基于DMSPOLS遥感数据的灯光指数计算及其与经济指标的关系分析

 摘 要
针对省域小尺度资源环境研究领域对空间型社会经济数据的需求，基于 DMSP／OLS 遥感数据，通过 GIS 软件，计算灯光指数分析ft东省各市生产总值、第一产业、第二产业和第三产业分别与夜间灯光指数的相关性。由于夜间灯光直接反映了人类活动的规律，夜光遥感在社会经济空间数据挖掘展示了独特的魅力。这些研究由传统的城市范围制图已经逐渐扩展到社会经济参数估算、区域发展、重大事件评估、健康和生态研究等多个领域。对于社会经济参数估算和区域发展研究而言，已经由夜光遥感－社会经济参数的关系研究升华到基于夜光数据的社会经济参数估算，可为今后经济决策和产值估算提供一定的依据。总结了 DMSP/OLS 夜间灯光数据在应用中的优越性与局限性, 最后对其未来应用方向进行了展望。
论文主要完成的工作有：
1、阐述市级灯光指数建立与统计的基本原理与基本方法。
2、建立并计算市级灯光指数，进行灯光指数与 GDP 统计数据的回归分析，建立 2012 年灯光指数与 GDP 统计数据回归模型。
3、对 GDP 模拟值与统计值进行比较分析，得出结论。
4.计算 GDP 密度，制作 2013 年 GDP 密度分布图。
本文是对灯光指数计算及其与经济指标的关系分析的实践，其成果对经济决策和产值估算提供一定的依据。

关键词：夜间灯光数据；灯光指数；回归模型；GDP 密度；相关性

目 录

1引言 1
1.1基础知识介绍 1
1.2研究目的及意义 4
1.3国内外研究现状 5
1.4研究的主要内容 7
1.5研究采取的技术路线 9
2研究区域及数据获取 9
2.1研究区域概况 10
2.2夜间灯光影像 11
2.3各产业 GDP 数据 13
3灯光指数的计算及其关系模型的建立 15
3.1灯光阈值的选取方法 16
3.2灯光指数的计算 17
3.3灯光指数与 GDP 统计数据的回归分析 20
3.42013 年各地市分产业生产值预测及精度模拟 22
4GDP 统计数据空间化 24
4.1GDP 密度图的制作 24
4.2GDP 密度图分析 24
4.3空间化结果精度检验 25
5结论与展望 27
5.1主要成果 27
5.2设计过程中主要问题及解决方案 27
5.3研究不足及应用展望 29
参考文献 31
致谢 34
附录 35

1.1.1 统计数据空间化

1 引言
1.1基础知识介绍

统计数据空间化是利用适宜的指标系统和模型方法反演一定时间、空间中的统计数据空间分布状态的过程，其实质就是在区域范围内建立连续的统计数据。随着社会科学的发展，传统的 GDP 统计数据并不能满足资源环境研究领域对空间型社会经济数据的需求。对于省域小尺度的研究更是缺乏空间数据的支持，很多省份仍局限于行政单元的均值统计形式，无法反映全省 GDP 宏观分布，限制了省级层面的经济决策和产值估算。为解决该问题，有必要研究省域社会经济统计数据空间化问题[1-4]。
1.1.2DMSP 卫星介绍
DMSP(Defense Meteorological Sate-lite Program)是美国国防部的极轨卫星计划，与 NOAA 卫星同属于一类，只不过星上载荷不同。现有 DMSP 为三轴姿态稳定卫星，运行在高度约 830km 的太阳同步轨道，周期 101min，扫描条带宽度 3 000km。DMSP 卫星采用双星运行体制，两颗业务卫星同时运行，过赤道时间为 05∶36 及 10∶52，每 6h 可提供一次全球云图。该计划自 1965 年 1 月 19 日发射第 1 颗卫星，至今共发射 7 代 40 多颗卫星。2009年 10 月 18 日发射的是 DMSP F-18 Block 5D-3，后续将发射 2 颗，即 DMSP 5D-3F19~5D-3F20。
DMSP 卫星的发射目的：
1.云图监测，以获得云的分类信息；
2.强风监测，以改善风暴、旋风等预报；
3.海况监测，为海军行动保障提供信息；
4.微光监测，允许可见光遥感器在夜间月光下工作。

DMSP 卫星发展已经历了 7 代，经不断改进，卫星质量由 125kg 增加到
830kg，遥感器由 1 台增加到 7 台。目前在轨卫星有第 6 代 5D-2——F6~14
和第 7 代 5D-3。
星上遥感器功能如下：
1.OLS(可见红外成像)线性扫描业务系统——测量云层分布、云顶温度及地面火情等；
2.SSM/T-2(微波辐射计-2) ——测量大气水汽廓线；
3.SSM/T(微波辐射计) ——测量大气温度廓线；
4.SSM/I［微波成像(辐射)计］——测量降水、液态水、冰覆盖和海面风速等；
5.SSJ/4——质子电子密度探测仪；
6.SSB/X2——γ和 X 射线探测仪；
7.SSI/ES——离子电子密度探测仪；
8.SSM——磁力计。
DMSP 气象卫星在现代战争中的作用日益明显。例如，用高级 KH-11 侦察卫星拍摄南联盟重要军事目标或出动飞机轰炸科索沃的要塞之前，要知道那里的云层情况；空袭用的导弹、命中精度也与大气的温度、压力和风速等密切相关。所以 DMSP 已成为美国从空间获取战略目标和作战地区气象情报的重要手段。
1.1.3传感器介绍
1.OLS
OLS(operational line-scan system，简写为 OLS)是 DMSP 卫星的主要遥感器之一，主要用于测量云层或陆地的反射和发射特性，经解译得到云总量、频度和类别。
OLS 可见光波段使用 2 套探测器，白天使用光学望远镜头，入瞳单位

波长辐亮度为 10-3~10-5W/cm2srμm，垂直精度有 0.55km 和 2.7km 两档；夜间使用光学倍增管(PMT)，该探测器灵敏度极高，可以在微弱的月光下工作，入瞳单位波长辐亮度允许低至 10-5~10-9W/cm2srμm，垂直精度
2.7km。
OLS 红外波段使用 1 套光学望远镜头。探测通道为 0.4～1.1μm 和 10.0～
13.4μm，空间分辨率 0.5km。
2.SSM/T-2
它用于测量大气湿度廓线，功用与 NOAA 上的 AMSU/B 相同，波段设置也与 AMSU/B 基本相同，不同的是刈幅和分辨率。SSM/T-2 的刈幅和分辨率分别为 1 500km 和 45km，而 AMSU/B 的则为 2 200km 和 15km，所以性能指标不如 AMSU/B。
3.SSM/T
它用于测量大气温度廓线，功能与 NOAA 上的 AMSU/A1 相同，波段设置与 AMSU/A1 相似，但波段数 7 个，故比 AMSU/A1 要少，后者为 13 个波段。SSM/T 的刈幅和分辨率分别为 1 500km 和 174km，不如 AMSU/A1，后者为 2 200km 和 50km。
4.SSM/I
它是 DMSP 卫星的主要仪器之一，用于测量大气、海洋和陆地微波亮温，从而解译得到大气水汽含量、液态水、降水、海面风速、海冰覆盖和陆地湿度等。
1.1.4 灯光指数
灯光指数CNLI 即去除噪声后，某区域内灯光斑块的平均相对灯光强度(I)与灯光斑块面积占区域总面积比(S)的乘积。所谓区域相乘灯光指数，实际上就是指该区域内灯光像元总亮度值与最大可能亮度值（对本文来说就是区域内所有像元灰度值都等于 63 的情况)之比[7]。

1.2研究目的及意义
随着经济社会发展，夜间照明设施逐渐普及，人类已经逐步摆脱了黑暗的夜间生活。如果从太空观测夜间无云时的地球，可以发现人类聚居区和经济带发出夺目的光芒。鉴于夜光遥感影像的独特魅力，著名的谷歌地球软件（Google Earth）已经将夜光影像作为影像层之一。公众可以欣赏不同经济带的夜景来比较不同区域的发展水平，而科学工作者可以对这些影像进行数据挖掘从而发现社会和自然规律。相比于普通的遥感卫星影像，夜光遥感影像更多地反映人类活动，因此它在社会科学领域得到了广泛的应用。始于 20 世纪 70 年代的美国军事气象卫星计划 DMSP 的线性扫描业务系统 OLS 的设计初衷是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，然而科学家们意外的发现 DMSP/OLS 可以捕捉到无云情况下的夜间城镇等发光，这就是夜光遥感的起源。至今，已经有包括 DMSP/OLS、国际空间站（ISS）等对地观测传感器可以获取地球夜间的可见光和近红外波段的影像。
夜光影像不仅可以反映夜间城镇灯光，还可以捕捉到夜间渔船、天然气燃烧、森林火灾的发光等，因此广泛地应用于社会经济参数估算、区域发展研究、重大事件评估、渔业监测等诸多研究领域。下面将对这些研究领域分别进行介绍和归纳。值得注意的是，虽然夜光遥感影像的来源已经由传统的 DMSP/OLS 影像拓展到多源夜光影像，但 DMSP/OLS 影像具有历史
存档数据丰富、空间覆盖范围广等优势，因此大多数夜光遥感的研究仍然
是基于这类影像开展的。
由于夜间灯光直接反映了人类活动的规律，夜光遥感在社会经济空间数据挖掘展示了独特的魅力。近年来，随着夜光遥感数据可得性的逐渐增强， 特别是美国国家地球物理数据中心（ NGDC） 公布了近 20 年来的

DMSP/OLS 夜光影像，围绕该数据进行空间数据挖掘的研究进入了快速发展阶段。这些研究由传统的城市范围制图已经逐渐扩展到社会经济参数估算、区域发展、重大事件评估、健康和生态研究等多个领域。对于社会经济参数估算和区域发展研究而言，已经由夜光遥感－社会经济参数的关系研究升华到基于夜光数据的社会经济参数估算。随着夜光遥感的深入发展，夜
光遥感由社会科学领域渗透到了医学、生态等自然科学领域[6]。