夜光遙感數(shù)據(jù)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)參量的相關(guān)性分析

張楠楠

（遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧錦州 121003）

多年來，評價(jià)一個(gè)國家、城市或者某一區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r多采用地區(qū)生產(chǎn)總值這一指標(biāo)。自上世紀(jì)80年代開始，國家統(tǒng)計(jì)局每年都對國內(nèi)各省市的地區(qū)生產(chǎn)總值(地區(qū)GDP)進(jìn)行核算，統(tǒng)計(jì)各地一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值之和，反映了國家或地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)總成果。GDP是怎樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是由企業(yè)上報(bào)，然后各級統(tǒng)計(jì)局進(jìn)行抽樣調(diào)查，并通過其他數(shù)據(jù)來做對比驗(yàn)證，以確保統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。這樣統(tǒng)計(jì)一輪下來至少要花費(fèi)近一年的時(shí)間，并且得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對各種來源的資料依賴性較強(qiáng)，難以得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

夜光遙感是近年來對地觀測與遙感應(yīng)用領(lǐng)域十分活躍的一個(gè)分支。夜間燈光數(shù)據(jù)通過像素的亮度值充分展示了夜晚無云條件下人類活躍以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，可以借助夜光數(shù)據(jù)對其相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行分析和評價(jià)。許多研究人員利用美國DMSP/LOS遙感燈光數(shù)據(jù)開展了大量研究，研究內(nèi)容涉及城市發(fā)展、夜間漁船活動(dòng)、燈光污染、人口與經(jīng)濟(jì)估算等眾多方面，取得的一系列研究成果推動(dòng)了夜光遙感的發(fā)展。在利用夜光遙感進(jìn)行經(jīng)濟(jì)估算方向，多數(shù)研究均采用與人類活動(dòng)相關(guān)性較強(qiáng)的幾個(gè)經(jīng)濟(jì)參量與燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空模擬[1]。謝天利用DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)對四種常用的GDP預(yù)測模型進(jìn)行了分析比較，并以黑龍江省為例進(jìn)行了對比驗(yàn)證[2]。江威等將“一帶一路”沿線國家GDP與夜光遙感總值（TNL）線性回歸關(guān)系，表明夜光遙感總值與GDP 較強(qiáng)相關(guān)性，將來可利用夜光遙感影像進(jìn)一步估算該區(qū)域國民生產(chǎn)總值、人口分布等關(guān)鍵社會經(jīng)濟(jì)參量[3]。 本文探索珞珈一號(LJ1-01)夜間燈光數(shù)據(jù)與區(qū)域GDP的相關(guān)性，以遼寧省為試驗(yàn)區(qū)，建立基于區(qū)域燈光亮度值模擬市級特征經(jīng)濟(jì)參量的空間模型。

一、數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

1.衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

美國國防氣象衛(wèi)星(DMSP)搭載的可見紅外成像線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(OLS)數(shù)據(jù)是夜光遙感研究利用最多的影像數(shù)據(jù)。DMSP/OLS夜間燈光影像由于傳感器未經(jīng)過星上定標(biāo)，導(dǎo)致長時(shí)間序列的各期影像之間缺乏連續(xù)性和可比性，此外，還存在像元DN值過飽和等問題和低空間分辨率的劣勢[4][5]。2012年至今，Suomi國家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(SNPP)搭載可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)獲取了VIIRS-NPP夜光遙感數(shù)據(jù)，產(chǎn)品空間分辨率為750m，近幾年經(jīng)研究人員對其進(jìn)行分析和利用發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有一些原始輻射值為負(fù)，原始數(shù)據(jù)并未經(jīng)過濾、背景噪聲也未除去，使用前必須嚴(yán)密糾正[6]，但目前尚無簡單且可操作性強(qiáng)的糾正模型。

珞珈一號01星具備130m分辨率、260km幅寬的夜光數(shù)據(jù)獲取能力，并且面向國內(nèi)行業(yè)用戶提供免費(fèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，被業(yè)內(nèi)稱為“全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星”，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。本文即利用該影像數(shù)據(jù)開展夜光影像亮度值與城市GDP的相關(guān)性研究。

選取的珞珈一號影像時(shí)相盡量接近GDP數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，以減小數(shù)據(jù)比對誤差；選取的各景影像之間時(shí)相差不宜過大，有利于保持地區(qū)數(shù)據(jù)的一致性。經(jīng)過篩選，選取了獲取時(shí)相為2018年8-9月的珞珈一號L2級夜光遙感數(shù)據(jù)，共計(jì)8景，覆蓋遼寧省全部區(qū)域（圖1）。

圖1 遼寧省珞珈一號夜間燈光數(shù)據(jù)

由于上述影像的定位精度從700~1900m不等，必須對其進(jìn)行幾何糾正。從遼寧省路網(wǎng)數(shù)據(jù)中選取夜間亮化明顯的道路交叉點(diǎn)和主干路來逐景配準(zhǔn)影像，糾正后的各景影像幾何精度均在1個(gè)像素左右。

從基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取大面積水體、農(nóng)田地類，認(rèn)為此地類夜間輻射亮度或反射亮度應(yīng)為零值；再在影像上找到其對應(yīng)的柵格像元，檢查像元的亮度值是否為0；經(jīng)抽查，夜間不發(fā)光的像元亮度值確為0，無需再進(jìn)行絕對輻射校正[7]。

將糾正后的7景影像鑲嵌處理后，利用遼寧省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)對其進(jìn)行裁切，得到遼寧省的影像圖。

2.其他數(shù)據(jù)

遼寧省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為從國家基礎(chǔ)地理中心下載矢量數(shù)據(jù)。

遼寧省各市GDP數(shù)據(jù)為從遼寧省統(tǒng)計(jì)局下載的《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》（2019中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2018年。年鑒中詳細(xì)記錄了省內(nèi)各市的生產(chǎn)總值和一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以及人均生產(chǎn)總值。

遼寧省基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)為2018年生產(chǎn)成果。其中的路網(wǎng)數(shù)據(jù)可作為影像幾何糾正的基準(zhǔn)，地類圖斑信息有助于定位亮度零值的位置。

二、數(shù)據(jù)分析與處理

1.相關(guān)性分析

將糾正后的遼寧省夜光數(shù)據(jù)按照市級行政區(qū)劃對影像的亮度值進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)各市夜間亮度總值。統(tǒng)計(jì)將遼寧省各市GDP、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和人均GDP。先對夜間亮度值與各項(xiàng)GDP參量的相關(guān)性進(jìn)行分析。

從表1可以看出，珞珈一號夜光遙感數(shù)據(jù)的亮度值與遼寧省內(nèi)各市GDP及各參量有較高的相關(guān)性。特別是與地區(qū)GDP的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，與第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的相關(guān)性達(dá)到0.85，與第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值更是達(dá)到了0.91的高相關(guān)性。從而得出地區(qū)GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)是相對于夜光較為敏感的經(jīng)濟(jì)參量。因?yàn)橹圃鞓I(yè)、旅游與服務(wù)業(yè)的活動(dòng)和產(chǎn)能與人類活動(dòng)密切相關(guān)，特別是能夠在夜間燈光數(shù)據(jù)上得到充分體現(xiàn)。

表1地區(qū)亮度總值與地區(qū)GDP各參量相關(guān)性分析

圖2 14個(gè)市燈光亮度值與特征經(jīng)濟(jì)參量回歸分析模型

這說明地區(qū)的夜間亮度值在一定程度上能夠較好體現(xiàn)地區(qū)GDP，可以嘗試?yán)靡归g燈光亮度值來模擬GDP的發(fā)展趨勢甚至定量估算GDP的數(shù)值，建立兩者的相關(guān)關(guān)系。

2.夜間燈光與GDP值的回歸模型建立

基于上述分析得出的夜間亮度值與地區(qū)特征經(jīng)濟(jì)參量的高相關(guān)性，進(jìn)行遼寧省各市燈光亮度值與GDP的回歸分析，進(jìn)而得出回歸分析模型。

將各市燈光亮度總值與地區(qū)GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值三個(gè)特征經(jīng)濟(jì)參量分別做回歸擬合。

圖3 遼寧省城市預(yù)測特征經(jīng)濟(jì)參量誤差

對回歸擬合結(jié)果的評價(jià)通常根據(jù)回歸系數(shù)（R2）的大小以及是否通過顯著性檢驗(yàn)來判斷兩者之間線性關(guān)系是否可靠。各市GDP與燈光亮度值的擬合結(jié)果R2為0.78，既驗(yàn)證了之前得出的二者之間0.88的高相關(guān)性，又說明通過線性回歸模型能夠較好的擬合出市級GDP值。第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值雖然達(dá)到了0.85的高相關(guān)性，但回歸擬合結(jié)果的R2僅為0.4，說明二者的擬合程度較差，利用燈光亮度值模擬第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值不可行。第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值與燈光亮度值的擬合度最高，達(dá)到0.83，同時(shí)也顯現(xiàn)出極高的相關(guān)性，由此可以看出基于線性回歸分析模型能夠通過燈光亮度值較好的擬合出第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值。

3.擬合精度分析

利用上述三種回歸模型擬合得到了2018年遼寧省14個(gè)市的GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，將擬合預(yù)測的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行對比，檢驗(yàn)擬合效果和精度。

從圖3可以看出，除個(gè)別城市預(yù)測值的殘差較大外，大多數(shù)城市的預(yù)測值標(biāo)準(zhǔn)殘差均在±1之間，60%以上城市的預(yù)測值標(biāo)準(zhǔn)殘差在±0.5之間。由此得出，利用夜間燈光數(shù)據(jù)模擬遼寧省社會經(jīng)濟(jì)參量是十分可行且可靠的。

三、結(jié)論

GDP不但可以反映國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)，還與人類社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)。夜間燈光數(shù)據(jù)有效反映了人類社會活動(dòng)，且具有客觀性強(qiáng)和時(shí)效性佳等顯著優(yōu)勢。本文分析了遼寧省14個(gè)城市珞珈一號夜間燈光影像的亮度值與地區(qū)GDP等經(jīng)濟(jì)參量的相關(guān)性，得出燈光亮度與GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值具有高相關(guān)性，且可以通過線性回歸模型較好的擬合出這三種經(jīng)濟(jì)參量，特別是燈光數(shù)據(jù)與第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值擬合效果最為理想。由此看出，利用夜光遙感數(shù)據(jù)模擬特征社會經(jīng)濟(jì)參量的方法在遼寧地區(qū)是可行的，今后可以探索該數(shù)據(jù)在更大地區(qū)尺度模擬經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，以及開展更加深入細(xì)致的分析和研究。