王毓乾,宋雪鹏,何悦,等.顾及灯光强度区间的夜间灯光指数构建及其与社会参数的相关性分析[J].地球信息科学学报,2024,26(7): 1717-1732. [ Wang Y Q, Song X P, He Y, et al. Construction of nighttime light index considering light intensity range and its correlation analysis with social parameters[J]. Journal of Geo-information Science, 2024,26(7):1717-1732. ]
DOI:10.12082/dqxxkx.2024.230228
社会参数（Social parameters，SP）是一个国家和地区社会发展状况综合、定量的描述。夜光遥感对于反映人类社会活动具有独特的能力，是人口、经济等各行业发展，各方面因素相互作用的综合体现，目前已被广泛应用于社会经济领域的空间数据挖掘。很多研究表明，夜间灯光指数（Nighttime light index，NLI）可以从不同尺度对包括人口、GDP、电力消耗、碳排放、城市住房空置率等多类社会参数进行估算，弥补传统统计数据存在的统计口径不一致、数据缺失、更新频率低等不足，为不同经济指标的地理空间化分布研究提供了数据来源，并且为不同空间尺度上精细评估城市经济活动水平提供了可能。
总体来看，夜间灯光和人类的各种生产、生活活动息息相关。而各种社会参数是人类的各种生产、生活活动及其附属在不同角度下的统计量。所以夜间灯光值与各种社会参数之间存在一定的相关性。社会参数种类众多，但是目前夜光遥感仅应用在包括以上提及的与夜间灯光存在明显关联关系的少数社会参数领域。缺乏夜光遥感在其它看上去与夜间灯光没有明显关联关系的社会参数领域的应用前景的分析研究。另一方面目前在社会参数估算领域常用的夜间灯光指数如区域灯光总值（Total digital number，TDN）、区域平均灯光强度（Average light intensity，ALI）均建立在研究区域夜光遥感影像的全体辐射像元的基础之上。夜光遥感影像有着非常丰富的人造光源信息，不同的人类活动行为模式产生的夜间灯光辐射强度特征并不一致，因此不同的社会参数对应的灯光辐射强度区间也会各不相同。目前区分灯光辐射强度的夜光遥感应用主要集中在如基于阈值法的夜光遥感影像去噪处理、建成区提取等少数领域。在基于夜光遥感的社会参数估计领域还没有区分不同灯光辐射强度范围建立夜间灯光指数的研究。一些社会参数可能只与特定辐射强度范围内的夜间灯光保持相关性，而传统的夜间灯光指数局限于夜光遥感影像的全体辐射像元，在一定程度上限制了夜光遥感的应用潜力。
因此本文提出了一种顾及灯光强度区间的夜间灯光指数构建方法，穷举灯光辐射强度范围内所有连续灯光辐射强度区间，并计算每个区间对应的夜间灯光指数，分析每个连续灯光辐射强度区间的夜间灯光指数与社会参数的相关性，寻找出匹配该社会参数的最佳灯光辐射强度区间，进而得到该参数相应的最佳辐射强度区间夜间灯光指数。
本文以区域灯光总值TDN为例，使用中国区域2012—2020年的NPP-VIIRS年度夜间灯光影像集，同时从中国国家统计局筛选了相同时间的39项省级社会参数和36个全国主要城市的24项市级社会参数进行特定辐射强度区间夜间灯光指数与社会经济参数的相关性分析。除了省级尺度一项、市级尺度两项未通过显著性检验的社会参数，通过相关性分析确定了其他每个社会参数所对应的最佳灯光辐射强度区间，构建了顾及灯光强度区域的夜间灯光指数TRSI，得到如下结论：
（1）省级尺度社会参数中全体居民人均消费支出、建筑业房屋竣工面积和城市道路照明灯，市级尺度社会参数中货物运输量和旅客运输量的最佳灯光辐射强度区间随时间波动较大，不适合采用TRSI进行分析；其它大部分社会经济参数的最佳灯光辐射强度区间相对稳定，均适合构建TRSI。
（2）TRSI考虑了灯光的异质性，与各项社会参数在特定的灯光辐射强度区间有着显著的相关性；与传统的夜间灯光指数TDN相比，增加了能与夜间灯光指数建立联系的社会参数数量，显著提高了夜间灯光指数与社会参数之间的相关性，特别是与TDN相关性越低的参数，提升越明显。省级尺度上社会参数与TRSI、TDN的相关性整体上要高于市级尺度，但是在市级尺度上TRSI比TDN相关系数提升的更明显。TRSI拓展了夜光遥感在社会参数分析领域的应用范围，提高了准确性。
（3）各行业社会参数的最佳灯光辐射强度区间与该参数对应的人类活动区域的灯光辐射强度密切相关，表现出明显的差异性与层次性。通过分析参数的最佳灯光辐射强度区间，可以更深入地理解该参数与具体灯光辐射强度区域内人类活动特征及其对应的夜间灯光的关联关系，同时分析它与夜光遥感数据的背景噪音强度的关系还可以有效地评估该夜光遥感数据应用于该参数分析时受背景噪音干扰的程度。
随着夜光遥感数据分辨率的提升和统计数据的多样化，对特定的社会统计参数针对性地选择合适的灯光辐射强度范围建立夜间灯光指数可以提高夜间灯光指数与社会统计参数之间的相关性，让夜光遥感在更多的社会参数领域取得更深入的应用。
王毓乾
作者简介
宜宾学院计算机科学与技术学院副教授，硕士研究生导师，数据科学与大数据技术专业教研室主任。研究方向为：夜光遥感数据处理及其应用；地理空间大数据智能解译及其在城市分析中的应用E-mail:2023080001@yibinu.edu.cn
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