出品：科普中國
製作：中國科學院中國遙感衛星地面站 陳甫
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
中科院中國遙感衛星地面站利用美國Suomi-NPP衛星2012~2017的長時間觀測的地球夜光數據，通過細緻的數據處理工作，首度製作了全序列的全球高清夜光年度產品，並且進一步合成了這個五年期的全球夜光變化檢測產品，反映了這個階段人類活動的趨勢。相對於NASA/NOAA之前公佈的個別年份的產品質量更高，信息更全面。
夜光遙感：不算新鮮事但卻不易做
夜光遙感對於地學研究來說已經不算一個新鮮事了。它的原理是通過特殊設計的傳感器獲取並增強夜晚無雲條件下地表發射的微弱的可見光-近紅外電磁波信號。這些信號大部分由地表人類活動發出，其中最主要的是夜間燈光照明，同時也包括石油天然氣燃燒、海上漁船、森林火災以及火山爆發等來源。
相比於其他傳感器，夜光遙感更直接反映人類活動，因此被廣泛應用於社會經濟參量估算、城市發展監測、重大事件動態、生態環境評估以及公共健康等領域。
美國軍事氣象衛星（Defense Meteorological Satellite Program）的OLS傳感器（簡稱DMSP/OLS）就是較早的進行夜光遙感探測的儀器，DMSP/OLS從1992年開始持續觀測到2014年（期間換過幾顆衛星但是傳感器一致），獲得了大量數據，不過它的主要問題是空間分辨率太低，一個大城市也就幾個像素點，而輻射的探測範圍太窄，城市中心高亮區域往往是飽和的。
DMSP 結構圖
2011年10月美國的“索米”國家極軌衛星夥伴衛星（Suomi National Polar-orbiting Partnership or Suomi NPP）發射，其中的Suomi是為了向美國一位著名氣象學家致敬而加的冠名。它搭載的VIIRS傳感器上有一個稱為DNB(Day Night Band)的波段能夠在500米分辨率（比原來的OLS提高6倍）的尺度上對地表開展每天覆蓋全球一次的高靈敏度（比OLS提高250倍）的夜光觀測，目前已經成為夜光觀測新數據的主要來源。
Suomi NPP 結構圖
相關論文中列出的前後兩代夜光數據之間的差異
除此以外，美國國家海洋大氣管理局NOAA下屬的國家環境信息中心NCEI下有專門對夜光數據加以處理的小組。他們發佈每個月份的合成產品，也發佈過2015年的全球夜光數據集。另外NASA也製作了一個2016年的全球夜光數據集，其質量和NOAA相當。
然而，對於地學研究來說，年度數據雖然是一個很重要而且容易廣泛使用的產品，但是上述幾家美國機構始終沒有推出正式的年度產品（即2012~2017每年一份的數值穩定可靠的高質量年度產品），這是為什麼呢？
這是一件不容易完成的工作。首先，夜光測量是基於光學系統的，因此它會受到大氣雲霧干擾，這在低緯度地區影響較大，會讓某些月份的數值失真嚴重。
上海中心區域（理論上燈光變化較小）從201204到201712的69個月的觀測數值波動
另外，它的目標是觀測地表夜光的，但是也會受到太陽、月亮等外部光源的干擾，緯度越高，影響越大（別忘了極地的極晝極夜現象）。在高緯度地區的月度產品中很多月份是空缺的，這些缺失需要加以考慮。
NPP衛星每日獲取的數據的原始風貌，環北極地區受到的極光的干擾
因此想做出一個科學、穩定、美觀的年度產品確實不容易，但是這樣的產品又是非常需要的，包括筆者在內也是翹首以待，但是美國相關機構長期跳票，於是實在等不及了。筆者和研究生助手通過一年時間的摸索，數次推倒重來，現在終於得到一個相對於美版來說，有顯著提高的結果，即中科院版全球高清夜光數據集。
中科院版全球高清夜光數據集：覆蓋巨大數據量 算法精細
下面，筆者對比一下美版2015年全球夜光數據集和中科院製作的2012~2017夜光變化檢測產品的截圖。
美版局部
中科院版局部
與美版的相比，中科院版不僅能描述夜光的明暗分佈，還能描述這五年間的變化情況，其中黑白（灰色）是表示期間變化不大，橘色表示亮度增強，藍色表示亮度減弱。
總體說來，中科院版全球高清夜光數據集有下面幾個特點：
1）所利用的數據量龐大
通過對2012~2017長達六年的數據的統計清洗和平均降噪，這個產品原則上包含了該傳感器所採集每一個比特的內容，而且保真度也前所未有的高。
2）算法精細
針對高低緯度地區的噪聲主要來源的不同，採用了不同的處理方式，並且將其平滑過渡成完整的產品。對年份產品之間建立約束條件，平滑不同年份之間地表因素以外的干擾，使得年份產品之間的差異基本等效於地表亮光的差異。
3）調色優美
在美國版本上，城市核心區往往過度飽和不能體現城市的內在結構，而且郊區較暗的村鎮也看不出來。而我們的圖像能夠做到細緻入微、毫釐畢現，體現該衛星傳感器最大的分辨能力。
與其說這是科學產品，筆者更願意視之為藝術品，既有社會意義又有美學價值。下面筆者用夜光圖像作為宋詞辛棄疾的《青玉案·元夕》的插畫。
青玉案·元夕
之前說NASA公佈的夜光圖上印度比中國亮，主要原因那是圖沒做好，另外一個原因是印度農村密度大，所以燈光分佈廣，其實不怎麼亮
東風夜放花千樹，
怒放的京津冀城市群，即將竣工的大興機場和即將開發的雄安將再添兩筆亮色
更吹落，星如雨。
陝北油氣田繁星般的鑽井，資源讓老區進入繁榮
寶馬雕車香滿路。
老闆們的寶馬雕車已經把珠三角填的滿滿當當
鳳簫聲動，玉壺光轉，一夜魚龍舞。
長三角群城並起，誰是魚，誰是龍，鯉魚是否可以跳過龍門？
蛾兒雪柳黃金縷，笑語盈盈暗香去。
川渝雙城的火鍋、妹子令人神往
眾裡尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。
美濟礁、渚碧礁、永暑礁鑄就南海自由航行的燈塔
好了，別掉書袋了，獨樂樂不如眾樂樂。關心自己家鄉發展或者兼濟世界和平的朋友們，可以用WEBGIS系統自己瀏覽研究。
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