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DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)介紹

DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)是美國國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃。該項(xiàng)目是通過氣象衛(wèi)星搭載的傳感器，探測(cè)出夜間低強(qiáng)度燈光，例如城市的燈光、車流的燈光、居民小區(qū)的燈光等。目前，獲取到這些DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)，已成為研究人類活動(dòng)的不可多得數(shù)據(jù)源。Tilottama 等人(2013)發(fā)現(xiàn)了夜間衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的巨大價(jià)值，這些燈光數(shù)據(jù)要相比典型的人口普查數(shù)據(jù)，折射出的信息比較綜合和呈現(xiàn)的頻次更高，且能在多個(gè)研究領(lǐng)域得到運(yùn)用。

多領(lǐng)域運(yùn)用

衡量區(qū)域和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平

DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)被廣泛運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域，一些學(xué)者將這一指標(biāo)當(dāng)作真實(shí)反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況的替代性指標(biāo)。

在研究區(qū)域發(fā)展的政治經(jīng)濟(jì)關(guān)系方面，Hodler等人(2014)通過將該數(shù)據(jù)與國家領(lǐng)導(dǎo)人的出生地信息鏈接，收集了從1992年到2009年共126個(gè)國家38427個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在政治體制薄弱、公民受教育程度較低的國家中，現(xiàn)任領(lǐng)導(dǎo)人出生地的夜間燈光光線更強(qiáng)的現(xiàn)象較為普遍，而在政治制度相對(duì)較好的國家則影響不大。同樣地，范子英等人(2016)運(yùn)用了倍差法估計(jì)新任部長(zhǎng)對(duì)地區(qū)燈光亮度的影響，發(fā)現(xiàn)新任部長(zhǎng)對(duì)其出生地的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用，對(duì)其籍貫地和工作地的影響則不明顯。將DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)與政治家的信息鏈接起來的方法，為今后的區(qū)域政治與經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究提供了新的思路。

在研究對(duì)區(qū)域發(fā)展的作用和影響方面，Papaioannou等人(2014)運(yùn)用夜間燈光數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在非洲地區(qū)，地區(qū)距離首都位置越遠(yuǎn)，國家機(jī)構(gòu)的作用力越弱，國家在偏遠(yuǎn)地區(qū)的滲透有限。當(dāng)與和交通建設(shè)相結(jié)合時(shí)，張俊(2017)運(yùn)用匹配倍差法和OLS發(fā)現(xiàn)高鐵開通顯著提高了縣級(jí)市的平均燈光亮度，但對(duì)縣的平均燈光亮度沒有顯著影響。這說明了高鐵開通對(duì)縣級(jí)市和縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了不同的影響。

未來城鎮(zhèn)化發(fā)展的模式關(guān)系未來城市的發(fā)展，劉修巖等人(2017)運(yùn)用校正后的夜間燈光數(shù)據(jù)度量了地區(qū)經(jīng)濟(jì)效率，同時(shí)考察了城市空間結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)濟(jì)效率的影響及其尺度差異。發(fā)現(xiàn)在城市和市域等較小的空間尺度上，單中心的空間結(jié)構(gòu)更加有利于經(jīng)濟(jì)效率提升;在省域這一較大的空間尺度上，多中心的空間結(jié)構(gòu)則更能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效率提升。中國未來的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式應(yīng)該嚴(yán)格控制大城市無序蔓延式的發(fā)展，同時(shí)鼓勵(lì)農(nóng)村轉(zhuǎn)移人口進(jìn)入中小城市，提高中小城市的規(guī)模。通過便利的基礎(chǔ)設(shè)施將中小城市與大城市連接形成多中心、網(wǎng)絡(luò)化的城市空間結(jié)構(gòu)。

部分有歷史文化價(jià)值的城市可以利用歷史文化的名片來促進(jìn)自身的發(fā)展，盧盛峰等人(2018)發(fā)現(xiàn)基于歷史文化的城市更名會(huì)使城市燈光總強(qiáng)度提高，有效地促進(jìn)了城市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和推動(dòng)了城市交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建設(shè)。

衡量GDP

GDP歷來是經(jīng)濟(jì)研究的重中之重，Henderson等人(2012)利用衛(wèi)星夜燈數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)收入增長(zhǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，增加對(duì)真實(shí)收入增長(zhǎng)估計(jì)的準(zhǔn)確率。在關(guān)于中國經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)及GDP數(shù)據(jù)是否可信問題方面，許康寧等人(2015)對(duì)1992年-2012年中國省級(jí)面板數(shù)據(jù)運(yùn)用OLS和空間計(jì)量等方法進(jìn)行回歸，發(fā)現(xiàn)不同的估計(jì)方法下DMSP-OLS夜間燈光亮度與GDP之間均存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。夜間城市燈光亮度是可以作為觀察經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)數(shù)據(jù)的替代變量的。clark等人(2017)也在針對(duì)中國官方GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面，利用DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)為一個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)，比較中國公布的各種經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。結(jié)果表明中國官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并沒有夸大經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，甚至可能實(shí)際增長(zhǎng)率要高于官方公布的數(shù)據(jù)。夜間燈光數(shù)據(jù)的亮度指標(biāo)可以度量城市的真實(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，盧盛峰等人(2017)利用官方發(fā)布的城市生產(chǎn)總值與城市夜間燈光亮度的比值來刻畫城市的GDP注程度。研究結(jié)果表明，中國地區(qū)之間的 GDP 注水系數(shù)存在較大差異，同時(shí)在地域分布上具有集中分布特征，而在時(shí)期上呈現(xiàn)一種持續(xù)惡化的趨勢(shì)。相對(duì)而言，四川、湖南、湖北以及江西和福建等省份平均注水嫌疑更加嚴(yán)重;2006-2012 年，所有省份的平均注水程度相對(duì)于 2000 — 2005 年都有明顯上升。如果以官方承認(rèn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在注水的 2011-2014 年遼寧省數(shù)據(jù)為參考，那么位于這一注水系數(shù)以上的四川、湖南、湖北、福建、江西、江蘇、浙江等省份所轄的城市都存在較大的 GDP 注水嫌疑。丁煥峰等人(2017)建立了燈光數(shù)據(jù)和GDP的相關(guān)性后，分析了1992年至2013年的中國省級(jí)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和人口變化引起的燈光變化的空間模式。還用區(qū)域的燈光亮度度量了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的區(qū)域不平衡性的地理變化。特別關(guān)注了在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的省級(jí)區(qū)域規(guī)模、距離海岸線的距離與燈光亮度變化的關(guān)系，沿海及內(nèi)陸區(qū)域發(fā)展的差異。發(fā)現(xiàn)各分析單位間存在空間擴(kuò)散或空間溢出相互作用，且程度較強(qiáng);周邊地區(qū)的擾動(dòng)會(huì)降低本地區(qū)NTL的增長(zhǎng);中國省級(jí)區(qū)域燈光與GFP之間的強(qiáng)對(duì)數(shù)相關(guān)性。區(qū)域面積和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率之間的線性相關(guān)性很弱，并非是地理面積越大的省份NTL亮度增長(zhǎng)越快;區(qū)域燈光增長(zhǎng)路隨著距離海岸線的距離增加而減少。中國省級(jí)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有明顯的空間依賴性，區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的行為不僅受到自身特征的影響，同時(shí)還受到鄰居特征的影響。另外，省級(jí)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)在空間上確實(shí)存在顯著的集聚性，區(qū)域呈現(xiàn)“一榮俱榮、一損俱損”的現(xiàn)象，與此同時(shí)空間差異也較為明顯。

其他領(lǐng)域

除了區(qū)域發(fā)展和衡量GDP外，DMSO-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)還在很多領(lǐng)域運(yùn)用，例如王賢彬等人(2017)運(yùn)用GMM方法，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)面板模型系統(tǒng)性地考察了夜間燈光亮度的區(qū)際差距變動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)夜間燈光亮度變化與用電量變化之間存在高度相關(guān)性，落后地區(qū)的夜間燈光亮度的快速增長(zhǎng)一定程度上反映了電力消費(fèi)密集型經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的快速擴(kuò)張，并且在行政空間維度上表現(xiàn)為夜間燈光亮度的互相追趕。

在環(huán)境方面，Sutton等人(2002)指出傳統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和“非市場(chǎng)”生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都發(fā)生在特定的空間位置。他們?cè)噲D映射出它們的空間模式。利用DMSP - OLS的夜間衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)集和全國總GDP，運(yùn)用了獨(dú)特的測(cè)量方式，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)的百分比與2001年的環(huán)境可持續(xù)性指數(shù)關(guān)聯(lián)。來描述時(shí)間變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值。

社會(huì)研究中普遍存在的問題中有一是提高發(fā)展中國家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，Chen等人(2011)將DMSP-OLS的夜間衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)集中的亮度代替標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)出度量，希望通過亮度的測(cè)量可以改進(jìn)區(qū)域的產(chǎn)出估計(jì)。發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)D或E級(jí)的國家效果最好，若統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)提升到C級(jí)或B級(jí)，則替代效果不佳。

全球國家人口分布廣泛，很難以全球?yàn)榉秶占饺娌⒔y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)生活質(zhì)量的數(shù)據(jù)。Elvidge 等人(2011)根據(jù)DMSP 的照明數(shù)據(jù)繪制了2006年的電氣化空間范圍。他們將DMSP-OLS的夜間照明數(shù)據(jù)和人口密度網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，得到了第一個(gè)系統(tǒng)的全球電氣化率評(píng)估，包含了229個(gè)國家和2000多個(gè)次國家級(jí)單位。

Charlotta等人(2015)在研究瑞典的人口、工資收入、企業(yè)等方面，發(fā)現(xiàn)NTL與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的相關(guān)性足夠強(qiáng)，能較好的代表人口與企業(yè)密度，但與工資的相關(guān)性較弱，尤其對(duì)于工資的估計(jì)，在大城市被略高估，在農(nóng)村地區(qū)被低估。

Baum-Snow等人(2017)將1992年至2009年的夜間衛(wèi)星燈光圖像與1962年、1990年、1999年、2005年和2010年的數(shù)字化國家公路和鐵路地圖整合在一起，研究了在過去的20年里，中國高速公路和鐵路網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張程度和配置如何影響了中國城市的形態(tài)。發(fā)現(xiàn)子午線公路和環(huán)線公路會(huì)導(dǎo)致大量的人口分散化，而公交會(huì)有助于城市的緊湊性。

楊孟禹等人(2017)在研究城市規(guī)模時(shí)，利用全球夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建新城市規(guī)模指數(shù)來反映城市規(guī)模的變動(dòng)。發(fā)現(xiàn)城市規(guī)模變動(dòng)水平方向的空間競(jìng)爭(zhēng)為正，且在2004-2013年間逐年遞增，城市規(guī)模變動(dòng)在空間上表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的模仿性;垂直方向的空間競(jìng)爭(zhēng)顯著存在且為正，官員晉升機(jī)制也能引起城市規(guī)模的效仿現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，在晉升年份，城市規(guī)模變動(dòng)空間競(jìng)爭(zhēng)以垂直方向?yàn)橹鲗?dǎo)，在其他年份則以水平方向的競(jìng)爭(zhēng)為主導(dǎo)。

數(shù)據(jù)的校正

DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)盡管已在多個(gè)領(lǐng)域得以廣泛運(yùn)用，其本身還是有一定的缺陷的，如燈光數(shù)據(jù)由不同衛(wèi)星獲取，數(shù)據(jù)有不可比性;同一衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)可能會(huì)因衰退帶來波動(dòng)。曹子陽等人(2015)使用不變目標(biāo)區(qū)域法的影像校正方法，對(duì)提取出的中國區(qū)域的夜間燈光影像進(jìn)行校正，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。范子英等人(2016)亦對(duì)燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正。

小結(jié)

DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)已在區(qū)域發(fā)展、GDP、環(huán)境、人口、城市規(guī)模等領(lǐng)域有較強(qiáng)的應(yīng)用性。雖然仍有局限和缺陷，例如無夜間燈光的人類活動(dòng)的區(qū)域就無法探測(cè)其狀況，以及使用的傳感器和衛(wèi)星的不同導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)有差異，需要進(jìn)行校正等，但任何數(shù)據(jù)都會(huì)有其局限性。

相信利用城市燈光數(shù)據(jù)還可以運(yùn)用在更多的研究方向上，例如某區(qū)域內(nèi)企業(yè)總體的進(jìn)入和退出情況，或許可以使用該區(qū)域各年的燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究;城市間企業(yè)的遷入遷出，產(chǎn)業(yè)的地域性轉(zhuǎn)移，或許可以使用多個(gè)時(shí)間橫截面下地域間的城市燈光數(shù)據(jù)的演變進(jìn)行相關(guān)研究;產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，不同產(chǎn)業(yè)其對(duì)城市夜間燈光數(shù)據(jù)的影響可能會(huì)有所不同，也可能可以利用城市燈光數(shù)據(jù)來探至一二?？傮w來說，DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多方面的研究提供了全新的視角