李德仁：遥感领域新兴分支——论夜光遥感数据挖掘
中国测绘地理信息学会2015年学术年会10月22日在江西南昌召开。中国科学院院士、中国工程院士、武汉大学学术委员会主任李德仁院士给带来了报告《论夜光遥感数据挖掘》。围绕什么是空间数据挖掘，什么是夜光遥感，从夜光遥感数据挖掘中可以获得哪些知识以及武汉大学近期的工作四个方面，给参会人员做了介绍。
以下是李德仁院士在会上的讲话实录：
我今天的演讲主题是《夜光遥感的数据挖掘》。大家做遥感做了那么多年，主要做自然的，地球的变化，能不能利用我们的遥感，来研究以人类以及人类活动为中心的，来做社会经济学的一个应用?因此今天提到的夜光遥感是以人类为中心，开展对地观测的数据分析。
我将围绕以下四个方面介绍：一、什么是空间数据挖掘?二、什么是夜光遥感?三、从夜光遥感数据挖掘中可以获得哪些知识?四、武汉大学近期的工作。
一、什么是空间数据挖掘?由于物联网的需求，会带来上亿个，十万亿个无限的传感器，记录我们人类在为地上的活动，人财物的装备变化，这就会带来海量的大数据。这些大数据要处理、挖掘，相比数据处理和信息提取，数据挖掘主要难在基于大数据和知识库存的智能推理。
我们空间数据挖掘是从海量、多元多尺度、多时相、多光谱的地理空间数据中自动发现和抽取隐含的、非显性的模式、规则中提取。
这个数据挖掘的过程，包括数据采集、数据存储、数据运算、数据传输分配、数据挖掘、数据演示到数据安全。这个过程，就称之为从仓库里面选取数据，要做数据采样、多方面的分析，最后得到我们要用的数据。
数据挖掘我们要做准备，从数据的统计分析、知识发现到可视化。在验证过程中，在检验高度中，我们需要关联规则、需要找分类、聚类分析、序列分析、路径更新等等，这是摆在我们年轻人，我们全体测绘人员需要面对的新的任务，它就是一个金字塔——从现实世界，我们可以获得空间数据，继续往下做空间数据挖掘，最后得到我们的支持。关于这个问题，我们有本书，叫空间数据挖掘的理论与应用，在中国科学出版社出了两本，英文版正在翻译，今年会出来。
这本书里面讲的空间数据挖掘和知识发现的方法，包括统计方法和空间统计、归纳方法、聚类方法、空间多测量和多时相分析方法、探索性数据分析、数据场和云模型、图像分析和模式识别，包括神经网络、证据理论、遗传算法、数学形态学等
二、什么是夜光遥感?夜光遥感对地观测平台，夜光遥感数据预处理。
这是美国军事气象卫星获取的全球晚上的夜光遥感影像。这是一个国际空间站宇航员用照相机拍摄的武汉市的夜光影像，这个分辨率是60米，可以看到我们大学在这里。我给出一个夜光遥感的定义：在夜间无云情况下，遥感传感器获取陆地/水体可见光源的过程，即称之为夜光遥感。城市灯光、舰船灯光和油井燃烧发光均和人类活动有关，而这些可见光源均可以被夜光遥感卫星观测到。
除了人类以外，自然界也有可能发光，也是夜光光源的一部分。有发光的海洋生物、火山爆发、激光、森林野火等。
夜光遥感对地观测平台。目前美国、以色列、阿根廷等国拥有能够观测夜光的卫星。美国有DMSP系列卫星，传感器是OLS，空间分辨率2700米。阿根廷有SAC-C卫星，传感器HSTC，空间分辨率2-3千米。
夜光遥感数据预处理。包括几何纠正、辐射定标、云检测地表反射的月光去除、噪声去除。一般情况下，用于社会经济数据挖掘的夜光影像来自于一定时期内的平均夜光影像。
我们从夜光遥感数据中可以获得的知识可以用于社会经济参数估算、城市化和区域发展评估、光污染分析、渔业检测。
社会经济参数估算。比如说社会经济参数，美国有用夜光做了一个全球2006年的GDP，就发现有一些国家虚报了GDP的增长。1992-2002年的GDP年均增长率的官方值为8.6%，而夜光数据修整后的年均增长率只有4.3%。因为数据是人报的，可以修整GDP参数的虚报。这就是2006年全球一公里的GDP，详细可以看，这墨西哥的这是阿根廷的。这是用传统办法做得很慢，这个用夜光遥感做得很快。
城市化和区域发展评估。请大家看，左边这张图，1992年长三角夜光遥感影像，到2013年整个长三角夜光遥感影像，可以发现城市发展成连片的，原来是分开的。
综合城市发展分布，我们可以把中国的城市化分为中国十个大的城市群，可以通过空间分析，就可以把城市群的范围定义出来。所以这是我们夜光遥感的一个运用。
光污染分析。美国人做的乳腺发病率跟夜光分布的关系，它有正相关，就是肥胖病、癌症的光污染有关。所以它损害人的健康。有一些国家像北欧，控制夜光以减少对人体的污染。光污染与乳腺癌的发病率、前列腺癌发病率、与青少年的夜晚型人格比例都是正相关，光污染改变了海龟的筑巢习惯，也改变了部分鸟类的生活习性。
渔业检测。很多国家调查了捕鱼的情况，这是海上鱼船发的光。
以下介绍下武汉大学近期的工作。武汉大学研究团队在近年来开展了夜光遥感应用研究：包括夜光影像的预处理分析、光污染分析、人道主义危机评估、区域发展评估。下面着重介绍利用夜光遥感技术人道危机评估和一带一路的区域发展评估的研究：全球武装冲突评估、叙利亚内战评估、伊拉克北部伊斯兰国(ISIS)的评估、“一带一路”的夜光动态分析。
1.全球武装冲突评估。我们发现夜光的剧烈减少或波动往往意味着当地发生了战争和人道主义灾难。再看这个，我们分析夜光活动，在有些国家集聚波动，每年一会儿少、一会儿多，这个国家政局的反应，经济波动很大。卢旺达波动是有一次大屠杀。越南有一次夜光不断增加，他学中国改革开放。新西兰、澳大利亚是稳定国家，稳定发展，经济平稳发展。
2.叙利亚内战评估。结果我们就把夜光波动指数和发生战争纪律找到了关系。因为我们重点这两年做了叙利亚内战评估，有100多万人流离失所，成了难民。但是叙利亚对于占地记者去，极端危险，导致新闻报到不全面和不客观。那么我们可以靠遥感影像来分析。
这是利用美国的数据，2011年3月的叙利亚夜光遥感影像;发生战争以后，2014年2月份，减少了80%的。这个国家工业在这个省，这个省的夜光指数是96%。按照这个我们就去估计，在2011年到2014年这三年之中，叙利亚的夜光减少了74%。叙利亚在14个省分之中，有12%个省份的夜光减少了60%，这说明难民迁徙是夜光减少的主要因素。我们看遥感的数据是实时数据做了这个分析，这个分析的结果，我们在《国际遥感》发了一篇文章，在今年的3月份，正好叙利亚内战爆发四周年，全世界NGO，非政府机构决定全球声援叙利亚，与叙利亚同在。结果找不到数据，我们发现83%的叙利亚夜光消失，足以说明内战的严重程度。。超过600家国际主流媒体和网站以文字报道、电视广播等形式转摘或评估了研究成果。而报告的成果最后上交了联合国安理会。
3.伊拉克北部伊斯兰国(ISIS)的评估。从这个结果大家可以看出来，打白圈的地区夜光几乎消失，这个地方是什么地区?是ISIS控制的摩苏尔地区，而首都巴格达的灯光未发生减少。这就说明ISIS只给另外一个教派组织者，这个就做了分析，最多的地方减少了93%。这样基本上就可以发现伊拉克城镇的夜光的规律，我们也写了一篇文章。这个结果也同样得到了很多的应用。
我们得出什么结论?伊拉克政府切断了ISIS控制区域的电力供应，而ISIS控制了发电站的发电，也给居民生活带来影响。
4. “一带一路”的夜光动态分析。目前上有三条线，从中国-中亚-俄罗斯-欧洲;中国-中亚-西亚-波斯湾-地中海;中国-东南亚、南亚、印度洋。我们按照定义的“一带一路”，涉及沿岸35个国家，我们采取了1995年、2001年、2007年、2013年的DMSP夜光遥感影像。可以看到，多数国家的夜光不断增加。特别是中国，以及好多东南亚国家，还有西欧的国家。1995年“一带一路”的夜光排名，第一名是俄罗斯，到2013年再排名第一名是中国，当时中国只有俄罗斯的一半，现在中国已经反超俄罗斯，这说明中国城市发展比较好。这个是动态的分析，这个变化的增长，增长的比例哪些国家?看看中国在哪里?中国排在第13名，柬埔寨、阿富汗、越南、索马里、蒙古都在我们前面。更有下降的:一个是乌克兰，一个是叙利亚，都是因为战争。这就说明中国、东南亚等国的夜光发生了快速增长，这些国家正在发生快速的城市化和经济增长，特别是中国的夜光总量超过俄罗斯，说明中国经济总量超过了俄罗斯。有部分国家，波黑、索马里、阿富汗等，由于和平进程核战后重建，国家在发展。少数国家内战，叙利亚、乌克兰，还有瑞典、丹麦等发达国家，夜光处于负增长。
总体来说，夜光遥感是遥感领域新兴出现的分支，能够提供以人类活动为中心的独特视角，对夜光遥感影像进行数据挖掘，可以发掘如下知识：社会经济参数的估计-GDP、区域发展、人口和碳排放等，观测全球社会经济变化、包括监测战争和经济动荡，污染分析，包括光污染的医学和生态学效应分析。
为此，武汉大学将发射珞珈一号夜光遥感小卫星指标，这个重访周期是3-5天，地面分辨率星下点100米。我们还为这个卫星加了一个北斗增强。美国人不让我们在海外建设，我们帮着他们增强，这是做一个实验。这个在明年9到10月能够上来。
我今天的报告就到这里，谢谢各位!
原标题：李德仁院士：在夜光遥感数据中挖掘民生相关的信息