晚上从太空看地球,能看到什么?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 肖洒,北京师范大学定量遥感硕士在读

  据说晚上从太空看地球,城市会像珍珠一样被灯光联系在一起。

  

  这样的场景是不是很美?

  看到这里,许多人可能会好奇,我们究竟是通过什么方式,才能观察到上面这样的图景呢?答案就是:夜光遥感技术。

  (一)夜光遥感是什么?

  随着越来越多的手机app嵌入了卫星图的功能,大家可能对遥感技术已经不太陌生了,但是夜光遥感技术对大家来说也许还是一个新名词。

  夜光遥感是一种利用卫星观测夜间地表发光体,例如城市灯光,渔船灯光等等的新型遥感技术。公众可以通过夜光遥感数据直观地观察到不同区域的发展水平,而科研工作者可以对这些影像进行数据挖掘从而发现社会和自然规律。

  下图显示的就是利用夜光遥感技术获取到的中国地区2012年夜间卫星影像。


  (2012年中国地区夜光遥感卫星影像,南海诸岛数据缺失,暂未标注)

  通过这幅图,即使没有受过任何专业训练的人也能很明显地看出,中国各地区之间的发展程度差异:长三角和珠三角地区在夜间一片灯火通明,其他省份基本上只有省会城市的光较亮。

  总的来说,夜光遥感使得人们能以一个全新的角度来理解社会发展程度和城市化进程。

  从世界范围上开看,夜光遥感技术起源于美国的军事气象卫星计划(defense meteorological satellite program,DMSP)的其中一项业务,该业务初衷是捕捉夜间云层反射的微弱的夜光,从而获取云层夜间分布的信息,同时为战斗机夜间执行任务提供帮助。但是科学家意外地发现DMSP/OLS可以捕捉到无云情况下的夜间城市灯光,这就是夜光遥感的起源。

  美国在2011年发射的suomi-NPP卫星上有一个重要的传感器是可见光-近红外图像辐射仪(VIIRS),该仪器也可以用于夜光遥感监测,并且其数据极为丰富,每日影像均可免费下载。

  同时,阿根廷,以色列等国家也发射过一些夜光遥感卫星,但是总的来说,夜光遥感尚处于起步阶段,无论是从传感器还是算法方面都还有极大的提升空间。

  (二)夜光遥感有什么用?

  了解了夜光遥感的基本情况,那么,夜光遥感和我们平时看到的卫星影像有什么不同?它究竟有什么用呢?

  普通的卫星影像,例如我们常见的各种手机app里的卫星影像,遥感器所接收到的信息主要是地表反射的太阳辐射,而夜光遥感遥感器所接收到的信息主要是人类活动的灯光发出的,所以夜光遥感能直接反应人类的社会活动状况。

  总的来说,目前夜光遥感的应用范围主要集中在以下几个方面:

  1、社会经济参量估算

  目前对社会经济参量的估算可以利用各个部门的统计年鉴等统计数据,也可以用夜光遥感技术估算。

  统计年鉴里的数据虽然较为精确,但是工作量太大,而由于夜光遥感所反应的信息直接关乎到人类活动,因此,利用夜光遥感技术估算社会经济参量是一种重要的、低成本的手段。并且,相比于统计数据单薄的数字,夜光遥感所反应的社会经济参量具有丰富的空间信息。

  例如,及时、准确地获取电力消费量的时空分布特征对于科学制定电力调配计划、实现电力资源优化配置具有重要的理论和现实意义。

  目前电力消费量以行政区域为基础统计单元,难以提供行政单元内部的空间分布信息,不能充分揭示电力消费量的空间差异性,妨碍了电力消费数据与其他社会经济要素、自然要素的融合以及综合分析。

  而利用夜光遥感对电力消费进行估算可以得到具有丰富空间信息的电力消费分布状况。比如在下图中,研究者利用夜光遥感数据结合海拔高程数据,成功地估算出了研究区域的电力消费空间分布状况,并指出估算结果相对误差为26%,并且电力消费和土地利用类型之间具有直接的关系。


  (浙省电力消费空间分布)

  2、城市化进程评估

  城市化是当今世界的大趋势,因此对城市化进程进行评估是做出重大决策的首要任务。

  利用长时间序列的夜光遥感影像可以清楚地看到城市在过去十几年的扩张情况。

  例如在下图中,研究者指出对于不同发展水平的城市,用来判定它们是否是城市的灯光数值的阈值是不同的,比如在北京等大城市,可能灯光数值的阈值达到50才能判定为城市,而在西部小县城,可能灯光阈值达到20就被判定为城市。

  在评估了中国2000年、2005年、2010年的夜光遥感影像以后,研究者指出在2000年,中国的城市面积大约为40000平方公里,在2005年为50000平方公里,并同时给出了城市扩张的空间分布。

  图中红色的是2000年的城市分布,绿色的是2000年到2005年间新增的城市,蓝色的是2005年到2010年新增的城市。


  (2000到2010中国城市化进程)

  3、重大灾难评估

  同样,夜光遥感数据也能用来评估重大灾难性事件。

  重大灾难性事件往往意味着人口的剧烈变动,而人口剧烈变动往往会由夜间灯光数据直接反应。

  例如在叙利亚内战中,由于战场形势复杂,大量基础设施受到破坏,因此通过传统手段评估叙利亚内战中人口变动变得很困难,但是,通过夜光遥感数据的辅助,该工作变得较为可行。

  在下图中,研究者利用多个不同时间的叙利亚地区的夜间灯光数据评估了叙利亚内战情况,通过评估指出,在2011年到2014年之间叙利亚夜间灯光减少了74%,并且夜间灯光数据和难民迁徙存在高度的相关性。


  (2011年和2014年叙利亚地区夜间灯光的变化)

  (三)中国的夜光遥感发展如何?

  说了这么多,想必大家会问,既然夜光遥感技术这么好,那么中国在这方面都做了哪些工作?中国的夜光遥感技术究竟怎么样?

  就在一年多前,2018年6月2日12时13分,高分六号及其搭载的珞珈一号01星科学试验卫星,受长征二号丁运载火箭运载,在中国酒泉卫星发射中心发射升空,其中的珞珈一号卫星正是一颗夜光遥感卫星,而且是全球首颗专业的夜光遥感卫星(DMSP-OLS是被设计用来探测云层反射光的,VIIRS也不是专门用来进行夜光遥感的)。


  (珞珈一号发射升空)

  珞珈一号卫星在位于离地面674千米的高空运行,其主要结构包括GPS/北斗天线、太阳传感器、太阳能板、特高频无线电波天线和机载相机,整个卫星重量只有19.8公斤,不到一桶桶装水的重量。

  珞珈一号属于低轨道运行卫星,其过境时间较短,单次过境时间只有10分钟左右,截至2018年10月25日,珞珈一号卫星数据覆盖总量为5722景。



  (珞珈一号卫星)

  与其他国家的夜光遥感卫星相比,珞珈一号主要在一下几个方面取得重大突破:

  (1)分辨率的极大提高。

  由于目前主流的夜光遥感卫星DMSP和VIIRS都不是专业从事夜光遥感任务的,因此其对地成像分辨率较低,DMSP的成像分辨率精度只有2700米,2011年发射的NPP卫星上的VIIRS传感器对地成像分辨率提高了许多,但是精度也只有740米,这意味着地面上740米*740米的区域在影像上只有一个像素,这样的分辨率只能在宏观上反应城市的夜光状况,而许多有用的细节在这种分辨率下都观察不到。

  而珞珈一号的成像分辨率为130米,在这个分辨率上我们可以清晰地识别道路和街区,你甚至可以看到长江大桥上的路灯。

  下图是利用夜光遥感卫星获取的武汉市夜间灯光图,从图中可以看出,和DMSP以及VIIRS相比,珞珈一号返回的数据可以提供丰富的细节,图中可以清晰地看到城市的主要街道和长江上的几座大桥,而DMSP和VIIRS基本上只能看到灯光的宏观分布,微观细节则无法观察。


  (珞珈一号和其他卫星数据的对比,左为DMSP,中间为VIIRS,最右为珞珈一号)

  (2)珞珈一号项目团队在国际上首次提出和验证了低轨卫星增强北斗和GPS的可行性,支持了中国北斗-3走向全球发展的战略需求。

  这又是什么意思呢?原来,在导航定位系统,例如北斗系统和GPS系统中,为了满足信号覆盖范围广的要求,卫星轨道设计较高,但是较高的轨道会带来信号接收慢和信号弱的问题。而利用低轨道运行的卫星的导航信号增强则可以弥补这种问题,这种技术在下一代导航定位技术中占有重要地位。

  在珞珈一号上有导航增强的载荷,能够在轨自动计算轨道和钟差,自主生成播放双频测距信号,在国际上首次实现了利用低轨卫星对北斗和GPS导航信号的增强。下图是低轨导航增强示意图,地面用户可同时接收双频北斗和GPS信号来实现高中低混合定位,提高其导航性能。


  (珞珈一号导航增强工作原理示意图)

  珞珈一号自发射升空以来已经传回了大量的数据,极大地方便了对社会经济状况的分析和评估。

  例如在光污染的评估上,珞珈一号就发挥了重要的作用。

  光污染是人类过度使用照明系统而产生的问题,其最显而易见的影响是城市夜空里的星体被众多大厦的灯光所覆盖而消失,对光污染的调查直接关乎到人类的健康。

  夜光遥感在评估光污染方面存在天然的巨大优势,利用珞珈一号夜光遥感数据,科学家们评估了全球6个城市(武汉,杭州,海法,釜山,首尔,墨西哥城)的光污染状况,结果发现不同土地利用类型的光污染状况有着很大的区别,光污染最严重的地方位于商业区、机场、街道、工业区以及海洋渔业等。


  (光污染严重的地方)

  除此之外,珞珈一号还能用来监测油气田。

  对油气田的火光进行动态监测一直是评估油气田产量的重要手段,但是利用传统的可将光遥感对其进行监测很困难,因为火点有时候在背景上不那么明显,但是利用夜间遥感就能很准确地识别出油气田的火点分布。

  下图中显示的就是利用珞珈一号监测到的油气田的火点和卫星影像的叠加,图中可以明显地看出珞珈一号能准确地捕捉到油气田发出的火光。


  (珞珈一号应用于油气田火点监测)

  结语

  随着卫星技术和遥感技术的发展,夜光遥感这个新兴领域已经得到越来越多的重视,珞珈一号卫星作为全球首颗专业的夜光遥感卫星不仅能获得高分辨率的夜间灯光数据,还能给高轨道导航卫星进行信号增强。

  珞珈一号的成功发射是中国在遥感领域的又一重大突破,希望未来能有更多的行业应用围绕着珞珈一号展开,实现中国在夜光遥感领域的弯道超车。

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  编辑| 史文慧

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