我院薛朝辉教授与中科院东北地理所科研团队联合在《Remote Sensing of Environment》发表最新研究成果

近日，我院薛朝辉教授联合中科院东北地理所科研团队提出了利用辐射通量刻画全球夜间灯光能量强弱的新方法。该成果以“Quantitative characterization of global nighttime light: A method for measuring energy intensity based on radiant flux and SNPP-VIIRS data”为题发表在遥感研究领域顶级期刊《Remote Sensing of Environment》。论文通讯作者为我院薛朝辉教授和东北地理所贾明明副研究员。

夜光遥感是估算社会经济参数、评估城市发展以及研究光污染对生态环境影响的重要手段。然而，如何准确地反映夜间灯光能量强弱目前仍然是一个挑战。当前应用最为广泛的夜光遥感数据为SNPP-VIIRS数据，现有研究通常采用辐亮度来描绘夜间灯光辐射能量强弱。然而，像元面积随纬度变化而变化，当影像像元面积相同时，辐亮度可以反映夜光像元间的相对能量强弱，但是当像元面积不同时，基于单位面积的物理量来反映能量强弱将会带来严重系统误差。因此，直接使用辐亮度来反映其能量强弱显然不够准确。为此，本研究提出将辐亮度转换为辐射通量，能够更准确、直观地描绘夜间灯光。

（1）辐亮度与辐射通量的转换模型

图1 辐亮度与辐射通量的转换模型

顾及SNPP-VIIRS数据的角度效应等问题，选取SNPP-VIIRS年度均值掩膜合成数据产品建立转换模型，如公式1所示。 

式中，L_p为SNPP-VIIRS数据的像元辐亮度，单位为nW/cm²/sr，θ 为各像元中心纬度, Φ_p为各像元的辐射通量，单位为 W。

图1为本研究提出的辐亮度与辐射通量的转换模型。

（2）全球代表性城市夜间灯光辐射通量

利用该转换模型计算了2022年夜间灯光辐射通量，如图2所示。选取全球50座代表性城市进行验证分析，发现莫斯科辐射通量最高，达到12.5MW，其次是洛杉矶（9.8MW）、芝加哥（8.3MW）和纽约（7.7MW）。

图2 2022年夜间灯光辐射通量计算结果

（3）辐射通量的有效性分析

通过辐亮度、辐射通量分别与人口进行拟合来说明采用辐射通量的优势。图3展示了全球50座城市的整体拟合结果，图4分别对北美、欧洲以及东亚三个地区的城市进行了拟合分析。结果表明，相比辐亮度，辐射通量显著提升了夜间灯光遥感数据对人口等社会经济参数估算的能力。 

图3 全球代表性城市辐亮度、辐射通量与人口的拟合关系 

图4 北美、欧洲、东亚地区辐亮度、辐射通量与人口的拟合关系

使用辐射通量代替辐亮度来描绘夜间灯光，提升了夜光遥感数据估算社会经济参数的准确性。夜光遥感本质是对夜光辐射能量的探测，从能量的角度来看，以瓦特为单位的辐射通量更接近人类对能量的理解，可以更加直观地反映夜间灯光能量的强弱。

该研究得到国家自然科学基金（42330109，42171372和42171379）、国际大数据促进可持续发展目标研究中心开放研究计划（Grant No. CBAS2022ORP06）、中国科学院青年创新促进会（2021227）、吉林省自然科学基金（20240101016JJ）和国家地球系统科学数据中心（www.geodata.cn）的联合支持。

引用格式：Zeng Haihang, Jia Mingming*, Ning Xiangyu, Xue Zhaohui*, Zhang Rong, Zhao Chuanpeng, Yan Yangyang, Wang Zongming. Quantitative characterization of global nighttime light: A method for measuring energy intensity based on radiant flux and SNPP-VIIRS data[J]. Remote Sensing of Environment, 2025, 318: 114576.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114576