夜光遥感卫星调研
字母含义：
美国军事气象卫星计划(defense meteorological satellite program, DMSP)线性扫描业务系统(operational linescan system, OLS)
美国新一代极轨运行卫星系统预备项目（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project）的首颗卫星—Suomi NPP 卫星发射升空，NPP 携带的五个对地观测仪器中的业务线扫描系统传感器（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS）
亮度值（digital number, DN）
一、平台简介
始于20世纪70年代的美国军事气象卫星计划(defense meteorological satellite program, DMSP)线性扫描业务系统(operational linescan system, OLS)的设计初衷是捕捉夜间云层反射的微弱月光，从而获取夜间云层分布信息，然而科学家们意外的发现 DMSP/OLS 可以捕捉到无云情况下的夜间城镇等发光，这就是夜光遥感的起源。至今，已经有包括 DMSP/OLS 、国际空间站（ISS）等对地观测传感器可以获取地球夜间的可见光和近红外波段的影像，下表列出了能够观测夜光的观测平台和传感器以及基本属性。
from：刘玉湖
下面对可以免费获得的数据进行一下详细归纳：
| 数据类型 | 稳定DMSP-OLS数据 | 辐射定标的DMSP-OLS数据 | NPP-VIRS数据 | 珞珈-号-01星数据 |
|---|---|---|---|---|
| 条带宽度 | ~3000 km | ~3000 km | ~ 3000 km | ~ 260 km |
| 夜间过境时间 | ~19:30 (当地时间) | ~19:30 (当地时间) | ~01:30 (当地时间) | ~22:00 (当地时间) |
| 低光成像带通 | 全色0.5 to 0.9 um | 全色0.5 to 0.9 um | 全色0.5 to 0.9 um | 全色0.46 to 0.98um |
| 值 | 灰度值 | 相对辐射值 | 绝对辐射值 | 绝对辐射值 |
| 空间分辨率 | 30弧秒(~1 km) | 30弧秒(~1 km) | 15弧秒(~ 500 m) | 3.9弧秒(~130 m) |
| 定标 | 无 | 实验室定标 | 星上定标 | 星上定标 |
| 饱和 | 城市中心存在 | 无 | 无 | 无 |
| 产品周期 | 年 | 不规则 | 月 | 预定 |
| 时间序列 | 1992- 2013 | 1996/1 999/2000/20 02/2004/ 2006/2010 | 日数据: 2012.2.1 至今 月合成数据: 2012.4至今 | 2018.6至今 |
1. DMSP/OLS
美国国防气象卫星计划 Defense Meteorological Satellite Program（DMSP）是美国国防部极轨卫星项目，运行在高度约 830 公里的太阳同步轨道，扫描条带宽度 3000 公里，周期约 101 分钟，每天绕地球飞行 14 圈，得到 4 次全球覆盖图，分别是清晨、白天、黄昏和夜晚。DMSP 上的线性扫描业务系统 Operational Linescan System（OLS）最初是专门为云层监测设计的振荡扫描辐射计，共设有两个波段：可见光-近红外（VNIR）波段，0.4-1μm，光谱分辨率为 6Bit，灰度值范围 0-63；热红外（TIR）波段，10-13μm，光谱分辨率为 8Bit，灰度值范围0-255。其中可见光波段又有两套探测器，白天使用光学望远镜头，夜间使用光学倍增管。
2. NPP/VIIRS
2011 年 10 月 28 日美国新一代极轨运行卫星系统预备项目（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System Preparatory Project）的首颗卫星—Suomi NPP 卫星发射升空，NPP 携带的五个对地观测仪器中的业务线扫描系统传感器（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS）共 22 个波段，5 个分辨率为 375m 的影像波段，分辨率为 500m 的 DNB 波段一个，16 个分辨率为 750m 的可见光和红外通道(Hillger, et al.2013)。其中 DNB 波段灰度区间（14bit）大于 DMSP/OLS(6bit),该波段甚至能够探测到更加微弱的灯光源，因此可以被应用在大气、陆地表层变化过程和人类地表活动等科学研究领域中。 在月度平均影像发布集前，影像数据提前处理了影像中存在的诸如杂散光、月光和云层等因素，此外由 NPP 卫星拍摄的边缘地区并未参与最终影像的生成。然而，NPP/VIIRS 的第一版数据并没有处理如极光、火光和其他短暂性光源的影响，则形成了第一版数据的背景噪声。
用 NPP/VIIRS 夜间灯光数据来模拟人口密度相较于 DMSP/OLS 更有优势，相比于 DMSP/OLS 夜间灯光数据，NPP/VIIRS 夜间灯光数据主要有以下特点：
（1）更小的瞬时视场效应可以提高空间图像的清晰度；
（2）更高的灰度级（14bit）(Kyba, et al.2014)能够有效的改善灯光饱和现象
（3）由于辐射订正精度的提高，可将其应用于定量研究；
（4）空间分辨率的提高消除了像素间的跳变现象(方荀.2015)。
以上改进使 NPP/VIIRS 夜间灯光数据对小尺度地表照明分布的刻画更为准确，为研究小尺度人口空间分布提供了高精度数据。但该数据存在的不足是没有经过去噪处理，数据中存在极光、火点、渔船以及其他瞬时光等因素限制了灯光数据的应用，同样也缺乏无灯光区以外的信息。
截至目前，从 NOAA 网站可以获取的 NPP/VIIRS 夜间灯光月度数据是从 2012年 4 月开始，每月发布，该月度合成数据产品最新更新到 2018 年 12 月，另外提供了 2015、2016的年度数据下载。
3. 比较
与从其他传感器获取的夜间灯光影像相比，DMSP/OLS 夜间灯光影像发布时间最早，数据获取方式最为简单。它自 1992 年发布以来，已经持续发布了 20多年了，是发布时间最长的影像集，也是目前使用最为广泛的夜间灯光影像。除了 DMSP/OLS 夜间灯光影像之外，近年来， NPP/VIIRS 夜间灯光影像也逐渐为学者所研究颇多。NPP/VIIRS 夜间灯光影像比 DMSP/OLS 夜间灯光影像具备几个优势：
一是 在空间分辨率方面，其可以达到 0.5km，优于 DMSP/OLS 的 1km 分辨率，
二是 NPP/VIIRS 夜间灯光影像数据不存在饱和效应，对于城市核心区的夜间灯光也能正确反映。
三是 NPP/VIIRS夜间灯光影像获取时已经完成了星上辐射定标，各期影像数据间是可以直接进行比较的。
四是 自2013 年开始，NPP/VIIRS 夜间灯光影像，以月为单位每月发布月度数据，具有比 DMSP/OLS 夜间灯光影像相比更高的时间分辨率。
然而，它的缺点也很明显，
NPP/VIIRS 夜间灯光影像没有去除短暂性光源和背景噪声影像，数据集含有较多“噪点”。
而且由于其2013 年才开始具有数据，数据积累并不丰富。
二、数据下载
1. DMSP/OLS 数据
传送门：https://www.ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html#AVSLCFC
DMSP/OLS夜间灯光数据(Version 4）包括未经辐射定标的夜间灯光产品和经过辐射定标的夜间灯光产品两种数据类型。未经辐射定标的数据有平均可见光灯光产品、稳定灯光产品和无云覆盖产品三种子产品，影像宽幅是3000 km，原始地理坐标系WGS84，空间分辨率是2700 m（0.0083333333°），覆盖范围为 180°W-180°E，65°S-75°N，光谱分辨率是 6 bit（DN最大值为63）。
| 文件名称 | 产品含义 |
|---|---|
| F1?YYYY_v4b_cf_cvg.tif | 无云覆盖产品 |
| F1?YYYY_v4b_avg_vis.tif | 平均可见光灯光产品 |
| F1?YYYY_v4b_stable_lights.avg_vis.tif | 稳定灯光产品 |
DMSP/OLS 数据是从1992 - 2013，六个传感器，而且影像拍摄后没有进行在轨辐射定标处理，这样就会导致基于不同传感器的 DMSP/OLS 稳定夜间灯光数据缺乏可比性。
from：王俊华
为了实现 DMSP/OLS 数据的互相可比性与数据的连续性，应用前对其进行校正。矫正方法是利用叠期数据回归拟合，矫正之后，叠期数据取均值。之后再来个二次矫正解决特殊情况导致的某年数据大量缺失的情况。
from：刘玉湖
2. NPP/VIIRS 数据
传送门：https://www.ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_dnb_composites.html
or https://eogdata.mines.edu/download_dnb_composites.html
NPP/VIIRS 夜间灯光产品相比DMSP/OLS夜间灯光产品有着更高的清晰度和敏感性，且没有数据过饱和问题。NPP/VIIRS 数据是月度合成产品，其白天/夜晚波段（day/night band, DNB）空间分辨率大约是500m（0.002083333°），具有更大幅宽和更小瞬时视场，能够探测到微弱的灯光源。该数据没有消除火光、极光和天然气燃烧等，背景噪声也没有被剔除，因此某些位置像元DN值会突然变大，而某些DN值成为负数，因此 NPP/VIRS 数据需要去除背景噪声值和极亮像元值。
上面这个图是从网站上截下来的，有点大，里面的信息大致如下：
- 这是版本1
- 版本1 中有俩子版本数据，“vcm”和“vcmsl”，“vcm”排除了杂散光影响，“vcmsl”包括经杂散光矫正的数据，具有更多的极点数据覆盖范围，但数据质量会降低。
- 里面有数据命名方式。
- 每个子版本中有俩 tiff，“avg_rade9”和“cf_cvg”；“avg_rade9”包含浮点辐射值，单位为 nanoWatts/cm2/sr，“cf_cvg”是…整数
- 有 6 块区域，T1是美国，T2是欧洲，T3是中国，T4、T5、T6是T1、T2、T3对应经度的赤道部分，研究中国用T3即可。
3. 数据样例
计划使用DMSP-stable_light和VIIRS-vcm-avg_rade9
上图是数据样例，上面两行是 DMSP/OLS 数据，下面两行是 NPP/VIIRS 数据。
4. 总结
- 关于分辨率：（按1° =111km）
DMSP/OLS 是 0.0083333333° （925m，约等于1000m）
NPP/VIIRS 是 0.002083333° （231m，不知道为啥说是500m） - 关于时间：
DMSP/OLS 是从 1992-2013 annual
NPP/VIIRS 是从 2012-2019 monthly annual 显示 Product not ready. 2015 2016有 annual - 关于覆盖范围：
DMSP/OLS：180°W-180°E，65°S-75°N
NPP/VIIRS：
T1：180°W-60°W，0°N-75°N
T2：60°W-60°E，0°N-75°N
T3：60°E-180°E，0°N-75°N
T4：180°W-60°W，65°S-0°N
T5：60°W-60°E，65°S-0°N
T6：60°E-180°E，65°S-0°N - 中国范围：
最东端：135°2′30″E， 黑龙江和乌苏里江交汇处
最西端：73°40′E， 帕米尔高原zhi乌兹别里山口（乌恰县）
最南端：3°52′N， 南沙群岛曾母暗沙
最北端：53°33′N， 漠河以北黑龙江主航道（漠河)
三、夜光遥感的用途
总结：（from：李德仁）
详细介绍看论文。
参考文献
[1]李德仁, 李熙. 论夜光遥感数据挖掘[J]. 测绘学报, 2015, 000(006):591-601.
[2]刘玉湖. 基于长时序夜间灯光反演GDP发展研究[D]. 2019.
[3]王俊华. 基于夜间灯光数据的四川省GDP空间化研究[D].成都理工大学,2019.