東北地理所在Remote Sensing of Environment發(fā)表中國(guó)海岸帶夜間燈光遙感分類重要進(jìn)展
夜間燈光的強(qiáng)度往往與一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)繁榮程度和社會(huì)發(fā)展水平有關(guān)。然而,近些年大量研究表明夜間燈光可能對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來較嚴(yán)重影響。這種生態(tài)影響與夜間燈光種類密切相關(guān),其中白色LED光源對(duì)生物和環(huán)境的影響最為嚴(yán)重,其他光源如黃色LED和高壓鈉燈等對(duì)環(huán)境的影響次之;目前尚未發(fā)現(xiàn)紅色LED對(duì)自然環(huán)境有明顯不利影響,而且對(duì)植物具有一定的補(bǔ)光能力。為了更好地管理夜間燈光,對(duì)夜間燈光進(jìn)行分類和空間制圖是有必要的。
可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1號(hào)(英文簡(jiǎn)稱SDGSAT-1)是全球首顆專門服務(wù)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程的科學(xué)衛(wèi)星,也是中國(guó)科學(xué)院首顆地球科學(xué)衛(wèi)星。可持續(xù)發(fā)展衛(wèi)星攜帶了彩色微光傳感器(SDGSAT-1 GLI)開創(chuàng)了彩色微光遙感的先河,為大尺度夜間燈光分類提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。海岸帶區(qū)域是人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),光污染風(fēng)險(xiǎn)更高,為減少光污染和能源浪費(fèi),對(duì)海岸帶進(jìn)行燈光類型分類至關(guān)重要。
目前,已有研究證明不同光源類型對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響有著較大差異,但是尚沒有可靠的、適用于大范圍的夜間燈光分類方法及夜間燈光空間分布數(shù)據(jù)集。本研究以中國(guó)海岸帶為研究區(qū),以夜間燈光為研究對(duì)象,將夜間燈光歸納為白色LED (WLED)、紅色LED (RLED)和其他光源(Other,包括黃色LED、高壓鈉燈、低壓鈉燈和金鹵燈等),通過遙感手段來進(jìn)行三種光源類型分類。分類完成后,對(duì)我國(guó)海岸帶區(qū)域的照明面積、各種燈光類型面積以及各省級(jí)行政區(qū)海岸帶區(qū)域的燈光分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,為海岸帶區(qū)域夜間燈光管理提供數(shù)據(jù)支持。
圖1 夜間燈光遙感分類技術(shù)路線圖
受傳統(tǒng)日間可見光遙感啟發(fā),本研究通過分析各種光源的光功率分布曲線(光譜曲線),創(chuàng)新提出“通過構(gòu)建燈光指數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)夜間燈光分類”的新思路。例如,在三種光源中,WLED在藍(lán)光波段的相對(duì)等效輻亮度高于其他光源,RLED在紅光波段的相對(duì)等效輻亮度高于其他光源,因此可以通過構(gòu)建不同的指數(shù)來區(qū)分光源類型。本研究構(gòu)建了比值藍(lán)光指數(shù)(RBLI, 藍(lán)波段除以綠波段)和比值紅光指數(shù)(RRLI, 紅波段除以綠波段)兩個(gè)燈光指數(shù),再利用各光源的實(shí)驗(yàn)室光譜曲線來模擬分析不同光源對(duì)應(yīng)的兩個(gè)指數(shù)值,找到三類光源分類的最佳指數(shù)閾值;以此為依據(jù),形成夜間燈光的決策分類系統(tǒng)。使用構(gòu)建的分類方法對(duì)選取出的中國(guó)海岸帶有代表性的典型區(qū)域進(jìn)行分類研究,通過在這些區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查的方式進(jìn)行精度驗(yàn)證。最后,將經(jīng)過檢驗(yàn)的夜間燈光分類方案應(yīng)用于全國(guó)海岸帶區(qū)域,實(shí)現(xiàn)全國(guó)海岸帶夜間燈光分類制圖。
圖2 中國(guó)海岸帶夜間燈光分類結(jié)果(RLED為紅色LED燈光,WLED為白色LED燈光,Other包括黃色LED、高壓鈉燈、低壓鈉燈和金鹵燈等)
研究結(jié)果如下:(1)在中國(guó)沿海地區(qū),總照明面積為20517平方公里,其中陸地照明面積為20257平方公里,海洋照明面積為260平方公里;(2)白色LED燈光覆蓋了所有照明區(qū)域的67%(13727平方公里),而紅色LED燈光僅占1%(220平方公里);(3)廣東的照明面積最大(5221平方公里),白色LED燈光的比例在所有沿海省份中最高(近90%);(4)廣西、遼寧和河北的照明區(qū)域面積占研究區(qū)面積的比例相對(duì)較低。
這項(xiàng)研究首次嘗試以高分辨率彩色微光數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度夜間燈光類型分類,所提出的RRLI和RBLI兩種燈光指數(shù),以及定義的分割閾值,具有通用性和魯棒性。這項(xiàng)研究發(fā)布的照明類型圖包含了夜間燈光的空間分布和組成信息,可以為促進(jìn)中國(guó)沿海地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
該研究發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Remote Sensing of Environment》(影響因子13.50),中國(guó)科學(xué)院東北地理所賈明明副研究員為第一作者,福州大學(xué)陳佐旗副研究員、東北地理所王宗明研究員、任春穎研究員、毛德華研究員、趙傳朋特別研究助理、張蓉特別研究助理,碩士研究生曾海航,美國(guó)羅德島大學(xué)王野喬教授為共同作者。本研究得到可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國(guó)際研究中心開放研究計(jì)劃(Grant No.CBAS2022ORP06)、國(guó)家自然科學(xué)基金(42171372和42171379)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2021227)和國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.geodata.cn)的聯(lián)合支持。
論文信息: Jia, Mingming, Haihang Zeng, Zuoqi Chen, Zongming Wang, Chunying Ren, Dehua Mao, Chuanpeng Zhao, Rong Zhang, and Yeqiao Wang. 2024. “Nighttime Light in China’s Coastal Zone: The Type Classification Approach Using SDGSAT-1 Glimmer Imager.” Remote Sensing of Environment.
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