DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 燈光數(shù)據(jù)的連續(xù)性校正*

肖袁俊，李保山，宋文丹，程勇翔*，黃敬峰

（1.石河子大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310058）

長時(shí)間序列夜間燈光遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使人類活動(dòng)與大尺度空間城市化的深入研究成為了可能，越來越多的學(xué)者開始將夜間燈光數(shù)據(jù)用于估計(jì)人口密度[1]、區(qū)域電力消耗[2]、城市面積及其擴(kuò)張速度[3-4]和國內(nèi)生產(chǎn)總值[5]等各類社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但由于長時(shí)間夜間燈光數(shù)據(jù)是來自兩個(gè)不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的整合，圖像間往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不連續(xù)、像元過飽和、標(biāo)準(zhǔn)不同無法比較的情況，這大大限制了夜間燈光數(shù)據(jù)的應(yīng)用。因此，有必要對同一傳感器內(nèi)及不同傳感器間的燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以消除數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)，增加數(shù)據(jù)的可用性。

自21 世紀(jì)以來，研究者們主要通過兩種方案解決上述問題，第一種是利用輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行的絕對校正，從而獲得具有物理意義的各年真實(shí)燈光值[6-7]；第二種是利用燈光不變目標(biāo)區(qū)域法進(jìn)行的逐年燈光相對校正，從而獲得不具實(shí)際物理意義，但具有同一標(biāo)準(zhǔn)相對連續(xù)的燈光數(shù)據(jù)。研究者們普遍選擇西西里島[8-9]、黑龍江省[7，10]、日本[2，5]、洛杉磯[11]等地作為不變目標(biāo)區(qū)，通過構(gòu)建不變目標(biāo)區(qū)各年間圖像數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)校正圖像向目標(biāo)圖像的數(shù)值轉(zhuǎn)換，從而獲得相對連續(xù)的燈光校正結(jié)果。然而，作者認(rèn)為不變目標(biāo)區(qū)域法只能是一種理論假設(shè)，利用該方法對燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行校正有一定的風(fēng)險(xiǎn)，其可行性仍有待商榷，這是因?yàn)樵谌蚪?jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的背景下，不變目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H上是不存在的[12]。如何找到DMSP/OLS 數(shù)據(jù)間的一般普遍轉(zhuǎn)換關(guān)系才是解決問題的關(guān)鍵。此外，對于DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)間的相互校正，學(xué)者們也從不同的角度探討了它們彼此間的內(nèi)在轉(zhuǎn)換關(guān)系。Ma 等[13]與Zhao 等[14]將NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化后與DMSP/OLS 數(shù)據(jù)分別利用BiDoseResp（Biphasic Dose Response）和sigmoid 函數(shù)模型建立數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的相互校正。Zhu 等[5]在計(jì)算不同行政區(qū)兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間各自總夜間燈光亮度基礎(chǔ)上，構(gòu)建函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的相互校正。Li 等[15]在計(jì)算DMSP/OLS 圖像各級別像元值在對應(yīng)空間位置NPP/VIIRS 圖像上的平均值基礎(chǔ)上，構(gòu)建函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的相互校正。作者認(rèn)為Li 等所提出的兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的相互校正方法思路清晰，規(guī)律穩(wěn)定，較為可行。

綜上所述，研究選擇中國作為研究范圍，擬對DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 中國夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)校正。校正過程分兩步，首先利用DMSP/OLS 2013 年圖像為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對DMSP/OLS 1992-2012 各年圖像的模擬重構(gòu)。其次，統(tǒng)計(jì)DMSP/OLS 2013 年圖像各級別像元值相應(yīng)空間位置NPP/VIIRS 2013 年圖像上的平均值，構(gòu)建兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換“橋梁”，實(shí)現(xiàn)2014-2018 NPP/VIIRS 燈光數(shù)據(jù)向DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)1992-2018 年兩衛(wèi)星間中國夜間燈光的連續(xù)校正。研究結(jié)果可為遙感燈光數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用提供一種可行性的解決方案。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

DMSP/OLS 數(shù)據(jù)全部來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心（https://ngdc.noaa.gov/），F(xiàn)10-F18 六個(gè)傳感器共記錄了1992-2013 年間34 幅夜間燈光圖像（如表1 所示），每期數(shù)據(jù)DN 值取值范圍均為0～63（最大報(bào)告光），其分辨率為30 arcsec，空間范圍覆蓋了除兩極地區(qū)以外的所有人類活動(dòng)區(qū)。DMSP/OLS 傳感器通常在高增益設(shè)置下運(yùn)行，使檢測下限達(dá)到1.54×10－9W·cm－2·sr－1·μm－1，但也會(huì)導(dǎo)致部分大城市的核心城區(qū)出現(xiàn)數(shù)據(jù)過飽和現(xiàn)象[16-17]。DMSP/OLS 每期數(shù)據(jù)的DN 值間并不具有可比性，需要進(jìn)行相對連續(xù)校正后才能使用[3]。

表1 DMSP/OLS 不同傳感器夜間燈光數(shù)據(jù)集的時(shí)間分布

NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）以及美國國家海洋和大氣研究所（NCEI）2011 年底發(fā)射的Suomi NPP 衛(wèi)星（https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html），內(nèi)含5 個(gè)地球觀測傳感器，其中帶有22 個(gè)波段的VIIRS 能在很短的時(shí)間間隔內(nèi)分辨較低的光級，檢測下限改良至0.02 W·cm-2·sr-1·μm-1，數(shù)據(jù)分辨率為15 arcsec[18]。因?yàn)镹PP/VIIRS 月值數(shù)據(jù)排除了雜散光等因素的影響，所以某些月份的部分地區(qū)數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)缺失，各期數(shù)據(jù)具體缺失情況如表2 所示。由于NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)并沒有過濾以及去除圖像中的噪聲，所以在使用時(shí)需先進(jìn)行數(shù)據(jù)的去噪聲處理。

表2 NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)缺失程度

研究中對校正后的燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性和連續(xù)性驗(yàn)證時(shí)所用到的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括1992-2018《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》各年中國及各?。▍^(qū)）國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）和電力消耗總量（EPC）；1999-2018《中國城市年鑒》各年省會(huì)城市GDP 數(shù)據(jù)；1999-2018《中國城市年鑒》和《中國縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》部分?jǐn)?shù)據(jù)較為完整的縣或縣級市各年GDP 數(shù)據(jù)。上述年鑒均來自于中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)大數(shù)據(jù)研究平臺(tái)（https://data.cnki.net/Yearbook/Navi?type=type&code=A）。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于DMSP/OLS 數(shù)據(jù)在某些年份存在兩個(gè)數(shù)據(jù)，如F12 和F14 傳感器都記錄了1994 年夜間燈光數(shù)據(jù)，為充分利用已獲取的數(shù)據(jù)信息，研究首先將這些年份的兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)取平均值，即：

式中：L 為某年兩個(gè)傳感器所記錄的夜間燈光平均值，La、Lb分別為不同傳感器數(shù)據(jù)，處理后得到1992-2013 年共22 幅夜間燈光數(shù)據(jù)。

研究所獲NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)為月值數(shù)據(jù)，每一年都記錄了逐月夜間燈光，因未排除雜散光、閃電、月球光照等因素對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，該數(shù)據(jù)本身存在部分缺失。因此，研究僅對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行了年燈光平均值計(jì)算，即：

式中：Lp是某年某像元夜間燈光平均值，i 表示月份，Li表示該像元i 月的夜間燈光指數(shù)，Ti表示該像元第i 月是否為有效燈光值。當(dāng)i 月該像元數(shù)據(jù)有效時(shí)，Ti=1；反之，Ti=0。經(jīng)上式處理后，可得到2013-2018 年共6 幅夜間燈光數(shù)據(jù)。

1.3 DMSP/OLS 圖像間校正

研究所獲取的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)未經(jīng)過輻射定標(biāo)，1992-2013 年所有數(shù)據(jù)由6 個(gè)不同的傳感器所記錄，不同傳感器對相同亮度的燈光會(huì)有不同的評價(jià)結(jié)果，直接使用此數(shù)據(jù)將使圖像由于系統(tǒng)誤差出現(xiàn)極大的異常波動(dòng)，因此需要對DMSP/OLS 圖像進(jìn)行校正處理后才能應(yīng)用于研究工作中。目前為止，輻射定標(biāo)是對DMSP/OLS 數(shù)據(jù)最理想的校正手段，它能最大程度降低像元過飽和，減小誤差，使得各年間夜間燈光圖像出現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)性，但輻射定標(biāo)法由于算法復(fù)雜且參數(shù)不易獲取，實(shí)現(xiàn)起來較為困難[19]。本研究首次提出像元數(shù)值模擬法，即通過建立DMSP/OLS 2013 年0～63 各級DN 值與DMSP/OLS 1992-2012 各年燈光數(shù)據(jù)相應(yīng)空間位置統(tǒng)計(jì)平均值間的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系，分別建立2013 年燈光DN 值向其他各年燈光DN 值的模擬標(biāo)準(zhǔn)（圖1 顯示部分年份），依據(jù)所建標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)DMSP/OLS 2013 年燈光數(shù)據(jù)對1992-2012 各年燈光數(shù)據(jù)的模擬重構(gòu)，需要特別說明的是當(dāng)被重構(gòu)年原始數(shù)據(jù)為0 時(shí)，重構(gòu)數(shù)據(jù)依然保持為0，不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最終完成DMSP/OLS 圖像間的燈光校正。

圖1 2013 年DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)DN 值對部分年份燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

1.4 DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 相互校正

由于DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)對燈光數(shù)據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)完全不同，為了長時(shí)間序列夜間燈光的相關(guān)研究能順利進(jìn)行，需要對DMSP/OLS 數(shù)據(jù)與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正。為實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)轉(zhuǎn)換，研究首先計(jì)算出2013 年DMSP/OLS 數(shù)據(jù)0～63 各級別像元在2013 年NPP/VIIRS 燈光數(shù)據(jù)相應(yīng)空間位置的平均值，將得到的64組對應(yīng)關(guān)系采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2 所示，所建立的統(tǒng)計(jì)回歸模型的擬合優(yōu)度為0.9905。最后，利用構(gòu)建的回歸轉(zhuǎn)換模型作為“橋梁”，實(shí)現(xiàn)2014-2018 各年NPP/VIIRS 年平均燈光數(shù)據(jù)向DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

圖2 NPP/VIIRS 平均輻射亮度對應(yīng)DMSP/OLS DN 值的函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

式中：y 為2014-2018 年NPP/VIIRS 初次校正后數(shù)據(jù)，x為NPP/VIIRS 校正前數(shù)據(jù)。

由于所獲取的NPP-VIIRS 數(shù)據(jù)并沒有經(jīng)過過濾，以及去除與火災(zāi)、氣體耀斑、火山和背景噪音有關(guān)的光線探測，所以需對初次校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理以減少這類不利因素的干擾[20]。研究中假定在DMSP/OLS 數(shù)據(jù)集中2010-2013 年連續(xù)四年DN 值都為0 的像元即為“無燈光像元”，因而在NPP/VIIRS 相對于DMSP/OLS 燈光校正結(jié)果中，若校正數(shù)據(jù)屬于“無燈光像元”，則將該校正結(jié)果再賦值為0。通過上述步驟研究完成兩衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)間的相互校正。研究方法的整體流程如圖3 所示。

圖3 校正方案流程圖

2 結(jié)果與分析

通過上述方法研究獲取了1992-2018 年中國夜間燈光連續(xù)校正結(jié)果（圖4 展示部分年份）。從圖中可看出，改革開放以來中國夜間燈光明顯變亮，特別是中國華北平原、長三角以及珠三角地區(qū)夜間燈光明顯變亮，這些區(qū)域相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)也在高速發(fā)展。中國夜間燈光分布的大致規(guī)律為“東明西暗”，這與中國的人口分布格局、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平緊密相關(guān)。

圖4 部分年份夜間燈光校正后圖像

研究通過對比各年DMSP/OLS 數(shù)據(jù)校正前后真實(shí)和模擬值散點(diǎn)圖的線性擬合優(yōu)度來檢驗(yàn)DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)校正的合理性。從圖5 和表3 可以看出，各年DMSP/OLS 數(shù)據(jù)校正前后真實(shí)值和模擬值存在著極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，各年數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度范圍介于0.9728～0.9988 之間，平均擬合優(yōu)度達(dá)0.9890。其中，越接近2013 年參考圖像年份的數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖線性擬合優(yōu)度值越高。結(jié)果分析表明，模擬重構(gòu)的DMSP/OLS 各年數(shù)據(jù)結(jié)果具有合理性。

表3 1992-2012 年校正前后數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度

圖5 部分年份DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)校正前后原始值和模擬值散點(diǎn)圖

為驗(yàn)證1992-2018 年DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 連續(xù)燈光的校正結(jié)果，研究利用與燈光亮度緊密關(guān)聯(lián)的中國各級行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對燈光校正的結(jié)果進(jìn)行了準(zhǔn)確性和連續(xù)性評估。在中國國家級層面，1992-2018 年中國逐年燈光灰度總量（TSOL）與該時(shí)期中國逐年GDP、EPC間有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖6），相關(guān)系數(shù)分別為0.9809、0.9822。TSOL 與GDP、EPC 間線性擬合優(yōu)度分別為0.9622、0.9648。分析表明在該層級燈光校正結(jié)果與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相符合。

圖6 國家尺度TSOL 與GDP、EPC 關(guān)系

在中國省（區(qū)）級尺度，1992-2018 年各?。▍^(qū)）逐年TSOL 與相應(yīng)GDP 和EPC 有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖7），相關(guān)系數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.9720±0.015 和0.9731±0.01。分析表明在該尺度燈光校正結(jié)果與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相符合。

在中國市、縣級尺度，1992-2018 年各省會(huì)城市（其中缺失1992-1996、2004-2006 年拉薩市GDP 數(shù)據(jù)）逐年TSOL 與相應(yīng)GDP 有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系（表4），相關(guān)系數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為0.9509 ± 0.028。1999-2018 年中國部分縣及縣級市（所選中的中國49 個(gè)縣或縣級市為隨機(jī)挑選，由于早期年份GDP 數(shù)據(jù)較難獲取，參與計(jì)算的有效數(shù)據(jù)為894 個(gè)，缺少數(shù)據(jù)86 個(gè)）逐年TSOL 與相應(yīng)GDP 也有著顯著的正相關(guān)關(guān)系（表5），相關(guān)系數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為0.9415±0.038。以上分析表明在較低行政尺度上燈光校正結(jié)果與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r也相符合。綜上所述，研究所得1992-2018 年中國燈光校正結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，所得數(shù)據(jù)可用于今后中國不同行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的估算。

表4 城市尺度TSOL 與GDP 關(guān)系

表5 縣級尺度TSOL 與GDP 關(guān)系

3 討論

DMSP/OLS 燈光連續(xù)性校正常采用不變目標(biāo)區(qū)域法來實(shí)現(xiàn)[9]，即選定一個(gè)燈光恒定區(qū)，假定該區(qū)域長時(shí)間以來燈光指數(shù)未發(fā)生變化。基于該假設(shè)，通過不變目標(biāo)區(qū)建立待校正數(shù)據(jù)與目標(biāo)年份數(shù)據(jù)的函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，依據(jù)所建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系，完成DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)間的連續(xù)校正，該方法雖然能在一定程度上增強(qiáng)DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的連續(xù)性，但也有諸多弊端。首先，被選作為不變目標(biāo)區(qū)的西西里島、黑龍江省以及日本、洛杉磯等地雖然在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下保持了較為穩(wěn)定的發(fā)展水平，但不排除近年來這些地區(qū)燈光發(fā)生不同程度的緩慢變化，這將為研究帶來一定程度的風(fēng)險(xiǎn)[12]。尤其在中國地區(qū)，近年來人口增多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、基礎(chǔ)設(shè)施愈加完善，除高原荒漠等無人區(qū)外的其他地區(qū)夜間燈光指數(shù)都有不同程度地增加，這導(dǎo)致對不變目標(biāo)區(qū)的尋找在一定程度上增加了難度。其次，在確定不變目標(biāo)區(qū)的范圍時(shí)摻雜了較多的主觀因素，人為設(shè)置閾值將使不變目標(biāo)區(qū)識(shí)別自動(dòng)化程度大為降低，難以處理不同地區(qū)的不同情形。此外，該方法中也有研究者再結(jié)合植被指數(shù)消除DMSP/OLS 數(shù)據(jù)過飽的擴(kuò)展性研究[2，21]。這種方法除了主觀設(shè)置閾值這一缺陷外，還首先假定了城市化與植被的對立關(guān)系，即夜間燈光亮度與植被指數(shù)NDVI 成反比，植被指數(shù)越小的地區(qū)，夜間燈光應(yīng)越強(qiáng)，這種假設(shè)在確定的一小范圍地區(qū)內(nèi)可能是成立的。然而，并不是所有地區(qū)都符合較亮的燈光和較低的NDVI 的模式，在研究國家尺度甚至更大范圍時(shí)默認(rèn)此假設(shè)可能對研究結(jié)果造成不可忽視的誤差[22]。本研究摒棄了以往研究廣泛應(yīng)用的不變目標(biāo)法，提出了一種全新的DMSP/OLS 數(shù)據(jù)校正方法——像元數(shù)值模擬法。該方法步驟簡單，容易理解，且在校正過程中使用全部的數(shù)值，它們?nèi)繀⑴c到待校正圖像與參考圖像對應(yīng)關(guān)系的計(jì)算中，最大程度保證了數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)校正過程也未設(shè)定閾值，減少了人為因素對實(shí)驗(yàn)造成的干擾。燈光校正結(jié)果準(zhǔn)確有效，校正精度0.989 高于不變目標(biāo)區(qū)域法所得的0.947[9]。

圖7 省級尺度TSOL 與GDP、EPC 關(guān)系

DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)有兩個(gè)重疊年份——2012 年、2013 年。解決DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)相互校正問題的關(guān)鍵在于探索重疊年份中兩種數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。針對此問題，不同的學(xué)者給出了不同的解決方案。Zheng 等人[6]利用1996-2013 年8 期有輻射定標(biāo)的DMSP/OLS 圖像估算其余無定標(biāo)DMSP/OLS 圖像的輻射定標(biāo)值，然后將其與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，利用線性回歸方程將NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DMSP/OLS 數(shù)據(jù)；Tu 等人[21]解決方案與Zheng 類似，他們首先對DMSP/OLS 數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除噪聲，并結(jié)合植被指數(shù)實(shí)現(xiàn)對DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的飽和校正，將得到的2012 年、2013 年數(shù)據(jù)與同年NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)建立擬合曲線，發(fā)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)間具指數(shù)對應(yīng)關(guān)系，后利用該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系將2000-2013 年DMSP/OLS 燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NPP/VIIRS 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Ma 等[13]與Zhao 等[14]都對NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行了對數(shù)轉(zhuǎn)化，然后與相應(yīng)DMSP/OLS 數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，分別利用BiDoseResp（Biphasic Dose Response）和sigmoid 函數(shù)模型找出兩種數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。Zhu 等[5]計(jì)算出中國2012-2013 年31 個(gè)省級行政區(qū)兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)間各自的總夜間燈光亮度，分別通過線性、二項(xiàng)式及指數(shù)擬合模型得到兩種數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。Li 等[15]利用DMSP/OLS 圖像各級別像元在NPP/VIIRS 圖像上對應(yīng)的平均值取值，構(gòu)建穩(wěn)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換。綜上所述，作者認(rèn)為在所有方法中，Li 所構(gòu)建的兩衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系最為穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)過程更為簡單有效，能夠找出兩種數(shù)據(jù)間一般普遍對應(yīng)關(guān)系。本研究所采用的DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)相互校正方法與Li 的方法原理相同。

通過本研究的校正方法能夠得到連續(xù)且較準(zhǔn)確的長時(shí)間序列夜間燈光圖像，但在校正過程中仍存在著尚有可能對研究結(jié)果造成不確定影響的因素，主要有光暈效應(yīng)。光暈效應(yīng)是指光源像元散發(fā)的光在非光源像元處發(fā)生反射，使傳感器錯(cuò)誤將非光源像元也作為光源的現(xiàn)象，這將導(dǎo)致發(fā)光區(qū)域范圍被高估，特別是水面和雪面光暈效應(yīng)更加明顯[18]。而在NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)中，傳感器的升級使光暈效應(yīng)對其造成的影響可忽略不計(jì)[23]。因此相比DMSP/OLS 數(shù)據(jù)圖像中的一團(tuán)光，NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)由于不受光暈效應(yīng)的影響，能將燈火通明城市顯示成一個(gè)精細(xì)的互聯(lián)城市網(wǎng)絡(luò)。若不對光暈效應(yīng)進(jìn)行處理，可能會(huì)對兩種數(shù)據(jù)的連續(xù)性造成一定程度的影響。但處理光暈效應(yīng)至今為止仍是一個(gè)相當(dāng)棘手的問題。典型解決方案是使用低光閾值，過濾掉部分DN 值低的像元[24]。但對于確定不同地區(qū)的低光閾值的方法和利用閾值處理夜間燈光圖像的具體方式仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

研究以DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)存在交疊的DMSP/OLS 2013 年數(shù)據(jù)為紐帶，利用像元數(shù)值模擬法，實(shí)現(xiàn)了2013 年DMSP/OLS 數(shù)據(jù)對1992-2012 各年DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的模擬。結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證，各年模擬數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)間有較強(qiáng)線性關(guān)系，各年數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為0.989±0.008，證明該方法能夠完成DMSP/OLS 數(shù)據(jù)間的連續(xù)校正。研究利用DMSP/OLS 2013 年各級燈光數(shù)據(jù)與2013 年NPP/VIIRS 燈光數(shù)據(jù)相應(yīng)空間位置平均值間的數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)2014-2018 各年NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)向DMSP/OLS 數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。研究所得1992-2018 年連續(xù)夜間燈光數(shù)據(jù)，經(jīng)中國各級行政尺度GDP、EPC 相關(guān)性檢驗(yàn)，證明燈光連續(xù)校正結(jié)果與各級社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)高度吻合，所得燈光連續(xù)校正結(jié)果正確。研究所建立的燈光校正方法為DMSP/OLS 與NPP/VIIRS 燈光連續(xù)校正開辟了新的道路，所構(gòu)建的方法也適用于全球燈光校正。