人口的線性回歸結(jié)果Fig.6 Linear regression results of 4 types of data and municipal resident population in 2015

圖7 2016年4類數(shù)據(jù)與市級(jí)常住人口的線性回歸結(jié)果Fig.7 Linear regression results of 4 types of data and municipal resident population in 2016

年合成夜光數(shù)據(jù)與常住人口之間的線性回歸決定系數(shù)在0.567 3～0.588 7, 同樣高于“火石”年度夜光數(shù)據(jù)的0.437 5～0.455 1和12月原始月度夜光數(shù)據(jù)的0.307 4～0.351 6。

從省、市級(jí)兩方面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合能力上看, 合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)質(zhì)量不亞于NOAA/NGDC網(wǎng)站提供的年度夜間燈光數(shù)據(jù), 且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“火石”年度夜間燈光數(shù)據(jù)和12月原始月度夜間燈光數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)“火石”年度夜間燈光數(shù)據(jù)和月度夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 表明該兩種數(shù)據(jù)不能直接用于年度社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量研究。“火石”年度夜光數(shù)據(jù)中人為設(shè)定的最大DN值為2 000, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際情況, 意味著數(shù)據(jù)中存在較多極高值, 直接影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量; 而月度原始夜間燈光數(shù)據(jù)具有存在負(fù)值、背景噪聲和極高值等缺點(diǎn)。因此, 通過(guò)與NOAA/NGDC提供的標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)、“火石”年度夜光數(shù)據(jù)和12月原始月度夜光數(shù)據(jù)在省級(jí)和市級(jí)尺度上的社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合能力進(jìn)行對(duì)比, 表明了合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)方法的可靠性和科學(xué)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)比DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)更具發(fā)展?jié)摿? 如今已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于各類科研之中, 如社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)估算[10, 18]、生態(tài)環(huán)境和健康效應(yīng)[19-21]、城市化監(jiān)測(cè)[22]等。除上述研究之外, NPP-VIIRS夜間燈光在漁業(yè)研究、重大事件評(píng)估[23]、流行病研究、油氣田監(jiān)測(cè)和森林火災(zāi)等研究領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)發(fā)布較早, 且提供了1992—2013年長(zhǎng)時(shí)間序列穩(wěn)定的年度數(shù)據(jù)。第二代夜間燈光數(shù)據(jù)NPP-VIIRS提供了2012年4月—2019年8月的月度數(shù)據(jù), 穩(wěn)定的年度夜間燈光數(shù)據(jù)只提供了2015—2016年兩期。針對(duì)于NPP-VIIRS年度數(shù)據(jù)缺失的不足, 大多數(shù)相關(guān)研究均采用12個(gè)月的月度夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的合成年度數(shù)據(jù)或直接利用某月的月度數(shù)據(jù)直接代替年度數(shù)據(jù), 忽略了某些月度數(shù)據(jù)(5—7月)中高緯度地區(qū)燈光數(shù)據(jù)缺失的情況。鑒于此, 本文提出采用部分月度夜間燈光數(shù)據(jù)(不包括5—7月)合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)的方法。

本文利用其他3類NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)與合成年度夜間燈光在省級(jí)和市級(jí)尺度上進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量擬合能力對(duì)比, 線性回歸決定系數(shù)R2與標(biāo)準(zhǔn)年度數(shù)據(jù)相當(dāng), 但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的“火石”年度夜間燈光數(shù)據(jù)和12個(gè)月份的原始月度夜間燈光數(shù)據(jù), 證明了合成年度夜間燈光數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)性, 一定程度上彌補(bǔ)了NPP-VIIRS年度數(shù)據(jù)較少的不足, 可將其應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間序列的年際變化研究。