一、DMSP/OLS、NPP/VIIRS夜光数据下载和校正理论介绍
一、前言
(1)DMSP/OLS夜光数据介绍
DMSP(Defense Meteorological Satellite Program)是美国国防气象卫星计划。该项目是通过气象卫星搭载的传感器,探测出夜间低强度灯光,例如城市的灯光、车流的灯光、居民小区的灯光等。目前,获取到这些DMSP-OLS夜间灯光数据,已成为研究人类活动的不可多得数据,Tilottama 等人(2013)发现了夜间卫星图像数据的巨大价值,这些灯光数据要相比典型的人口普查数据,折射出的信息比较综合和呈现的频次更高,且能在多个研究领域得到运用。
DMSP夜光数据存在一些缺点:一是年份1992-2013年,2013年以后没有数据;二是存在多类传感器(F10、F12......F18等等)。因为多类传感器的问题,且相同年份有着不同传感器数据,因为传感器不同,导致数据也存在差异,例如F101994和F121994在DN值上有较大差异。三是数据存在饱和现象,DN值最高只有63,这与区域经济发展是不相符。四是分辨率不算高,1000*1000m。
DMSP/OLS夜光数据传感器分布
年份 | 传感器 | |||||
F10 | F12 | F14 | F15 | F16 | F18 | |
1992 | √ | |||||
1993 | √ | |||||
1994 | √ | √ | ||||
1995 | √ | |||||
1996 | √ | |||||
1997 | √ | √ | ||||
1998 | √ | √ | ||||
1999 | √ | √ | ||||
2000 | √ | √ | ||||
2001 | √ | √ | ||||
2002 | √ | √ | ||||
2003 | √ | √ | ||||
2004 | √ | √ | ||||
2005 | √ | √ | ||||
2006 | √ | √ | ||||
2007 | √ | √ | ||||
2008 | √ | |||||
2009 | √ | |||||
2010 | √ | |||||
2011 | √ | |||||
2012 | √ | |||||
2013 | √ |
(2)NPP/VIIRS夜光数据介绍
VIIRS(Visible infrared Imaging Radiometer)可见光红外成像辐射仪。扫描式成像辐射仪,可收集陆地、大气、冰层和海洋在可见光和红外波段的辐射图像。他是高分辨率辐射仪VHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进。VIIRS数据可用来测量云量和气溶胶特性、海洋水色、海洋和陆地表面温度、海冰运动和温度、火灾、和地球反照率。气象学家使用VIIRS数据来提高我们对全球温度变化的了解。
NPP夜光数据存在一些缺点:一是从2012年4月份才开始有数据,且月度数据较多,也提供一些年度数据,校正方式不一定适合中国区域;二是虽然NPP数据不存在饱和情况,但是也存在背景噪声(例如极光、水面反射等噪声)。
二、数据下载和现存数据情况
(1)数据下载
DMSP和NPP均可以在下列网站下载Earth Observation Group (noaa.gov)
其中NPP数据点击最上面的VIIRS DNB Nightly Mosaic下载。
点击进去之后可以看到网站上只有2023年的数据,所以NPP在这个网站下载不全。所以对于NPP需要提供另外一个网站下载。
针对DMSP下载就相对简单,在主页面点击Global DMSP-OLS Nighttime Lights Time Series 1992-2013(Version4)即可,进去之后有两个版本的数据,Average Visible, Stable Lights, & Cloud Free Coverages和Average Lights x Pct,我们通常选择Average Visible, Stable Lights, & Cloud Free Coverages用于相关研究。
特别注意一点:下载的时候需要将所有下载下来,下列表上每一个都要下载,DMSP总共34期数据,有些年份存在两类传感器的数据,均要全部下载下来,后续校正过程需要用到。
如何下载呢?直接点击自己想要下载的某一个例如F101992,点击即可,跳出保存窗口,保存电脑位置即可。
刚刚也说到NPP数据无法全部下载,所以这里提供另外一个网站:VIIRS Nighttime Light (mines.edu)
在这个网站上提供多种NPP数据,包括月度无云合成数据、第一版本年度合成数据、第二版年度合成数据、每日数据等等,在下图中右侧一栏的Introduction可以看到。
特别注意:在这个网站有两个版本的年度合成NPP数据,年度合成VNL VI由C. D. Elvidge,K. Baugh,M. Zhizhin等人发表于遥感杂志。
完成去噪处理的年度合成数据,年度数据合成是以月度数据为基础,按照平均值法合成,也就是12个月份相加除以12得到年度平均数据,点击GO to Download即可下载,但是只有两年数据,有一种校正办法就是利用这两年数据完成去噪处理。
年度合成VNL V2数据由Ghosh T.,Hsu FC,Taneja J.根据平均值法合成年度数据,基于V1进行调整,改进方法得到最佳的校正效果,这个数据已经有好几个版本V2 V2.1 V2.2。下载方式也是类似直接点击下载即可。
时间尺度可以从2012-2022年,如果有小伙伴不想自己完成NPP数据去噪等过程,可以直接下载该数据,他是基于全球范围进行校正,所以可能校正效果不一定和贴合中国区域。
这里随机点击一年进去看一下,有好多种结果,那我们下载要下载哪一种?通常的话下载平均值数据。
通常建议自己下载月度数据,一步一步来校正,点击【Download Tiled】进行分区下载,当然也提供Non-tiled方式,数据量相对比较大,如果研究全球尺度可以下载Non-tiled。
全球分区如下,如果想下载中国区域,就选择【75N/060E】进行下载。速度有点慢。
点击Download Tiled,2012年从4月份开始才有,前面是没有数据的,这个不必惊讶。
以2023为例,点击进去后为月份,再点击月份,可以看到分为两类数据VIIRS_vcmcfg、,VIIRS_vcmslcfg。
VIIRS_vcmcfg能够探测到更微弱的灯光辐射,VIIRS_vcmslcfg夜光遥感数据集是在VIIRS_vcmcfg数据的基础上做了散射光校正,校正程序向极点提供更多数据覆盖,增加了动态监测范围,但质量会降低。为了从质量上保证,通常选择VIIRS_vcmcfg,中国区域下载75N60E即可
。
为了方便大家,可以找我要DMSP和NPP原始数据,我已经下载好了,免费发给大家。这个网站下载比较慢。
三、校正理论介绍
(1)DMSP校正理论
当前主流的去饱和校正方法有三种,一是借助Modis数据建立的NDVI或者EVI来构建夜间灯光指数,达到去饱和;二是通过NDVI构建人居指数改善饱和问题;三是利用官方公布的辐射定标的参考数据,通过相关性分析得出最佳拟合方程,解决饱和问题。除了饱和校正之外还需要进行连续性校正和同一年份不同传感器校正。
(2)NPP校正理论
NPP/VIIRS夜光数据有年度数据仅有2015和2016年两年,月度数据从2012年4月发布至今,虽然并不存在饱和现象,但是受到云层、高能粒子、水面反射等因素影响,NPP/VIIRS夜光数据存在大量噪声和异常值,去除噪声和异常值至关重要。主流掩膜法和阈值法,阈值法简单高效,根据前人经验之间设置阈值即可。