郭旭冉，蘇曉明，邁力斯

(內蒙古工業(yè)大學建筑學院 內蒙古自治區(qū)綠色建筑重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051)

引言

在夜間，人類的活動依賴燈光的照明，但過度的照明會對人類本身以及生態(tài)環(huán)境產生負面影響[1,2]?？茖W的量化夜間燈光亮度是控制夜間照明光污染的首要條件。從20世紀開始，美國就利用DMSP衛(wèi)星來觀測夜間地表燈光[3]，隨后相關學者利用此類衛(wèi)星遙感數據分析了全球以及各洲、各國的夜間燈光亮度變化。如：Small等[4]分析了全球1992年至2009年間的夜間燈光亮度水平、范圍變化；Bennie等[5]對比了歐洲各地區(qū)之間夜間燈光亮度的增長性差異；Rehman等[6]分析了印度全國夜間燈光亮度的時空分布特點。但目前的研究仍缺少對生態(tài)薄弱地區(qū)夜間燈光亮度的分析，缺少夜間燈光亮度的量化指標。所以本文以內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度為研究對象，建立夜間燈光的發(fā)亮面積、形態(tài)、水平三個特征指標，分析內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的時空分布特征，以及特征指標與研究區(qū)土地面積、人口數量、經濟水平之間的線性相關性(以下簡稱相關性)。

1 研究范圍

本文研究范圍選取了內蒙古滿洲里市、錫林浩特市、二連浩特市等22個草原地區(qū)所組成的研究區(qū)(圖1),研究區(qū)域橫跨內蒙古中西部、中部、東部，包含了荒漠草原、典型草原、草甸草原三大草原類型[7]。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

2 數據來源及處理

2.1 數據來源

在分析內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征時，選用的數據為夜間燈光遙感數據。數據來源于NASA、NOAA、美國空軍共同研制的NPP衛(wèi)星，其搭載的VIIRS(可見紅外成像輻射儀)可采集22個光譜波段通道，范圍為0.3～14 μm，分辨率約為500 m，重返周期為一天[8]。為了避免地面積雪、植被對燈光值的影響，本文選取了我國2015—2019年4月和10月的夜間燈光遙感數據(TIFF格式)[9]，此數據消除了雜散光、月光、云層、閃電影響[10]，數值為月平均光輻射亮度值。另一方面，本文討論了草原地區(qū)夜間燈光亮度特征指標與土地面積、人口數量、經濟水平(以下簡稱為基礎統計數據)的相關性。相關統計數據來源于《內蒙古統計年鑒 2020》[11]。

2.2 數據處理

(1)背景降噪。

夜間燈光遙感數據會存在一定的背景噪聲，背景噪聲主要是體現在研究區(qū)域內單位像元(500 m×500 m)光輻射亮度的負值、極小值和異常極大值[12]，所以本文利用GIS(地理信息系統)對夜間燈光遙感數據進行預處理，提高數據的準確性。處理方法為閾值過濾(圖2)，其中xm代表上級地區(qū)中單位像元的光輻射亮度最大值[12]，0.3為經驗閾值[13]。即若待處理像元值小于0.3×10-9(W/cm2/sr)，則令其像元值為零；若待處理像元的值大于上級地區(qū)單位像元的最大值，則令其像元值為上級地區(qū)單位像元的最大值。

圖2 夜間燈光數據的背景降噪流程Fig.2 Background noise reduction process of night light data

(2)像元計算。

在NPP-VIIRS衛(wèi)星遙感數據中，圖像是由多個像元所構成的，每個像元都包含了一個可為零的光輻射亮度值，單位為10-9(W/cm2/sr)。光輻射亮度值的大小代表了此像元包含區(qū)域內的亮度大小，利用GIS對研究區(qū)域內發(fā)光像元數量、強度的統計，可以分析研究區(qū)域內夜間燈光亮度的范圍和大小。

(3)最鄰近指數計算。

地理學中在研究點狀要素的空間分布時，一般將其分布形態(tài)分為聚集分布、均勻分布、隨機分布三種類型[14，15](圖3)。而在區(qū)分這三種空間分布類型時，常用到最鄰近指數，它表示點狀要素在空間中的鄰近程度，其計算式為：

圖3 分布形態(tài)類型Fig.3 Distribution form type

(1)

其中R為最鄰近指數，Do為實際觀測到的研究區(qū)域內各點與其最近鄰點之間距離的平均值，Dr為研究區(qū)域內各點隨機分布時之間的平均距離。當最鄰近指數R<1時，點狀要素在空間內為聚集分布；當最鄰近指數R=1時，點狀要素在空間內為隨機分布；當R>1時，點狀要素在空間內為均勻分布。

本文在研究時，利用GIS計算了研究區(qū)域內所有發(fā)光像元之間的最鄰近指數，并以此來分析研究區(qū)域內夜間燈光亮度的分布形態(tài)。

3 特征分析

通過量化夜間燈光亮度分布面積、密度、形態(tài)、水平，將夜間燈光亮度特征分為分布面積特征、分布形態(tài)特征、亮度水平特征三個方面，以此分析了各草原地區(qū)的夜間燈光亮度現狀，同時分析了2015年至2019年五年間草原地區(qū)整體的夜間燈光亮度變化。

3.1 亮度分布面積特征

在整個研究區(qū)內，發(fā)亮區(qū)域總面積達到了4 470 km2，占總研究區(qū)域面積的1.26%。從不同草原地區(qū)的發(fā)亮區(qū)域面積數值分布來看(圖4)，22個地區(qū)的發(fā)亮區(qū)域面積平均值為203.18 km2，標準差為131.94 km2，總體差異較大。在22個草原地區(qū)中，西烏珠穆沁旗的發(fā)亮面積最大，達到了500 km2以上，鑲黃旗的面積最小，為50 km2以下，兩者相差10倍。

圖4 各草原地區(qū)發(fā)亮區(qū)域面積Fig.4 Luminous area of each grassland area

另一方面，本文計算出了22個草原地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積占地區(qū)總面積的比值(圖5)。22個草原地區(qū)發(fā)亮面積占比的平均值為4.92%，標準差為9.69%，總體差異較大。高密度發(fā)亮區(qū)域主要集中在海拉爾區(qū)、滿洲里市、扎賚諾爾區(qū)，發(fā)亮面積占比在20%以上；低密度發(fā)亮區(qū)域則主要集中在蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、東烏珠穆沁旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗，發(fā)亮面積占比在0.5%以下；而其他區(qū)域的發(fā)亮面積占比多集中在5%以下。

圖5 各草原地區(qū)發(fā)亮面積占比Fig.5 Proportion of luminous area in eachgrassland area

3.2 亮度分布形態(tài)特征

從整個研究區(qū)來看，最鄰近指數R為0.19，夜間燈光亮度的分布形態(tài)呈聚集性。在22個草原地區(qū)中(圖6)，20個地區(qū)的最鄰近指數R都低于1，只有滿洲里市、扎賚諾爾區(qū)的最鄰近指數R大于1。數據表明，大部分草原地區(qū)的夜間燈光亮度分布形態(tài)呈聚集性，而少部分草原地區(qū)的夜間燈光亮度分布形態(tài)呈隨機性、均勻性(圖7)。

圖6 各草原地區(qū)最鄰近指數Fig.6 Nearest neighbor index of each grassland area

圖7 各草原地區(qū)夜間燈光亮度分布形態(tài)圖Fig.7 Distribution pattern of night light brightness in various grassland areas

通過對比不同草原地區(qū)的最鄰近指數R，發(fā)現最鄰近指數R最大的是扎賚諾爾區(qū)，達到了1.10，最小值為0.18，為新巴爾虎左旗。此外，如果將夜間燈光亮度分布形態(tài)中的聚集性分布再細分為低聚集分布形態(tài)(0.6

3.3 亮度水平特征

區(qū)域發(fā)光總量為研究區(qū)域內光輻射亮度的總和，發(fā)光總量可以反映一個地區(qū)夜間燈光亮度的整體水平。研究區(qū)域內整體的發(fā)光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，而從各草原地區(qū)發(fā)光總量的中位數931.62×10-9(W/cm2/sr)，平均值1 597.75×10-9(W/cm2/sr)，標準差1 927.46×10-9(W/cm2/sr)來看，各地區(qū)夜間燈光亮度水平差異較大，整體水平不高(圖8)。

圖8 各草原地區(qū)區(qū)域發(fā)光總量Fig.8 Total regional luminous amount of each grassland area

根據22個草原地區(qū)發(fā)光總量的中位數、標準差劃分了低、中、高三個夜間燈光亮度水平，間斷值分別為1 000×10-9(W/cm2/sr)、3 000×10-9(W/cm2/sr)、5 000×10-9(W/cm2/sr)。

從圖9可以看出，高亮度水平地區(qū)主要包括錫林浩特市、海拉爾區(qū)，其中錫林浩特市的夜間燈光發(fā)光總量達到了8 519.37×10-9(W/cm2/sr)，中亮度水平地區(qū)則包括西烏珠穆沁旗、鄂溫克族自治旗等八個地區(qū)，其余12個地區(qū)均為低亮度水平地區(qū)，夜間燈光發(fā)光總量最低的地區(qū)為鑲黃旗，為126.35×10-9(W/cm2/sr)。

圖9 各草原地區(qū)夜間燈光亮度水平分布圖Fig.9 Distribution map of night light brightness level in each grassland area

3.4 時間性變化

為了進一步明確內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的發(fā)展趨勢，本文通過計算得到了內蒙古草原地區(qū)2015年—2019年夜間燈光亮度特征的具體數值。從表1可以看出，從2015年到2019年，各亮度特征指標數值都在增長，發(fā)亮面積、密度五年間增長了133%，最鄰近指數增長了46%，發(fā)光總量增長了28%。說明內蒙古草原地區(qū)的夜間燈光亮度的面積、密度、分散程度、水平都在快速增長，特別是發(fā)亮面積，年平均增長量達到了512.5 km2。

表1 2015—2019年內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征指標值Table 1 Characteristic index value of night light brightness in grassland area of Inner Mongolia from 2015 to 2019

4 討論

為了探明研究區(qū)域內夜間燈光亮度特征與地區(qū)基礎統計數據之間的影響關系，本文分別將量化后的分布面積特征指標、分布形態(tài)特征指標、亮度水平特征指標與土地面積、人口數量、經濟水平進行了相關性分析。

根據表2中的相關性結果可以得知，地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積與地區(qū)生產總值、地區(qū)第二產業(yè)產值之間具有中度的正相關，其中發(fā)亮面積與地區(qū)第二產業(yè)產值的相關性更高，本文認為可能是第二產業(yè)中工業(yè)、建筑業(yè)的經濟性活動擴大了人工照明對草原地區(qū)的影響范圍。

表2 相關性分析結果Table 2 Correlation analysis results

發(fā)亮面積占比、最鄰近指數與地區(qū)人口密度之間具有高度的正相關，相關性系數達到了0.9以上，所以本文認為地區(qū)人口密度可能是影響草原地區(qū)夜間燈光亮度密度大小、分散聚集程度高低的重要因素。另一方面，發(fā)亮面積占比、最鄰近指數與地區(qū)第一產業(yè)產值之間具有中低度的負相關，本文認為可能是因為農業(yè)、牧業(yè)經濟性活動較為活躍的草原地區(qū)，其人口密度較低，同時人口活動分布較為聚集所導致的。

發(fā)光總量方面，地區(qū)人口數量與其具有中度正相關。在與經濟類指標的相關程度中，地區(qū)生產總值與發(fā)光總量的相關程度最高，通過對比不同產業(yè)產值與亮度水平的相關性程度后發(fā)現，第一產業(yè)產值與其相關程度較弱，第二產業(yè)產值與其具有中度相關，第三產業(yè)產值與其具有高度相關。本文認為，其差異的原因可能是草原地區(qū)第一產業(yè)中農業(yè)、牧業(yè)的經濟性活動對夜間燈光的需求度較低，而草原地區(qū)第二、三產業(yè)中工業(yè)、商業(yè)、服務業(yè)的經濟性活動對夜間燈光的需求度更高。

5 結論

本文從分布面積、分布形態(tài)、亮度水平這三方面量化了內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征，闡述了內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度特征的時間性變化，分析了亮度特征指標與基礎統計數據之間的相關性。結論如下：

(1)內蒙古草原地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面為4 470 km2，占總土地面積的1.26%，各個草原地區(qū)的發(fā)亮面積差異較大，在發(fā)亮面積占比上，中東部地區(qū)比中西部其他地區(qū)的密度要高；內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度分布形態(tài)整體呈高度聚集性，各個草原地區(qū)分布形態(tài)中，除東部部分地區(qū)分布形態(tài)呈均勻性、隨機性，其余地區(qū)分布形態(tài)聚集程度較高，差異性不大；內蒙古草原地區(qū)夜間燈光總量為35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，各個草原地區(qū)亮度水平差異較大，中高亮度水平地區(qū)主要集中在內蒙古中東部。

(2)從2015年到2019年，內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度分布面積特征指標、分布形態(tài)特征指標、亮度水平特征指標均在增長，內蒙古草原地區(qū)的夜間燈光的影響范圍正在逐年加大，影響程度正在逐年加重。

(3)各特征指標在與基礎統計數據的相關性分析中，地區(qū)夜間燈光發(fā)亮面積與第二產業(yè)產值的相關性最高；發(fā)亮面積占比、最鄰近指數與人口密度之間的相關性最高；發(fā)光總量與生產總值的相關性最高。

通過對內蒙古草原地區(qū)夜間燈光亮度的時空分析，本研究豐富了我國草原地區(qū)的夜間光環(huán)境研究。另一方面，依據本研究建立的夜間燈光亮度特征指標，可以更好地評估生態(tài)薄弱地區(qū)的夜間燈光亮度水平，量化生態(tài)薄弱地區(qū)的光污染程度。而利用本研究得到的相關性結果，可以為草原城鎮(zhèn)規(guī)劃發(fā)展、草原城鎮(zhèn)照明設計、草原城鎮(zhèn)光污染控制提供針對性參考。