夜光遥感是估算社会经济参数、评估城市发展以及研究光污染对生态环境影响的重要手段。然而，如何准确地反映夜间灯光能量强弱目前仍然是一个挑战。当前应用最为广泛的夜光遥感数据为SNPP-VIIRS数据，其空间分辨率为15角秒（赤道处约500m），采用辐亮度（单位：nW/cm²/sr）来描绘夜间灯光辐射能量强弱。辐亮度代表单位投影面积、单位立体角、单位时间内面辐射源辐射的能量，本质上讲反映的是能量密度在某一方向上的特征而非能量本身。因此，当影像像元面积相同时，辐亮度可以反映夜光像元间的相对能量强弱，但是当像元面积不同时，使用建立在单位面积基础上的物理量来反映能量强弱，将会带来严重系统误差。而使用SNPP-VIIRS数据的大部分研究都面临这一问题，其像元面积随纬度而变化，直接使用辐亮度来反映其能量强弱显然不够准确。本研究提出将辐亮度转换为辐射通量（某一表面单位时间辐射出的能量，单位：W），以达到更准确、直观地描绘夜间灯光的目的（图1）。

图1 辐亮度至辐射通量基本转换思路

考虑到SNPP-VIIRS数据的角度效应等问题，本研究选取SNPP-VIIRS年度均值掩膜合成数据产品作为转换模型建立的数据基础。基于该数据建立起的转换模型如公式1所示。

式中L_p为SNPP-VIIRS数据的像元辐亮度，单位为nW/cm²/sr，θ为各像元中心纬度,Φ_p为各像元的辐射通量，单位为 W。

通过转换模型，本研究基于SNPP-VIIRS 2022年度均值掩膜数据，计算了2022年夜间灯光辐射通量，结果如图2所示。在本研究选取的50座用于验证分析的代表城市中，莫斯科辐射通量最高，达到12.5MW，其次是洛杉矶（9.8MW）、芝加哥（8.3MW）和纽约（7.7MW）。

图2 2022年夜间灯光辐射通量计算结果

本研究通过辐亮度、辐射通量分别与人口进行拟合来说明采用辐射通量的优势。图3展示了全部50座城市的拟合结果，图4则分别对北美、欧洲以及东亚三个地区的城市进行了拟合分析。结果表明，辐射通量显著提升了夜间灯光遥感数据对人口等社会经济参数进行估算的能力。

图3 50座代表城市辐亮度、辐射通量分别与人口进行线性拟合

图4 北美、欧洲、东亚三地区城市辐亮度、辐射通量分别与人口进行线性拟合

使用辐射通量代替辐亮度来描绘夜间灯光，提升了夜光遥感数据估算社会经济参数的准确性，还解决了像元辐亮度相加没有物理意义这一问题。夜光遥感本质是对夜光辐射能量的探测，从能量的角度来看，以瓦特为单位的辐射通量更接近人类对能量的理解，可以更加直观地反映夜间灯光能量的强弱。

该研究发表在遥感领域国际顶级期刊《Remote Sensing of Environment》，中国科学院东北地理与农业生态研究所硕士研究生曾海航为第一作者，东北地理所贾明明副研究员、河海大学薛朝辉教授为通讯作者。东北地理所王宗明研究员、赵传朋副研究员、张蓉特别研究助理、硕士研究生宁祥雨和颜洋洋为共同作者。本研究得到国家自然科学基金（42330109，42171372和42171379）、国际大数据促进可持续发展目标研究中心开放研究计划（Grant No.CBAS2022ORP06）、中国科学院青年创新促进会（2021227）、吉林省自然科学基金（20240101016JJ）和国家地球系统科学数据中心（www.geodata.cn）的联合支持。

论文信息:Zeng Haihang,Jia Mingming*,Ning Xiangyu,Xue Zhaohui*,Zhang Rong,Zhao Chuanpeng,Yan Yangyang,Wang Zongming. Quantitative characterization of global nighttime light: A method for measuring energy intensity based on radiant flux and SNPP-VIIRS data. Remote Sensing of Environment,2025,318,114576.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114576