摘要：我们利用卫星数据测量了夜间人造光（ALAN）的各向异性。在植被茂密的落叶地区，ALAN 各向异性具有明显的季节性。落叶季节的 ALAN 各向异性高于落叶季节。较强的植被物候导致 ALAN 各向异性具有较强的季节性。

我们利用卫星数据测量了夜间人造光（ALAN）的各向异性。

在植被茂密的落叶地区，ALAN 各向异性具有明显的季节性。

落叶季节的 ALAN 各向异性高于落叶季节。

较强的植被物候导致 ALAN 各向异性具有较强的季节性。

文章摘要

卫星观测揭示了夜间人造光（ALAN）的各向异性，因为可见红外成像辐射计套件日/夜波段（VIIRS DNB）提供了 ALAN 的多角度测量。然而，人们对这一现象的了解还非常有限。在本研究中，我们假设植被物候会影响 ALAN 的各向异性，ALAN 的各向异性定义为辐射强度随观测天顶角度（VZA）的变化。我们分别从 VNP13A1 和 VNP46A2 产品中提取了量化植被物候的归一化植被指数（NDVI）和量化 ALAN 各向异性的变化指数（CI）。我们通过比较北美 11 个郊区研究区同一地点不同季节的 ALAN 各向异性，分析了植被物候的影响。结果发现，ALAN 的各向异性表现出明显的季节动态，这与 NDVI 的各向异性一致，而且这两个变量在像素尺度（0.41

研究概况

为了验证植被物候对 ALAN 各向异性的影响这一假设，主要思路设计如下。首先选择植被构成主要地表景观且物候特征明显的研究区域，以分析 ALAN 潜在的季节各向异性及其与物候的关系。因此，研究区域的选择主要基于以下四个标准：(1) 明显的物候，以 1-2 月平均 NDVI 与 6-7 月平均 NDVI 之差衡量；(2) 有限的积雪，以年平均积雪量衡量；这一标准是为了控制较大反照率变化对 ALAN 各向异性的潜在影响，因为这种关系尚不清楚，也不是本研究的重点；(4) 足够多的有效 VIIRS DNB 观测数据，以分析 ALAN 的各向异性。

计算过程在Google Earth Engine平台上进行。根据使用这四个标准计算的指标，我们选择了分布在郊区的研究区域，空间位置如图1所示。

图1. 研究区域位置，它们分布在各个城市的郊区

主要结果

区域各向异性的季节性

为了分析植被物候对 ALAN 各向异性的潜在影响，利用公式（6）生成了下图，以显示区域 CI 和 NDVI。就 NDVI 而言，我们发现在每个研究区域，时间序列通常在每年的 1 月至 7 月上升，然后逐渐回落。更重要的是，各研究区域不同年份（2016-2018 年）同一月份的 NDVI 值相似，表明地表植被随着时间的推移发生了有规律的变化。

图 2. 2016 至 2018 年的 CI 和 NDVI 时间序列：注：每年的月份分为六个区间（1 月至 2 月、3 月至 4 月、5 月至 6 月、7 月至 8 月、9 月至 10 月、11 月至 12 月）

此外，我们将图2中的这些点整合到一年尺度中，以评估不同年份的季节变化是否相似。用方程拟合NDVI和CI的季节变化，结果表明：模拟的NDVI的R方均大于0.94，说明各研究区植被物候具有明显的季节变化。CI的R方在0.30 ~ 0.89之间，表明研究区ALAN各向异性具有明显的季节特征。我们发现，叶关闭季节的CI值小于叶开季节的CI值，这支持了植被物候影响区域尺度ALAN各向异性的假设。

图3. 三年（2016-2018年）的NDVI散点图

图4. 三年（2016-2018年）的CI散点图

此外，我们可以探索植被物候对ALAN各向异性的定量影响，因为sMag可以用来量化和比较不同研究区域之间的NDVI和CI的季节性幅度。如图6所示，NDVI的季节性与CI的季节性之间存在显著的相关性（r= 0.75，p

图5. 郊区11个研究区的NDVI sMag与CI sMag。sMag表示NDVI或CI的季节性幅度

像素各向异性的季节性

在像素尺度上，分别使用5月至8月和11月至2月的数据计算了开叶季节和休叶季节的CI值。如结果所示，研究区域中具有CI值的像素中有82.84%在开叶季节高于关叶季节。此外，所有像元的NDVI值在开叶季节比在关叶季节高，因此没有必要为该数据生成表。在大多数城市，不同年份（2016-2018年）之间CI值较高的像素比例相似。我们应该注意到，用于比较无叶季节和有叶季节之间CI变化的像素数量在不同年份中有所不同，因为有效样本的数量受天气条件的影响。这可能解释了蒙特利尔在2017年相对较低的比例（43.75%），其中有用的卫星观测数量因积雪而大幅减少。

图6. 在郊区的11个研究区域，在开叶季节与闭叶季节相比，CI值较高的像素比例

此外，我们使用了三年的数据和谐波模型拟合CI和NDVI的季节变化。结果表明，CI值中具有显著季节性（p

图7. 在郊区的11个研究区域，CI值中具有显著季节性的像素比例

城市中心比较分析

研究发现，ALAN的各向异性表现出显著的季节性和植被生长可以影响的ALAN的各向异性在郊区的落叶植被面积大的研究领域。在本节中，我们的目的是设计一个比较实验，在11个研究地区的城市中心与稀疏的植被，以证明在相反的条件下，ALAN的各向异性和植被物候之间的关系。图8（a）和（B）表明，本次对比分析中研究区中心城区的平均NDVI和sMag远低于上述实验分析中郊区的平均NDVI和sMag（4.1和4.2节）。因此，对比分析的研究区植被较少，植被季节性较弱。

图8. 实验和比较分析之间的季节性差异

在像素尺度上，城市中心CI值具有显著季节性的比例在0 - 23.64%之间，远低于上述分析中的郊区。在区域尺度上，每个城市中心CI的季节性较弱。综上所述，在同一城市中，植被密集的郊区ALAN各向异性的季节性比植被稀疏的城市中心更强。

图9. 实验和比较分析中CI值具有显著季节性的像素比例

常绿和干旱地区比较分析

在本节中，我们旨在通过对植被物候较弱的常绿地区和干旱地区的比较分析，检验植被物候影响 ALAN 各向异性的假设。如图 8所示，迈阿密（常绿地区）以及凤凰城和拉斯维加斯（干旱地区）的研究区域显示出极低的 NDVI 季节性幅度（sMag of NDVI），表明植被物候稳定。

在像素尺度上，CI 值具有显著季节性的比例较低，迈阿密为 18.78%，凤凰城为 0.92%，拉斯维加斯为 2.48%。在区域尺度上，图 8（c）中的 CI 季节性幅度（sMag of CI）非常微弱，表明 ALAN 的各向异性非常稳定。总体而言，在植被常绿或植被可忽略不计的地区，植被物候和地表景观结构保持相对稳定，ALAN 的各向异性也可能保持稳定。结合植被物候较多的地区 ALAN 各向异性的季节性往往较强的实验结果，这些对照实验总体上从反面支持了我们的假设。

结论

ALAN各向异性是VIIRS DNB观测的一个重要特征，与地表三维形态高度相关。本研究重点研究了植被的作用，发现 ALAN 的各向异性具有季节性，植被叶片的生长会降低 ALAN 的各向异性。这些发现将为考虑植被物候因素提高时间序列 NTL 数据的角度归一化精度提供理论依据，并更好地构建城市发射函数（CEF）用于天文光污染建模。

文献来源

Author：Jinjin Li, Xi Li, Deren Li

Title：Impact of vegetation phenology on anisotropy of artificial light at night - Evidence from multi-angle satellite observations

Journal：Remote Sensing of Environment ( IF 11.1 )

Pub Date : 2024-11-23

DOI:10.1016/j.rse.2024.114525

初审：纪银晓

复审：宋启凡

终审：金 君

资讯

来源：测绘学报