多维度城市夜间光环境数字观测与空间模型构建研究

摘要

随着城市夜间照明快速发展，不良的人工照明造成光污染，对天文观测、生态健康、节能环保等产生了严峻的威胁。完善夜间光环境观测和模型构建系统是防控光污染的根本方法。当前研究中，地面实测主要关注单一层次观测且研究区域范围受限，遥感观测数据分辨率低，限制街区尺度光环境的研究，遥感和实测通常独立研究。因此，本文初探多维度实测和遥感数字协同观测夜间光环境，构建空间光环境模型，并分析了不同类型区域的光环境分布特征。 本课题的主要研究工作及成果包括以下几项。 （1）系统总结了地理信息系统、ArcGis软件和遥感技术在城市夜间光环境应用研究中的最新动态。 （2）基于遥感观测的国际典型国家夜间光环境评估：利用美国国防气象卫星计划(Defence Meteorological Satel-lite Program，DMSP/OLS)和可见光红外成像辐射仪（the Suomi National Polar-Orbiting Partnership Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，NPP-VIIRS）夜光数据，研究了1992-2018年27年间世界典型国家的夜间光环境亮度水平和变化趋势，确定了中国夜间光环境的国际水平。 （3）基于遥感观测的国内典型城市夜间光环境评估：利用最新珞珈夜光数据，研究了中国典型城市的夜间光环境水平和分布模式，确定了大连夜间光环境的国内水平。 （4）基于地面实测的城市中心光环境观测与评估：通过地面实测，研究了城市广场两个时间段、三个空间层次的光谱分布、星等亮度分布、照度分布、色温分布以及整体光环境特征，并基于ArcGIS构建多层次、多参数、不同时间段的夜间光环境地图。 （5）夜光遥感数据与地面实测数据相关性分析：对大连市四个广场的地面实测数据与珞珈夜光数据进行可视化对比及相关性分析，发现遥感数据（辐射亮度）和实测数据（亮度）之间显著相关。 （6）基于遥感观测的城市夜间光环境研究：利用珞珈夜光数据研究了大连市城市中心区域（城市广场）和城市边缘区域（山区林地和近岸海域）夜间光环境分布及衰减趋势。 本研究课题的创新之处在于：利用遥感夜光数据和地面实测数据，从多个空间维度以数字观测方法研究了夜间光环境的时空变化；利用珞珈夜光数据探索了滨海城市的夜间生态光环境。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 光污染形式分类

1.1.2 人工照明类型

1.1.3 夜天空亮度分级

1.1.4 光环境影响因素

1.1.5 光污染广泛危害

1.1.6 城市照明限制方法

1.1.7 光污染防治措施

1.2 国内外研究现状

1.2.1 光环境研究及保护机构

1.2.2 光环境数学量化模型

1.2.3 光环境地面实测

1.2.4 光环境遥感观测

1.2.5 光环境3S交叉研究

1.3 研究目的及意义

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究意义

1.4 技术路线

1.5 研究内容及方法

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究方法

2 地理信息系统和遥感在光环境研究中的应用

2.1 地理信息系统在光环境研究中的应用

2.1.1 GIS在夜间光环境研究中的应用现状

2.1.2 GIS在夜间光环境研究中的应用探索

2.1.3 ArcGIS在光环境研究中的应用

2.2 遥感在光环境研究中的应用

2.2.1 遥感与夜间光环境研究

2.2.2 遥感在夜间光环境研究中的应用现状

2.2.3 遥感在夜间光环境研究中的研究成果

2.2.4 遥感在夜间光环境研究中的应用限制及探索

2.3 本章小结

3 基于遥感的国内外夜间光环境研究

3.1 国际典型国家夜间光环境

3.1.1 夜光图像光照指标

3.1.2 1992-2013年典型国家夜间光环境

3.1.3 2013-2018年典型国家夜间光环境

3.2 国内典型城市夜间光环境

3.2.1 研究区域

3.2.2 珞珈夜光遥感数据

3.2.3 中国典型城市光环境

3.3 本章小结

3.3.1 国际典型国家夜间光环境

3.3.2 国内典型城市夜间光环境

4 基于实测的城市中心区域夜间光环境研究

4.1 研究区域

4.2 观测方法

4.2.1 测量环境

4.2.2 测量时间

4.2.3 测量层次

4.2.4 测量仪器

4.2.5 GIS插值方法

4.3 星等亮度空间模式分析

4.3.1 空间差异性分析

4.3.2 视窗方向差异的原因

4.4 恒隆广场区域

4.4.1 主要光源类型

4.4.2 光谱分布

4.4.3 星等亮度分析

4.4.4 照度分析

4.4.5 色温分析

4.4.6 整体光环境

4.5 港湾广场区域

4.5.1 主要光源类型

4.5.2 光谱分布

4.5.3 星等亮度分析

4.5.4 照度分析

4.5.5 色温分析

4.5.6 整体光环境

4.6 本章小结

5 基于遥感的城市中心及城市边缘区域夜间光环境研究

5.1 珞珈夜光数据研究城市街区尺度光环境的潜力

5.1.1 研究区域

5.1.2 遥感与实测数据可视化及相关性

5.2 基于遥感的城市中心及城市边缘区域夜间光环境研究

5.2.1 研究区域及数据处理

5.2.2 大连市夜间生态光环境

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

图片目录

表格目录

附录A 遥感数据在城市夜间光环境研究中的应用成果

附录B 大连市恒隆广场区域DNLS夜间全天空光环境实景图及亮度分布

附录C 大连市恒隆广场区域SNLS夜间全天空光环境实景图及亮度分布

附录D 大连市恒隆广场区域夜间光谱分布

附录E 大连市港湾广场区域DNLS夜间全天空光环境实景图及亮度分布

附录F 大连市港湾广场区域SNLS夜间全天空光环境实景图及亮度分布

附录G 大连市港湾广场区域夜间光谱分布

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢