基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的全國(guó)空氣污染物時(shí)空演變研究

吳云清，陶雨婷，張?jiān)迄i，馬靜

(南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211800)

美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(defense meteorological satellite program，DMSP)搭載傳感器OLS (operational linescan system)獲取的夜間燈光遙感影像，最初被用來監(jiān)測(cè)氣象，后來由于其檢測(cè)微光的能力，使得夜間燈光數(shù)據(jù)在人口密度預(yù)測(cè)[1]、城市能源消耗[2-4]、城市等級(jí)空間擴(kuò)展[5-7]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，這也一定程度彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)較局限且部分失真的缺點(diǎn)。一些研究結(jié)果表明，夜間燈光數(shù)據(jù)能夠較好反應(yīng)城市經(jīng)濟(jì)及相關(guān)指標(biāo)的現(xiàn)狀[8-10]，因此可以作為良好的數(shù)據(jù)分析源。另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)能源消耗和環(huán)境問題逐步凸顯，公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)提高，對(duì)于個(gè)人身心健康和生態(tài)居住環(huán)境提出了新要求，空氣污染問題得到了社會(huì)各界普遍的關(guān)注[11-13]，學(xué)者們?cè)絹碓街匾曁剿骺諝馕廴痉治瞿Ｐ蚚14-16]，分析空氣污染規(guī)律變化[17-19]，研究空氣污染防治措施[20-22]。

夜間燈光影像信息被廣泛用于研究與人類社會(huì)活動(dòng)有關(guān)的場(chǎng)景，“自然因素和人為活動(dòng)共同導(dǎo)致城市空氣污染”這一觀點(diǎn)也被普遍認(rèn)可，正因鮮有研究將燈光影像數(shù)據(jù)與空氣污染相互關(guān)聯(lián)，所以不同于利用傳統(tǒng)的地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)空氣污染物分布狀況，本文嘗試?yán)脽艄膺b感大數(shù)據(jù)挖掘時(shí)空信息，意在探求大尺度長(zhǎng)時(shí)間段的空氣污染物時(shí)空演變規(guī)律。近年來，雖然DMSP/OLS數(shù)據(jù)已經(jīng)成為夜間燈光遙感研究分析中最常用的數(shù)據(jù)源，然而在大氣折射、技術(shù)設(shè)備條件、衛(wèi)星軌道參數(shù)轉(zhuǎn)換等相關(guān)一系列待解決問題的影響下，研究中尚存在數(shù)據(jù)分辨率較低、城市中心數(shù)據(jù)值飽和[23]、城市邊界存在光暈[24]等缺點(diǎn)。因此在使用夜間燈光數(shù)據(jù)前，本研究選擇對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以獲得穩(wěn)定的燈光遙感數(shù)據(jù)集，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

本文針對(duì)空氣污染物問題開展研究，以全國(guó)31個(gè)省份行政區(qū)(香港、澳門特別行政區(qū)，臺(tái)灣省數(shù)據(jù)缺省)為研究區(qū)域，借助DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，嘗試分析夜間燈光與空氣污染物之間的相關(guān)性，探討利用燈光數(shù)據(jù)調(diào)整空氣污染治理措施的可行性。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 夜間燈光數(shù)據(jù)

本研究的DMSP/OLS夜間燈光遙感數(shù)據(jù)來自于NGDC((美國(guó))全國(guó)地球物理資料中心)，該網(wǎng)站提供了長(zhǎng)期間序列(1992—2013年)夜間燈光影像。DMSP/OLS數(shù)據(jù)集里包含3個(gè)文件,其中stable_light是DMSP/OLS數(shù)據(jù)的穩(wěn)定夜間燈光影像，即年度的定標(biāo)夜間平均燈光數(shù)據(jù)。該影像中包含了城、鄉(xiāng)及其他場(chǎng)所持久光源的夜間燈光，且去除了一些偶然噪聲(云、火光等)的影響。本研究采用處理后的穩(wěn)定夜間燈光影像，該影像的投影坐標(biāo)系為WGS-84，影像的空間分辨率為1 km，影像像元(DN值)在0～63內(nèi)且為年度平均夜間燈光強(qiáng)度。

1.2 空氣污染物數(shù)據(jù)

本文選取了2000、2005、2010年的工業(yè)廢氣總量、工業(yè)二氧化硫、工業(yè)煙塵、工業(yè)粉塵、生活二氧化硫、生活煙塵排放量6個(gè)空氣污染物指標(biāo)值，同時(shí)鑒于2013年是DMSP衛(wèi)星運(yùn)作的截止年份且2013年年鑒中空氣污染物指標(biāo)的改變(合并為二氧化硫排放量，氮氧化物排放量，煙塵(粉塵)排放量)，因此將2013年的空氣污染數(shù)據(jù)單獨(dú)展開分析。

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理方法

將DMSP/OLS 數(shù)據(jù)用于空氣污染物相關(guān)度分析，存在的問題主要[25-27]是：(1)相同年份不同傳感器之間的影像存在差異；(2)相同位置不同年份之間的影像DN值有異常波動(dòng)現(xiàn)象；(3)城市中心燈光亮度易達(dá)到飽和值。因此為保證結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，本研究參考夜間燈光處理技術(shù)流程(圖1)[28-31]對(duì)影像校正處理后，提取燈光數(shù)據(jù)的有效值。

圖1 夜間燈光數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程Fig.1 Technical processes of night light data processing

年份最大值平均值最暗值百分比(DN=0)最亮值百分比(DN=63)2000159 858/159 8580.411 4/0.411 495.819 8/95.819 80.022 0/0.022 0200597 996/181 6110.360 2/0.447 795.507 7/95.129 50.013 5/0.025 02010404 322/416 9550.643 6/0.677 795.644 3/94.723 50.055 7/0.057 42013371 261/504 2250.553 0/0.722 396.150 9/94.581 20.051 2/0.069 5

從表1中不難看出，校正前的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏差，而校正后的數(shù)據(jù)更加符合邏輯：(1)年份間最大值和平均值是有序遞增的，且在2005—2010年遞增的幅度最為明顯，符合我國(guó)2005—2010年社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)。(2)DN=0(檢測(cè)區(qū)域最暗值)的百分比逐步遞減，DN=63(檢測(cè)區(qū)域最亮值)百分比逐步遞增，同時(shí)在2000—2010年期間，我國(guó)的燈光亮度值和擴(kuò)展范圍增長(zhǎng)較多，2000—2005年間燈光亮度區(qū)域增加0.69%，2005—2010年間亮度飽和區(qū)域增加0.032 4%，這些數(shù)據(jù)表明燈光亮度范圍逐步擴(kuò)大且燈光強(qiáng)度高值地區(qū)范圍逐步增多，同樣符合現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)隨著年份的增長(zhǎng)不斷發(fā)展進(jìn)步的現(xiàn)狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 夜間燈光區(qū)域時(shí)空分布特征

由圖2可知，2013年全國(guó)各省夜間燈光總量呈現(xiàn)由東至西，由北至南逐步遞減的總體趨勢(shì)。山東省、江蘇省、黑龍江省、河北省、廣東省為夜間燈光總量的5個(gè)高值省份，其中除了黑龍江省，其他省份位居2013年全國(guó)各省人口排名前6位。同時(shí)黑龍江是我國(guó)重工業(yè)基地，航空航天、機(jī)械、石油煤炭等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅消耗大量能源也會(huì)發(fā)光發(fā)熱。西部西藏自治區(qū)、青海省的夜間燈光總量較低，主要是由于這兩個(gè)省份相比之下地域廣闊而人口稀疏。中部地區(qū)相比東西部發(fā)展較為平緩、穩(wěn)定，與我國(guó)現(xiàn)代區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r一致。

由于2000—2013年的數(shù)據(jù)增量較大，且現(xiàn)階段暫無統(tǒng)一的夜間燈光等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(燈光亮度上限的不確定性)，所以本文選取相鄰年份之間的增量進(jìn)行比較。同時(shí)增量采用“自然間斷點(diǎn)”分段取平均值，即基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組，通過對(duì)分類間隔的自動(dòng)識(shí)別，可最恰當(dāng)?shù)貙?duì)相似值進(jìn)行分組，并且使各類別間的差異最大化。

圖2 2013年31省份夜間燈光總量圖Fig.2 Total amount of night light of 31 provinces in 2013

圖3 2000—2005年31省份夜間燈光增量圖Fig.3 Night light increase map of 31 provinces from 2000 to 2005

圖4 2005—2010年31省份夜間燈光增量圖Fig.4 Night light increase map of 31 provinces from 2005 to 2010

圖5 2010—2013年31省份夜間燈光增量圖Fig.5 Night light increase map of 31 provinces from 2010 to 2013

(注：圖2～5基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)底圖(審圖號(hào)：GS(2019)1823號(hào))制作,底圖無修改)

通過圖3～5可以看出，總體來說夜間燈光增幅在穩(wěn)步增加，表明了近幾年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，并且隨著時(shí)間的推移速率在不斷提高。西藏、青海等西部地區(qū)的增幅一直處于中低程度，山東、江蘇兩個(gè)省份在2000—2013年夜間燈光總量一直處于高幅增長(zhǎng)狀態(tài)，二者坐擁沿海的地理位置，不排除部分港口城市燈光長(zhǎng)期照明因素，且二者都屬于人口大省，為夜間燈光總量數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)支撐。內(nèi)蒙古、黑龍江等北部地區(qū)的增幅較中部高，這是由于自2000年起實(shí)施的“西部大開發(fā)”重大戰(zhàn)略，“西氣東輸”“西電東送”等項(xiàng)目都對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的夜間持續(xù)工作提出了要求。4個(gè)直轄市的夜間燈光增幅相對(duì)較小，究其原因一方面由于地域范圍的限制，區(qū)域燈光總量會(huì)達(dá)到一定飽和度；另一方面則是綜合因素的影響，以北京市為例，城市人口吸引力強(qiáng)，但綜合房?jī)r(jià)、物價(jià)等客觀條件，大多數(shù)群眾會(huì)考慮定居在周邊省份例如河北等，導(dǎo)致夜間燈光總量增幅較大的是直轄市周邊省份。中部地區(qū)的增幅一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，較東部地區(qū)偏低，符合我國(guó)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀。

2.2 夜間燈光數(shù)據(jù)與空氣污染物相關(guān)性

表2 空氣污染物與燈光總量、燈光面積相關(guān)性檢驗(yàn)(2000—2010年)

注：*表示置信度p為0.05的水平上相關(guān)性顯著；**表示置信度p為0.01的水平上相關(guān)性顯著

從表2中可以看出，工業(yè)廢氣排放總量、工業(yè)二氧化硫排放量與工業(yè)粉塵排放量均通過了置信度為0.01的檢驗(yàn)，表明這三者與燈光總量、燈光面積有99%的相關(guān)度，在三者排放量增加的同時(shí)，燈光強(qiáng)度也不斷加強(qiáng)。有研究表明，燈光總量、燈光面積與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，燈光總量越高、夜間燈光面積越大，表明該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高。工業(yè)廢氣排放量的增多一定程度代表了工業(yè)產(chǎn)值的不斷提高，從而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高燈光總量。工業(yè)粉塵排放量與燈光總量相關(guān)性不斷降低，也說明了在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，公眾開始逐步提高對(duì)環(huán)境質(zhì)量的重視。生活二氧化硫排放量始終與燈光總量的相關(guān)性不明顯，可能由于生活中二氧化硫來源的有限性，導(dǎo)致影響力相對(duì)不足。與此同時(shí)，生活煙塵的排放量與燈光總量的相關(guān)性逐步增強(qiáng)，說明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活煙塵對(duì)環(huán)境的污染開始逐步占據(jù)一定地位，公眾生活中產(chǎn)生的煙塵量也在逐步增加。

工業(yè)廢氣排放總量、工業(yè)粉塵排放量與燈光面積的顯著性關(guān)系隨著年份不斷變低，表明隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)性逐漸降低，對(duì)工業(yè)粉塵排放的處理越來越完善，但是工業(yè)煙塵排放量與燈光面積的顯著性在逐步增加，表明經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)尚存在對(duì)工業(yè)煙塵的不完善處理，導(dǎo)致煙塵對(duì)環(huán)境污染較大。

表3 2013年空氣污染物與燈光總量、燈光面積相關(guān)性檢驗(yàn)

注： **表示置信度p為0.01的水平上相關(guān)性顯著

由于2013年數(shù)據(jù)的特殊性，工業(yè)與生活廢氣的劃分標(biāo)準(zhǔn)下落到各直轄市，無法代表全省的狀態(tài)，只能將燈光強(qiáng)度、面積與總污染廢氣排放量、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量、煙塵排放量進(jìn)行相關(guān)性比較。由表3不難看出，這些空氣污染因素都是與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。由表2可知，工業(yè)二氧化硫排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生活二氧化硫排放量，而工業(yè)生產(chǎn)中，二氧化硫氣體的產(chǎn)出主要是鋼鐵產(chǎn)業(yè)、火電站發(fā)電站等，在生產(chǎn)過程中無法避免廢氣的產(chǎn)生，因此應(yīng)該重視對(duì)廢氣的處理。生活中煙塵(粉塵)的排放，相比之前的年份還在增加，說明了隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)與生活中煙塵(粉塵)問題沒有得到充分的關(guān)注和處理。這些數(shù)據(jù)與自2013年起增加PM2.5這一空氣污染鑒定標(biāo)準(zhǔn)的決定是吻合的。

2.3 夜間燈光總量與空氣污染區(qū)域相關(guān)性

根據(jù)圖6～7觀察2000年與2013年夜間燈光、空氣污染物數(shù)值關(guān)系變化趨勢(shì)，可以得出以下結(jié)果。華北區(qū)域間夜間燈光與空氣污染物排放量的基本走勢(shì)相同，一方面是由于選擇變量的差異性導(dǎo)致折線間出現(xiàn)一定間距，另一方面也表明該地區(qū)平均空氣污染物排放量高于全國(guó)平均水平。東北與華東地區(qū)夜間燈光與空氣污染排放量的一致程度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)。華中、華南與西南地區(qū)折線的一致性不斷增強(qiáng)，在夜間燈光增幅不明顯情況下表明空氣質(zhì)量的顯著改善。西北地區(qū)折線走向的改變反映出該地區(qū)內(nèi)空氣污染物的持續(xù)增多。

圖6 2000年夜間燈光與空氣污染物數(shù)值關(guān)系Fig.6 Numerical relationship between night-time light and air pollutants in 2000

圖7 2013年夜間燈光與空氣污染物數(shù)值關(guān)系Fig.7 Numerical relationship between night-time light and air pollutants in 2013

圖8 2005年31省份空氣污染物總量熱點(diǎn)圖Fig. 8 Hotspot map of air pollutants of 31 provinces in 2005

圖9 2005年31省份夜間燈光總量熱點(diǎn)圖Fig. 9 Hotspot map of total amount of night-time light of 31 provinces in 2005

圖10 2010年31省份空氣污染物總量熱點(diǎn)圖Fig.10 Hotspot map of air pollutants of 31 provinces in 2010

圖11 2010年31省份夜間燈光總量熱點(diǎn)圖Fig.11 Hotspot map of total amount of night-time light of 31 provinces in 2010

(注：圖8～11基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)底圖(審圖號(hào)：GS(2019)1823號(hào))制作,底圖無修改)

將經(jīng)假設(shè)檢驗(yàn)后的全國(guó)空氣污染物總量與夜間燈光總量分別劃分冷熱點(diǎn)區(qū)域(圖8～11)，觀察發(fā)現(xiàn)空氣污染物的熱點(diǎn)(高/高集聚)區(qū)域主要存在于河北、河南省與山西省交界處為中心，半徑約為一個(gè)省份的區(qū)域范圍，夜間燈光總量的高集聚區(qū)位于山東省為起點(diǎn)并與之鄰接的其余各省份。總體來看兩者的熱點(diǎn)都集聚在山東、山西、河南、河北等省份，兩者冷點(diǎn)(低/低集聚)區(qū)域較少且沒有明顯的區(qū)域相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

(1)夜間燈光增幅穩(wěn)定且區(qū)域差異顯著。2000—2013年全國(guó)各省夜間燈光總量呈現(xiàn)由東至西，由北至南逐步遞減的總體趨勢(shì)。其中夜間燈光總量高值省份多為人口大省(山東省、江蘇省等)或者由于當(dāng)?shù)毓I(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛。西部的夜間燈光總量較低，主要由于地域范圍的廣闊與人口數(shù)量的稀疏。中部地區(qū)發(fā)展較為穩(wěn)定，相鄰省份差距較小。總體的夜間燈光總量分布與我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展分布情況基本一致。

隨著時(shí)間的推移，夜間燈光總量的增幅逐步趨于穩(wěn)定且保持在較高水平，一方面說明全國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展并不是一昧追求高速，而是在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)統(tǒng)籌各方面各層次并且協(xié)調(diào)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。另一方面說明我國(guó)存在區(qū)域差異問題，但長(zhǎng)時(shí)間以來在政府部門的宏觀調(diào)控與全國(guó)各省的相互支持幫助下，區(qū)域之間的差距在逐步縮小。

(2)夜間燈光與空氣污染物相關(guān)性較高。夜間燈光總量與空氣污染物排放量呈現(xiàn)正相關(guān)且相關(guān)性保持在較高程度。一方面工業(yè)廢氣排放量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)度在逐步變低：工業(yè)產(chǎn)業(yè)的廢氣處理開始變得有序高效；工業(yè)(第二產(chǎn)業(yè))與全國(guó)總體的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值關(guān)系逐步降低，同時(shí)說明我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。另一方面生活廢氣(煙塵)排放量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)度在逐步增高：房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的興起帶來了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，但在施工過程中不免會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，影響生活環(huán)境，降低公眾生活質(zhì)量；隨著人們生活水平的提高，私家車的擁有量也大幅增加，對(duì)空氣污染的影響也在逐步提升。

工業(yè)空氣污染物與燈光數(shù)據(jù)相關(guān)性的不斷降低，同時(shí)生活空氣污染物與燈光數(shù)據(jù)相關(guān)性的不斷提高，說明在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)公眾意識(shí)到工業(yè)的空氣污染并且進(jìn)行了有效的廢氣處理，然而生活中的房地產(chǎn)開發(fā)、汽車尾氣等問題卻隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展愈發(fā)嚴(yán)重。夜間燈光數(shù)據(jù)與空氣污染物數(shù)據(jù)高度的正相關(guān)，一定程度表明我國(guó)近幾年在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)存在著空氣污染不斷加重的情況，不符合我國(guó)大力提倡的“可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)策略。

(3)夜間燈光與空氣污染區(qū)域一致性穩(wěn)步提升。通過不同年份間夜間燈光與空氣污染物的折線圖不難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)的一致性，且隨著時(shí)間的推移，折線的一致性在增強(qiáng)，表現(xiàn)在重點(diǎn)突出區(qū)域差異的不斷縮小。同時(shí)，通過對(duì)折線的觀察也可以清晰看出區(qū)域間的聯(lián)系是密切相關(guān)的，區(qū)域的穩(wěn)定性不斷增加。空氣污染與夜間燈光的高/高聚集區(qū)域類似，主要分布于山東省與相鄰省份的交界處，低/低聚集區(qū)域沒有明顯的相關(guān)性。

綜上所述，通過夜間燈光遙感影像可提取全國(guó)范圍內(nèi)的燈光強(qiáng)度與燈光面積數(shù)據(jù)，并且將夜間燈光數(shù)據(jù)與空氣污染物數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，可以直觀獲得夜間燈光總量的區(qū)域分布狀況與年度增長(zhǎng)情況，鑒于夜間燈光數(shù)據(jù)的時(shí)效性和空間整體的良好體現(xiàn)，更能揭示長(zhǎng)時(shí)間序列上我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與空氣污染之間的相關(guān)性，為空氣污染的分區(qū)域不間斷研究提供新的思路。當(dāng)然，空氣污染形成的因素、環(huán)境較多且復(fù)雜，本文將夜間燈光遙感獲取的數(shù)據(jù)與空氣污染排放量進(jìn)行分析還存在較多不足，后續(xù)的研究中會(huì)考慮構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、比較更為詳細(xì)全面的空氣污染影響因素，為全國(guó)范圍內(nèi)空氣污染的治理評(píng)價(jià)提供更好的數(shù)據(jù)支撐。