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全球变化科学卫星 夜间灯光卫星

已有 8806 次阅读 2014-11-12 09:49 |系统分类:科普集锦

城市化是人类文明发展的重要进程,是全球变化与人类环境交互作用的直接媒介。夜间灯光数据是人类活动的重要标志,也是在空间领域表征当前人类社会城市化的一个最直接的特征。近年来,夜间灯光数据越来越多地被用来研究全球或区域尺度的城市土地覆盖、人口估算、经济活动等城市化关键要素的快速评估与空间综合分析。全球及区域夜间灯光城市化的多维多尺度研究有助于全球环境变化与人类环境耦合规律的认识和理解。目前对城市化的时空变化规律研究,存在时间尺度和空间尺度的不完整,全球环境变化与人类环境的交互作用规律亦尚在研究之中。

全球城市环境变化的挑战

全球或区域地区的城市化时空信息的快速准确获取,成为研究城市化与全球环境变换相互作用的重要前提之一。对地观测技术在空间维、时间维和光谱维等领域的迅速发展,为从空间角度上进行城市化过程机制的监测和研究提供了重要的科学信息和技术手段。全球性和区域性的对地观测是地球现状的真实写照,它不仅反映了自然的现象,同时也集中反映了人类活动对地球系统的影响,人类活动、人文因素特别是大规模工程建设都会给地球带来严重的影响。目前全球大量的城市化迅速扩张,已经严重超过了传统模式监管、组织和规划能力,很难用常规的手段来记录和测量正在发展中的城市化进程。另外利用传统手段记录城市化过程在空间上的定性或定量化的扩展信息,存在着标准不统一、难以访问、不易集中存储、不完整、缺乏时序信息、更新较难、与其他城市的可比性差等缺点,难以满足目前区域或全球尺度上的城市化时空变化及其与全球环境变化的研究需求,主要包括数据在时间维和空间维上的独立性、连贯性、可持续性等。其中,地观测数据就是能在时空尺度上满足上述监测和研究需求的数据源之一,因此利用遥感数据进行城市化的动态监测已经成为城市空间环境研究的重要手段。一方面,过去的十多年里,中高分辨率(< 250m)对地观测技术的发展,提供了覆盖陆表的诸如Landsat系列数据、SPOT、RapidEye、IRS、IKONOS、QuickBird、WorldView I 和II等遥感数据源。上述遥感数据获取的物理基础是地表对阳光复杂反射作用。这些多光谱遥感影像具有空间分辨率高、重访周期短等优点,为局部和区域范围内的城市化的快速监测提供重要支持。当用较高分辨率的遥感数据进行洲际或全球尺度的城市化时空变化过程研究时,会面临着数据量大-存储和处理不方便、数据费用高-监测研究成本高等不足。另一方面,中低空间分辨率(250m~2km)对地观测技术发展,使覆盖全球的遥感监测变为可能,也使全球性的综合研究变为现实,如MODIS和DMSP-OLS夜间遥感数据等。

不仅地球本身在夜间具有强烈的热红外辐射,同时在那些人口密集、人类活动剧烈地区的各种照明设备也为地球提供了可见的辐射源。遥感影像上夜间的灯光反映了以城市为主的光照程度和能源的消耗程度。夜间灯光数据是人类活动的重要标志,也是在空间领域表征当前人类社会城市化的一个最直接的特征。它一方面可以作为经济社会发达程度的一种指标,同时反映了人口的空间分布,也被认为是一种环境问题,即光污染问题,对各种动、植物,特别是人类均造成严重的生态污染。自1978年,Croft(1978)发现了可以用夜间灯光数据作为人类活动的指示作用后,夜间灯光数据越来越多地被用来研究全球或区域尺度的城市土地覆盖、人口估算、经济活动、能源/资源消费、碳排放、生态环境等城市化关键要素和火灾等自然灾害的快速评估与空间综合分析。然而上述数据的几何空间分辨率粗糙,难以满足城市化轮廓、进度、类型等精细尺度方面的研究需要。

以夜间灯光数据表征的城市化过程与生态环境存在先天的耦合机理,直接影响了其周边区域的岩石圈、大气圈、水圈等重要陆表过程。全球及区域夜间灯光城市化的多维多尺度研究有助于全球环境变化与人类环境耦合规律的认识和理解。目前对城市化的时空变化规律研究,存在时间尺度和空间尺度的不完整,全球环境变化与人类环境的交互作用规律亦尚在研究之中。

城市化与生态环境交互耦合的时序规律性图解(黄金川, 2003)

随着对地观测技术的迅速发展,综合利用可见光近红外波段的夜间对地观测能力进行了较粗尺度的特大城市化时空动态变化规律的研究,取得了较为理想的实验和预测结果,而热红外波段则研究城市化热环境的时空变化重要手段。目前用于全球夜间灯光观测的卫星/航空平台比较少,见于文献的主要有:美国军事气象卫星DMSP搭载的OLS传感器提供了最常用、最完整的全球夜间灯光对地观测数据,但存在空间分辨率过低、缺乏在线定标、信号过饱和、波段单一等不足;美国国家极轨环境卫星(NPOESS)的VIIRS传感器也仅提供1个白天/夜间(Day/Night Band, DNB)波段的低空间分辨率的夜间灯光辐射数据;国际空间站的Kodak-Nikon 760仅在短时间内提供过夜间灯光数据。因此,对于全球尺度的城市化环境耦合作用研究,发展可用于城市化综合分析的夜间灯光对地观测卫星具有重要的科学意义。

表 目前已有典型夜间低光对地观测系统性能对比(截止2012年)(Elvidge et al., 2007a)

NPOESS卫星配置图

国际空间站拍摄的地中海东南部夜间照片

空间观测所面临的科学问题

城市热岛及其城郊空气循环示意图

人类为了满足自己的居住、交通和商业等文明发展需求,在地球陆地表面建立、利用和维护系列不透水的建筑工程,体现了人类对环境的改造,也导致了人工不透水层的蔓延发展和快速扩散。现有研究表明,城市化过程中非城镇单元向城镇单元的转化时地形、区位、交通等内在适应性因素和经济、社会等外在因素共同作用的结果。城市夜间灯光数据综合反映了城市化综合特征。空间夜间灯光对地观测数据则可提供更为准确的城市/城镇发展分布密度等信息,为城市化与全球环境变化交互影响的研究提供了另外一条可行的途径。但目前常用的夜间灯光遥感器(DMSP-OLS)的地面空间分辨率太低,造成城市夜间光覆盖区域常常大于城市实际区域。另外由于大气对光线的散射作用和探测器响应范围的限制,目前获取到的全球城市(尤其是特大城市)的夜间灯光遥感数据常常出现“过饱和”现象,并且难以区分出城市灯光的类型。目前夜间光对地观测系统的不足总结如下:(1)空间分辨率比较低;(2)缺乏在线定标;(3)在飞行中,缺乏对增益变化的同步纪录;(4)有限的动态范围;(5)仅6位的定量表述;(6)在城市中心区域常出现灯光饱和现象;(7)缺乏适合火光探测的热红外波段;(8)有限的数据纪录和下载容量;(9)缺乏遥感器的点散射函数参数信息;(10)缺乏遥感器视场角的参数信息;(11)缺乏能探测夜间光的多波段信息。

科学目标

位于拉斯维加斯的Cirrus DCS 相机夜间灯光遥感实验区 (Elvidge et al., 2007a)

发展面向全球变化研究的夜间灯光卫星,其科学目标一:面向全球城市化的城市化夜间光环境因子的时空变化进行动态监测。描述全球城市化过程的发展足迹,以及稀疏地分布在乡村地区的城镇的位置和发展程度;目标二:为全球城市化与全球环境变化的交互作用规律和机制研究提供科学数据。夜间灯光卫星主要面向全球环境变化与城市化交互作用的科学研究的实际需求,动态监测全球夜间灯光的时空变化类型和规律,为定量化分析全球城市化的类型、阶段、过程提供空间观测的技术支持和基础科学数据;目标三:对于我国提出和制定应对全球环境变化对我国城市影响的应对方案,确定我国不同发展地区的城市化阶段及其环境影响,以及我国东部城市的环境优化升级和中西部城市化过程的规划布局提供科学基础。

系统描述

国际空间站(2011年5月31日)

为了满足夜间光监测高重访周期的要求,并顾及卫星发展成本和技术的实现,采用小卫星星座构建夜间灯光卫星系统。总体技术性能要求可见光空间分辨率在100~150m,热红外空间分辨率在100~150m范围内;需要多个谱段并具有较高的光谱分辨率;两颗卫星配合获取我国境内较高的观测时间分辨率,观测重访周期为101min。

夜间灯光卫星的总体构成包括卫星平台、数传与有效载荷两部分。每颗卫星的平台包括结构和结构分系统、测控分系统、星务管理分系统、姿轨控分系统、电源分系统、总体电路分系统、热控分系统和天线;有效载荷包括数传分系统、低光探测器、热红外探测器。

夜间灯光卫星地面数据处理系统

夜间光处理主要包括两条数据处理链,即:夜间光源遥感源数据处理链层和全球网格遥感数据处理链层

夜间灯光卫星地面数据处理框架

在经过可见光近红外辐射源识别、夜间云的检测和去除处理,以及地理坐标定位处理后,夜间光遥感数据被投影并保存到全球参考网格中。每一个轨道都可以产生一个参考网格。建立一个可以计算一段时间内每个网格内无云夜间光遥感数据的覆盖次数的计数存储器。将计数器值除以无云观测次数后,再乘以100,可以得到无云观测到的可见光近红外辐射源在每个网格中的观测频率。

经过一段时间连续观测(以年为单位计),得到一系列全球的火灾、尤其燃烧、渔船等和人类居住区的详细资料,然后将探测到的某像元的发光次数除以该像元所在区域无云图幅的总数,得到该像元在观测期间的发光频率,然后对这种频率数据取阈值去除一些偶然事件如噪声、火光等的影响,得到稳定灯光数据产品

本文摘编自郭华东等著《全球变化科学卫星》一书,该书全面论述了全球变化空间观测的发展、现状和趋势,提出了全球变化敏感因子、全球变化科学卫星的概念和科学内涵。面向全球变化研究及我国的重大需求,优选出亟需发展的全球变化系列科学卫星:大气碳卫星、气溶胶卫星、夜间光卫星、森林生物量卫星、海洋盐度卫星、冰川卫星等,提出这些卫星的系统概念和技术参数。并提出全球变化多星联网观测、全球变化月基观测系统及行星与地球的全球变化比较等新型全球变化空间观测概念。

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