好文推荐 丨 定量理解日尺度夜间灯光数据的观测角度效应【遥感学报】
主题词
遥感、夜间灯光、VIIRS DNB、Black Marble
角度效应、人造光源辐射
（图片来源于网络）
夜间灯光影像为城市动态监测和社会经济活动监测提供了独特的遥感视角。然而，卫星的不同观测角度会导致夜间灯光数据的显著时间差异，增加了时序数据中的不确定性，导致日尺度夜间灯光数据难以在城市社会经济和环境动态监测中发挥其巨大潜力。
《遥感学报》编委、香港理工大学朱孝林博士团队与《遥感学报》副主编、北京师范大学陈晋教授合作，近期发表文章“Modeling the direction and magnitude of angular effects in nighttime light remote sensing”，提出了角度效应产生的概念模型，研究了不同类型的观测角度效应的空间模式，并量化了城市景观特征对角度效应方向和强度的影响。相关结果将为日尺度夜间灯光的数据分析与应用提供理论支持。
目前，夜间灯光遥感影像已被广泛应用于探索城市动态变化及反演社会经济参数。然而，由于日尺度夜间灯光数据存在较大的不确定性，其在监测城市社会经济活动中的巨大潜力未能得到充分发挥。角度效应是日尺度夜间灯光数据的主要不确定性来源之一。常见的夜间灯光影像数据（如，DMSP/OLS， VIIRS/NPP DNB）最大观测天顶角（Viewing zenith angle, VZA）超过60°，导致其夜间灯光辐射会随观测角度变化而产生明显变化，即角度效应。
一方面，角度效应可能造成夜间灯光数据分析中的误差，但另一方面，它能够提供关于城市三维结构的独特信息。因此，对角度效应的特征和强度进行量化，并解析其与城市结构的关系至关重要。现有研究已经给出了角度效应存在的例证和可能的影响因素，但仍缺乏对角度效应强度和驱动因素的建模与定量化分析。
本研究构建了城市景观驱动产生夜间灯光角度效应的概念模型，分析了城市中角度效应特征的空间模式，并利用城市三维数据和统计模型量化了城市景观要素对角度效应的影响。
概念模型：城市景观要素可能通过图1所示3个方面影响角度效应：（1）遮挡效应，即卫星观测视线被建筑物、植被等地物遮挡，这与地物的高度和密度等特征有关。（2）灯光可见度，即随着卫星观测角度变化，接收到的来自立面（如广告牌，建筑物灯光）的灯光强度变化。（3）地表的反射特征，即地物材质对灯光反射率的各向异性特征。
图1. 城市景观驱动产生夜间灯光角度效应的概念模型
角度效应量化：角度效应的方向和强度分别是卫星观测的灯光辐射随VZA变化的趋势（正向或负向）和速率（单位角度变化对应的辐射强度变化）。考虑到日尺度夜间灯光时间序列的受到包括角度等多因素影响，该研究提出了基于轨道的数据合成方法来提取角度效应的方向和强度。
图2. 三种典型的角度效应中，卫星观测的灯光辐射值与VZA的关系（蓝色点代表卫星观测的灯光辐射值，橙色点为轨道合成后的数据）
景观要素的计量分析：对角度效应驱动因素概念模型进行分析可知，角度效应强度由光源辐射强度和地表景观因素同时决定，而光源辐射强度本身也受到地表景观因素的影响。因此，该研究引入了中介效应分析（图3），区分景观要素对角度效应影响的直接效应和间接效应。直接效应，即城市地物直接影响灯光的可见性和遮挡程度。间接效应，是指城市景观因素决定了地表光源的强度，进而对角度效应产生了间接影响。对于景观要素对角度效应方向的影响，该研究使用了多元逻辑回归，分析各要素的驱动力。
图3. 中介效应模型的分析框架
(a) 自变量和因变量之间的总体效应；(b) 间接效应和直接效应示意图
通过对5个具有三维城市模型的城市进行研究，得到以下重要结果：
三种典型角度效应：正向角度效应，即卫星观测到的灯光强度随着观测角增加而增加；负向角度效应，观测到夜间灯光强度随着观测角增加而减弱；U型角度效应，随着观测角增加，灯光观测值先下降后上升。在城市中，这三种类型的角度效应存在明显的空间分布模式（图4）。负向角度效应通常存在于中央商务区，而正向和U型角度效应则分布在城市的其他区域。
图4. 角度效应及其对应城市景观示例（Site A位于洛杉矶市中心商务区，夜间灯光出现负向角度效应；Site B位于居民区，呈现正向角度效应；Site C位于工商业区，呈现U型角度效应）
景观因素的贡献：对角度效应的方向而言，最重要的城市景观因素是建筑物高度，而角度效应的强度主要与植被和建筑物引起的直接和间接效应有关（图5）。具体而言，建筑物高度对正向角度效应有相反的直接和间接影响，并最终呈现出正向角度效应随建筑物高度增加而减弱的效果。负向角度效应强度的最显著贡献来自于建筑物高度的直接效应，即建筑物越高对地面光源的遮挡越强。U型角度效应的上升阶段和下降阶段的影响因素分别与正向和负向角度效应的影响因素一致，说明在某种程度上，U型角度效应是正向和负向角度效应的共同作用的结果。
图5. 城市景观因素对正向和负向角度效应强度的总影响、直接影响和间接影响
城市尺度的角度效应：基于像素的角度效应模型可推广到城市尺度，三个典型城市的分析表明城市整体的角度效应与城市的整体景观格局相关（图6）。
图6. 城市尺度的角度效应和相应的城市景观
目前广泛应用的夜间灯光日尺度数据存在显著的角度效应，导致同一区域多次观测之间的不一致性，但与此同时，角度观测也提供了独特的城市垂直结构信息。该项研究通过构建城市景观驱动产生夜间灯光角度效应的概念模型，分析了城市中角度效应特征的空间模式和影响因素。这项研究将为重建标准化日尺度夜间灯光时间序列和监测社会经济动态提供重要理论支持。
论文信息
论文题目
Modeling the direction and magnitude of angular effects in nighttime light remote sensing
发表期刊
Remote Sensing of Environment
全文论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003442572100554X?dgcid=author
作者简介
谭晓悦，香港理工大学土地测量及地理资讯学系博士生。研究方向为夜间灯光遥感。
Email: xiaoyue.tan@connect.polyu.hk
朱孝林，香港理工大学土地测量及地理资讯学系助理教授。研究方向为遥感算法及应用，时空分析，森林及环境研究。
Email: xiaolin.zhu@polyu.edu.hk
团队网址：https://xiaolinzhu.weebly.com/
陈晋，北京师范大学地理科学学部教授。研究方向为资源与环境遥感，应急管理等。
Email: chenjin@bnu.edu.cn
团队网址：CHENJIN_LAB (chen-lab.club)
陈瑞麟，北京师范大学地理科学学部硕士研究生。研究方向为夜光遥感，生态环境遥感。
Email: 478607004@qq.com
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