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5年夜光遥感监测合成,中科院版全球高清夜光数据集来了!

出品:科普中国

制作:中国科学院中国遥感卫星地面站 陈甫

监制:中国科学院计算机网络信息中心

中科院中国遥感卫星地面站利用美国Suomi-NPP卫星2012~2017的长时间观测的地球夜光数据,通过细致的数据处理工作,首度制作了全序列的全球高清夜光年度产品,并且进一步合成了这个五年期的全球夜光变化检测产品,反映了这个阶段人类活动的趋势。相对于NASA/NOAA之前公开的个别年份的产品质量更高,信息更全面。

夜光遥感:不算新鲜事但却不易做

夜光遥感对于地学研究来说已经不算一个新鲜事了。它的原理是通过特殊设计的传感器获取并增强夜晚无云条件下地表发射的微弱的可见光-近红外电磁波信号。这些信号大部分由地表人类活动发出,其中最主要的是夜间灯光照明,同时也包括石油天然气燃烧、海上渔船、森林火灾以及火山爆发等来源。

相比于其他传感器,夜光遥感更直接反映人类活动,因此被广泛应用于社会经济参量估算、城市发展监测、重大事件动态、生态环境评估以及公共健康等领域。

美国军事气象卫星(Defense Meteorological Satellite Program)的OLS传感器(简称DMSP/OLS)就是较早的进行夜光遥感探测的仪器,DMSP/OLS从1992年开始持续观测到2014年(期间换过几颗卫星但是传感器一致),获得了大量数据,不过它的主要问题是空间分辨率太低,一个大城市也就几个像素点,而辐射的探测范围太窄,城市中心高亮区域往往是饱和的。

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DMSP 结构图

2011年10月美国的“索米”国家极轨卫星伙伴卫星(Suomi National Polar-orbiting Partnership or Suomi NPP)发射,其中的Suomi是为了向美国一位著名气象学家致敬而加的冠名。它搭载的VIIRS传感器上有一个称为DNB(Day Night Band)的波段能够在500米分辨率(比原来的OLS提高6倍)的尺度上对地表开展每天覆盖全球一次的高灵敏度(比OLS提高250倍)的夜光观测,目前已经成为夜光观测新数据的主要来源。

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Suomi NPP 结构图

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相关论文中列出的前后两代夜光数据之间的差异

除此以外,美国国家海洋大气管理局NOAA下属的国家环境信息中心NCEI下有专门对夜光数据加以处理的小组。他们发布每个月份的合成产品,也发布过2015年的全球夜光数据集。另外NASA也制作了一个2016年的全球夜光数据集,其质量和NOAA相当。

然而,对于地学研究来说,年度数据虽然是一个很重要而且容易广泛使用的产品,但是上述几家美国机构始终没有推出正式的年度产品(即2012~2017每年一份的数值稳定可靠的高质量年度产品),这是为什么呢?

这是一件不容易完成的工作。首先,夜光测量是基于光学系统的,因此它会受到大气云雾干扰,这在低纬度地区影响较大,会让某些月份的数值失真严重。

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上海中心区域(理论上灯光变化较小)从201204到201712的69个月的观测数值波动

另外,它的目标是观测地表夜光的,但是也会受到太阳、月亮等外部光源的干扰,纬度越高,影响越大(别忘了极地的极昼极夜现象)。在高纬度地区的月度产品中很多月份是空缺的,这些缺失需要加以考虑。

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NPP卫星每日获取的数据的原始风貌,环北极地区受到的极光的干扰

因此想做出一个科学、稳定、美观的年度产品确实不容易,但是这样的产品又是非常需要的,包括笔者在内也是翘首以待,但是美国相关机构长期跳票,于是实在等不及了。笔者和研究生助手通过一年时间的摸索,数次推倒重来,现在终于得到一个相对于美版来说,有显著提高的结果,即中科院版全球高清夜光数据集。

中科院版全球高清夜光数据集:覆盖巨大数据量 算法精细

下面,笔者对比一下美版2015年全球夜光数据集和中科院制作的2012~2017夜光变化检测产品的截图。

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美版局部

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中科院版局部

与美版的相比,中科院版不仅能描述夜光的明暗分布,还能描述这五年间的变化情况,其中黑白(灰色)是表示期间变化不大,橘色表示亮度增强,蓝色表示亮度减弱。

总体说来,中科院版全球高清夜光数据集有下面几个特点:

1)所利用的数据量庞大

通过对2012~2017长达六年的数据的统计清洗和平均降噪,这个产品原则上包含了该传感器所采集每一个比特的内容,而且保真度也前所未有的高。

2)算法精细

针对高低纬度地区的噪声主要来源的不同,采用了不同的处理方式,并且将其平滑过渡成完整的产品。对年份产品之间建立约束条件,平滑不同年份之间地表因素以外的干扰,使得年份产品之间的差异基本等效于地表亮光的差异。

3)调色优美

在美国版本上,城市核心区往往过度饱和不能体现城市的内在结构,而且郊区较暗的村镇也看不出来。而我们的图像能够做到细致入微、毫厘毕现,体现该卫星传感器最大的分辨能力。

与其说这是科学产品,笔者更情愿视之为艺术品,既有社会意义又有美学价值。下面笔者用夜光图像作为宋词辛弃疾的《青玉案·元夕》的插画。

青玉案·元夕

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之前说NASA公开的夜光图上印度比中国亮,主要原因那是图没做好,另外一个原因是印度农村密度大,所以灯光分布广,其实不怎么亮

东风夜放花千树,

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怒放的京津冀城市群,即将竣工的大兴机场和即将开发的雄安将再添两笔亮色

更吹落,星如雨。

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陕北油气田繁星般的钻井,资源让老区进入繁荣

宝马雕车香满路。

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老板们的宝马雕车已经把珠三角填的满满当当

凤箫声动,玉壶光转,一夜鱼龙舞。

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长三角群城并起,谁是鱼,谁是龙,鲤鱼是否可以跳过龙门?

蛾儿雪柳黄金缕,笑语盈盈暗香去。

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川渝双城的火锅、妹子令人神往

众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。

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美济礁、渚碧礁、永暑礁铸就南海自由航行的灯塔

好了,别掉书袋了,独乐乐不如众乐乐。关心自己家乡发展或者兼济世界和平的朋友们,可以用WEBGIS系统自己浏览研究。

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