郭旭冉，苏晓明，迈力斯

(内蒙古工业大学建筑学院 内蒙古自治区绿色建筑重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051)

引言

在夜间，人类的活动依赖灯光的照明，但过度的照明会对人类本身以及生态环境产生负面影响[1,2]。科学的量化夜间灯光亮度是控制夜间照明光污染的首要条件。从20世纪开始，美国就利用DMSP卫星来观测夜间地表灯光[3]，随后相关学者利用此类卫星遥感数据分析了全球以及各洲、各国的夜间灯光亮度变化。如：Small等[4]分析了全球1992年至2009年间的夜间灯光亮度水平、范围变化；Bennie等[5]对比了欧洲各地区之间夜间灯光亮度的增长性差异；Rehman等[6]分析了印度全国夜间灯光亮度的时空分布特点。但目前的研究仍缺少对生态薄弱地区夜间灯光亮度的分析，缺少夜间灯光亮度的量化指标。所以本文以内蒙古草原地区夜间灯光亮度为研究对象，建立夜间灯光的发亮面积、形态、水平三个特征指标，分析内蒙古草原地区夜间灯光亮度的时空分布特征，以及特征指标与研究区土地面积、人口数量、经济水平之间的线性相关性(以下简称相关性)。

1 研究范围

本文研究范围选取了内蒙古满洲里市、锡林浩特市、二连浩特市等22个草原地区所组成的研究区(图1),研究区域横跨内蒙古中西部、中部、东部，包含了荒漠草原、典型草原、草甸草原三大草原类型[7]。

图1 研究区域概况Fig.1 Overview of the study area

2 数据来源及处理

2.1 数据来源

在分析内蒙古草原地区夜间灯光亮度特征时，选用的数据为夜间灯光遥感数据。数据来源于NASA、NOAA、美国空军共同研制的NPP卫星，其搭载的VIIRS(可见红外成像辐射仪)可采集22个光谱波段通道，范围为0.3～14 μm，分辨率约为500 m，重返周期为一天[8]。为了避免地面积雪、植被对灯光值的影响，本文选取了我国2015—2019年4月和10月的夜间灯光遥感数据(TIFF格式)[9]，此数据消除了杂散光、月光、云层、闪电影响[10]，数值为月平均光辐射亮度值。另一方面，本文讨论了草原地区夜间灯光亮度特征指标与土地面积、人口数量、经济水平(以下简称为基础统计数据)的相关性。相关统计数据来源于《内蒙古统计年鉴 2020》[11]。

2.2 数据处理

(1)背景降噪。

夜间灯光遥感数据会存在一定的背景噪声，背景噪声主要是体现在研究区域内单位像元(500 m×500 m)光辐射亮度的负值、极小值和异常极大值[12]，所以本文利用GIS(地理信息系统)对夜间灯光遥感数据进行预处理，提高数据的准确性。处理方法为阈值过滤(图2)，其中xm代表上级地区中单位像元的光辐射亮度最大值[12]，0.3为经验阈值[13]。即若待处理像元值小于0.3×10-9(W/cm2/sr)，则令其像元值为零；若待处理像元的值大于上级地区单位像元的最大值，则令其像元值为上级地区单位像元的最大值。

图2 夜间灯光数据的背景降噪流程Fig.2 Background noise reduction process of night light data

(2)像元计算。

在NPP-VIIRS卫星遥感数据中，图像是由多个像元所构成的，每个像元都包含了一个可为零的光辐射亮度值，单位为10-9(W/cm2/sr)。光辐射亮度值的大小代表了此像元包含区域内的亮度大小，利用GIS对研究区域内发光像元数量、强度的统计，可以分析研究区域内夜间灯光亮度的范围和大小。

(3)最邻近指数计算。

地理学中在研究点状要素的空间分布时，一般将其分布形态分为聚集分布、均匀分布、随机分布三种类型[14，15](图3)。而在区分这三种空间分布类型时，常用到最邻近指数，它表示点状要素在空间中的邻近程度，其计算式为：

图3 分布形态类型Fig.3 Distribution form type

(1)

其中R为最邻近指数，Do为实际观测到的研究区域内各点与其最近邻点之间距离的平均值，Dr为研究区域内各点随机分布时之间的平均距离。当最邻近指数R<1时，点状要素在空间内为聚集分布；当最邻近指数R=1时，点状要素在空间内为随机分布；当R>1时，点状要素在空间内为均匀分布。

本文在研究时，利用GIS计算了研究区域内所有发光像元之间的最邻近指数，并以此来分析研究区域内夜间灯光亮度的分布形态。

3 特征分析

通过量化夜间灯光亮度分布面积、密度、形态、水平，将夜间灯光亮度特征分为分布面积特征、分布形态特征、亮度水平特征三个方面，以此分析了各草原地区的夜间灯光亮度现状，同时分析了2015年至2019年五年间草原地区整体的夜间灯光亮度变化。

3.1 亮度分布面积特征

在整个研究区内，发亮区域总面积达到了4 470 km2，占总研究区域面积的1.26%。从不同草原地区的发亮区域面积数值分布来看(图4)，22个地区的发亮区域面积平均值为203.18 km2，标准差为131.94 km2，总体差异较大。在22个草原地区中，西乌珠穆沁旗的发亮面积最大，达到了500 km2以上，镶黄旗的面积最小，为50 km2以下，两者相差10倍。

图4 各草原地区发亮区域面积Fig.4 Luminous area of each grassland area

另一方面，本文计算出了22个草原地区夜间灯光发亮面积占地区总面积的比值(图5)。22个草原地区发亮面积占比的平均值为4.92%，标准差为9.69%，总体差异较大。高密度发亮区域主要集中在海拉尔区、满洲里市、扎赉诺尔区，发亮面积占比在20%以上；低密度发亮区域则主要集中在苏尼特左旗、阿巴嘎旗、东乌珠穆沁旗、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗，发亮面积占比在0.5%以下；而其他区域的发亮面积占比多集中在5%以下。

图5 各草原地区发亮面积占比Fig.5 Proportion of luminous area in eachgrassland area

3.2 亮度分布形态特征

从整个研究区来看，最邻近指数R为0.19，夜间灯光亮度的分布形态呈聚集性。在22个草原地区中(图6)，20个地区的最邻近指数R都低于1，只有满洲里市、扎赉诺尔区的最邻近指数R大于1。数据表明，大部分草原地区的夜间灯光亮度分布形态呈聚集性，而少部分草原地区的夜间灯光亮度分布形态呈随机性、均匀性(图7)。

图6 各草原地区最邻近指数Fig.6 Nearest neighbor index of each grassland area

图7 各草原地区夜间灯光亮度分布形态图Fig.7 Distribution pattern of night light brightness in various grassland areas

通过对比不同草原地区的最邻近指数R，发现最邻近指数R最大的是扎赉诺尔区，达到了1.10，最小值为0.18，为新巴尔虎左旗。此外，如果将夜间灯光亮度分布形态中的聚集性分布再细分为低聚集分布形态(0.6

3.3 亮度水平特征

区域发光总量为研究区域内光辐射亮度的总和，发光总量可以反映一个地区夜间灯光亮度的整体水平。研究区域内整体的发光总量为35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，而从各草原地区发光总量的中位数931.62×10-9(W/cm2/sr)，平均值1 597.75×10-9(W/cm2/sr)，标准差1 927.46×10-9(W/cm2/sr)来看，各地区夜间灯光亮度水平差异较大，整体水平不高(图8)。

图8 各草原地区区域发光总量Fig.8 Total regional luminous amount of each grassland area

根据22个草原地区发光总量的中位数、标准差划分了低、中、高三个夜间灯光亮度水平，间断值分别为1 000×10-9(W/cm2/sr)、3 000×10-9(W/cm2/sr)、5 000×10-9(W/cm2/sr)。

从图9可以看出，高亮度水平地区主要包括锡林浩特市、海拉尔区，其中锡林浩特市的夜间灯光发光总量达到了8 519.37×10-9(W/cm2/sr)，中亮度水平地区则包括西乌珠穆沁旗、鄂温克族自治旗等八个地区，其余12个地区均为低亮度水平地区，夜间灯光发光总量最低的地区为镶黄旗，为126.35×10-9(W/cm2/sr)。

图9 各草原地区夜间灯光亮度水平分布图Fig.9 Distribution map of night light brightness level in each grassland area

3.4 时间性变化

为了进一步明确内蒙古草原地区夜间灯光亮度的发展趋势，本文通过计算得到了内蒙古草原地区2015年—2019年夜间灯光亮度特征的具体数值。从表1可以看出，从2015年到2019年，各亮度特征指标数值都在增长，发亮面积、密度五年间增长了133%，最邻近指数增长了46%，发光总量增长了28%。说明内蒙古草原地区的夜间灯光亮度的面积、密度、分散程度、水平都在快速增长，特别是发亮面积，年平均增长量达到了512.5 km2。

表1 2015—2019年内蒙古草原地区夜间灯光亮度特征指标值Table 1 Characteristic index value of night light brightness in grassland area of Inner Mongolia from 2015 to 2019

4 讨论

为了探明研究区域内夜间灯光亮度特征与地区基础统计数据之间的影响关系，本文分别将量化后的分布面积特征指标、分布形态特征指标、亮度水平特征指标与土地面积、人口数量、经济水平进行了相关性分析。

根据表2中的相关性结果可以得知，地区夜间灯光发亮面积与地区生产总值、地区第二产业产值之间具有中度的正相关，其中发亮面积与地区第二产业产值的相关性更高，本文认为可能是第二产业中工业、建筑业的经济性活动扩大了人工照明对草原地区的影响范围。

表2 相关性分析结果Table 2 Correlation analysis results

发亮面积占比、最邻近指数与地区人口密度之间具有高度的正相关，相关性系数达到了0.9以上，所以本文认为地区人口密度可能是影响草原地区夜间灯光亮度密度大小、分散聚集程度高低的重要因素。另一方面，发亮面积占比、最邻近指数与地区第一产业产值之间具有中低度的负相关，本文认为可能是因为农业、牧业经济性活动较为活跃的草原地区，其人口密度较低，同时人口活动分布较为聚集所导致的。

发光总量方面，地区人口数量与其具有中度正相关。在与经济类指标的相关程度中，地区生产总值与发光总量的相关程度最高，通过对比不同产业产值与亮度水平的相关性程度后发现，第一产业产值与其相关程度较弱，第二产业产值与其具有中度相关，第三产业产值与其具有高度相关。本文认为，其差异的原因可能是草原地区第一产业中农业、牧业的经济性活动对夜间灯光的需求度较低，而草原地区第二、三产业中工业、商业、服务业的经济性活动对夜间灯光的需求度更高。

5 结论

本文从分布面积、分布形态、亮度水平这三方面量化了内蒙古草原地区夜间灯光亮度特征，阐述了内蒙古草原地区夜间灯光亮度特征的时间性变化，分析了亮度特征指标与基础统计数据之间的相关性。结论如下：

(1)内蒙古草原地区夜间灯光发亮面为4 470 km2，占总土地面积的1.26%，各个草原地区的发亮面积差异较大，在发亮面积占比上，中东部地区比中西部其他地区的密度要高；内蒙古草原地区夜间灯光亮度分布形态整体呈高度聚集性，各个草原地区分布形态中，除东部部分地区分布形态呈均匀性、随机性，其余地区分布形态聚集程度较高，差异性不大；内蒙古草原地区夜间灯光总量为35 150.47×10-9(W/cm2/sr)，各个草原地区亮度水平差异较大，中高亮度水平地区主要集中在内蒙古中东部。

(2)从2015年到2019年，内蒙古草原地区夜间灯光亮度分布面积特征指标、分布形态特征指标、亮度水平特征指标均在增长，内蒙古草原地区的夜间灯光的影响范围正在逐年加大，影响程度正在逐年加重。

(3)各特征指标在与基础统计数据的相关性分析中，地区夜间灯光发亮面积与第二产业产值的相关性最高；发亮面积占比、最邻近指数与人口密度之间的相关性最高；发光总量与生产总值的相关性最高。

通过对内蒙古草原地区夜间灯光亮度的时空分析，本研究丰富了我国草原地区的夜间光环境研究。另一方面，依据本研究建立的夜间灯光亮度特征指标，可以更好地评估生态薄弱地区的夜间灯光亮度水平，量化生态薄弱地区的光污染程度。而利用本研究得到的相关性结果，可以为草原城镇规划发展、草原城镇照明设计、草原城镇光污染控制提供针对性参考。