【论文分享】利用夜间灯光影像估算建筑碳排放:不同空间尺度下的比较研究

文摘   2024-09-02 17:40   上海  

本次我们给大家带来一篇SCI论文的全文翻译。该论文通过一项综合研究探讨了使用不同回归模型结合多种开放的夜间灯光(NTL)数据源进行估算的表现。该论文的研究结论可在低碳城市发展过程中提供更详细的指导。

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【论文题目】

The estimation of building carbon emission using nighttime light images: A comparative study at various spatial scales

【题目翻译】

利用夜间灯光影像估算建筑碳排放:不同空间尺度下的比较研究

【期刊信息】

Sustainable Cities and Society,Volume 101,February 2024, 105066

【作者信息】

Gengzhe Wang, 北京区块链与边缘计算研究院,北京100086,中国,G.wang305@outlook.com

Qing Hu, 南方科技大学环境科学与工程学院,深圳518055,中国,huq@sustech.edu.cn

Linghao He, 北京区块链与边缘计算研究院,北京100086,中国

Jialong Guo, 北京区块链与边缘计算研究院,北京100086,中国

Jin Huang, 北京区块链与边缘计算研究院,北京100086,中国

Lijin Zhong,南方科技大学环境科学与工程学院,深圳518055,中国;北京华鼎环境智慧数据研究院,北京 100085,中国

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.scs.2023.105066

【关键词】

建筑碳排放、夜间灯光影像、空间尺度、地理加权回归(GWR)、北布拉班特省 (Noord Brabant)

【本文亮点】

  • 使用夜间灯光指数估算建筑碳排放时,地理加权回归(GWR)表现更好。

  • 碳强度和平均夜间灯光强度(ANLI)在建立估算模型时更为可靠。

  • 城市级别的尺度最适合应用夜间灯光指数。

  • 适用范围的限制更多地依赖于空间参数。

【摘要】

作为衡量特定区域碳排放水平的基本领域之一,建筑碳排放在制定低碳发展计划中起着重要作用。大多数碳排放估算研究主要集中在建立自下而上的温室气体清单和政策驱动方法的应用上,但在利用遥感数据预测建筑碳排放方面仍存在许多理论空白。本文通过一项综合研究探讨了使用不同回归模型结合多种开放的夜间灯光(NTL)数据源进行估算的表现。北布拉班特省被用作案例研究,以验证在不同空间尺度(城市级、区级和社区级)下使用不同估算模型的可行性。在所有回归模型中,地理加权回归(GWR)更好地反映了建筑碳排放与NTL指数之间的关系。在实际应用中,碳强度(CI)和年夜间灯光指数(ANLI)是一对建立可靠估算模型的最佳组合。由于城市级别的非建筑物照明源干扰较少,因此该模型在城市级别具有更高的实用价值。这项比较研究的结果为支持碳清单的建立提供了新的参考。通过展示不同估算模型之间的差异,可以进一步界定使用开放遥感数据估算建筑碳排放的适用范围。研究结论可在低碳城市发展过程中提供更详细的指导。


【引言】

由于过去几十年累积的温室气体(GHG)排放,气候变化已成为全球最大的环境危机之一(Masson-Delmotte等,2021年)。随着快速发展和城市化,城市已成为全球能源消耗和碳排放的主要贡献者。大量的排放直接与化石燃料使用所支持的日常活动相关(《排放差距报告2020》,无出版日期)。在所有城市碳排放源中,建筑部门被列为主要能源消费者之一,包含如供暖、制冷、照明和电子设备等基本建筑能源需求。根据先前的研究,建筑运营每年负责全球27%的碳排放,在某些发达地区这一比例甚至更高(《2021年全球建筑和建设行业状态报告:迈向零排放、高效和韧性的建筑与建设行业》,无出版日期)。鉴于建筑部门在维持城市服务高效运作中的重要作用,旨在减少建筑碳排放的努力对于实现气候变化缓解目标至关重要。


作为城市碳排放的主要来源,建筑部门包括由多种能源使用产生的排放。有关城市建筑碳排放的数据和计算方法对于实施碳减排措施至关重要。关键部门的识别和碳排放的测量通常由政府间气候变化专门委员会(IPCC)的方法进行(Arioli, D’Agosto, Amaral & Cybis, 2020年)。IPCC已开发了一套基于建筑类型和几何信息的宏观统计估算方法,用于计算建筑碳排放。为了量化城市规划方案的碳排放,并比较不同情景下的碳减排潜力,需要绘制建筑碳排放图,以帮助市政府地理识别碳排放热点地区(Zhang等,2022年)。此过程可以有效促进低碳城市的分区管理。


根据IPCC方法中的标准和指标,建筑碳排放的估算是由各种能源成本的衍生信息决定的(Krey等,国际应用系统分析研究所)。通过此方法获得了一个用于计算建筑运营碳排放的聚合参考模型。然而,在城市规模上为每栋建筑建立完整的清单通常是劳动密集型且成本高昂的(Lin & Li, 2020年)。数据缺乏使得基于自下而上基准编制城市规模温室气体清单极其困难(Arioli, D’Agosto, Amaral & Cybis, 2020年)。许多研究人员已将精力投入到政策驱动的方法中,使用自上而下的方法基于市级能源平衡统计来说明建筑碳排放与社会经济因素之间的关系(Fry等,2018年;Long & Yoshida, 2018年;Li, Qian, Zhang & Dong, 2017年)。尽管该模型在政策制定过程中可能具有高效性,但在空间层面上反映细节信息方面仍存在不足。由于总部层面的决策与现场执行之间存在差距,从宏观经济模型中得出的结论对地方管理者的价值通常不大(Hollberg, Lützkendorf & Habert, 2019年)。为了满足向决策者及时传达建筑碳排放分布的需求,有必要探索更能指导实施特定方案并跟踪碳排放变化的估算方法。


作为一种长期的全球遥感数据集,夜间灯光(NTL)卫星影像已被证明在反映某些地区人类活动强度方面具有可靠性。各种NTL数据已广泛应用于估算国内生产总值、人口、电力消耗等的空间分布。考虑到能源消耗与碳排放之间的强相关性,NTL数据也可用于估算碳排放的空间分布。对于难以获取建筑能耗实地调查数据的决策者来说,NTL影像提供了一种易于获取的数据收集方法,用于在不同时间序列和空间尺度上估算建筑碳排放。为了展示时空模式的变化并为制定更精确的碳减排策略提供参考,有必要在更精细的尺度上估算碳排放(Chuai & Feng, 2019年)。然而,由于现有大多数NTL数据的低分辨率,在代表人类活动强度方面存在空间尺度限制。利用NTL影像支持低碳城市管理的可行性和范围尚不清楚(Zhu等,2019年;Huang等,2022年)。


为了填补使用NTL影像估算建筑碳排放的理论空白,本研究旨在探索基于NTL的估算方法在不同空间尺度上的表现。通过比较城市规模、区规模和社区规模的不同模型回归结果,得出最适合的模型和适用的空间尺度。考虑到数据的高可得性和城市更新中的潜在应用价值,本研究选择了荷兰的内陆省份北布拉班特地区作为案例研究。此比较研究将为NTL数据的适当利用提供科学参考。其余内容的结构如下:第2节进行文献回顾,总结现有的建筑碳排放估算方法和NTL数据在多个学科中的应用研究。第3节介绍研究数据,第4节介绍理论模型。第5节展示研究结果,并讨论各种回归模型的表现。最后,在第6节列出结论和若干建议。


【文献综述】

2.1 城市建筑碳排放估算方法的综述

当前用于估算城市建筑碳排放的方法主要有两种:自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)。自上而下模型将一组建筑视为一个整体,忽略了各个建筑或终端用途之间的差异。它通常通过建立与主要驱动因素(如国内生产总值、人口、能源价格、家庭收入等)的长期关系来表示建筑能耗(Brilhante & Klaas, 2018)。在一些自上而下模型中,还考虑了天气或气候条件等因素(Wang, Aktas, Malki-Epshtein, Wu & Ammar Bin Abdullah, 2022; Verichev, Zamorano & Carpio, 2020)。相比之下,自下而上模型则专注于单个建筑和详细的终端用途信息。它们通常基于长期历史数据,获取来自单个建筑的能耗值或社会人口统计指标。由于自下而上方法中需要的某些参数在空间尺度上非常精确,因此常常会遇到缺失值或数据无法访问的问题(L. Zhang et al., 2021)。在许多发展中地区,由于数据基础设施和数据共享系统不完善,自下而上方法通常难以实施。细尺度数据收集过程可能非常费力(Cerezo, Dogan & Reinhart)。


一般来说,自上而下方法在与其他算法集成时表现出更好的灵活性。通过挖掘关于能耗的更详细信息,可以显著提高模型的性能。在遥感技术的支持下,可以有效检测表面的空间和时间信息,从而提供在大空间尺度上绘制建筑碳排放估算的途径(Xie & Weng, n.d.-a)。作为一种广泛可用的公共数据来源,卫星夜间灯光观测已被应用于记录地球上的人为光源。由于夜间灯光照明通常与人为活动造成的人工光源密切相关,它长期以来一直用于区分不同人类活动强度的空间分布(Ma, 2018)。许多研究发现,夜间灯光数据与能源使用,特别是电力消耗具有高度相关性(Dougherty & Jain, 2023; Gao et al., 2022)。通过将夜间灯光影像整合到自上而下的碳排放估算方法中,可以大幅降低数据获取的潜在成本,这可能扩展低碳城市管理的实际价值。


2.2 夜间灯光影像在碳排放估算中的应用综述

最初,夜间灯光影像主要来自国防气象卫星计划的操作扫描系统(DMSP-OLS)。这一系统早期用于监测人类活动,如城市照明和农业火灾(Levin et al., 2020a)。随着新一代夜间灯光数据的出现,由Suomi国家极轨合作伙伴(Suomi NPP)卫星携带的可见光红外成像辐射计套件(VIIRS)提供了更高的辐射和空间分辨率,没有像素饱和现象(Zheng et al., 2022)。与DMSP-OLS夜间灯光数据(1000米)的空间分辨率相比,NPP/VIIRS卫星影像(500米)的空间分辨率在定量社会经济因素方面表现更好。许多研究表明,NPP-VIIRS数据在评估GDP、能源使用或人口密度方面具有较强的能力(Ruan et al., 2022; Huang et al., 2022a)。近年来,随着小型卫星在空间遥感中的使用趋势,许多研究人员受益于提供夜间观测能力的立方卫星(CubeSats)。例如,武汉大学建造的洛嘉一号(Luojia-1)卫星于2018年6月发射,公开提供了分辨率为130米的全球夜间灯光图像(Jiang et al., 2018)。使用更精细尺度的夜间灯光卫星图像,洛嘉一号数据已证明在中等空间尺度上监测城市建筑环境变化的能力(Li et al., 2019a)。


夜间灯光影像直观地展示了人工光源的分布,这被证明是表征社会经济活动的有效指标。大量文献讨论了夜间灯光与社会人口指标(如GDP、人口密度、城市化、电力消耗等)的模型关系(Du et al., 2021; Tan et al., 2018; Jasiński, 2019)。研究者们已经广泛探索了不同时间段和地区的城市夜间灯光特征。一些研究人员建立了基于时间序列数据的电力消耗预测模型(Xie & Weng, n.d.-b)。对于每种能源来源,可以通过将各种能源的消耗量乘以其碳排放因子来获得碳排放。类似于能源消耗,夜间灯光数据与不同部门的碳排放建模也得到了广泛应用(Shi et al., 2021)。许多学者旨在研究使用夜间灯光数据评估碳排放的实际价值。夜间灯光数据已经成为衡量和分析人为源碳排放的重要手段(Xu et al., 2022)。


尽管以往的研究已经证明了各种夜间灯光数据与碳排放之间的密切相关性,但大多数研究集中在宏观层面的碳排放上。用于碳排放计算的基本数据大多是在国家、省级或区域级别收集的(Yang et al., 2022)。在微观层面的研究中,碳排放测量主要集中在个体建筑上。对于市级、县级甚至社区级等更详细的空间尺度,由于缺乏精确的能源消耗统计数据,相关研究存在许多限制(Zhang et al., 2023)。这使得很难对碳排放的关键影响因素提供全面深入的理解(Liu et al., 2020)。与传统的估算方法相比,传统方法对必要数据集的量和范围有较高的标准。夜间灯光卫星影像提供了一种便捷的方法来收集大范围的碳排放相关数据,这可能大大减少碳排放估算中的潜在障碍(Zhao et al., 2019)。为了验证基于夜间灯光的碳排放估算方法的适用性,并为制定相关碳政策提供参考,有必要进行比较研究,以测试不同夜间灯光数据源在不同空间尺度上的表现。


【研究方法和数据】

3.1 数据收集

3.1.1 研究区域

使用夜间灯光(NTL)影像来比较估算建筑碳排放的方法对数据质量和完整性有较高要求。考虑到数据可获取性和区域特征,本研究选择了荷兰诺德布拉班特省(Noord Brabant)作为验证不同模型在各种空间尺度上表现的地区。诺德布拉班特省位于荷兰南部,拥有多个重要城市,包括斯赫尔托亨博斯(’s-Hertogenbosch)、埃因霍温(Eindhoven)、蒂尔堡(Tilburg)和布雷达(Breda)。作为第三人口最多的省份,它是继北荷兰省和南荷兰省之后的重要经济中心。与许多有沿海地区和长海岸线的省份相比,诺德布拉班特省的人工光源较少,这些光源通常不包含在建筑碳排放估算的框架内。选择研究区域应尽量减少估算模型之外的干扰因素。诺德布拉班特省设定了到2030年实现50%可再生能源,到2050年实现100%的目标(van der Burgt, 2019)。通过积极推动低碳发展,诺德布拉班特省已处于可持续转型和碳中和的前沿。碳管理的趋势集中在构建新技术和政策的空间需求上。科学利用公开的地理数据将提供一种高效的方法来获取特定区域的碳排放基准。对诺德布拉班特省的行政部门来说,快速获取关键参考数据并提出符合可持续发展目标的合理空间规划至关重要。诺德布拉班特省的四个主要城市是埃因霍温、蒂尔堡、斯赫尔托亨博斯和布雷达,它们通常被一些子城市如赫尔蒙德(Helmond)、奥斯(Oss)、奥斯特尔豪特(Oosterhout)、埃滕-勒尔(Etten-Leur)、罗斯达尔(Roosendaal)和贝尔根-奥普-佐默(Bergen op Zoom)所环绕。图1显示了诺德布拉班特省主要城市的位置。

图1. 诺德布拉班特省主要城市的位置。

图2. (a)(b) CBS数据, (c) NPP/VIIRS夜间灯光数据, (d) Luojia1–01夜间灯光数据。

图3. 不同行政区划的数据映射。


3.1.2 数据来源

本研究的对象是城市民用建筑的碳排放,包括住宅建筑、商业建筑和公共建筑等。为了验证不同空间尺度上估算结果的准确性,需要收集不同行政区划的碳排放数据。荷兰的大部分统计数据可以在中央统计局(CBS)中找到。用于验证模型性能的开放数据源包括以下几项:1) 每个6位数字邮政编码区的年度家庭电力消费和天然气消费的地理统计数据(图2a、图2b)。2)行政区划数据,包括城市级、区级和社区级,其平均总面积分别为86.11 km²、10.79 km²和2.51 km²。诺德布拉班特省总共有61个城市级区域,可以进一步细分为469个区级区域和2021个社区级区域。本研究使用了2018年的数据(图3)。


除了社会人口统计信息外,还需要广泛收集NTL数据,以便进行不同估算模型的比较分析。本案例研究中使用的NTL数据分别来自NPP/VIIRS和洛佳1号卫星影像。以下是这两种遥感数据源的描述:1) 来自NOAA(国家海洋和大气管理局)的NPP/VIIRS DNB无云夜间灯光合成影像,图像为每月合成,空间分辨率约为563.78米(图2c)。2)高分辨率的洛佳1号数据可从湖北数据与应用中心免费获得,图像自2018年6月以来每月收集,空间分辨率为117.62米(图2d)。本文中使用了2018年8月的诺德布拉班特省夜间灯光卫星影像。


3.1.3 数据预处理

建筑碳排放主要来源于加热、制冷、照明等过程中产生的能源消耗。根据各个排放源(如电力和天然气)的统计数据,可以通过将相应的排放因子乘以能耗量来直接计算总排放量。相关的碳排放因子从国家政府和多个组织中提取。根据排放范围,排放因子可以分为三类:活动的前链排放(WTT);活动的直接排放(TTW);以及前链排放和直接排放的总和(WTW)。在本研究中,应用了WTW排放因子。由于建筑碳排放主要由电力和天然气消耗组成,因此使用以下方程估算来自不同行政区划的总建筑碳排放:


其中Bij是行政区域i在行政级别 j的总建筑碳排放,Eij是行政区域iii 在行政级别 jjj 的年电力供应,Ef是电力的碳排放因子,Nij是行政区域i 在行政级别 j的年天然气消耗,Nf是天然气的碳排放因子。在2018年,荷兰使用的Ef 和 Nf的值分别为0.413和1.89(van der Burgt, 2019)。基于总碳排放值,可以使用方程(2)计算每个行政区域的碳强度。


其中bij是行政区域i在行政级别j的建筑碳强度,Aij是行政区域i在行政级别j的总面积。碳强度指标测量每单位人类活动的碳排放量,为评估能源使用效率提供了洞察。


由于数据传输和存储问题,下载的 Luojia-1 卫星图像并不是可以直接应用的灰度值,需要进行一些必要的转换以便进一步计算(Li, Li, Li, He & Jendryke, 2019b)。对Luojia-1 NTL 数据的建议预处理是计算辐射亮度,如方程(3)所示,展示了辐射校准后的 Luojia-1 夜间图像的辐射亮度。


在每个像素中,DN 是由数字值记录的灰度值,L 是经过辐射校准的辐射度,单位为 W/(m²⋅sr⋅μm)。在校正后,Luojia-1 NTL 数据可以用于与NPP-VIIRS 数据的比较研究,图像被投影并裁剪以适应研究区域。


对于NPP-VIIRS 卫星图像,由于已经进行了后处理,因此不需要额外的校准。然而,图像中未滤除极光、火灾、船只等干扰源,因此存在一些异常大的像素值,这可能会对进一步计算造成较大干扰(Levin et al., 2020b)。除了异常大的值之外,数据合成过程还会产生一些负值。为了从原始 NPP-VIIRS 数据集中去除这些异常大的值和负值,需要进一步的校正。校正过程通过设置阈值来进行。与之前的研究类似,最小阈值设置为 0,最大值设置为 350(Ge, Yang, Zhu, Ma & Yang, 2018)。通过最小和最大阈值,可以排除异常值,校正过程总结如下:


然后,将 NPP-VIIRS NTL 数据投影并裁剪以适应研究区域的边界。数据预处理完成后,可以进行不同空间分辨率的 NTL 数据之间的比较。


3.2. 回归分析的理论模型

为了系统地研究使用夜间光影像估计碳排放的过程,需要建立一个理论模型,以确定夜间光值与碳排放量之间的结构和数量关系。大多数先前的研究使用线性回归模型来拟合 NTL 值和建筑能源相关变量(如电力消费、电力负荷、天然气消费等)(Li, Zhang, Wang, Song & Shibasaki, 2020)(Wu, Jiang, Chang, Li & Shi, 2020)。线性回归模型提供了对不同变量关系的基本理解,通常使用普通最小二乘法(OLS)来拟合模型。然而,变量之间并不总是呈线性关系。因此,使用对数函数、指数函数、幂函数等拟合方法的非线性回归模型也被广泛应用。简单线性回归通过一条直线关联两个变量(X 和Y),而非线性回归则通过非线性(弯曲)关系表达两个变量的数学函数(Kumar, Banerjee, Kr Singh, Choubey & Arnaw, 2020)。其目标是调整模型参数的值,以找到最接近观察数据的函数。在本研究中,对 NTL 数据和碳排放进行三种常见回归模型的分析:线性回归、指数函数和对数函数。为了评估模型拟合的优度,应用了 R 方值来衡量拟合结果的表现。


在地理分析中,由于建立的回归模型中可能存在空间自相关,常规回归模型有时在地理空间数据上的表现不佳(Sun, Wang & Wang, 2020)。残差空间自相关的存在指的是残差中存在与数据点的空间位置相关的模式(Gaspard, Kim & Chun, 2019)。这表明所有观测值彼此独立的假设不成立,重要的空间变量可能被遗漏。这可能导致参数估计偏差和推断错误,使得模型无法充分解释解释变量对响应变量的贡献。与可能导致非随机分布残差的非空间回归模型相比,空间回归模型通过生成特定的加权矩阵(如逆距离或最近邻)来消除残差自相关的影响(Akamavi, Ibrahim & Swaray, 2022a)。一些应用可以展示空间自相关、空间平稳性和特征分布异质性对模型的空间效应,即空间滞后模型(SLM)、空间误差模型(SEM)和地理加权回归(GWR)。


SLM 模型假设解释变量与响应变量之间存在紧密关联。它认为某一地区的因变量直接受到其相邻地区的影响。该模型源自空间单元中因变量观测值与相应邻近单元之间的依赖关系,可以用公式 (5) 表示。SLM将变量之间的空间依赖性纳入函数中。


其中,yi是解释变量的值,xi是位置i的观察自变量矩阵,β是回归系数的向量,ρ是空间滞后参数,W是空间单元的加权矩阵,表示位置i的邻居以及自变量与解释变量的连接。ϵi 是位置i的随机误差。


空间误差模型(SEM)假设来自普通最小二乘(OLS)模型的残差存在空间依赖性。该模型源于空间单元的误差项及其对应邻近单元的空间依赖性,适用于因变量受到一些未在模型中包含的变量的影响,这些遗漏的变量在空间单元之间存在相关性。残差可以分解为空间成分误差项和随机误差项。


其中,ui和uj分别指位置i 和位置j的误差项,λ是空间成分误差的系数。


与空间误差模型(SEM)和空间滞后模型(SLM)不同,地理加权回归模型(GWR)依赖于关于局部变化参数估计的假设,以量化空间非平稳性和异质性(Fotheringham & Oshan, 2016)。如Eq. (7) 所示,通过提供空间变化的系数估计,通过位置特定的加权回归模型校准,可以充分探讨变量之间的空间异质性。


其中,βij是位置i的第 j个回归参数,Xij是位置i的第 j个解释变量的值。

在这项研究中,非空间回归模型和空间回归模型都被应用于拟合特定位置的夜间灯光(NTL)数据与建筑碳排放之间的关系。尽管一些先前的研究已经探讨了 NT 数据与能源消耗相关因素的拟合过程,但大多数研究是在省级和市级进行的。在许多情况下,所选择的回归模型被限制在特定类别中,很少有研究人员尝试全面探索 NTL 数据与建筑碳排放之间的拟合关系。为了建立一个能够准确预测建筑碳排放的可靠理论模型,必须确定在更广泛的范围内选择哪个拟合模型。此外,还需要在区级和社区级别分别应用不同的回归模型,以验证它们在更精细空间尺度上的性能。通过计算决定系数,即 R 平方值,可以进行分析,以确定在何种空间尺度上使用哪个模型。通过比较研究,可以充分说明使用 NTL 数据估算建筑碳排放的量化结构。本研究试图弥补由于回归模型选择不完整和混乱以及对不同空间尺度上使用 NTL 预测碳排放的比较研究分散的现有研究空白。

图 4. 诺德布拉班特省总碳排放量和碳强度分布。


【结果】

4.1. 建筑碳排放和夜间灯光特征

4.1.1. 建筑碳排放的测量

通过公式 (1) 和 (2) 的计算,图 4 展示了总碳排放量和碳强度的空间分布。总碳排放量在整个省份中分布不均,呈现出以市区为中心的辐射状分布,而高碳强度区域显著与主要的人类活动中心(如埃因霍温、蒂尔堡、斯赫尔托亨博斯和布雷达等)相关,分布大体上遵循了建筑密度的布局。根据行政区划,诺德布拉班特省前十名城市的总碳排放量和碳强度见表 1。埃因霍温贡献了最大的总碳排放量(17,518.590 吨),其次是蒂尔堡(12,780.625吨)、斯赫尔托亨博斯(12,249.708 吨)和布雷达(12,004.403吨)。在其余较小的城市中,奥斯的总碳排放量最高(8,501.144 吨),其他城市的值范围从 3,250.448 吨到6,663.647 吨。在碳强度方面,埃因霍温的碳强度也最高,值为 0.146 kg/m²,明显高于其他城市。赫尔蒙德的碳强度排名第二(0.083 kg/m²),其次是斯赫尔托亨博斯(0.073 kg/m²)、布雷达(0.070 kg/m²)和蒂尔堡(0.069 kg/m²)。其他城市的碳强度值基本相似(0.040 kg/m² –0.047 kg/m²)。

表1 诺德布拉班特省前十名城市的总碳排放量和碳强度。


4.1.2. 不同空间尺度的夜间灯光指标统计

在数据预处理后,NPP/VIIRS 卫星和Luojia1–01 卫星的夜间灯光图像在不同空间尺度上进行了应用。总夜间灯光指数 (TNLI) 和平均夜间灯光指数 (ANLI) 用于表示研究区域的夜间灯光强度。TNLI和 ANLI 分别通过相应行政区域内所有像素的总值和平均值进行测量。基于 ArcGIS 的区域统计工具,TNLI和 ANLI 在城市级、区级和社区级进行了计算。图5 展示了 NPP/VIIRS 和Luojia1–01 在不同空间尺度上的区域统计结果。总体上,对于每个指数,NPP/VIIRS 和Luojia1–01 的夜间灯光强度具有类似的空间分布。在城市级的区域统计结果中,NPP/VIIRS 和Luojia1–01 的高TNLI 和 ANLI 区域主要集中在诺德布拉班特省的主要城市中。当空间尺度精细化到区级时,两颗卫星的 ANLI 分布仍然呈现扩散辐射状,中心围绕几个主要城市,而TNLI 的分布变得更加碎片化。当空间尺度进一步缩小到社区级时,ANLI 的分布呈现出更清晰的形式,跟随人类活动中心的布局,而 TNLI 的分布则趋向于更加分散。对于相同的夜间灯光数据源,空间尺度越细,每个像素的 TNLI 或ANLI 值越小。在相同的空间尺度上,从 NPP/VIIRS 图像计算的TNLI 和 ANLI 值通常高于从Luojia1–01 图像计算的值。

图5. 不同空间尺度下夜间灯光(NTL)数据的区域统计结果。


4.1.3. 建筑碳排放与夜间灯光的关系

为了建立一个合理的建筑碳排放估算模型,利用夜间灯光图像,已通过散点图和相应的皮尔逊相关系数充分探索了碳排放变量与夜间灯光指数之间的关系。相关性较低的变量集合将被排除在进一步的模型构建过程之外。在图 6 中,分别在城市级、区级和社区级建立了碳排放变量与夜间灯光指数之间的共线性矩阵。矩阵中右上对角线的数字表示每个变量集合的皮尔逊相关系数,而左下对角线的点表示测量变量,对角线上的线条则展示了相应变量的密度。该图由 R 的GGally 包生成。

图6. 碳排放变量和夜间灯光(NTL)指数之间的共线性矩阵。


根据图6 中的皮尔逊检验结果,城市级的相关性分析显示,NPP/VIIRS 和Luojia1–01 卫星图像的 TNLI 与城市级的总碳排放量之间有很强的正相关关系,其系数值分别为 0.861 和0.941。NPP/VIIRS 和Luojia1–01 的ANLI 也与碳强度高度相关,其系数值分别为 0.853 和0.909。除了总碳排放量与 TNLI、碳强度和ANLI 之间的关系外,还发现 ANLI 与总碳排放量之间有较高的相关性(NPP/VIIRS为 0.746,Luojia1–01为 0.817),而TNLI 值与碳强度之间表现出中等强度的关系(NPP/VIIRS 为0.501,Luojia1–01为 0.647)。在区级层面,NPP/VIIRS和 Luojia1–01的 TNLI 与总碳排放量之间表现出中等的正相关关系(NPP/VIIRS为 0.599,Luojia1–01为 0.644),而ANLI 与碳强度之间呈现出中等偏强的关系(NPP/VIIRS 为0.573,Luojia1–01为 0.614)。NPP/VIIRS夜间灯光指数的系数值略低于 Luojia1–01的值。在社区级别,NPP/VIIRS 和Luojia1–01 卫星的ANLI 与碳强度之间的相关性较低,其系数值分别为 0.393 和0.389。对于这两颗卫星的 TNLI 值,它们仅与总碳排放量之间呈现出极弱的关系(NPP/VIIRS为 0.079,Luojia1–01为 0.150),因此该变量集可以从后续模型构建过程中排除。


4.2. 建筑碳排放估算模型比较

4.2.1. 非空间回归模型的拟合结果

上述相关性分析展示了不同空间尺度下建筑碳排放参数与夜间灯光指数之间的关系。总体而言,在相同的空间尺度下,总碳排放量(TCE)与TNLI 的相关性较高,而碳强度(CI)与 ANLI 的关系较强,其余变量组合被认为不显著。为了建立建筑碳排放与夜间灯光之间的估算模型,选择了每个数据源中的五个变量集进行回归分析。这些组合包括城市级别的 TCE-TNLI、城市级别的 CI-ANLI、区级别的TCE-TNLI、区级别的 CI-ANLI 和社区级别的 CI-ANLI。通过应用三种最常见的函数:线性模型、指数模型和对数模型来解释建筑碳排放与夜间灯光之间的关系,不同拟合模型的 R 平方值如表 2 所示。结果发现,在城市级别,线性回归模型的表现明显优于指数回归模型和对数回归模型,Luojia1–01的夜间灯光指数比 NPP/VIIRS 的夜间灯光指数拟合效果更好。基于Luojia1–01 数据建立的线性回归模型中,TCE-TNLI 的R 平方值达到了 0.885,CI-ANLI的 R 平方值为 0.826。在区级别,对数回归模型的拟合性能优于其他回归模型。合适的模型是基于 Luojia1–01的 TCE-TNLI 和基于NPP/VIIRS 的 CI-ANLI,其R 平方值分别为 0.456 和0.431。在社区级别,所有回归模型的 R 平方值均低于0.3。随着空间尺度的细化,两个不同数据源计算出的 R 平方值之间的差距也变得较小,这表明当空间尺度达到区级和社区级时,数据源的空间分辨率对预测精度的影响较小。

表2 不同空间尺度下非空间回归模型的R平方值。


4.2.2. 空间回归模型的拟合结果

为了验证使用夜间灯光图像预测建筑碳排放时进行空间回归模型的必要性,通过全局莫兰指数 (Moran’s I) 测试了因变量之间的空间依赖性。表 3 列出了在不同空间尺度上TCE 和 CI 的测试结果。莫兰指数的正值和 p 值低于0.00001 通常表明观察变量之间存在显著的空间自相关,莫兰指数的值越高,表示空间分布的聚集性越强。结果发现,在相同的空间尺度下,CI 的空间自相关性通常比 TCE 更强。城市级别的 TCE 值具有最低的莫兰指数,p 值远高于 0.05,这表明其空间分布几乎完全随机。然而,在不同空间尺度下的其他选定因变量中,其显著性水平 (p 值)均低于 0.01。这表明在使用夜间灯光估算建筑碳排放时,进行空间回归模型分析是必要的,需要去除空间自相关的影响。

表3 依赖变量空间自相关的全球Moran’s I检验结果。

表4 不同空间尺度下空间回归模型的R平方值。


与非空间回归分析相同,五个变量集(城市级别的 TCE-TNLI、城市级别的CI-ANLI、区级别的 TCE-TNLI、区级别的 CI-ANLI、社区级别的CI-ANLI)均使用 SEM、SLM和 GWR 模型进行分析,以揭示建筑碳排放与夜间灯光在考虑空间自相关下的关系。三个空间回归模型的拟合结果的 R 平方值如表 4 所示。对于 SEM 和SLM,拟合性能通过伪 R 平方(Pseudo R-square) 来测量,这提供了全球空间回归模型之间的粗略比较。结果发现,在城市级别和区级别,来自 Luojia1–01夜间灯光数据的拟合伪 R 平方和R 平方值均高于来自 NPP/VIIRS 夜间灯光数据的值。对于Luojia1–01 数据源,GWR 模型的 R 平方值在城市级别的 TCE-TNLI 和CI-ANLI 分别达到了 0.921 和0.851。在区级别,两种数据源的不同空间回归模型的拟合结果大致在同一范围内。基于 TCE-TNLI 建立的GWR 模型表现最好,NPP/VIIRS 和Luojia1–01 的R 平方值分别为 0.691 和0.686。对于社区级别的 NPP/VIIRS 和Luojia1–01 数据,SEM和 SLM 模型的拟合伪 R 平方值均在 0.4 左右,而 GWR 模型的拟合 R 平方值则在 0.3 左右。与空间回归模型的分析结果类似,当空间尺度变得更细时,两种不同数据源计算出的伪 R 平方值和 R 平方值之间的差距变得较小。

图 7. GWR模型在不同空间尺度上的局部R平方值。

表 5 各空间尺度下GWR模型的总体解释统计数据。


通过GWR 模型计算得到的空间变化局部 R 平方值如图7 所示。这些图表共同展示了碳排放与夜间灯光之间关系的空间分布情况。在城市级别,TCE-TNLI 的拟合性能,在 NPP/VIIRS 数据中,碳排放与夜间灯光的最高关联性出现在Eindhoven 和周边的北部和西部地区。具有较高局部 R 平方值的主要城市包括 Eindhoven (0.976)、‘s-Hertogenbosch (0.968)、Oss (0.963)、Helmond (0.945) 和 Tilburg (0.930)。局部R 平方值较低的区域主要集中在 Breda 西部,局部R 平方值最低的城市是 Bergen op Zoom (0.563)。Luojia1–01的 TCE-TNLI 局部R 平方值与 NPP/VIIRS 的分布相似,具有高局部R 平方值的城市包括 Eindhoven (0.986)、Helmond (0.974)、Tilburg (0.963) 和‘s-Hertogenbosch (0.925),局部R 平方值最低的城市仍为 Bergen op Zoom (0.765)。


对于NPP/VIIRS 的 CI-ANLI,高局部 R 平方值的城市包括 Oss (0.869)、‘s-Hertogenbosch (0.862)、Eindhoven (0.862)、Helmond (0.852) 和 Tilburg (0.831),局部R 平方值较低的城市是 Bergen op Zoom (0.674) 和Roosendaal (0.688)。Luojia1–01的 CI-ANLI 也呈现出类似的分布,高局部R 平方值的城市包括 Eindhoven (0.876)、Helmond (0.875)、Oss (0.864)、‘s-Hertogenbosch (0.859) 和 Tilburg (0.851),局部R 平方值最低的城市也是 Bergen op Zoom (0.777)。


在区级别,TCE-TNLI 的拟合性能较高的区域集中在‘s-Hertogenbosch 和Breda 附近。在 Breda,NPP/VIIRS数据计算的局部 R 平方值范围为0.559 至 0.855,Luojia1–01的局部 R 平方值范围为 0.585 至0.816。对于区级别的 CI-ANLI,高拟合性能区域主要位于‘s-Hertogenbosch、Eindhoven和 Bergen op Zoom。在 ‘s-Hertogenbosch,NPP/VIIRS数据源的局部 R 平方值范围为0.515 至 0.678,Luojia1–01的局部 R 平方值范围为 0.434 至0.630。社区级别,CI-ANLI 的高关联值主要出现在Bergen op Zoom、Roosendaal 和Oss 附近。在 Oss,NPP/VIIRS 的局部R 平方值范围为 0.130 至0.466,而使用 Luojia1–01数据时范围降至 0.055 至0.285。在西部地区如 Bergen op Zoom,局部R 平方值范围相对较小,为 0.361-0.384(NPP/VIIRS)和0.164-0.196(Luojia1–01)。


【讨论】

5.1. 不同回归模型在多个空间尺度下的表现

通过在诺德布拉班特数据集上应用回归分析理论模型,TNLI与TCE、ANLI与CI之间的关系充分说明了使用不同模型估计建筑碳排放的可靠性。根据表2和表4中呈现的不同回归模型的R平方值,通常情况下,在城市尺度下,TCE-TNLI的拟合效果优于CI-ANLI,而在区级尺度下,TCE-TNLI与CI-ANLI的拟合表现大致相同。由于相关性分析已证明TCE-TNLI之间的关系非常弱,因此在邻里级别仅建立了CI-ANLI的回归模型。不同空间尺度下各种回归模型的表现表明,TCE-TNLI更适合在宏观空间尺度下建立建筑碳排放估计模型,而CI-ANLI在微观空间尺度下建立建筑碳排放估计模型更为合适。这可能是由于CI和ANLI之间的空间布局相似性,CI-ANLI对空间分布的变化表现出更高的敏感性,能够更好地反映细微的数值变化。然而,对于城市级别等宏观尺度,单位面积变量的意义变得不那么重要。建筑碳排放与NTL之间的关系可以通过整体变量如TCE-TNLI更好地呈现。根据两个数据源(NPP/VIIRS和Luojia1–01)的拟合结果比较,基于Luojia1–01图像建立的回归模型在大多数情况下具有更高的R平方值。几乎所有类型的回归模型中,随着空间尺度的细化,从NPP/VIIRS基于回归模型和Luojia1–01基于回归模型的R平方值之间的差距逐渐缩小。在邻里级别,这两个数据源计算的拟合结果没有显著差异。这种现象表明,虽然空间分辨率对使用NTL图像估计建筑碳排放的精度有一定影响,但在不同空间尺度下,它们的表现存在显著差异。具有较高分辨率的NTL图像在较大空间尺度上通常表现出更高的准确性,但在较小尺度上的精度提升非常有限。对于微观尺度研究,NTL像素可能不仅包括建筑照明,还包括其他基础设施如街灯的照明(C. Wang et al., 2019)。随着空间分辨率的增加,这些来自非建筑区域的灯光可能会放大干扰,因为NTL图像像素中的更多详细空间信息被揭示(Ye, Jiang, Liu, Zheng & Zhou, 2021)。这些噪声可能是Luojia1–01在邻里级别回归模型表现不佳的原因。它们干扰了拟合过程,因为这些非建筑区域的照明在计算建筑碳排放时未被考虑。


在所有非空间回归模型和空间回归模型中,GWR模型在所有空间尺度下对NPP/VIIRS和Luojia1–01图像的拟合性能都有所提高。为了充分展示不同GWR模型在多个空间尺度下的详细特征,表5中展示了GWR模型的关键指标的总体解释统计。这些指标包括局部R平方的范围和标准差(SD),代表了不同区域之间的相关性分布,模型的简洁性通过AICc来衡量(Pratt & Chang, 2012)(Z. Zhao, Gao, Wang, Liu & Li, 2015)。这些指标提供了比预测能力更多的信息,可以用于进一步筛选最适合的应用模型。在相同空间尺度下,CI-ANLI的拟合结果通常具有较少的空间离散性和较高的简洁性。CI-ANLI模型在区级和邻里级表现出较大的鲁棒性,但其预测能力不足以支持建筑碳排放的估计。尽管基于TCE-TNLI的GWR模型在区级的建筑碳排放估计中表现出良好的预测能力,但高AICc值表明存在过拟合的潜在风险(Gomes Pereira, Andolfatto & Avellan, 2018)。对于所有GWR模型,只有城市级的CI-ANLI在预测能力和鲁棒性之间保持了很好的平衡。在更高分辨率数据的支持下,GWR模型的整体表现可以进一步提高。


5.2. 低碳城市规划中模型实验的前景

根据对各种空间尺度上的模型实验结果,显示了建筑碳排放与NTL之间关系的显著空间异质性。通过对预测能力、可靠性和鲁棒性等模型特征的比较研究,揭示了使用回归模型估计建筑碳排放的核心技术要素。本研究展示了估计模型的适用边界和尺度。对于选择适当的估计方法,估计模型应具备足够的通用性以适应各种场合的需求。通过比较不同回归模型在各空间尺度上的整体表现,基于CI-ANLI变量建立的GWR模型被证明是在广泛区域中相对理想的选择。GWR模型的一个重要优势是能够处理空间异质性,并允许估计参数在不同区域之间变化(Akamavi, Ibrahim & Swaray, 2022b; Liu, Wu & Wang, 2019)。在本研究中,局部R平方值较高的区域通常位于诺德布拉班特的东部,而局部R平方值较低的区域则主要集中在布雷达东北部周围。考虑到不同区域的城市空间特征和土地使用特点,拟合结果表明潜在的NTL影响因素对碳排放水平的敏感性。一般来说,可以发现城市密度较高的区域在使用NTL指数预测建筑碳排放时趋向于具有更好的准确性。这一现象为空间回归模型的正确使用提供了重要支持,缩小了建筑碳排放应用的适用范围。


在之前关于NTL图像在城市研究中的应用的研究中,研究者注意到NTL像素不仅包括建筑照明,还包括其他基础设施如街灯和消防灯的照明(C. Wang et al., 2019)。这些来自非建筑区域的灯光对每个像素的估计性能有很大影响。由于本研究排除了城市基础设施和工业过程产生的碳排放,这些超出范围的碳排放源产生的照明在较细空间尺度上的回归模型中会造成误差,尤其是在邻里级别。对于微观尺度研究,空间分辨率的提高不能消除干扰,反而可能放大这些噪声的影响,因为每个像素中的详细空间信息被揭示(Ye et al., 2021)。这解释了基于Luojia1–01的回归模型在邻里级别表现不佳的原因,因为未考虑非建筑区域照明对拟合过程的干扰。随着空间尺度缩放到城市级和区级,这些超出范围的干扰影响将大大减少。比较不同数据源(NPP/VIIRS和Luojia1–01)的拟合结果,较高分辨率数据将大大提高整体模型性能。考虑到大多数时间序列中缺乏高分辨率NTL图像的数据,可以使用图像增强方法,如超分辨率算法,从低分辨率图像中重建高分辨率图像(Wang, Bayram & Sertel, 2022)。


建筑碳排放的估计在制定低碳城市规划过程中发挥着重要作用。由于许多发展中国家缺乏现场调查数据,收集建筑能耗数据一直是细尺度城市研究中的一项难题(B. Ye et al., 2021)。本研究的比较结果展示了开放遥感数据在获取建筑碳排放信息方面的理想应用范围。作为建立城市碳清单的高效方法之一,不同回归组合之间的分析为实践中选择合适的模型和空间尺度提供了关键参考。通过系统地比较研究结果,NTL图像在估计建筑碳排放中的使用可以进一步规范化,为实际指导低碳城市规划提供了更全面和精确的视角。


【 结论】

本研究通过不同的回归模型评估了荷兰诺德布拉班特省的碳排放与夜间灯光指数(NTL)之间的关系。研究应用了包括OLS、SEM、SLM和GWR在内的多种回归模型,在不同的空间尺度上验证了它们在不同情境下的可行性。统计结果表明,GWR在几乎所有情况下的表现都优于其他模型。因此,建立估算模型时应主要关注GWR算法的应用和进一步扩展。在对不同变量集的预测能力、简约性和空间离散性进行比较后,CI-ANLI被认为是预测建筑碳排放的最佳选择。由于微观尺度上普遍存在的干扰因素,以及当前建筑能耗数据库的限制,碳排放估算模型的应用范围在较大的空间尺度上受限。为了扩展在更精细尺度上的应用范围,未来的数据管理需要更多关于建筑属性和建筑运营信息的精确数据。


总之,本文全面分析了各种可能的建筑碳排放估算选项的表现。尽管揭示了使用NTL图像评估建筑碳排放的适用范围和场景,但仍未完全理解影响估算模型表现的因素。这些因素与某些碳排放参数和NTL指数之间的强关联有关。对于低碳城市规划,比较研究结果为正确使用开放空间数据源建立建筑碳库存提供了重要指导。在未来的研究中,需要进一步探索NTL图像中的干扰原因。通过收集更多相关参数并在缺乏现场调查的区域进行模型实验,可以充分验证使用NTL图像估算建筑碳排放的实际价值。为使城市管理者能够更好地了解城市碳排放状态,下一步研究计划将引入改进的GWR算法,期望发现可在更细尺度上实施的方法。


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