模拟在城郊结合部地区远程使用中的光污染的遥感图像和GIS

模拟在城郊结合部地区远程使用中的光污染的遥感图像和GIS翻译者：高强伟 专业：水土保持与荒漠化防治 学号：S20113908 指导老师：赵安玖摘要：本文描述了模拟使用地理信息系统(GIS)、遥感(RS)技术的光污染的方法。拟议的办法试图解决这一问题敏感的城郊结合部地区环境评价。生活在发展中国家的现代方式是传导到市区及近郊地区的环境退化。一个特定的参数，此退化是激烈的人工夜间照明光污染。本文的目的是评估此参数为雅典的大都会地区，使用现代分析和数据捕获技术。为此目的，夜间卫星图像和模拟地图已使用以创建空间数据库的地理信息系统研究区。利用地理信息系统高级分析功能，实施的可见性分析。这种分析的输出是一系列反映雅典城周围的直接和间接的光污染的地图。直接光污染对应于人工夜晚光源的光学接触而间接的光污染对应于城市上空的天空发光的光学接触。另外，在不同时期的光污染的评估允许动态评价的现象。案例研究表明在雅典郊区的光污染的高水平和其过去十年的增加。关键词：光污染；地理信息系统；可视化分析；遥感；国防气象卫星数据1 引言晚上光的排放量主要来自大城市地区是环境污染的主要内容之一。夜晚的天空亮度光污染的快速增长不破坏的知觉繁星点点的天空，但也默默地改变甚至人类的月光之夜的看法(Cinzano et al.,2001a)。天文学家们是其中最糟受城市天空发光(IDSA,1996;Falchi and Cinzano,2000)，但环境保护主义者也是担心对野生动物，以及欧洲的人民在生活质量整体减少直接影响。光污染的负面影响包括：(i)干扰的生物节律、(ii)心理效果和(iii)环境退化(Shaflik,1997;Borg,1996)。过去几十年来，许多科学家有仿照光污染以各种方式，例如创建地图显示在不同的海拔高度和来自不同观察网站方位角的天空发光变体(Garstang,1986)，大界映射人造天空亮(Cinzano et al.,2000;Cinzano et al.,2001b)，使用DMSPOLS数据的空间人口定义(Elvidge et al.,1997)，或市区映射(Imhoff et al.,1997)。光污染的兴趣在许多科学，从天文学传统领域延伸到大气物理、环境科学、自然科学和甚至人类科学领域中一直在增长(Cinzano et al.,2001a,b;Doll et al.,2000)，虽然在这一问题上的希腊文学是相当有限(Chalkias et al.,2002)。人工照明扰乱“宁静”（社会性级）的面积。这种污染直接相关的人类活动存在，这个原因被认为的高利息。宁静的地图是一个有用的工具，为农村地区的分类以及分类的噪音和视觉入侵，“未受污染的”农村地区代表相对不受干扰的区域。宁静可以被定义为“和平、宁静、自然与纯度的农村感”(Bell,1999)。扰乱安宁的主要因素是：（建筑、人体结构、人工照明等）的光污染；噪声污染（道路交通、工业、铁路等）；由于缺乏的林地。虽然在现代城市地区宁静扰动是深刻，郊区和农村地区也面临着同样的问题，由于城市增长、激烈培养活动、运输网络扩张等。这项研究是地幔（映射夜间光排放）欧洲项目的框架内进行的。地幔项目的主要目标是评估利用卫星资源生产地图光排放和欧盟城市夜间光照强度水平的潜力。这项研究的范围是制定并提出模拟光污染，以及通过创建各种相应地图估计在雅典郊区的光污染等级的原型方法。2 数据方法夜间发光研究中，卫星数据被用于从国防气象卫星计划(DMSP)/OLS：美国的业务一个扫描系统。DMSP卫星，并具有板载OLS，有能力检测微弱来源的地球的表面上，使它有可能检测到的城市和小城镇的可见近红外(VNIR)排放量(Elvidge et al.,1997;Croft,1978)。此功能允许城市夜间光排放的映射（向上光排放）从陆地来源。以来，光学卫星图像取决于气象条件（云层覆盖），选择合适的图像的仅限于一些有利的夜晚。DMSP使用卫星的国家海洋和大气管理局(NOAA)在低海拔（830公里）太阳同步极地轨道轨道周期为101分钟可见和红外的图像从DMSP/OLS仪器监测的分布世界各地的云一天两次，一次在日间和夜间一次(Cinzano et al.,1999)。OLS辐射计由两架望远镜和光电倍增管（光电倍增管）组成。可见望远镜是从0.4-1.1um对辐射敏感。PMT是从0.47-0.95um，在0.550.65um，最高灵敏度对辐射敏感的最常用外部夜间照明灯具有最强的排放的地方。PMT值在夜间取代望远镜的像素值。这项研究可用的DMSP数据涵盖期1994-2002年。图像的分辨率是0.47公里高分辨率（精细模式）和低分辨率（平滑模式）的2.7公里，而可见的值是从0到63(6bit)的相对价值和红外像素值对应于190310K的温度范围256等距的步骤(DMSP/OLS,2004)。这些功能使DMSP数据方便区域尺度的研究。这项研究中使用的所有图像都已到本地希腊大地参考系统(HGRS87)地理参考。使用影像和地理信息系统软件，以消除噪音，也消除问题从短暂的夜晚光源进行的卫星图像处理（如森林火灾）。建议做法的技术背景下包括地理信息系统和遥感技术，以及有关的夜晚光排放的卫星数据。这些数据的主要来源是DMSP图像(图1)。这些数据都是创建的空间数据库的核心。如上文所述，以产生代表图像和消除噪音的影响，在同一时期的多个图像已被合并使用制图叠加技术。这种处理包括以下步骤：(i)几何和辐射处理的DMSP图像，(ii)的无云图像基于OLS红外数据和(iii)筛选基于频率为短暂的事件中删除所选图像的识别(Cinzano et al.,2000)。建代表图像的每段期间实行按以下步骤（图2）：第一，光解释的红外图像有助于描绘适当无云VNIR图像作进一步分析。这套晚上光图像，从我们叠加图像从同一时期（例如冬季2000年），使用本地统计制图覆盖函数(Tomlin, 1990)。为了调查短命的夜晚光源。一般概念是维持最频繁的每个像素的值(通常接近均值)和拒绝极端值。最后一步是创建代表晚上光图像使用保存的值。1994至2001年期间，最终产品是无云复合夏季和冬季季节图像。超过150图像有结合起来，以产生16的复合图像。地理信息系统空间数据库的其他部分包括来自模拟地图和其他遥感图像的基本地图数据：公路网、地形、流网络和覆盖的土地(CEC CORINE program,1993)。在这项研究的最重要数据集之一是研究区（阿提卡地区）的数字高程模型(DEM)。这种模式已创建使用从捕捉到的海拔等高线和其他补充数据（高程点和流）的ANUDEM算法(Hutchinson,1989; ESRI,1995)。高程数据的主要来源是从希腊军事地理服务（规模1:25.000)模拟地图。产生的数字高程模型是以网格格式与50米单元格大小和横向和纵向的RMSE25米。处理的DEM显著减少了创建景色地图所需的时间。这些地图地理信息系统空间分析上下文中创建是一个涉及DEM和含点位置（观察的点），一张地图的过程或位置的景色是计算(ESRI,1995)。此外，我们可以量化的领域，它对应于细胞中心的民主的所有位置直接视觉接触观察点的数目在此研究中，晚上光发射地点被视为观察点。3 分析我们主要的用意是要查明的人工的明灯，大雅典地区的光污染量和估计品位的城郊结合部地区中的光污染。光污染的两个基本参数进行了研究。第一次关注直接视觉接触明灯，而第二涉及间接光污染（视觉接触过雅典都市区的天空辉光顶）。图3显示了基本的阶段，以及拟议的方法数据流量。3.1 直接的光污染这种做法的目的是进行调查，并量化的观察员，并从雅典，使用适当的卫星图像（DMSP数据），明灯的直接视觉接触量和研究区的数字高程模型现代地理信息系统软件包提供了高级的工具，可见性分析(Burrough and McDonnell, 1998)，包括视线估计和景色的映射。景色标识可从一个或多个观测点的输入栅格中的单元格。在输出栅格中的每个单元接收一个值，指示多少个观察点可以看到特定的单元格。主要目的是要执行的可见性考虑的夜晚光源作为观察分析点（因为可见性是一种相互的空间关系）。从DMSP数据提取的夜景照明点。具有光排放量高的单元格内点被认定为地区重大人工恐惧感排放量。使用地理信息系统的可见性分析功能估计的光的排放量，可见从DEM的每个单元格的单元格的个数。该产品是输出光栅与单元格的值表示可见观测点（图4）的总款额。最后一步是为了确定的领域与夜间光排放直接能见度低到高的输出光栅的分类。3.2 间接的光污染光污染评估这第二种方法更进一步比直接的视觉接触观察员和人工灯之间，并尝试识别间接光污染与受影响的地区。由间接光污染我们现有的城市的灯光因为雅典区域上方的天空发光意味着视觉接触。这种方法中的关键点是天空的鉴定辉光几何。许多研究者已经解决了这个问题，使用多种不同的方法(Walker,1977;Garstang,2000)。在此研究中，天空发光球几何的估计了通过实地观察。在这种方法的基本假设是雅典周围的各向同性的天空辉光发展。因此，已从远程站点使用3厘米、口径、监测Mlux E在敏感光仪在雅典天空的光测量。测光表放在经纬仪，以跟踪 E.空间变化一样的尺寸已采取各项观察方位角在从每个网站。这些测量数据的解释允许为每个观察方位的天空辉光顶高度的估计。此高度作为观察线移动从城市中心减少到郊区。使用这些测量数据，计算距离从城市中心和天空辉光高度的相关性。图1.夜间光排放对希腊对2001/9/19与上文所述的方法，我们还可以研究明灯，扰动的时间变化利用DMSP数据的时间系列。图5显示期19942001的更广泛雅典区域直接晚上光污染的变化。可以注意到和一般薪金递增趋势郊区的所有地区的基础设施发展新国际机场附近地区东部发生了重大变化。据估计晚上光污染的总面积增加在这段期间是超过500平方公里，相当于研究区的10%。图4.直接光污染地图（2000年夏季）图5.直接光污染(1995-2000年)期间的变化从天空辉光高地和DEM的结合，产生一个复杂表面，天空辉光扩展地形表面。下一步是可见性分析，假设如观察点的天空发光表面点。输出网格量化，间接的光污染，代表观察员有天空发光(面的可视域)的直接光学接触的领域。可见的数字高程模型的每个点的像素数对应于品位的其间接的光污染(图6)。必须指出这是一个非常耗时的迭代方法，要求大量的计算能力。图6.间接光污染(夏季2000).光音对应于高污染地区同时暗色调水平低污染的地区上文所述的方法会产生大量的地图和反射光污染的角度来看3D图。这些地图描述了光源和研究区的位置之间的视觉接触的多寡。一般情况下，可以注意到在雅典郊区的光污染显著上升。具有有限的干扰偏远的地区位于主要的阿提卡地区，以及附近和周围山脉的南部和东部地区。因为它们根据其等级的光污染雅典都市区的最宁静地区是重要的是要保护这些地区，环境的纯净。4 结论拟议的方法是在评估中光污染遥感和地理信息系统技术的应用。研究的主要数据集相关的恐惧感污染和DEM的DMSP数据。这些数据集使用和加强地理信息系统的功能分析产生直接和间接的光污染的地图。这些地图提供决策者和研究者们用空间分散的不安和相对平静地区农村有关的有用信息。大雅典区夜间光数据的分析表明在过去十年中（10的总占地面积调查）期间直接光污染大幅度增加。同时，不超过8%的研究领域享有低水平的间接光污染。大量的城郊结合部地区患有直接和间接的光污染，而宁静的地区主要位于受限制地区山玩耍的视觉的屏障作用的地方。未来的工作重点将希腊的所有领域的方法的应用和发展映射过程使用其他综合宁静的影响因素(住区、行业、公路网络，植被）的安宁区的估计。参考文献：1 Bell, S., 1999. 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