夜間燈光數據在我國自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中應用的思考

陳妍 李雙成

摘要：夜間燈光數據的應用一直以來都在圍繞人類活動展開；同時，我國自然保護區(qū)工作的人類活動監(jiān)測早已引入遙感手段。單從夜間燈光數據的觀測特點與自然保護區(qū)人類活動的監(jiān)測需求非常契合這一點來看，夜間燈光數據在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中應該具有一定的使用價值。本文以DMSP/OLS數據為例，對其在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中的應用前景進行預測，同時指出其存在的問題，并提出可行的解決辦法和應用方法。

關鍵詞：夜間燈光數據；DMSP/OLS；自然保護區(qū)；人類活動

中圖分類號：X87 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0146-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.086

Abstract： The application of nighttime lighting data has always been centered on human activities. At the same time， monitoring of human activities in Chinas nature reserves has long been the introduction of remote sensing methods. From the point of view that the observational characteristics of nighttime light data are in good agreement with the needs of human activities monitoring in nature reserves， nighttime lighting data should have a certain value in the monitoring of human activities in nature reserves. This article will use the DMSP/OLS data as an example to predict the application of the DMSP/OLS in the monitoring of human activities in the nature reserve. At the same time， it also points out deficiencies and proposes possible solutions and application methods.

Keywords：Nighttime lighting data；DMSP/OLS；Nature reserves；Human activities

夜間燈光數據最初的設計是以捕捉地球上夜晚燈光數據為主要職責，目的是氣象應用；然而隨著人類社會的發(fā)展，人口聚集、城市擴張、經濟飛速增長等社會現象在夜間燈光影像上得到了明確的表達——地球越來越多的地方被燈光籠罩，黑暗的區(qū)域越來越少，我們的地球正變得越來越明亮。因此，多年來夜間燈光數據的應用都在圍繞人類活動開展。與此同時，改革開放以來，隨著我國經濟的快速穩(wěn)步發(fā)展，人們更加關注我們身處的環(huán)境和生態(tài)健康問題。自然保護區(qū)是對于地球和人類的共同健康發(fā)展具有重大意義、依法劃出一定面積予以特殊保護和管理的區(qū)域。我國的自然保護區(qū)管理和監(jiān)督工作很早以前就已經開展。于1994年頒布開始實施并于2017年進行修改的《中華人民共和國自然保護區(qū)條例》中有明確規(guī)定：“自然保護區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)內禁止出現各種人類活動”。然而，近年來隨著經濟的發(fā)展，旅游產業(yè)興旺發(fā)達，人類活動已經成為當前自然保護區(qū)保護與管理所面臨的主要威脅因素之一。

其實，自然保護區(qū)的人類活動監(jiān)測早已引入遙感科學手段，并已經形成一套專業(yè)化、業(yè)務化的處理方法和流程，并取得了良好的監(jiān)測效果。單從夜間燈光數據的觀測特點與自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測的需求非常契合這一點來看，夜間燈光數據在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中應該也有可以被利用的價值。本文以DMSP/OLS數據為例，具體從夜間燈光數據的特點、應用、發(fā)展方向出發(fā)，對其在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中的應用前景進行預測，同時也指出其存在的主要問題，并提出可行的解決辦法和應用方法。

1 夜間燈光數據概述

提起夜間燈光數據，人們首先想到的是始于20世紀70年代的美國軍事氣象衛(wèi)星計劃的線性掃描業(yè)務系統(tǒng)——美MSP/OLS。時至今日，夜間燈光遙感數據源已得到很大拓展，但DMSP/OLS數據仍然憑借其豐富的歷史存檔、全球的覆蓋范圍、成熟的處理方法以及廣泛的應用等優(yōu)勢，成為人們開展相關研究和應用的首選數據。

DMSP/OLS數據的最初設計是為了獲取夜間云層分布信息，然而隨著數據的獲取和使用，科學家們發(fā)現DMSP/OLS數據除了云層分布信息外，還可以通過其光學倍增器捕捉到城市燈光、道路燈光甚至低亮度暫時性燈光，如漁火、火災、小規(guī)模的人類活動區(qū)域等，使之明顯區(qū)別于黑暗的背景[1]。因此數十年來，DMSP/OLS數據在全球的應用范圍已十分廣泛，遠遠超越了其最初的氣象應用目標。我國學者經過不斷努力探索，也已將DMSP/OLS數據應用到各個領域，如城市建成區(qū)提取分析[2， 3]、城市群空間格局變化[4-7]、人口分布[8]、經濟水平估算[9-11]、能源消耗[12]等。在生態(tài)環(huán)境研究中，夜間燈光數據的主要應用方向是通過評估城市化導致的生態(tài)和環(huán)境問題，以及監(jiān)測光污染及其健康效應[17]，但在自然保護區(qū)的人類活動監(jiān)測中比較鮮見。

2 我國自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測概述

自然保護區(qū)是指對有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水域或海域，依法劃出一定面積予以特殊保護和管理的區(qū)域。自然保護區(qū)分為國家級自然保護區(qū)和地方級自然保護區(qū)[13]。1994年9月國務院頒布了《中華人民共和國自然保護區(qū)條例》（以下簡稱“條例”），以加強自然保護區(qū)的建設和管理，保護自然環(huán)境和自然資源。2017年10月，《國務院關于修改部分行政法規(guī)的決定》將條例第二十七條第一款修改為：“禁止任何人進入自然保護區(qū)的核心區(qū)”[14] 。

雖然按照條例規(guī)定，自然保護區(qū)核心區(qū)及緩沖區(qū)內均禁止出現各種人類活動，但實際上隨著我國社會經濟的飛速發(fā)展，自然保護與經濟開發(fā)之間的矛盾日益突出，涉及自然保護區(qū)的各類開發(fā)建設項目、農業(yè)生產、資源采集以及旅游等人為活動呈逐年增長趨勢[15]。2017年7月20日，關于印發(fā)《自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測及核查處理辦法（試行）》的通知在環(huán)境保護部網站上公布，要求通過遙感監(jiān)測對自然保護區(qū)范圍內的人類活動類型、面積、變化進行初步判讀，編寫遙感監(jiān)測報告[16]。

目前自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測的主要方法是，通過收集自然保

護區(qū)不同時相的中高分辨率日間光學遙感衛(wèi)星影像，采用面向對象的分類方法及目視解譯方法，提取自然保護區(qū)內的人類活動斑塊，判定其土地利用類型，進而統(tǒng)計人類活動分布狀況。通過現有的遙感監(jiān)測方法得到的監(jiān)測結果，其土地利用類型明確清晰、準確率高、便于實地核查和整改，但同時也存在數據量大、處理工作量大、數據質量良莠不齊、數據時相不易統(tǒng)一等問題，這是由于遙感數據本身在獲取和處理上的特點而決定的。因此對于《自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測及核查處理辦法（試行）》中規(guī)定的“國家級自然保護區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測每半年開展一次”，“省級自然保護區(qū)常規(guī)遙感監(jiān)測每年開展一次”的要求，要達到要求需要投入更多的時間和人力。

3 夜間燈光數據在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中的應用優(yōu)勢

DMSP/OLS數據是已經公認的能夠很好反映人類活動綜合信息的遙感數據源，其觀測特點與我國自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測的需求相吻合；同時，使用夜間燈光數據進行保護區(qū)監(jiān)測有以下優(yōu)勢：

3.1 數據覆蓋范圍廣，年度數據穩(wěn)定獲取

傳統(tǒng)遙感監(jiān)測數據由于分辨率越來越高，數據量也越來越大，因此數據的下載、處理、人類活動提取、審核、集成、存儲等一系列工作面臨著時間緊、任務重等特點。而DMSP/OLS夜間燈光數據的數據量很小、可以通過互聯(lián)網隨時下載，且無需任何手續(xù)和費用，并在未來將持續(xù)提供下載，并且覆蓋全球范圍，一次成像全球范圍內統(tǒng)一時點，是少有的全球性時間序列數據。

3.2 處理方法簡單、快速

夜間燈光數據反映燈光強度，其影響的DN值范圍在0～63之間，其中0值為完全黑暗，63為最亮。在其他應用中，研究者們通常需要對DMSP/OLS數據進行數據處理，如在城市人口密集區(qū)進行燈光值的去飽和處理，在進行城市建成區(qū)分析時需要確定城市建成區(qū)的燈光閾值范圍，在進行人口、能源消耗、GDP等社會經濟參數估算時，需要建立燈光數據與這些參數之間的對應關系等。在自然保護區(qū)的人類監(jiān)測應用中，即直接使用燈光強度值來反映人類活動的強度，因此在不考慮確定具體的土地利用類型的情況下，無需對燈光閾值進行劃定。同時，由于我國自然保護區(qū)人類活動在相關法規(guī)中有明確的禁止規(guī)定，且相關部門在自然保護區(qū)的監(jiān)測和監(jiān)管工作中始終嚴格把控，因此雖有人類活動存在，但其范圍和強度都得到了很大限制，因此不同于人口稠密的城市，自然保護區(qū)內的燈光數據鮮有達到飽和程度的情況。

3.3 能直接反映活動強度

在核心區(qū)和緩沖區(qū)內禁止出現任何人類活動的相關規(guī)定下，使用夜間燈光數據監(jiān)測自然保護區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)時，除零星燈光之外，任何強度和范圍的燈光顯示都客觀反映了人類活動的存在。尤其是燈光值大小的不同，能夠直觀反映出人類活動的強弱。與使用光學數據通過確定土地利用類型的方式監(jiān)測保護區(qū)內人類活動強度的方法不同，夜間燈光數據的監(jiān)測結果除了在面積上有所體現，在單位面積強度上也有所體現，這可能是使用日間光學遙感數據所不易直接取得的結果。

4 夜間燈光數據的不足和彌補方法

雖然夜間燈光數據目前已經應用在人類社會的各個領域，且理論上在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測中也應該能夠起到應有的作用。但經過思考和分析不難得出結論，夜間燈光數據在自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測應用中還存在一些不足：

4.1 數據分辨率仍然較低，難精確定位

DMSP/OLS數據的空間分辨率約為1km，相對于我國自然保護區(qū)來說分辨率偏低，監(jiān)測的精細程度不夠，較難進行精確定位；并且自夜間燈光面世以來，其地面調查鮮見[17]，對于獨立支持相關部門完成自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測、核查及整改等工作還有很大困難。

4.2 數據時效性有待提高，以滿足更短間隔的監(jiān)測需求

目前DMSP/OLS數據每一年獲取一次，但對于我國國家級自然保護區(qū)常規(guī)監(jiān)測每半年進行一次，以及省級自然保護區(qū)常規(guī)監(jiān)測每年進行一次的要求還有差距。

4.3 數據反映的信息僅為燈光強弱，不能直接反映土地利用類型

夜間燈光數據對第一產業(yè)人類活動的監(jiān)測靈敏度不高，但對第二、三產業(yè)人類活動比較敏感，因此，使用DMSP/OLS數據并不能完整監(jiān)測保護區(qū)內的所有人類活動，尤其是面積較大的農業(yè)生產用地，而只能傾向于人口聚集形成、違規(guī)工業(yè)生產和資源開發(fā)、旅游區(qū)建設和旅游開發(fā)等方面的人類活動監(jiān)測。

5 未來展望

綜合分析，使用夜間燈光數據進行自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測仍然可能存在一定的困難和急需解決的問題。但隨著夜光數據的不斷發(fā)展和進步，一方面數據來源將從單一的DMSP/OLS數據發(fā)展到多種數據源，另一方面夜光數據的分辨率也將得到提高，試想如果將1m分辨率的夜光燈光數據應用在保護區(qū)人類活動監(jiān)測中，那么監(jiān)測精準度將大大提高。

目前，我國自然保護區(qū)人類活動遙感監(jiān)測工作目標明確、方法成熟、結果可靠，能夠很好地支持后續(xù)的實地核查和整改工作。夜間燈光數據可作為現有日間遙感數據的有力補充，將單位面積人類活動強度特點與不同土地利用類型面積大小相結合，最終得到保護區(qū)綜合的人類影響參數，形成更加科學和直觀的監(jiān)測結果；與此同時，利用夜間燈光數據還可以進行長時間序列自然保護區(qū)人類活動快速動態(tài)監(jiān)測，預測自然保護區(qū)內人類活動未來的發(fā)展趨勢，對保護區(qū)保護和監(jiān)測政策的制定具有實際意義。

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收稿日期：2018-05-02

作者簡介：陳妍（1982-），女，大學本科，業(yè)務助理，初級，研究方向為自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測。