張楠楠

（遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧錦州 121003）

多年來(lái)，評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家、城市或者某一區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r多采用地區(qū)生產(chǎn)總值這一指標(biāo)。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局每年都對(duì)國(guó)內(nèi)各省市的地區(qū)生產(chǎn)總值(地區(qū)GDP)進(jìn)行核算，統(tǒng)計(jì)各地一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值之和，反映了國(guó)家或地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)總成果。GDP是怎樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是由企業(yè)上報(bào)，然后各級(jí)統(tǒng)計(jì)局進(jìn)行抽樣調(diào)查，并通過(guò)其他數(shù)據(jù)來(lái)做對(duì)比驗(yàn)證，以確保統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。這樣統(tǒng)計(jì)一輪下來(lái)至少要花費(fèi)近一年的時(shí)間，并且得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)各種來(lái)源的資料依賴性較強(qiáng)，難以得到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

夜光遙感是近年來(lái)對(duì)地觀測(cè)與遙感應(yīng)用領(lǐng)域十分活躍的一個(gè)分支。夜間燈光數(shù)據(jù)通過(guò)像素的亮度值充分展示了夜晚無(wú)云條件下人類活躍以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，可以借助夜光數(shù)據(jù)對(duì)其相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。許多研究人員利用美國(guó)DMSP/LOS遙感燈光數(shù)據(jù)開(kāi)展了大量研究，研究?jī)?nèi)容涉及城市發(fā)展、夜間漁船活動(dòng)、燈光污染、人口與經(jīng)濟(jì)估算等眾多方面，取得的一系列研究成果推動(dòng)了夜光遙感的發(fā)展。在利用夜光遙感進(jìn)行經(jīng)濟(jì)估算方向，多數(shù)研究均采用與人類活動(dòng)相關(guān)性較強(qiáng)的幾個(gè)經(jīng)濟(jì)參量與燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空模擬[1]。謝天利用DMSP/OLS和NPP/VIIRS夜光數(shù)據(jù)對(duì)四種常用的GDP預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分析比較，并以黑龍江省為例進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證[2]。江威等將“一帶一路”沿線國(guó)家GDP與夜光遙感總值（TNL）線性回歸關(guān)系，表明夜光遙感總值與GDP 較強(qiáng)相關(guān)性，將來(lái)可利用夜光遙感影像進(jìn)一步估算該區(qū)域國(guó)民生產(chǎn)總值、人口分布等關(guān)鍵社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量[3]。 本文探索珞珈一號(hào)(LJ1-01)夜間燈光數(shù)據(jù)與區(qū)域GDP的相關(guān)性，以遼寧省為試驗(yàn)區(qū)，建立基于區(qū)域燈光亮度值模擬市級(jí)特征經(jīng)濟(jì)參量的空間模型。

一、數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

1.衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(DMSP)搭載的可見(jiàn)紅外成像線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(OLS)數(shù)據(jù)是夜光遙感研究利用最多的影像數(shù)據(jù)。DMSP/OLS夜間燈光影像由于傳感器未經(jīng)過(guò)星上定標(biāo)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間序列的各期影像之間缺乏連續(xù)性和可比性，此外，還存在像元DN值過(guò)飽和等問(wèn)題和低空間分辨率的劣勢(shì)[4][5]。2012年至今，Suomi國(guó)家極軌道伙伴關(guān)系衛(wèi)星(SNPP)搭載可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(VIIRS)獲取了VIIRS-NPP夜光遙感數(shù)據(jù)，產(chǎn)品空間分辨率為750m，近幾年經(jīng)研究人員對(duì)其進(jìn)行分析和利用發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有一些原始輻射值為負(fù)，原始數(shù)據(jù)并未經(jīng)過(guò)濾、背景噪聲也未除去，使用前必須嚴(yán)密糾正[6]，但目前尚無(wú)簡(jiǎn)單且可操作性強(qiáng)的糾正模型。

珞珈一號(hào)01星具備130m分辨率、260km幅寬的夜光數(shù)據(jù)獲取能力，并且面向國(guó)內(nèi)行業(yè)用戶提供免費(fèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，被業(yè)內(nèi)稱為“全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星”，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。本文即利用該影像數(shù)據(jù)開(kāi)展夜光影像亮度值與城市GDP的相關(guān)性研究。

選取的珞珈一號(hào)影像時(shí)相盡量接近GDP數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間，以減小數(shù)據(jù)比對(duì)誤差；選取的各景影像之間時(shí)相差不宜過(guò)大，有利于保持地區(qū)數(shù)據(jù)的一致性。經(jīng)過(guò)篩選，選取了獲取時(shí)相為2018年8-9月的珞珈一號(hào)L2級(jí)夜光遙感數(shù)據(jù)，共計(jì)8景，覆蓋遼寧省全部區(qū)域（圖1）。

圖1 遼寧省珞珈一號(hào)夜間燈光數(shù)據(jù)

由于上述影像的定位精度從700~1900m不等，必須對(duì)其進(jìn)行幾何糾正。從遼寧省路網(wǎng)數(shù)據(jù)中選取夜間亮化明顯的道路交叉點(diǎn)和主干路來(lái)逐景配準(zhǔn)影像，糾正后的各景影像幾何精度均在1個(gè)像素左右。

從基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中選取大面積水體、農(nóng)田地類，認(rèn)為此地類夜間輻射亮度或反射亮度應(yīng)為零值；再在影像上找到其對(duì)應(yīng)的柵格像元，檢查像元的亮度值是否為0；經(jīng)抽查，夜間不發(fā)光的像元亮度值確為0，無(wú)需再進(jìn)行絕對(duì)輻射校正[7]。

將糾正后的7景影像鑲嵌處理后，利用遼寧省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行裁切，得到遼寧省的影像圖。

2.其他數(shù)據(jù)

遼寧省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)為從國(guó)家基礎(chǔ)地理中心下載矢量數(shù)據(jù)。

遼寧省各市GDP數(shù)據(jù)為從遼寧省統(tǒng)計(jì)局下載的《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》（2019中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2018年。年鑒中詳細(xì)記錄了省內(nèi)各市的生產(chǎn)總值和一、二、三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以及人均生產(chǎn)總值。

遼寧省基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為2018年生產(chǎn)成果。其中的路網(wǎng)數(shù)據(jù)可作為影像幾何糾正的基準(zhǔn)，地類圖斑信息有助于定位亮度零值的位置。

二、數(shù)據(jù)分析與處理

1.相關(guān)性分析

將糾正后的遼寧省夜光數(shù)據(jù)按照市級(jí)行政區(qū)劃對(duì)影像的亮度值進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)各市夜間亮度總值。統(tǒng)計(jì)將遼寧省各市GDP、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和人均GDP。先對(duì)夜間亮度值與各項(xiàng)GDP參量的相關(guān)性進(jìn)行分析。

從表1可以看出，珞珈一號(hào)夜光遙感數(shù)據(jù)的亮度值與遼寧省內(nèi)各市GDP及各參量有較高的相關(guān)性。特別是與地區(qū)GDP的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，與第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值的相關(guān)性達(dá)到0.85，與第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值更是達(dá)到了0.91的高相關(guān)性。從而得出地區(qū)GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)是相對(duì)于夜光較為敏感的經(jīng)濟(jì)參量。因?yàn)橹圃鞓I(yè)、旅游與服務(wù)業(yè)的活動(dòng)和產(chǎn)能與人類活動(dòng)密切相關(guān)，特別是能夠在夜間燈光數(shù)據(jù)上得到充分體現(xiàn)。

表1地區(qū)亮度總值與地區(qū)GDP各參量相關(guān)性分析

圖2 14個(gè)市燈光亮度值與特征經(jīng)濟(jì)參量回歸分析模型

這說(shuō)明地區(qū)的夜間亮度值在一定程度上能夠較好體現(xiàn)地區(qū)GDP，可以嘗試?yán)靡归g燈光亮度值來(lái)模擬GDP的發(fā)展趨勢(shì)甚至定量估算GDP的數(shù)值，建立兩者的相關(guān)關(guān)系。

2.夜間燈光與GDP值的回歸模型建立

基于上述分析得出的夜間亮度值與地區(qū)特征經(jīng)濟(jì)參量的高相關(guān)性，進(jìn)行遼寧省各市燈光亮度值與GDP的回歸分析，進(jìn)而得出回歸分析模型。

將各市燈光亮度總值與地區(qū)GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值三個(gè)特征經(jīng)濟(jì)參量分別做回歸擬合。

圖3 遼寧省城市預(yù)測(cè)特征經(jīng)濟(jì)參量誤差

對(duì)回歸擬合結(jié)果的評(píng)價(jià)通常根據(jù)回歸系數(shù)（R2）的大小以及是否通過(guò)顯著性檢驗(yàn)來(lái)判斷兩者之間線性關(guān)系是否可靠。各市GDP與燈光亮度值的擬合結(jié)果R2為0.78，既驗(yàn)證了之前得出的二者之間0.88的高相關(guān)性，又說(shuō)明通過(guò)線性回歸模型能夠較好的擬合出市級(jí)GDP值。第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值雖然達(dá)到了0.85的高相關(guān)性，但回歸擬合結(jié)果的R2僅為0.4，說(shuō)明二者的擬合程度較差，利用燈光亮度值模擬第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值不可行。第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值與燈光亮度值的擬合度最高，達(dá)到0.83，同時(shí)也顯現(xiàn)出極高的相關(guān)性，由此可以看出基于線性回歸分析模型能夠通過(guò)燈光亮度值較好的擬合出第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值。

3.擬合精度分析

利用上述三種回歸模型擬合得到了2018年遼寧省14個(gè)市的GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值，將擬合預(yù)測(cè)的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)擬合效果和精度。

從圖3可以看出，除個(gè)別城市預(yù)測(cè)值的殘差較大外，大多數(shù)城市的預(yù)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)殘差均在±1之間，60%以上城市的預(yù)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)殘差在±0.5之間。由此得出，利用夜間燈光數(shù)據(jù)模擬遼寧省社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量是十分可行且可靠的。

三、結(jié)論

GDP不但可以反映國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)，還與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)。夜間燈光數(shù)據(jù)有效反映了人類社會(huì)活動(dòng)，且具有客觀性強(qiáng)和時(shí)效性佳等顯著優(yōu)勢(shì)。本文分析了遼寧省14個(gè)城市珞珈一號(hào)夜間燈光影像的亮度值與地區(qū)GDP等經(jīng)濟(jì)參量的相關(guān)性，得出燈光亮度與GDP、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值具有高相關(guān)性，且可以通過(guò)線性回歸模型較好的擬合出這三種經(jīng)濟(jì)參量，特別是燈光數(shù)據(jù)與第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值擬合效果最為理想。由此看出，利用夜光遙感數(shù)據(jù)模擬特征社會(huì)經(jīng)濟(jì)參量的方法在遼寧地區(qū)是可行的，今后可以探索該數(shù)據(jù)在更大地區(qū)尺度模擬經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，以及開(kāi)展更加深入細(xì)致的分析和研究。