VIIRS夜光遥感日数据的时序分析及其在中巴经济走廊社会经济评估中的应用

Time series daily VIIRS night-time light data has rich dynamic information related to politics and religion. However, discovering the socioeconomic knowledge behind this data set is difficult because the satellite observation angle changes from day to day and there lacks multi-cycle time series analysis method in the past. By considering urban vegetation cover, this study proposes to build a zenith-angle-to-nighttime-radiance function based on multi-angle time series VIIRS nighttime light data, to correct urban nighttime radiance and to improve radiance quality of time series nighttime light data. And then, we propose to use Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) to decompose time series nighttime light data to multi-cycle components and trend component from time series nighttime light data, so that the time series dynamic patterns and its response to different socioeconomic cycles and events can be revealed. For the purpose of socioeconomic evaluation in the China-Pakistan Economic Corridor which is a critical project in the Belt and Road initiative, we extract the time series nighttime light dynamic patterns based on 2012-2017 daily VIIRS nighttime light data and the EEMD method. Using this information, the development trend and its regional disparity of current Pakistan can be analyzed, and a regional electricity supply index will be built to evaluate the electricity supply situation in China-Pakistan Economic Corridor (Pakistan side) and the impact of violence on it, so that the socioeconomic dynamic patterns of China-Pakistan Economic Corridor will be revealed.

VIIRS夜光遥感日数据蕴含着丰富的政治、宗教等动态信息,但该类数据的时序分析存在卫星观测角度效应、缺乏多时间尺度分析方法等问题,故较难挖掘其蕴含的社会经济知识。本研究在考虑城市植被长势的前提下,基于VIIRS多角度遥感数据建立天顶角-夜光辐亮度的关系,对城市夜光辐亮度进行天顶角校正,改善时序夜光数据辐射质量。利用集合经验模态分解(EEMD)提取时序夜光遥感日数据的多周期和趋势等特征,分析其变化规律及其对不同社会经济运行周期和事件的响应。面向“一带一路”重点项目-中巴经济走廊的社会经济评估,首先基于DMSP/OLS影像揭示巴基斯坦历史夜光变化规律;然后用2012-2017年VIIRS夜光遥感日数据和EEMD方法提取时序夜光变化模式,在此基础上分析该国当前社会发展趋势及区域差异,构建区域供电指数评估中巴经济走廊(巴方部分)的电力供应并分析暴力冲突对其影响,揭示中巴经济走廊的社会经济变化规律。

夜光遥感影像记录了城镇夜间灯光信息，被广泛应用于社会经济研究，是近年来遥感领域的研究热点。时间序列VIIRS夜光遥感影像蕴含着丰富的社会经济信息，但由于受到诸多干扰因素的影响，充分挖掘这些信息存在较大的挑战。为了解决上述问题，本项目深入探究VIIRS夜光遥感影像日数据的成像机理，并提出了一整套VIIRS夜光遥感影像的数据处理和挖掘方法，并将其应用于中巴经济走廊等多个国家和地区的社会经济评估。为了改善时序夜光遥感数据的质量，从VIIRS夜光遥感影像日数据的周期性波动为切入点，发现了夜间灯光遥感影像的各向异性特征，并提出利用辐射强度代替辐亮度来度量夜间灯光在不同观测角度的辐射能量，在此基础上，提出了VIIRS夜光遥感影像日数据的观测角度归一化方法，获得更加平稳的时序夜光数据用于开展变化检测分析。为了挖掘时序夜光遥感影像蕴含的信息，提出了利用经验模态分解、季节-趋势分离等方法用于探测社会经济的变化信息，并将上述方法应用于中巴经济走廊、委内瑞拉、阿尔及利亚等国家和地区的社会经济发展规律分析，其中发现了在中巴经济走廊建设的背景下，该国城市结构层次间的差距正在逐渐缩小、整个地区的城市规模发展日趋平衡等重要规律。为了挖掘夜间灯光中的微观信息，提出利用无人机技术用于观测时间序列的夜间灯光变化信息，获取了全球首套小时级分辨率的夜光遥感影像，分析得到了高时间分辨率的夜间灯光变化规律，为未来的夜光遥感卫星设计提供了依据。本项目合计发表了19篇学术论文，其中SCI论文15篇（含一区Top期刊Remote Sensing of Environment论文3篇），获批发明专利1项，申请发明专利1项，参加国内外会议3次，完成国际会议特邀报告1次，项目成果支持了2021年国家科技进步一等奖“天空地遥感数据高精度智能处理关键技术及应用 ”。此外，论文研究成果被美国宇航局采纳用于制作多角度夜光遥感产品并向全球发布，研究成果支持了2020年新冠疫情期间国务院办公厅的复工复产决策并收到感谢信。