长时序夜光数据的处理方法及在自然保护区人类活动监测中的应用研究

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长时序监测与科学评估自然保护区人类活动分布与强度变化,对于自然保护区管理与规划至关重要。夜光遥感技术为监测评估保护区人类活动提供新的可能,但现有的夜光遥感影像数据集缺少时间序列一致性,且在高原山地自然保护区人类活动的时空量化方面存在不足。为此,本研究基于DMSP-OLS和NPP-VIIRS夜光遥感影像数据及地理信息数据,构建1992年至2020年长时间序列夜光遥感影像数据集,并对云南省自然保护区人类活动时空特征进行了长时间序列的探究与分析。本研究以云南省为研究区,提出同年不同传感器校正方法,以获取DMSP-OLS年度单幅夜光影像,并基于伪不变区域的相对校正方法解决DMSP-OLS多卫星传感器数据的不一致性问题。针对云南省自然保护区的应用目标,采用夜光影像逐年两两相对校正模型对DMSP-OLS系列影像进行校正,以减少参考影像与待校正影像间由于长时间跨度造成的影响,在校正系统偏差和去除随机噪声时,尽可能保留弱灯光区域的夜间灯光信息。采用高斯滤波模型与阈值方法对获取的年度NPP-VIIRS夜光遥感影像进行高亮度短暂灯光和低值背景噪声去除。在相对校正的DMSP-OLS稳定夜光遥感数据和重采样的NPP-VIIRS年度夜光遥感数据基础上,建立DMSP-OLS夜光遥感数据DN值和NPP-VIIRS夜光遥感数据辐射亮度值的对应关系,模拟合成2013年-2020年的类DMSP-OLS稳定夜光数据以扩展现有时间序列,构建云南省长时间序列稳定夜光遥感数据集。利用该夜光数据集,对云南省国家级和省级自然保护区及周边灯光干扰情况展开研究,以探究保护区长时序的人类活动程度与时空分布变化。研究表明:相对校正后的DMSP-OLS夜光影像,在云南省范围的亮度总值与GDP和电力消费相关性显著提高,NPP-VIIRS夜光影像经过与DMSP-OLS互校正后在夜光灰度值、时空分布上与DMSP-OLS更加一致,构建的长时序夜光影像数据集有较好的时空一致性,保留了微弱灯光信息,更加适用于保护区人类活动长时间序列的空间变化与趋势分析。基于该数据集量化云南省自然保护区人类活动程度和分布变化,具有以下特征:(1)云南省自然保护区受到的灯光干扰从1992年至2020年明显增强,意味着保护区总体面临的人类活干扰动程度是越来越大的。大部分的灯光干扰发生在保护区邻近范围内(2km缓冲区),保护区周边的人类活动逐渐增强且变化较快。(2)云南省50%以上的自然保护区受到的人类灯光干扰是非持续的,其中大部分是从无灯光状态,随着经济发展和社会建设逐渐受到越来越强的灯光干扰。(3)研究期间内保护区及周边夜光强度具有明显增强趋势的区域较少,大部分有灯光出现的地区变化不显著,但离城镇中心较近的保护区受到的灯光干扰具有显著的增强趋势。本研究探究了夜光遥感在高原山地自然保护区长时序人类活动时空变化分析应用的可行性,为保护区人类活动分析提供了夜光评估的方法与视角。提出改进的夜光影像两两相对校正方法,提高了构建保护区应用的长时序夜光遥感数据集时序一致性与可行性,增加了长时序夜光数据的应用广度。
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