好文推荐｜夜间灯光的观测几何效应

原创李熙等遥感学报 2021-09-20

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主题词

夜间灯光，观测几何，卫星天顶角，卫星方位角，大气校正，VIIRS日数据

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夜光遥感被广泛应用于城市化监测、区域经济发展、人道主义灾难监测、渔业监测等领域。美国Suomi NPP卫星于2011年底发射，其搭载的VIIRS 传感器可以高精度获得地球夜光遥感影像，由于VIIRS传感器自身的特点以及星上辐射定标功能，使得VIIRS能够准确的获取地球夜间的辐亮度信息。

虽然NOAA和NASA相继发布了VIIRS DNB的每日夜间辐亮度产品，但由于每日数据的时间序列存在明显异常波动，导致VIIRS DNB每日产品的应用存在巨大挑战。

毫无疑问，云、月光和坏数据因素是导致VIIRS夜间辐亮度影像存在异常波动的重要因素。但是，当去除掉这些因素的影响后，仍然发现VIIRS夜间辐亮度存在显著的周期性波动，这背后的原因是什么？

武汉大学李熙等近期论文《Anisotropic characteristic of artificial light at night – Systematic investigation with VIIRS DNB multi-temporal observations》，为您揭晓。

研究背景和意义

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我们发现，VIIRS DNB影像的每日变化存在明显的规律性波动。利用全球不同纬度6个城市的研究区进行分析，发现卫星观测角度可以用来很好的解释VIIRS DNB辐亮度的规律性波动：回归分析表明，卫星天顶角能够用来解释夜光辐亮度波动的50%，此外卫星方位角能够少量的解释夜光异常波动。

本研究首次揭示了夜间灯光存在明显的观测几何效应，可以类比于反射率影像的BRDF效应，对于夜光遥感的高精度预处理和时序应用提供了基础理论。

主要结论

基于大气校正后的VIIRS DNB夜间影像，发现了夜光遥感影像中卫星观测角度是辐亮度波动的重要因素。该发现对于理解夜光遥感的成像机制提供了依据，同时对于开展夜光遥感影像的时序变化分析和变化检测提供支持：如果去除掉观测角度产生的辐亮度波动，则能够更加精准应用时序夜光遥感影像监测社会经济变化。

研究方法

首先，研究VIIRS DNB影像中的卫星天顶角和方位角变化，发现全球任何区域的卫星天顶角的变化在0-70度之间；另外，随着纬度的增大，方位角的变化范围在增大。这说明VIIRS DNB影像中存在明显的观测角度变化。

选择莫斯科、洛杉矶、休仕敦、北京、基多和悉尼6个不同纬度的城市作为研究区域，并随机选取每个城市中的5个点作为研究对象，以2016年作为研究时间段。

检测到被云和坏数据污染的VIIRS DNB影像，并将其从整个数据集过滤，其次利用Miguel Roman提出的大气校正方法和MODIS产品去除大气和月光对VIIRS DNB夜间辐亮度的影响。

数据预处理过程是整个研究的主要工作量所在。当完成上述数据预处理后，可以开始研究VIIRS DNB辐亮度与观测角度的关系。

研究结果

通过构建散点图，发现30个研究对象中，卫星天顶角和VIIRS DNB的辐亮度存在显著关系，这种关系可以用二次函数进行有效拟合，30个研究对象的平均拟合R方达到0.5，当加入方位角到拟合模型后，平均R方达到0.53，这说明天顶角可以用来解释夜光辐亮度50%的变化，方位角虽然也有助于解释辐亮度变化，但其作用相对较小。

图1 30个研究对象的天顶角与夜光辐亮度的关系(VZA代表观测天顶角)

将研究对象分为高楼区和矮楼区，发现天顶角—辐亮度的关系在高楼区和矮楼区存在明显的差异：在高楼区中，辐亮度随天顶角增大而先减后增，但是矮楼区则呈现出辐亮度随着天顶角增大而增大的规律。此外，讨论了天顶角和方位角共线性的问题以及卫星过境时间对辐亮度的可能性影响。

论文标题

Anisotropic characteristic of artificial light at night – Systematic investigation with VIIRS DNB multi-temporal observations

发表期刊

Remote Sensing of Environment

论文全文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425719303761

作者简介

李熙，副教授，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室。研究方向为夜光遥感应用和定量遥感。

E-mail: li_rs@163.com

个人主页：

http://www.lmars.whu.edu.cn/prof_web/lixi/cn/index.html