[最新发表] 基于夜间灯光数据监测过去30年全球人类活动发展的模式和阶段

发布日期:2023-12-26 13:21
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【研究背景】
全球人类活动的范围扩大、强度增强。监测人类活动的发展有助于理解社会经济发展,分析人类改造自然的能力。广泛使用的统计数据或白天的遥感影像难以长时序、大范围地量化人类活动,而夜间灯光遥感在观测全球人类活动发展方面具有时间序列长、覆盖范围广、客观性强、可量化等优势。现有的研究并没有对区域一级的人类活动量化方法形成统一的理解。更重要的是,现有的指标法、趋势分析等方法没有充分利用时间序列的信息,导致对人类活动的发展规律认识不足。为了从时空变化和发展规律等多个角度全面系统地理解人类活动,本研究开发了一套结合趋势分析和突变点检测的非参数时间序列曲线形态分类方法。
【研究方法】
以本团队开发的全球长时序夜间灯光重建数据(PCNL,1992-2021)为主要研究数据,开展人类活动发展的时空分析和人类活动发展的模式与阶段识别。具体来说,共包含5个方面:水平(level)、趋势(trend)、范围(extent)、模式(mode)、阶段(phase)。结合Theil-Sen中值趋势分析、Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变点检测方法,我们提出了一种时间序列曲线的非参数形态分类方法。夜间灯光时间序列曲线的形态分类结果被定义为人类活动发展模式。我们将发展模式与发展水平相结合,进一步监测人类活动发展阶段:常规型、异常型和衰退型。
图1 术语定义


图2 流程图


【研究结果】
    1. 人类活动发展水平
        发达地区具有更高水平的人类活动发展。南非在全球人类活动发展的地位显著下降。中国的快速发展值得注意。美国和中国的沿海内陆存在不均衡的发展。
图3 发展水平

   2. 人类活动发展趋势
        仅有3.1%的县有快速发展趋势,主要在中国沿海。人类活动发展水平在港口区域快速增长。全球13.7%的县的人类发展水平下降。
图4 发展趋势


   3. 人类活动发展范围
     在全球63.9%的县,人类活动范围几乎达到峰值,无明显扩张。32.8%的县在20世纪达到了人类活动范围的饱和。一些区域的发展停滞不前,人类活动范围达到峰值。中国多数区域的人类活动发展范围仍在扩大。
图5 发展范围


   4. 人类活动发展模式
      Mode 201在所有类型中所占比例较高(25.3%),主要分布在巴西、哈萨克斯坦和一些非洲国家。发展中地区分布着Mode 101和Mode 213,如中国、印度、沙特阿拉伯等。发达地区分布着Mode 214和Mode 210,如美国和加拿大。

图6 发展模式


   5. 人类活动发展阶段
      10.1%的县处于异常发展阶段,主要位于西欧、非洲、西亚。超过半数(51.8%)的县处于成长期,起始期为14.9%,成熟期为23.5%。
图7 发展阶段

    6. 验证案例
     (1)持续发展:受益于苏伊士运河和繁荣的旅游业,埃及新开罗修建了楼房和道路等新设施。(2)突然发展:美国中部的石油开采吸引了许多工人,谷歌影像可见石油开采工具。(3)持续衰退:乌克兰的经济发展甚微,工业发展呈现颓势。(4)突然衰退:叙利亚在2011年突发战争,谷歌地球无法观测人类活动发展的衰退(夜间灯光影像提供新视角)。
图8 验证案例

     7. 像元级别应用潜力
       本研究使用的数据和方法具有在未来应用于像元级别研究的潜力。中国大陆31个省会城市在像元级别的研究结果呈现了一致的空间圈层结构。
图9 像元案例

【结论】
    全球人类活动发展水平总体呈上升趋势,增长显著的地区主要是中国沿海和全球港口。在全球超过半数的县,人类活动的发展范围已经饱和。多数县(71.5%)的人类活动呈显著增长模式,而少数县(1.1%)呈下降模式。全球10.1%的县处于异常阶段,人类活动发展水平较低,但发展缓慢甚至停止。本研究提出的新框架已在不同发展模式的案例中得到验证,且具有推广到像元级别研究的潜力。监测人类活动的发展有助于了解全球长期的发展模式,指导未来的政策制定。

    该项研究的论文已经发表在International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation上。
    https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103627   

    该项研究使用的全球长时序夜间灯光产品(PCNL,1992-2021)已经公开发布。


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