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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)星計劃。該項目是通過氣象衛(wèi)星搭載的傳感器，探測出夜間低強度燈光，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，且能在多個研究領(lǐng)域得到運用。

多領(lǐng)域運用

衡量區(qū)域和城市經(jīng)濟發(fā)展水平

DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)被廣泛運用于多個領(lǐng)域，一些學(xué)者將這一指標(biāo)當(dāng)作真實反映一個地區(qū)的經(jīng)濟發(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個國家38427個地區(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的現(xiàn)象較為普遍，而在政治制度相對較好的國家則影響不大。同樣地，范子英等人(2016)運用了倍差法估計新任部長對地區(qū)燈光亮度的影響，發(fā)現(xiàn)新任部長對其出生地的經(jīng)濟增長具有顯著的促進作用，對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)濟發(fā)展研究提供了新的思路。

在研究對區(qū)域發(fā)展的作用和影響方面，Papaioannou等人(2014)運用夜間燈光數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在非洲地區(qū)，地區(qū)距離首都位置越遠，國家機構(gòu)的作用力越弱，國家在偏遠地區(qū)的滲透有限。當(dāng)與和交通建設(shè)相結(jié)合時，張俊(2017)運用匹配倍差法和OLS發(fā)現(xiàn)高鐵開通顯著提高了縣級市的平均燈光亮度，但對縣的平均燈光亮度沒有顯著影響。這說明了高鐵開通對縣級市和縣的經(jīng)濟發(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)運用校正后的夜間燈光數(shù)據(jù)度量了地區(qū)經(jīng)濟效率，同時考察了城市空間結(jié)構(gòu)對經(jīng)濟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)則更能促進經(jīng)濟效率提升。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，同時鼓勵農(nóng)村轉(zhuǎn)移人口進入中小城市，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)。

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

衡量GDP

GDP歷來是經(jīng)濟研究的重中之重，Henderson等人(2012)利用衛(wèi)星夜燈數(shù)據(jù)與實測收入增長數(shù)據(jù)結(jié)合起來，增加對真實收入增長估計的準(zhǔn)確率。在關(guān)于中國經(jīng)濟增長及GDP數(shù)據(jù)是否可信問題方面，許康寧等人(2015)對1992年-2012年中國省級面板數(shù)據(jù)運用OLS和空間計量等方法進行回歸，發(fā)現(xiàn)不同的估計方法下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)濟增長數(shù)據(jù)的替代變量的。clark等人(2017)也在針對中國官方GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)的質(zhì)量方面，利用DMSP-OLS夜間燈光數(shù)據(jù)為一個獨立的基準(zhǔn)，比較中國公布的各種經(jīng)濟指標(biāo)。結(jié)果表明中國官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)并沒有夸大經(jīng)濟的增長，甚至可能實際增長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經(jīng)濟發(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，同時在地域分布上具有集中分布特征，而在時期上呈現(xiàn)一種持續(xù)惡化的趨勢。相對而言，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于 2000 — 2005 年都有明顯上升。如果以官方承認(rèn)統(tǒng)計數(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年的中國省級區(qū)域經(jīng)濟增長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)濟增長的區(qū)域不平衡性的地理變化。特別關(guān)注了在這個時間段內(nèi)的省級區(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散或空間溢出相互作用，且程度較強;周邊地區(qū)的擾動會降低本地區(qū)NTL的增長;中國省級區(qū)域燈光與GFP之間的強對數(shù)相關(guān)性。區(qū)域面積和經(jīng)濟增長率之間的線性相關(guān)性很弱，并非是地理面積越大的省份NTL亮度增長越快;區(qū)域燈光增長路隨著距離海岸線的距離增加而減少。中國省級經(jīng)濟增長具有明顯的空間依賴性，區(qū)域經(jīng)濟增長的行為不僅受到自身特征的影響，同時還受到鄰居特征的影響。另外，省級經(jīng)濟增長在空間上確實存在顯著的集聚性，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)域運用，例如王賢彬等人(2017)運用GMM方法，構(gòu)建了動態(tài)面板模型系統(tǒng)性地考察了夜間燈光亮度的區(qū)際差距變動趨勢，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一定程度上反映了電力消費密集型經(jīng)濟活動的快速擴張，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)市場經(jīng)濟活動和“非市場”生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都發(fā)生在特定的空間位置。他們試圖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，運用了獨特的測量方式，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟的百分比與2001年的環(huán)境可持續(xù)性指數(shù)關(guān)聯(lián)。來描述時間變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值。

社會研究中普遍存在的問題中有一是提高發(fā)展中國家的社會經(jīng)濟數(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，希望通過亮度的測量可以改進區(qū)域的產(chǎn)出估計。發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計系統(tǒng)D或E級的國家效果最好，若統(tǒng)計系統(tǒng)提升到C級或B級，則替代效果不佳。

全球國家人口分布廣泛，很難以全球為范圍收集到全面并統(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，得到了第一個系統(tǒng)的全球電氣化率評估，包含了229個國家和2000多個次國家級單位。

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)濟活動之間的相關(guān)性足夠強，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，尤其對于工資的估計，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)線公路會導(dǎo)致大量的人口分散化，而公交會有助于城市的緊湊性。

楊孟禹等人(2017)在研究城市規(guī)模時，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。發(fā)現(xiàn)城市規(guī)模變動水平方向的空間競爭為正，且在2004-2013年間逐年遞增，城市規(guī)模變動在空間上表現(xiàn)出越來越強的模仿性;垂直方向的空間競爭顯著存在且為正，官員晉升機制也能引起城市規(guī)模的效仿現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)，在晉升年份，城市規(guī)模變動空間競爭以垂直方向為主導(dǎo)，在其他年份則以水平方向的競爭為主導(dǎo)。

數(shù)據(jù)的校正

DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)盡管已在多個領(lǐng)域得以廣泛運用，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)星長時間探測可能會因衰退帶來波動。曹子陽等人(2015)使用不變目標(biāo)區(qū)域法的影像校正方法，對提取出的中國區(qū)域的夜間燈光影像進行校正，并對結(jié)果進行了檢驗。范子英等人(2016)亦對燈光數(shù)據(jù)進行了校正。

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的區(qū)域就無法探測其狀況，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，需要進行校正等，但任何數(shù)據(jù)都會有其局限性。

相信利用城市燈光數(shù)據(jù)還可以運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，或許可以使用多個時間橫截面下地域間的城市燈光數(shù)據(jù)的演變進行相關(guān)研究;產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，不同產(chǎn)業(yè)其對城市夜間燈光數(shù)據(jù)的影響可能會有所不同，也可能可以利用城市燈光數(shù)據(jù)來探至一二。總體來說，DMSP-OLS夜間城市燈光數(shù)據(jù)在經(jīng)濟發(fā)展等多方面的研究提供了全新的視角