夜间灯光遥感数据获取与处理

2019年5月15日

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1.夜间灯光遥感数据概述：

夜间灯光遥感数据主要来自于由美国国防气象卫星搭载的可见光成像线性扫描业务系统（DMSP/OLS）和国家极轨卫星搭载的可见光近红外成像辐射仪（NPP/VIIRS）获取的夜间灯光影像数据源。

DMSP/OLS数据
DMSP/OLS数据源自由美国国防气象卫星Defense Meteorological Satellite Program（DMSP）搭载的Operational Linescan System（OLS）传感器获取的全球夜间灯光数据。夜间灯光数据在1992年以前主要是照片，1992年之后才有数字产品。
稳定夜间灯光数据灯光亮度值在0～63之间，其空间分辨率为1km×1km，坐标为WGS1984地理坐标，并且该数据是消除了闪电、天然气燃烧、火光和渔船等偶然灯光后对全年可见光和NVIR通道灰度值进行直接平均化处理得到的。
NPP/VIIRS数据
2013年初，NPP/VIIRS夜间灯光数据发布，与DMSP/OLS相比具有更高的空间分辨率（750m×750m）和更广泛的辐射探测范围。

需要注意的是：
自1992年以来获取夜间灯光数据的卫星有多颗，根据多位学者对1992年—2013年中国地区夜间灯光数据的统计分析，发现不同卫星所得数据间存在明显差异，不能直接进行纵向分析，需要进行预处理。
另外因为夜间灯光数据存在一定的灯光溢出效应，所以探测到的灯光分布区范围往往要大于实际区域。

1.1 数据获取

数据下载网站：
1992年——2013年DMSP-OLS数据：https://www.ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html
该系列数据是由F10、F12、F14、F15、F16、F18多颗卫星获取，根据自己需要下载其中任意年份任意一颗卫星的数据即可。

2012年——2019年NPP/VIIRS数据：https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html
该系列数据没有做全年话处理，数据是以月份为单位获取的。

2010年DMSP-OLS数据、2013年——2019年NPP/VIIRS数据：https://www.lightpollutionmap.info
在网站页面右上角可以选择数据年份，在左上角可以根据需要画取范围，进行数据下载。

1.2 数据应用方向

夜间灯光数据作为能反映人类经济活动的数据集,备受关注。
目前主要应用于城市发展、人口密度模拟、能源气体排放、电力消耗、海洋渔业、人类活动及效应、经济发展水平和生态环境等领域。随着研究的深入,不断开启新兴研究领域,战争检测、植被净初生产力估计以及贫困估计等。同时夜间灯光数据与其他遥感数据开始紧密结合,在生态坏境监测方面的应用也日益加深。

2.DMSP/OLS夜间灯光数据的处理

2.1 DMSP/OLS夜间灯光数据处理方法

DMSP/ OLS夜间灯光数据的处理主要在于数据阈值的确定，也就是数据灯光亮度值的确定。

夜间灯光数据的处理主要采用的方法是参考比较法。
此方法是设定一系列灯光阈值，将基于该灯光阈值提取出的城市建成区面积与政府发布的统计数据中建成区面积进行对比，把误差最小时的阈值作为最佳阈值。因此使用此方法时需要确保统计数据的正确性，如果数据有错误，那么对结果会有很大影响。

还有一些其他的处理方法，比如：

经验阈值法——直接采用与自己研究区域相关的其他研究者已经做过的研究中确定的阈值，此方法虽然简单，但是缺乏足够的科学依据及稳定性。
突变检测法——该方法由Imhoff提出, 他认为真实的城市区域应该保持其几何形状的完整性,灯光值越大 ,此地被探测到的频率越高 ,属于城市区域的概率也就越大 ;在逐渐增大分割阈值的过程中 ,代表城市建成区的多边形斑块沿着边缘逐渐缩小，当分割阈值达到某一个点时, 多边形斑块区域不再沿着边缘缩小, 而是从内部破碎,分裂为很多的较小的多边形斑块 , 代表着城市建成区的多边形周长会突然增加，这个点即为提取该城市建成区的阈值点。但是此方法忽略了城市发展过程中不同区域间的差异性，并不能作为阈值设定的通用标准。
高分辨率的遥感影像辅助空间比较法——该方法由Henderson提出,是使用分辨率较高的遥感影像（例如30m高分辨率的TM影像）作为辅助数据，来实现对夜间灯光图像中城市建成区的提取。此方法比较有效，但是在一般情况下这种高分辨率的遥感图像比较难获取。

2.2 本次研究思路

处理方法——参考比较法。
灯光数据——DMSP/OLS的2013年夜间灯光数据。
参考数据——采用《中国城市统计年鉴》中的城市建设用地面积数据（市辖区面积）。
研究区域——南京市。
步骤——通过统计年鉴的数据在灯光数据中确定合适的灯光值，使≥该灯光值值的区域的面积约等于《中国城市统计年鉴》中的城市建设用地面积。

2.3 具体处理步骤

2.3.1 数据预处理

首先需要将要处理的栅格数据导入文件地理数据库中，这样在后续处理栅格文件的时候不容易出错。

通过【Spatial Analysis Tools→提取分析→按掩膜提取】工具，将南京市的市辖区范围（因为后面统计年鉴中获取的是市辖区的建设面积数据）内的灯光数据提取出来。
因为后续需要计算面积，将数据转换为投影坐标(栅格数据使用【Data Management Tools→投影与变换→栅格→投影栅格】工具进行投影变换，矢量数据使用【Data Management Tools→投影与变换→要素→投影】工具进行投影变换)。