2015地理科普之夜间灯光.pdf

2015 5 8 1 透过黑夜凝视你的美透过黑夜凝视你的美 认识夜间灯光 广州地理科普公共平台项目广州地理科普公共平台项目 在漆黑的夜 你可知道地球的样貌 在漆黑的夜 你可知道地球的样貌 2015 5 8 2 随着人类工业文明的发展 电力把光明带到了每家每户 也照亮了我们的夜空 随着人类工业文明的发展 电力把光明带到了每家每户 也照亮了我们的夜空 夜间灯光夜间灯光夜间灯光夜间灯光 夜里夕阳西落 灯火将展现它最璀璨夺目的一面 有人活动的地方 就 有灯火的存在 夜里夕阳西落 灯火将展现它最璀璨夺目的一面 有人活动的地方 就 有灯火的存在 夜里 各种灯光充斥在城市里的各个角落 并且以夜里 各种灯光充斥在城市里的各个角落 并且以30万公里万公里 秒的速度 在城市间反射着 折射着 并 逸散 在空气中 秒的速度 在城市间反射着 折射着 并 逸散 在空气中 与声音相比 光在空气传播的过程中能量衰减得要慢得多得多 这使得 即使在 与声音相比 光在空气传播的过程中能量衰减得要慢得多得多 这使得 即使在800公里远的高空中依然能接收到人类城市所 逸散 的灯光 公里远的高空中依然能接收到人类城市所 逸散 的灯光 2015 5 8 3 夜班飞机下的城市夜班飞机下的城市 夜空中的 亮光 美国美国Defense Meteorological Satellite Program DMSP 国防气象卫星计 划 国防气象卫星计 划 第一颗卫星发射于第一颗卫星发射于1976年 运行在近极地太阳同步轨道 扫描带宽为年 运行在近极地太阳同步轨道 扫描带宽为3000km 周期为 周期为101分钟 卫星每天可绕地球分钟 卫星每天可绕地球14圈 圈 夜空中的 亮光 DMSP系列卫星的发射目的主要 系列卫星的发射目的主要 云图监测 以获得云的分类信息 云图监测 以获得云的分类信息 强风监测 以改善风暴 旋风等预报 强风监测 以改善风暴 旋风等预报 海况监测 为海军行动保障提供信息 海况监测 为海军行动保障提供信息 微光监测 允许可见光传感器在夜间工作 微光监测 允许可见光传感器在夜间工作 2015 5 8 4 夜间灯光数据 DMSP携带的携带的OLS Operational Linescan System 传感器每天都能获取覆盖 全球的黑夜和白天的图像 夜间灯光信息是通过卫星传感器在对应区域的夜 间获得 传感器每天都能获取覆盖 全球的黑夜和白天的图像 夜间灯光信息是通过卫星传感器在对应区域的夜 间获得 在夜间工作时对可见近红外光高度敏感 其量级是普通传感器的 倍 在夜间工作时对可见近红外光高度敏感 其量级是普通传感器的 倍 DMSP OLS在夜间工作在夜间工作 能够探测到城市灯光 小规模居民点 交通道路 车 流 火光 渔船灯光等发出的低强度灯光 能够探测到城市灯光 小规模居民点 交通道路 车 流 火光 渔船灯光等发出的低强度灯光 卫星传感器能探测城镇灯光等发出的电磁波因此逐渐被应用于检测城市的夜 间灯光反映夜间人类活动 卫星传感器能探测城镇灯光等发出的电磁波因此逐渐被应用于检测城市的夜 间灯光反映夜间人类活动 夜间灯光数据 由于地球自转 这张测绘地图里的数据不是在同一时间获取的 也不可能在同一时间获得 而是在某个时间段内将各个特定时 间点测定的地球夜半球灯光数据汇总整理获得 由于地球自转 这张测绘地图里的数据不是在同一时间获取的 也不可能在同一时间获得 而是在某个时间段内将各个特定时 间点测定的地球夜半球灯光数据汇总整理获得 夜间灯光数据 全球夜间灯光影像数据分辨率全球夜间灯光影像数据分辨率1km 每个像元亮度值为每个像元亮度值为26 64个 用个 用0 63表 示 数值越大 表示亮度越高 表 示 数值越大 表示亮度越高 DN 0 63 2015 5 8 5 全球夜间灯光 由苏奥米国家极轨伙伴卫星 Suomi NPP 在2012年4月的9天和10月的13天 共绕轨312圈获得的数据制作的 芝加哥 纽约 旧金山 洛杉矶 2015 5 8 6 珀斯 布里斯班 墨尔本 悉尼 新德里 加尔各答 海得拉巴 班加罗尔 开罗开罗 2015 5 8 7 伦敦 柏林 巴黎 马德里 夜间灯光 有什么用 电力消费监测 城镇扩展监测 城市化水平研究 人口 GDP 碳排放量估计 光污染监测 战乱影响监测 电力消费监测 电力是现代社会发展不可或缺的生产 生活资料 在国民经济和社会发展中具有很 高的地位 对于维持经济快速发展和改善人民生活具有重要的保障作用 2 电力消 费量是某地区一定时间段内国民经济各部门和城乡居民实际耗用的电量 是定量衡 量区域电力消费状况的一个基本指标璀璨的灯光需要大量的电力来支撑 所以以地 区的夜间灯光来监测地区电力的消费情况 中国大陆1995 2008年电力消费格局中国大陆1995 2008年电力消费量 2015 5 8 8 1995年 2008年中国大陆电力消费动态 中国大陆1995 2008年电力消费量呈现出比较明显的增长趋势 电力消费量 增长趋势区域的面积为4923708km2 占全国总面积的比例为64 00 在各 种变化类型中占绝对的主导地位 各电力消费级别区面积占全国总面积百分比高级电力消费区面积在3大经济内分布比例 电力消费 各国电力消耗排名 前十 电力消费城镇扩展监测 灯光主要集中在城镇 因为城镇商业比较发达 灯光较其他地区更为的辉煌 而郊区因人流较少 商业规模较少 而且随着城镇规模的扩展 道路 住宅 等也会向外围扩张 因此可通过灯光来监测城镇的拓展 广东省夜间灯光分布广东省高级公路分布 2015 5 8 9 19921995 19982000 20032005 20082010 基于灯光数据人口 GDP估计 前文提到 有人的地方就有灯火 相反 有灯火的地方就有人 而且这种关 系是正相关的 所以可以用灯光的强弱来表示人口的多少 地区GDP的高低与很多因素有关 与人口 商业 能源结构等等均有密切 的关系 如 珠三角地区夜间灯光面积 强度比周边地区更大 与人口 GDP的分布情况基本符合 珠三角地区夜间灯光分布 2015 5 8 10 基于灯光数据的人口空间化 主要数据 夜间灯光数据 第6次人口普查统计数据 Landsat TM ETM 数据 主要运用方法 建成区提取 EBBI 建筑物与裸地增强指数 法 人口空间化 依据夜间灯光数据与人口数具有较好的相关性 运用夜间灯光数据的强弱及分布表达人口的空间特征 人口数与夜间灯光数据拟合 研究结果表明 我国大陆沿海各区县人口数量与夜间灯光强度 有着很好的相关性 可以此来对海岸带人口进行空间化处理 不同数据支持下的人口空间分布 基于夜间灯光和土地利用数据的GDP空间化 夜间灯光数据在不同的土地利用类型上对 的贡献不同 例如城镇用地 和农村居民点这两种土地类型上相同的灯光值代表着不同的 值 本研究中第一产业基于土地利用数据建模 第二 三产业通过计算像元级各 土地利用类型上的灯光参数 再统计县级各土地类型的灯光参数再以县级的 土地灯光参数与分产业统计数据为样本进行逐步回归分析 建立不同经济区 的回归模型 2015 5 8 11 空间化技术流程 结合 空间化技术流程利用 模型估算可得两种 空间化结果 一 种是基于土地利用数据和夜间灯光数据 通 过 空间化模型来模拟 空间分 布 这种模型精度可能不高 但不失为一种 快速获得大范围经济空间分布情况的方法 另一种是基于土地利用数据和夜间灯光数 据 结合县级统计数据将模拟的 空间 化结果线性调整为县级尺度零误差的 空间分布图 从而获得高精度的 空 间密度结果 2005年中国夜间灯光遥感图 左 与GDP密度图 右 基于灯光数据的能源消费碳排放特征提取 基于DMSP OLS夜间灯光影像实现了1992 2010年以市级为基础单元的我国 碳排放估算 弥补了统计数据不全 统计口径不一的缺点 据统计 2000年以来中国CO2排放量年均增速达10 左右 2008年碳排放 总量达83 25亿t 超过美国成为世界第一碳排放大国 巨大的排放总量和较 高的增速 使中国面临着巨大的减排压力 由于人类活动是碳排放的主要来源 而DMSP OLS夜间灯光影像恰能有效地 反映人类活动强度 因此 DMSP OLS夜间灯光影像可用于碳排放量的估算 这一结论已被国外学者证明 研究区域 2015 5 8 12 通过一系列计算得到碳排放总量时空分布图 1992年 2002年 通过一系列计算得到碳排放总量时空分布图 2005年 2010年 1992 2010年全国CO2排放总量增长等级图 利用DMSP OLS夜间灯光影像能有效估算我国市级CO2碳排放总量 具有 独特的时空连续性 弥补了传统统计数据不全 统计口径不一的缺点 是一 种可靠的新型碳排放监测手段 2015 5 8 13 环境 光污染 监测 光污染可以说是与夜间灯光关系最为密切的一项污染指标 夜间灯光越强的 地区 光污染越严重 所以以夜间灯光来监测光污染比较的科学和便捷 京津唐地区夜间灯光分布美国东海岸北部夜间灯光分布 光污染 光污染泛指影响自然环境 对人类正常生活 工作 休息和娱乐带来不利影 响 损害人们观察物体的能力 引起人体不舒适感和损害人体健康的各种光 光污染 我国光污染分布我国夜间灯光分布 夜间灯光与军事评估夜间灯光与军事评估 叙利亚2011年 左 与2014年 右 夜间灯光数据 利用夜间灯光评价叙利亚危机利用夜间灯光评价叙利亚危机 2015 5 8 14 2008年到2014年叙利亚的夜间灯光总数 战争对人类活动的影响 当危机爆发时 通过夜间灯光展示了叙利亚和其所有省市都呈现了一个明 显的衰落 绝大部分的地区因为战争而失去了超过60 的