主要发现
相关性提升
最佳区间的灯光辐射总值与省、市两级各种不同类型的社会参数的相关性显著提高，相关系数平均分别提高了0.06和0.08。
参数覆盖
一些与区域灯光总值无明显相关性的社会参数，与最佳区间的区域灯光总值表现出较强的相关性，拓展了夜光遥感的应用范围。
时间稳定性
大部分社会参数的最佳灯光辐射强度区间比较稳定，随时间变化波动较小，表明该方法具有较好的时间一致性。
行业差异性
各行业社会参数的最佳灯光辐射强度区间表现出明显的差异性与层次性，有助于更深入地分析参数与夜间灯光之间的关联关系。
研究方法
特定灯光辐射强度区间的灯光辐射总值 (TRSI)
本文以区域灯光总值TDN为例，建立特定灯光辐射强度区间的灯光辐射总值(Total Light Radiation in Specific Interval, TRSI)，其计算公式如下：
TRSI[a,b) = ∑i=1n_interval DNi, DNi ∈ [a,b)
式中：TRSI[a,b)为NPP-VIIRS影像在特定辐射强度区间[a,b)的灯光辐射总值；n_interval为NPP-VIIRS影像在为辐射强度区间[a,b)内的非零像元数量；DNi为辐射强度区间[a,b)内第i个像元的像元值。
数据来源
NPP-VIIRS夜间灯光数据
使用Elvidge团队制作的V2版NPP-VIIRS夜光影像，覆盖时间范围为2012-2020年，数据来源于美国科罗多矿业学院网站。
- 地理坐标系为GCS_WGS_1984
- 投影变换为albers等积投影
- 重采样为500m空间分辨率的栅格数据
- 将栅格影像中存在的负值转为零
社会参数数据
社会参数数据均来源于中国国家统计局，包括省级和市级两个空间尺度。
- 省级尺度：39项参数，围绕居民消费、公共交通、医疗、经济等方面选取
- 市级尺度：24项参数，包括国民经济核算、人口和就业、财政和金融等类别
- 时间跨度：2012-2020年的年度数据
研究结果
省级尺度相关性分析
在省级尺度的39种社会参数中，因居民消费价格指数与TRSI、TDN均未通过显著性检验（P<0.01），所以仅围绕其余38项社会参数展开讨论。
相关系数结果
| 社会参数 | TDN相关系数均值 | TRSI相关系数均值 | 差值 |
|---|---|---|---|
| 高速等级公路里程 | 0.51 | 0.70 | +0.19 |
| 餐饮业企业营业额 | 0.62 | 0.77 | +0.15 |
| 医院个数 | 0.67 | 0.82 | +0.15 |
| 外商投资企业进出口总额 | 0.76 | 0.90 | +0.14 |
| 电力消费量 | 0.95 | 0.97 | +0.02 |
| 平均 | 0.81 | 0.87 | +0.06 |
最佳灯光辐射强度区间示例
| 社会参数 | 最佳灯光辐射强度区间 |
|---|---|
| 农作物总播种面积 | [0,1) |
| 粮食产量 | [0,1) |
| 公路里程 | [0,1) |
| 铁路营业里程 | [0,1) |
| 医疗卫生机构个数 | [0,2) |
| 高速等级公路里程 | [0,3) |
| 外商投资企业进出口总额 | [24,34) |
| 餐饮业企业营业额 | [32,34) |
市级尺度相关性分析
在市级尺度的24个社会参数中，道路交通等效声级和环境噪声等效声级这两项参数在部分年份与TRSI和TDN均未通过显著性检验，第一产业增加值、商品房销售面积、旅客运输量在部分年份与TDN未通过显著性检验，但是与TRSI均存在显著相关性。
相关系数结果
| 社会参数 | TDN相关系数均值 | TRSI相关系数均值 | 差值 |
|---|---|---|---|
| 普通本专科在校学生数 | 0.41 | 0.55 | +0.15 |
| 年末户籍人口 | 0.56 | 0.74 | +0.18 |
| 医院个数 | 0.57 | 0.75 | +0.18 |
| 社会消费品零售总额 | 0.87 | 0.91 | +0.04 |
| 地区生产总值 | 0.89 | 0.93 | +0.05 |
| 平均 | - | - | +0.08 |
最佳灯光辐射强度区间示例
| 社会参数 | 最佳灯光辐射强度区间 |
|---|---|
| 第一产业增加值 | [0,1) |
| 年末户籍人口 | [0,6) |
| 医院数 | [0,6) |
| 社会消费品零售总额 | [19,20) |
| 地区生产总值 | [19,20) |
| 第三产业增加值 | [19,20) |
| 地方一般公共预算支出 | [23,28) |
| 地方一般公共预算收入 | [26,28) |
案例分析
武汉市夜光遥感与光学遥感影像对比
图1(a)为武汉市2021年的NPP-VIIRS年度中值影像，图1(b)为高分一号2021年8月13日获取的自然真彩色光学遥感影像。
从图中可以看出城市核心商业区域和机场的灯光最亮，辐射值超过了40。城市居民区、工业区和公共基础设施区域的灯光其次，辐射范围在[8,40]，广大农村区域的灯光最弱，辐射值在8以下。
- 商业区：红色区域，灯光辐射最强
- 城市基础设施：黄色区域，灯光次强
- 居民区：黄色区域，灯光次强
- 农村区域：深蓝色区域，灯光最弱
图1 武汉市夜光遥感和光学遥感影像对比
结论与展望
主要结论
TRSI考虑了灯光的异质性，与各项社会参数在特定的灯光辐射强度区间有着显著的相关性；与传统的夜间灯光指数TDN相比，增加了能与夜间灯光指数建立联系的社会参数数量，显著提高了夜间灯光指数与社会参数之间的相关性。
各行业社会参数的最佳灯光辐射强度区间与该参数对应的人类活动区域的灯光辐射强度密切相关，表现出明显的差异性与层次性。通过分析参数的最佳灯光辐射强度区间，可以更深入地理解该参数与具体灯光辐射强度区域内人类活动特征及其对应的夜间灯光的关联关系。
分析参数的最佳灯光辐射强度区间与夜光遥感数据的背景噪音强度的关系，可以有效地评估该夜光遥感数据应用于该参数分析时受背景噪音干扰的程度。
研究展望
社会经济参数数量众多，本文无法将所有参数都进行分析，未来可以扩大参数选择范围，进行更全面的研究。
对夜间灯光辐射强度的划分可以更加精细，分析也可以扩展到更多空间尺度和时间尺度，探索非线性相关关系。
将NPP-VIIRS数据与DMSP-OLS等其他夜光遥感数据的有效整合，可以建立更长时间序列的夜光遥感数据集，更好地分析各社会参数最佳灯光辐射强度区间随时间的变化规律。
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