中科院版全球高清夜光数据集

全球 夜光 中科院

夜光探测对于地学研究来说已经不算一个新鲜事了。美国军事气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program）的OLS传感器（简称DMSP/OLS），从1992年开始持续观测到2014年（期间换过几颗卫星但是传感器一致），它的主要问题是空间分辨率太低，一个大城市也就几个像素点，而辐射的探测范围太窄，城市中心高亮区域往往是饱和的。

DMSP 结构图

2010年10月美国的“索米”国家极轨卫星伙伴卫星（Suomi National Polar-orbiting Partnership or Suomi NPP）发射，其中的Suomi为了向美国一位著名气象学家致敬而加的冠名。它搭载的VIIRS传感器上有一个称为DNB(Day Night Band)的波段能够在500米分辨率（比原来的OLS提高6倍）的尺度上对地表开展每天覆盖全球一次的高灵敏度（比OLS提高250倍）的夜光观测，目前已经成为夜光观测新数据的主要来源。

Suomi NPP 结构图

相关论文中列出的前后两代夜光数据之间的差异

美国国家海洋大气管理局NOAA下属的国家环境信息中心NCEI下有专门对夜光数据加以处理的小组。他们发布每个月份的合成产品，也发布过2015年的全球夜光数据集。另外NASA也制作了一个2016年份的，其质量和NOAA相当。

对于地学研究来说，年度数据是一个很重要而且容易广泛使用的产品。但是为什么几家美国机构始终没有推出正式的年度产品呢？因为这是一件不容易完成的工作。

夜光测量是基于光学系统的，因此它会受到大气云雾干扰，这在低纬度地区影响较大，会让某些月份的数值失真严重。

另外它的目标是观测地表夜光的，但是也会受到太阳、月亮等外部光源的干扰，纬度越高，影响越大（别忘了极地的极昼极夜现象）。在高纬度地区的月度产品中很多月份是空缺的，这些缺失需要加以考虑。

NPP卫星每日获取的数据的原始风貌，环北极地区受到的极光的干扰

因此想做出一个科学、稳定、美观的年度产品确实不容易，但是这样的产品又是非常需要的，包括本人在内也是翘首以待，但是美国相关机构长期跳票，于是我是实在等不及了。

下面，对比一下美版2015年全球夜光数据集和中科院制作的2012~2017夜光变化检测产品的截图。

与美版的相比，该图像不仅能描述夜光的明暗分布，还能描述这五年间的变化情况，其中黑白（灰色）是表示期间变化不大，橘色表示亮度增强，蓝色表示亮度减弱。

我用leaflet做的webgis展示了这份全球夜光变化数据集（2012~2017合成，500米分辨率）。

总体说来，中科院版全球高清夜光数据集有下面几个特点：

1）所利用的数据量庞大
通过对2012~2017长达六年的数据的统计清洗和平均降噪，这个产品原则上包含了该传感器所采集每一个比特的内容，而且保真度也前所未有的高。

2）算法精细
针对高低纬度地区的噪声主要来源的不同，采用了不同的处理方式，并且将其平滑过渡成完整的产品。对年份产品之间建立约束条件，平滑不同年份之间地表因素以外的干扰，使得年份产品之间的差异基本等效于地表亮光的差异。

3）调色优美
在美国版本上，城市核心区往往过度饱和不能体现城市的内在结构，而且郊区较暗的村镇也看不出来。而我们的图像能够做到细致入微、毫厘毕现，体现该卫星传感器最大的分辨能力。

与其说这是科学产品，我更愿意视之为艺术品，既有社会意义又有美学价值。

这里还有从我们的数据集基础上制作的世界人口前50名的城市的夜光图像集锦。

基于该数据集，我们还在《观察者网》发表了社会经济生活相关的时评文章

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陈甫 副研究员
中国科学院遥感与数字地球研究所
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