李家藝， 徐永明， 崔煒萍， 吳雨陽(yáng)， 王晶， 蘇博陽(yáng)， 吉蒙

(南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院，南京 210044)

0 引言

電燈的出現(xiàn)給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，提高了生產(chǎn)與生活的效率，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。然而人造光源的普遍運(yùn)用在給人們帶來(lái)便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了負(fù)面影響——夜間光污染。夜間光污染是指過(guò)于明亮的夜間環(huán)境對(duì)生態(tài)和人們的生活造成的不良影響。有研究指出，夜間光污染會(huì)影響動(dòng)植物的自然生活規(guī)律，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡； 對(duì)于人類而言它會(huì)干擾生物鐘，破壞內(nèi)分泌平衡，導(dǎo)致生理和心理問(wèn)題； 過(guò)量的夜間照明也消耗了不必要的電力，造成能源的極大浪費(fèi)[2-12]。因此對(duì)城市夜間光污染進(jìn)行管理和整治顯得尤為重要[13]。

對(duì)光污染進(jìn)行有效的整治首先需要獲取準(zhǔn)確的光污染空間分布信息。目前監(jiān)測(cè)光污染的主要手段是實(shí)地觀測(cè)，使用天空質(zhì)量?jī)x(sky quality meter，SQM)、照度計(jì)等設(shè)備在某些特定地點(diǎn)開展觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)環(huán)境照度來(lái)表征城市的光污染程度[14-19]。實(shí)地觀測(cè)準(zhǔn)確性很高，但想獲得足夠的數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)極大的人力物力，有限的樣點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)又不足以充分反映大范圍尺度的光污染空間分布信息。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感以其大范圍同步觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)逐漸成為監(jiān)測(cè)光污染的有效手段，以國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃的線性掃描系統(tǒng)(defense meteorological satellite program/operational linescan system，DMSP/OLS)和極軌衛(wèi)星系統(tǒng)的可見光紅外成像輻射計(jì)(national polar-orbiting partnership/visible infrared imaging radiometer suite，NPP/VIIRS)為代表的夜光遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)被用于光污染監(jiān)測(cè)。Elvidge等[20]指出，NPP/VIIRS數(shù)據(jù)能夠區(qū)分出色溫為600～6 000 K的大面積地面光源； Bennie等[21]利用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)對(duì)歐洲的光污染變化規(guī)律進(jìn)行了研究，指出歐洲夜空在逐漸變亮，而很多發(fā)達(dá)城市的夜空亮度卻在逐年降低。然而，由于DMSP/OLS與NPP/VIIRS空間分辨率較低(分別為5 km和750 m)，無(wú)法很好地反映城市內(nèi)部光環(huán)境的細(xì)節(jié)特征，更適合對(duì)大尺度的光污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2018年，我國(guó)發(fā)射了世界上第一顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星——“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星(LJ 1-01)。該衛(wèi)星提供了130 m分辨率的夜光遙感影像，相較于DMSP和VIIRS大幅度提高了分辨率，為開展城市尺度的精細(xì)夜間光污染監(jiān)測(cè)提供了可能。本研究以南京市為研究區(qū)，結(jié)合LJ 1-01數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)夜間照度數(shù)據(jù)構(gòu)建多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算南京市的夜間照度，并基于計(jì)算得到的夜間照度對(duì)南京市的夜間光污染分布狀況進(jìn)行分析，為南京市的光污染整治提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

南京是江蘇省省會(huì)城市，全市下轄11個(gè)區(qū)，總面積6 587.02 km2(圖1)。2017年建成區(qū)面積1 398.69 km2，常住人口為833.5萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為82.29%，主城已完全城鎮(zhèn)化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，南京市的夜晚也越來(lái)越亮，為了美化城市，大量裝飾燈、泛光照明和廣告牌遍布城市各個(gè)角落。然而由于缺乏統(tǒng)一的夜間燈光規(guī)劃管理，部分地區(qū)為了追求絢麗豪華的效果而整夜燈火通明，而沒(méi)有考慮過(guò)亮的夜間環(huán)境對(duì)周邊居民身心健康的不良影響，因此對(duì)南京市的夜間光污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)和整治很有必要。

圖1 南京市行政區(qū)劃圖

1.2 遙感數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本研究采用2018年11月23日22: 30成像的LJ 1-01夜光遙感影像(圖2)，數(shù)據(jù)來(lái)源為高分湖北中心(http: //www.hbeos.org.cn)。LJ 1-01遙感影像空間分辨率達(dá)到130 m，成像波段范圍為480～800 nm，幅寬達(dá)到260 km[22-23]。

圖2 2018年11月23日LJ 1-01夜光遙感影像

基于官網(wǎng)提供的輻射定標(biāo)方程對(duì)LJ 1-01遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將灰度值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值，公式為：

L=DN3/2·10-10

，

(1)

式中：L為輻射亮度值，W/(m2·Sr·μm)；DN為圖像灰度值。

LJ 1-01遙感影像存在約700～800 m的定位偏差，選取具有準(zhǔn)確地理定位的Landsat8 OLI圖像為基準(zhǔn)圖像對(duì)其進(jìn)行幾何糾正?；诳刂泣c(diǎn)均勻分布、同一控制點(diǎn)所在區(qū)域基本沒(méi)有變化的原則，選擇地物特征較為明顯的道路交叉口和輪廓清晰的建筑物作為地面控制點(diǎn)?；谶x擇的49個(gè)控制點(diǎn)，利用二階多項(xiàng)式模型建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，使用雙線性插值法進(jìn)行重采樣，總體配準(zhǔn)誤差為0.58個(gè)像元。

本研究采用高分一號(hào)(GF-1)數(shù)據(jù)提取地表反射率，基于天地圖獲取的1∶25萬(wàn)建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)(https: //www.tianditu.gov.cn/)提取建筑覆蓋度，利用地表反射率與建筑覆蓋度將LJ 1-01獲取的表觀輻射亮度修正為地表入射亮度。GF-1數(shù)據(jù)的成像日期為2018年12月18日，數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http: //www.cresda.com/CN/)。其搭載的WFV傳感器包含藍(lán)光、綠光、紅光和近紅外4個(gè)波段，空間分辨率達(dá)到16 m?；诠倬W(wǎng)提供的定標(biāo)公式與各波段定標(biāo)參數(shù)對(duì)GF-1 WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，利用Flaash模型進(jìn)行大氣校正得到各波段反射率。GF-1 WFV數(shù)據(jù)同樣存在地理定位偏差，選取具有準(zhǔn)確地理定位的Landsat8 OLI圖像為基準(zhǔn)圖像對(duì)其進(jìn)行幾何糾正?；谶x擇的60個(gè)控制點(diǎn)，利用二階多項(xiàng)式模型建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方程，使用雙線性插值法進(jìn)行重采樣，總體配準(zhǔn)誤差為0.39像元。

1.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本研究于2018年12月以及2019年1月晴朗無(wú)云的夜晚在南京市選擇典型區(qū)域進(jìn)行光照強(qiáng)度的測(cè)量，觀測(cè)時(shí)間為20: 30—23: 00。選用GM1040型照度計(jì)，其測(cè)量量程為0～200 000 lx，可以接收觀測(cè)方向180°立體角內(nèi)的光線。根據(jù)之前的研究[24]，光具有很強(qiáng)的方向性，單一方向的觀測(cè)值之間具有明顯差異，不能很好地表征地表光環(huán)境，而取水平正交的4個(gè)方向觀測(cè)值的平均值則能在很大的程度上減小誤差。因此本研究在每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)將照度計(jì)懸置于離地面1.8 m處，在前、后、左、右4個(gè)正交方向記錄照度，并記錄觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，取4個(gè)方向的照度平均值作為這個(gè)點(diǎn)的照度?？紤]到珞珈一號(hào)影像分辨率為130 m，單個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不足以很好地表征整個(gè)像元的照度信息，將130 m×130 m范圍內(nèi)的4個(gè)點(diǎn)的照度值取平均作為該像元的平均照度值。

在實(shí)地觀測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)戶外廣告屏幕畫面變化以及路上汽車遠(yuǎn)光燈等會(huì)對(duì)照度觀測(cè)值產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實(shí)測(cè)照度值與衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)像元值產(chǎn)生較大誤差，對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行人工篩查，去除誤差大的樣點(diǎn)，最終保留44個(gè)樣點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 表觀輻射亮度修正為地表入射亮度

LJ 1-01傳感器接收的輻射信號(hào)是由城市夜間燈光照射到地面后被反射的亮度，而影響夜間光環(huán)境的主要因素是地面入射亮度并非是反射亮度。由于地面反射率的差異，入射亮度與反射亮度之間同樣存在差異； 此外，每個(gè)像元內(nèi)的光信號(hào)主要來(lái)自地面，建筑物頂部幾乎沒(méi)有燈光，需要剔除建筑物頂部的信號(hào)，因此基于地表反射率與建筑覆蓋度將傳感器的表觀輻射亮度修正為地表入射亮度，通過(guò)地表入射亮度計(jì)算夜間照度。

LJ 1-01的成像波段范圍與GF-1 WFV的4個(gè)波段成像范圍大致一致。因此取GF-1 WFV的4個(gè)波段反射率均值作為地表反射率，公式為：

，

(2)

式中：Ref為L(zhǎng)J 1-01成像波段對(duì)應(yīng)的地表反射率；R1，R2，R3與R4分別為GF-1 WFV的4個(gè)波段反射率。

基于天地圖提取的矢量建筑物輪廓數(shù)據(jù)，分別計(jì)算每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的130 m×130 m范圍內(nèi)的建筑物覆蓋面積，得到每個(gè)像元的建筑覆蓋度。

傳感器的表觀輻射亮度可以用地表入射亮度乘以地表反射率來(lái)表示，考慮到建筑物頂部幾乎沒(méi)有燈光，因此再乘以每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的非建筑物覆蓋比例，去除建筑物頂部信號(hào)，公式為：

L0=L↓·Ref·(1-Fb)

，

(3)

式中：L0為L(zhǎng)J 1-01表觀輻射亮度，10-6W/(m2·sr·μm)；L↓為地表入射亮度， 10-6W/(m2·sr·μm)；Fb為建筑覆蓋度。

對(duì)上式進(jìn)行逆運(yùn)算，得到地表入射亮度，公式為：

。

(4)

圖3給出了實(shí)測(cè)夜間照度(Ev)分別與LJ 1-01表觀輻射亮度和修正后地表入射亮度之間的散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)照度與地表入射亮度相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91，高于實(shí)測(cè)照度和輻射亮度的相關(guān)系數(shù)(0.89)，表明修正后的地表入射亮度與地面實(shí)測(cè)照度相關(guān)性更好，更適合用于計(jì)算夜間照度。

(a) 實(shí)測(cè)照度與表觀輻射亮度散點(diǎn)圖(b) 實(shí)測(cè)照度和修正后地表入射亮度散點(diǎn)圖

2.2 統(tǒng)計(jì)模型形式

以修正后的地表入射亮度L↓為自變量，實(shí)測(cè)地面照度Ev為因變量建立統(tǒng)計(jì)模型。統(tǒng)計(jì)模型選擇了一元線性回歸模型、二階多項(xiàng)式回歸模型、三階多項(xiàng)式回歸模型、指數(shù)回歸模型與對(duì)數(shù)回歸模型(表1)。

表1 統(tǒng)計(jì)模型形式

2.3 模型精度檢驗(yàn)

本研究采用留一交叉驗(yàn)證的方法對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。其基本思想是每次從N個(gè)樣本集中取出一個(gè)樣本作為驗(yàn)證集，剩下的N-1個(gè)樣本作為訓(xùn)練集，重復(fù)進(jìn)行次N次，依次取遍所有數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集，最后將所有數(shù)據(jù)的平均誤差作為最終誤差的估計(jì)。以判定系數(shù)R2與平均絕對(duì)誤差(mean absolute error，MAE)來(lái)作為評(píng)價(jià)模型精度的指標(biāo)，計(jì)算公式分別為：

，

(5)

，

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 模型表現(xiàn)

從5種模型的遙感估算值和實(shí)地觀測(cè)值之間的散點(diǎn)圖(圖4)可以看出，5種模型的判定系數(shù)R2在0.42～0.87之間，MAE在4.71～23.18 lx之間。其中，三階多項(xiàng)式模型R2最高，達(dá)到0.87，MAE為所有模型最小，為4.71 lx。因此采用三階多項(xiàng)式模型反演南京市夜間照度，其公式為：

Ev=-0.22L↓3+2.96L↓2-1.15L↓+3.56 ，

(7)

式中：Ev為實(shí)測(cè)地面照度，lx；L↓為修正后地表入射亮度，10-6W/(m2·sr·μm)。

(a) 一元線性模型(b) 二階多項(xiàng)式模型(c) 三階多項(xiàng)式模型

(d) 指數(shù)模型(e) 對(duì)數(shù)模型

3.2 光污染分析

基于三階多項(xiàng)式模型得到南京市夜間照度空間分布圖(圖5)。從圖中可以看出，南京市夜間照度總體分布在0～55 lx之間，空間分布差異性明顯。夜間照度高值區(qū)主要分布在南京市主城區(qū)，包括玄武區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、雨花臺(tái)等老城區(qū)，并向東延伸至棲霞的仙林地區(qū)，向南延伸至江寧的九龍湖地區(qū)； 長(zhǎng)江以北的浦口到六合一帶形成了僅次于主城區(qū)的次級(jí)夜間照度高值區(qū)域； 除了中心城區(qū)外，各區(qū)的主城區(qū)的照度明顯高于周邊地區(qū)，形成多個(gè)零散的高照度區(qū)域。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)南京市部分區(qū)域表現(xiàn)出極高的照度，結(jié)合Google Earth發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域包括大型商場(chǎng)、大型工廠、交通樞紐、道路以及部分住宅區(qū)，比如新街口，南京鋼鐵廠、祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)、江北大道以及仙林湖住宅區(qū)等地的照度都達(dá)到了25 lx以上。需要注意的是，交通樞紐和大型工廠附近幾乎無(wú)居民區(qū)，過(guò)高的夜間亮度影響不大； 但其他區(qū)域都有較多的居民區(qū)，如新街口等大型商業(yè)區(qū)、老門東等旅游區(qū)以及仙林湖等新興居民區(qū)附近都有較多的住宅分布。

參考國(guó)際照明委員會(huì)(International Commission on illumination，CIE)在《建筑立面光侵害限制值控制表》中提出的標(biāo)準(zhǔn)[25]，將南京市夜間光污染程度分為5個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 不同等級(jí)光污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)南京市各個(gè)區(qū)光污染程度面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖6)。結(jié)果表明，南京市主城區(qū)的光污染程度較高，包括玄武區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)以及雨花臺(tái)區(qū)，中度以上光污染面積占比超過(guò)15%； 其中鼓樓區(qū)和秦淮區(qū)的光污染最嚴(yán)重，超過(guò)70%的面積占比存在光污染，光污染程度遠(yuǎn)高于其他各區(qū)。這些區(qū)主要分布在南京市中心位置，道路交通布局緊密，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，大型商業(yè)區(qū)也都匯集于此，大量的商業(yè)照明和景觀照明造成夜間照度較高。

圖6 各區(qū)不同等級(jí)夜間光污染面積占比

與主城區(qū)相比，南京市郊區(qū)的光污染程度相對(duì)較弱，棲霞區(qū)、浦口區(qū)、江寧區(qū)、六合區(qū)、溧水區(qū)以及高淳區(qū)的無(wú)光污染面積占比達(dá)到80%； 其中高淳區(qū)、溧水區(qū)與六合區(qū)光污染程度最低，97%以上的面積比例無(wú)光污染。這幾個(gè)區(qū)的占地面積相對(duì)較大，人口密度低，在職能上以發(fā)展生態(tài)服務(wù)型經(jīng)濟(jì)為主； 城市建筑面積占有率相對(duì)較低，更多的是用于自然植被景觀建設(shè)，生態(tài)環(huán)境較好； 同時(shí)各區(qū)遠(yuǎn)離市中心，交通布局相對(duì)發(fā)散，大型商業(yè)區(qū)較少，夜間照度也相對(duì)較低。

4 結(jié)論

基于LJ 1-01遙感數(shù)據(jù)計(jì)算南京市夜間照度，并通過(guò)夜間照度分析南京市的夜間光污染分布狀況，得到以下結(jié)論：

1)相較于直接利用衛(wèi)星輻射亮度反演夜間照度，修正后的地表入射亮度與實(shí)測(cè)照度相關(guān)系數(shù)更高，達(dá)到0.91，表明基于地表入射亮度可以獲取更準(zhǔn)確的夜間照度。

2)交叉驗(yàn)證結(jié)果表明，三階多項(xiàng)式模型精度最高，R2為0.87，MAE為4.71 lx，精度較為理想。

3)南京市的夜間照度在0～55 lx之間，空間分布差異性明顯。整體上，主城區(qū)的夜間照度高于郊區(qū)，由主城區(qū)向四周呈遞減趨勢(shì)。除主城區(qū)之外，各轄區(qū)的城區(qū)也形成了多個(gè)零散的高值區(qū)。在城市內(nèi)部，部分區(qū)域表現(xiàn)出極高的照度(30 lx以上)，這些區(qū)域包括大型商場(chǎng)、大型工廠、交通樞紐、道路以及部分住宅區(qū)。大型工廠以及交通樞紐附近幾乎無(wú)居民區(qū)，影響相對(duì)較小，但其他區(qū)域附近都存在居民區(qū)，需要進(jìn)行合理整治。

4)玄武區(qū)、秦淮區(qū)、鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)以及雨花臺(tái)區(qū)等中心主城區(qū)光污染程度較高，以秦淮區(qū)和鼓樓區(qū)的光污染程度最高，光污染區(qū)域面積占比分別達(dá)到77%和78%。郊區(qū)的光污染程度較輕，光污染面積比例普遍低于12%，其中高淳區(qū)、溧水區(qū)與六合區(qū)低于4%的面積比例存在光污染，相較于其他各區(qū)光污染程度最輕。

利用遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式可以獲取詳細(xì)的城市夜間光污染分布信息，但是本研究還存在一些不足，比如所采用的照度計(jì)靈敏度不夠，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量暗區(qū)域的照度值，雖然引起我們關(guān)注的是高亮度區(qū)域。此外，由于多種因素限制，無(wú)法測(cè)得更多的數(shù)據(jù)來(lái)獲取更準(zhǔn)確的模型。利用夜光遙感數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行城市尺度的夜間光污染研究仍處于探索階段，有待未來(lái)進(jìn)一步研究。