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【北京日报】卫星遥感揭秘全球夜光
时间:2018-10-31

  据中国科学院消息,中科院空天信息研究院中国遥感卫星地面站博士江威等首次利用国产“珞珈一号”夜光遥感卫星数据,开展了夜光污染调查工作,未来结合地面调查数据,可开展全球高分辨率夜光污染制图研究。本版特约研究者向读者介绍有关情况。 

上世纪70年代开始夜光遥感监测  

    随着社会经济的发展,夜间照明设施逐渐普及。夜晚灯光的强弱,直接彰显了人类活动区域的发达程度。基于这个特点,夜光遥感的作用开始凸显。 

    简单地说,夜光遥感就是利用遥感技术从太空观测夜间地球的光芒。夜光遥感最早起源于上世纪70年代美国军事气象卫星计划,该计划的初衷是希望捕捉夜间云层反射的微弱月光,从而获取夜间云层分布信息,但意外发现该卫星可以捕捉到无云情况下夜间城市区域发光。科研人员意识到了这一作用,通过对每天卫星采集的影像进行合成处理,研制出了无云的夜光遥感数据,这个数据被全球的科学家广泛应用,从而促使夜光遥感逐渐成为遥感领域发展活跃的一个分支。 

  世界上第一颗夜光卫星(DMSP-OLS)是由美国国防部主导发射,而后该系列卫星一直延续到2013年,提供了迄今最长时间序列(1992-2013年)的年度夜光遥感数据。随着NPP-VIIRS卫星2011年发射成功,该卫星能够获取新的夜光遥感影像,空间分辨率也提高到500米左右,而且发布了月度合成产品。这两个夜光数据由美国海洋大气局开展处理分发,并免费开放获取,这样就促使更多科学家加入到了夜光遥感研究中,并不断拓展其应用领域。 

  除了这两套夜光遥感数据,美国、阿根廷、以色列等国的卫星及国际空间站也能获取夜光遥感卫星数据,但这些数据较少,且不易获取。 

  近年来我国频频发射夜光遥感卫星,突破了夜光遥感数据源依赖国外的局面,其中“吉林一号”是国内首颗能够获取夜光影像的商业卫星,其分辨率可达到亚米级,而今年6月成功发射的“珞珈一号”是我国首颗专业夜光遥感卫星,理论上15天就能获取一期全球较高分辨率的夜光影像。 

 

全球夜光分布图

 

夜光遥感影像直接彰显人类活动  

  相比于大多数白天成像的可见光卫星和雷达卫星,夜光遥感卫星通过获取地表发射的可见光-近红外电磁波信息,主要反映的是地表人类活动状况,最主要的是人类夜间灯光照明,同时也包括石油天然气燃烧、海上渔船灯光、森林火灾以及火山爆发等来源。相比于普通的遥感卫星影像,夜光遥感能够提供以人类活动为中心的独特视角,能够直接揭示地表人类活动的潜在规律,因此在社会科学领域有广泛的应用。 

  例如,科研人员利用夜光遥感影像所直观反映的社会经济发展差异,进行社会经济参量估算。利用DMSP-OLS时序夜光遥感合成全球夜光图,其中白色亮区为经济发展水平较高区域,而黑色则是经济发展水平较低或者无人类居住区。从图上可直观看到,北美、欧洲、印度、中国和日本的夜光亮度较大,反映出经济发展水平较高,而南美、非洲、中亚大部分区域则处于黑暗中,整体经济水平较低。由此,科学家利用夜光数据开展了较多社会经济参量估算,如人口、GDP、能源消耗、碳排放、货运量和贫困度。使用夜光遥感数据估算社会经济参量,具有空间细节丰富、时效快和统计口径一致等优势。 

  城市监测是夜光遥感的典型应用领域。由于城镇在夜间利用照明设施发出亮光,夜光遥感能够有效捕捉灯光辐射信息,中国遥感卫星地面站的科研人员利用夜光遥感影像能够快速重建“一带一路”沿线国家城市化过程。利用多时相合成的“一带一路”地区夜光遥感图,白色表示夜间灯光不变区,红色表示夜间灯光扩展区,蓝色和绿色表示夜间灯光下降区。从该图可以看出,日本和西欧发达国家夜间灯光较稳定,而中国、印度以及东欧发展中国家夜间灯光呈明显增长趋势。利用夜光遥感可直观反映城市化空间扩展过程,有助于分析城市群和城市空间结构演化规律。此外,利用历史时序数据可重建过去20年“一带一路”沿线国家城市化发展历程,为沿线国家城市化规划和区域城市网络体系发展提供科学支撑。 

  中国遥感卫星地面站的科研人员还利用夜光遥感影像评估战争危机等。例如也门战争发生后,导致夜光发生骤变。通过时序夜光遥感数据挖掘分析也门战争前后的夜光变化,可以发现夜光下降明显。通过定量化分析,也门战争前后夜光总值减少了7成,其中下降幅度最大是在20153月到4月,该时间与沙特空袭也门时间(2015326日开始)一致,下降区域主要位于中东部省份。通过夜光遥感能够客观准确评估战争造成也门人道主义危机的范围和程度,有助于国际社会开展援助。 

 

“一带一路”沿线夜光合成图

 

夜光污染问题不可忽视  

  随着全球城市化进程加快,城市夜间照明设施快速发展,为城市居民生活和出行带来了极大方便。但与此同时,整夜被灯光所笼罩的“不夜城”,也将导致不可避免的夜光污染,不仅造成了能源的浪费,还会对人类健康、动植物的栖息繁殖和天文观测等活动造成一定的负面影响。有调查表明,过度夜光照射可能增加人类健康风险,并可改变动植物生长习性等。例如可能增加乳腺癌、前列腺癌发病风险,可能改变海龟的繁殖习惯和影响鸟类飞行轨迹。夜光遥感影像为健康风险评价提供了科学数据。 

  中国遥感卫星地面站卫星数据深加工团队在国内较早开展了利用夜光遥感监测夜光污染的工作。研究发现,全球夜光污染主要在北半球中高纬度,东亚、欧洲和北美是夜光污染高值区。亚洲和南美洲在近20年夜光污染增速较快,全球大部分国家夜光污染在增加,部分国家如美国、乌克兰和叙利亚夜光污染处于下降趋势。 

  中国夜光污染高值主要集中在经济发达地区,但经济欠发达地区夜光污染增长速度较快,中国东西部夜光污染差异性较大。 

  保护区建设对于生态多样性和生态系统可持续发展具有重要意义,现有研究表明夜光污染会直接或间接影响生态系统。因此,该团队调查了中国保护区夜光污染变化特征,发现我国超过一半的保护区有夜光污染增加趋势,主要集中于华东、华中地区和西部局部地区;41%的保护区属于稳定夜光污染或无夜光污染,而高增长高密度夜光污染的保护区占所有保护区的9%。结合高分辨率光学卫星遥感数据和社会经济统计数据,发现中国保护区夜光污染增加主要因为矿产开发、旅游发展和临近城市。这项工作的开展有助于了解目前我国保护区夜光污染现状,并为今后保护区的夜光污染防范和治理提供科学支撑。 

  

延伸阅读  

“珞珈一号”能捕捉更细微夜光空间信息  

  中国遥感卫星地面站卫星数据深加工团队率先利用最新国产“珞珈一号”数据开展了夜光污染应用潜力研究。通过研究发现,“珞珈一号”与NPP-VIIRS空间一致性较高,但“珞珈一号”能够观测捕捉到更为细微的夜光空间信息。夜光污染在不同土地利用类型的平均亮度差异较大,其中高污染主要位于商业服务区、机场和工业区等,而夜光较少的地区主要是农田、水库和农村居民点,城市道路的夜光污染则是距离道路越远越显著下降。通过对武汉、首尔、海法和墨西哥城4个城市夜光污染格局的调查,发现首尔夜光高值区大于墨西哥城,武汉和海法夜光污染面积较小,结合社会经济数据,发现夜光污染面积与国民生产总值呈正相关。这项研究有助于为相关领域科学家应用“珞珈一号”数据开展研究提供参考。 

  尽管科学家利用夜光遥感技术在夜光污染调查和夜光污染对人类和自然界动植物影响评估方面开展了较多研究,但目前夜光遥感数据分辨率粗,定量化程度还不够高,一定程度上影响了评估的精度。另外,夜光污染的风险阈值还缺乏大量的实证研究,未来需要结合卫星遥感观测和地面调查开展夜光污染定量风险评估研究,并探索夜光污染对人类和自然界动植物的影响机理。通过相关研究,可为城市基础照明设施建设提供科学合理建议,在服务好城市居民生活的同时,也守护好城市夜空的宁静。 

  (来源:北京日报 20181031 版次:13 作者:江威

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