黑夜中的万家灯火，身在其中只能看到眼前与身边的光亮，但在卫星的角度，却是不同的景象。灯光亮度如今已成为一个地区发展和文明程度的体现，而“夜间灯光遥感”，则成为了我们在黑夜中发现这种不同的“眼睛”。这双“眼睛”带我们看到了西部藏区牧民迁徙到新的社区，开启全新的生活;看到东部沿海地区不停忙碌的港口，谱写着航运强国的时代长卷;也看到华北地区拔地而起如火如荼建设的雄安新区;还看到粤港澳大湾区正在实现的国际一流湾区和世界级城市群建设……如今的夜间灯光遥感，已成为研究城市问题、区域发展的重要手段。作为我国最早研究夜间灯光遥感数据的团队之一，华东师范大学地理科学学院、地理信息科学教育部重点实验室余柏蒗教授团队取得了许多代表性成果。高校GIS论坛特邀专访2020第八届高校GIS论坛“高校GIS创新人物”余柏蒗教授，听他讲述这双“黑夜中的眼睛”。
华东师范大学地理科学学院余柏蒗教授横跨物理属性与社会属性的夜间灯光遥感
记者：作为我国最早研究夜间灯光遥感数据的团队之一，请您谈谈夜间灯光遥感的基本发展情况?
余柏蒗：夜间灯光遥感是遥感领域发展活跃的一个分支，最早起源于一个美丽的意外。上世纪70年代美国启动军事气象卫星计划，其初衷是获取夜间云层分布信息，但意外发现该卫星可以捕捉到无云情况下夜间城市区域发光情况。随着后来传感器技术、采集数据质量的提升，夜间灯光遥感应用的领域也越来越广，逐步进入了大众视野，近几年来，大家对夜间灯光遥感的兴趣也日趋浓厚。如何获取夜光遥感数据?DMSP-OLS稳定夜间灯光数据和NPP-VIIRS夜间灯光数据是当前应用最广泛的两类夜间灯光遥感数据，这两类数据可以做到全球覆盖且免费开放获取。近年来国内也频频发射夜光遥感卫星，突破了夜光遥感数据源依赖国外的局面，其中“吉林一号”是国内首颗能够获取夜光影像的商业卫星，其分辨率可达到亚米级;2018年6月成功发射的“珞珈一号”是我国首颗专业夜光遥感卫星;2021年底中科院发射的“可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-1)”也可以提供夜间数据。夜间灯光遥感有效拓展了传统遥感难以实现的应用领域，例如可以用于社会经济指标的估算、城市结构的分析、突发事件的监测、评估战争对城市和人口的影响等;可以用于对自然灾害的评估，比如飓风、地震、洪水等灾害导致的灾损情况;除此之外，由于诸多鱼类具有趋光性，夜光遥感还可以用于对渔业的调查;南京地理与湖泊研究所湖泊环境遥感团队曾运用夜光遥感监测夜晚非法采砂船只，并准确地提供了采砂船的时空分布特征;夜间灯光遥感还可以做大气环境的监测、PM2.5的估算等。另外夜间灯光遥感不仅能够反映灯光信息，其对月光强度也有很好的响应能力。得益于此，我们团队黄艳副教授近期成功实现了通过月光强度对夜间积雪的判别。总的来说，夜光遥感的应用领域还是比较广泛的，我们也期望有更多的科研人员能够关注到这一领域。
记者：近年来您和团队在夜间遥感领域做了哪些工作?取得了哪些主要成果?
余柏蒗：我们团队所做的工作分为三个方面，一部分是提升数据质量，构建长时序的夜间灯光数据，针对灯光数据本身存在的一些问题提出方法和模型，来对原始数据进行处理。我们采用模型对两种不同的灯光数据进行了一种类似于校准的工作，形成了一套长时序的、连续的、可对比的全球数据，形成数据产品对外发布共享，供大家下载使用，如今年发布的全球500m分辨率“类NPP-VIIRS”夜间灯光数据集。
另外两部分是针对城市化的两个方面来开展研究，城市化的过程包含了社会属性和物理属性。所谓社会属性，即城市化进程在社会经济结构上的体现，包括人口的聚集、GDP的增长等，传统的遥感很难对这些内容进行监测，这时夜间灯光遥感就可以作为优秀的指标来探测城市化的社会属性。我们经过十几年的探索，基于夜光遥感数据提出了涵盖城市社会与自然环境的感知框架和信息融合的概念，建立了一个多元数据的融合框架，将灯光遥感数据、其他遥感数据还有大数据中的有效信息提取出来，以期服务于社会和自然环境情况的分析研究。
所谓物理属性，即城市化进程在空间结构上的体现，包括城市建成区、城市多中心结构、城市群等。我们针对不同尺度的研究与应用需求，提出了连续场表达、面向对象结构和图论的方法体系，实现了从城市内部要素尺度到城市群尺度的城市空间形态分析，提升了城市空间结构的遥感分析与知识发现能力。
记者：夜间灯光遥感数据具体可以研究与解决哪些城市问题?比如今夏南方的大范围持久高温天气导致多地发生山火，夜间灯光遥感可以对此发挥什么作用?
余柏蒗：夜间灯光与夜间人类活动具有密切的联系，城市是人类活动最集中的区域，夜间灯光遥感能够挖掘的“城市机密”超乎想象的多。例如美国就曾用夜光遥感数据进行了全球2006年的GDP分析，结果发现有一些国家虚报了GDP的增长。武汉大学李德仁院士和李熙教授曾用夜间灯光遥感影像评估叙利亚危机，表示“四年内战导致叙利亚正处于严重的人道主义危机，83%的夜间灯光消失”，在国际上引发广泛关注。总体来说，夜间灯光遥感数据在研究城市问题时可以从城市空间结构和社会经济特征两个方面来看。城市空间结构从小尺度到大尺度分别为城市要素的提取、城市空间格局提取以及城市群识别。具体来说，随着夜间灯光遥感技术的不断提高，夜光遥感数据的空间分辨率也不断提高，为我们提取精细的城市内部要素提供了可能。我们团队之前就曾用具有0.92m空间分辨率的吉林一号夜间灯光遥感数据实现了对路灯位置及其光源的识别，并结合团队前期有关于太阳能辐射的研究成果，评估了上海市安装太阳能路灯的可行性和潜在收益。在城市空间格局提取方面，团队成员福州大学陈佐旗副研究员、中山大学吴宾副教授利用地形分析和拓扑分析的方法，从夜间灯光数据中分析城市多中心结构。比如一个城市有不同的商业中心，多个区域的经济或者居住人口是显著高于周边的，这就是城市的中心或多中心结构，我们利用灯光数据找到灯光亮度显著高于周边的区域范围，就可以分析城市的中心结构及其格局。在城市群识别领域，团队的博士后王丛笑博士提出了以城市建成区为最小单元，以城市之间的空间邻近性为基础，基于夜间灯光遥感构建了动态最小生成树模型，实现了对城市建成区的空间聚类，从而识别和梳理我国城市群的演化过程与模式。夜间灯光遥感数据在研究城市社会经济特征方面的应用更是广泛，包括GDP估算、电力消耗估算、货运总量估算、碳排放估算、人口分布估算、全球钢铁、铝材、混凝土等社会存量估算、城市住房空置率估算、贫困指数估算以及地震、风暴、洪水后的灾害评估等等，这些都是在社会经济特征层面的一些常见应用。高温天气引起的山火夜光遥感是可以监测的。因为很多夜间灯光遥感数据也提供日数据，在晴朗无云的天气下对某个地方进行定点监测，与前一天晚上的灯光数据对比，就可以分析出火点的分布。不过目前对于日数据的使用相对较少，因为日数据的使用存在很多难题，比如云层覆盖等因素，但是我相信克服了这些困难后，日数据可以发挥很大的作用。
记者：5月份，您在国家地球系统科学数据中心更新发布了全球500m分辨率“类NPP-VIIRS”夜间灯光数据集(2000-2021年)，之前也上传过中国二氧化碳排放量数据集(1km)(1997-2012年)等数据集，可否分享下这方面的内容?
余柏蒗：我们团队对于科学数据的共享是非常重视的，因为数据具有特殊性，只有大家多多使用，才能够从真正意义上发挥作用，藏着掖着是无法发挥数据的作用的，学校也有一定的支持经费鼓励老师们积极参与到科学数据发布当中。今年5月份，我们与团队成员福州大学陈佐旗副研究员、西南大学施开放副教授研究生产并发布了全球500m分辨率“类NPP-VIIRS”夜间灯光数据集(2000-2021年)和中国“类DMSP-OLS” 1km 夜间灯光遥感数据集(1992-2019年)。发布这套数据集有什么帮助呢?DMSP-OLS稳定夜间灯光数据和NPP-VIIRS夜间灯光数据在传感器参数、数据质量、时间跨度等方面均存在差异，两套数据无法直接同时使用，限制了城市问题的长时序研究。我们生产的这两套数据集具备长时序、可对比、高数据质量的特点，解决了DMSP-OLS和NPP-VIIRS两套夜间灯光数据无法同时使用的问题，为城市问题研究等相关领域提供了新的数据来源。除此之外，我们团队还研发了中国二氧化碳排放量数据集(1km)(1997-2012年)、全球城市建成区数据集(1km)(2000-2012年)、全球社会存量数据集(1km)(1992-2008年)、全球电力消耗数据集(1km)(1992-2013年)等等数据，也都可以免费下载使用。这些数据弥补了国内外相关数据统计的不足，比如一些学者做全球研究，但是不发达的国家对于基础数据的采集能力有限，导致其历史数据甚至于近期数据都有可能缺失。在这种情况下，就可以用我们生产的一系列数据集作为替代数据来做分析。许多人都在用我们的数据做工作，这也是我们非常高兴看到的。我们的目标就是让更多人看到并使用这些数据，为国家的需要做贡献。
余柏蒗教授与团队成员讨论课题寓学于趣，由内而生，让科学普及“活”起来
记者：9月份中办和国办发布了《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》，提到“要把科学普及提到跟科技创新同等重要的位置”，您也提到近年来大众对夜光遥感的兴趣与日俱增，那您又是如何科普夜光遥感。
2022年对上海来说十分特殊，借助夜间灯光遥感数据是否能够分析疫情对民众生活、经济建设等方面的影响?GIS在疫情防控中又发挥了怎样的作用?
余柏蒗：其实用灯光数据来分析疫情的影响，有很多学者做过相应的一些研究。针对上海的疫情情况，我们团队也正在做一个分析，与其他团队不同的是，他们可能更关注对疫情的分析，包括工业的恢复情况、疫情前后的对比等，我们更希望把它作为一种特殊场景下的灯光数据本身来研究，这项研究目前已经基本完成，后续会进行发布。很多人其实已经发现GIS在疫情中起到的作用是巨大的。疫情确实带来了危机，但在某种程度上也给GIS人才培养和产业发展带来了机遇，就看大家是否能够把握。当前的大数据分析、时空轨迹分析还有城市管理，都离不开 GIS。比如目前流行的“一网统管”系统，就是基于GIS来开发的。GIS科研人员、企业家们应该可以看到社会对于GIS需求越来越大，所以我想高校也需要做一些推进工作进一步宣传推广GIS，许多人认为GIS是计算机专业的人在做，但实际上我们需要强调“GIS”是“G”加“IS”。“IS”是信息系统，加上了“G”并不是有所限制，而是有所扩展。例如带有空间定位特征的数据的处理和分析“IS”做不到，但是“GIS”能做到，从事GIS行业还是要有地学思维的。
寓教于人，二十余年坚守教育初心
记者：华东师范大学在人才培养方面更注重学生哪些素质与能力的培养?我们都采取了哪些实际行动?
余柏蒗：华东师范大学更注重培养学生的国际化视野和科研创新的能力。为此，地理科学学院近些年建设了“3+1”多维融合地理学综合实践教学体系。这个培养模式首先是对课程体系的重塑，以通识导论课程为引领，构建导论课、部门专业课和专业高级课程三层次的课程体系。导论课即地理学、GIS等相关的通识导论课程;部门专业课，包括GIS概论、遥感概论、测绘学基础等。专业高级课程，GIS开发、GIS高级教程、遥感高级教程等，这样的教学体系为学生奠定了优秀的地学基础，层层推进。其次学院建立了虚拟仿真实验教学中心，使用虚实结合的教学方式推进工作。此外还推进“中外双导师制”，设置中外“两段式”科研训练模式，以领军人才孕育未来的拔尖人才，着眼于学术人才的薪火相传，全面形成学生的独立科研能力与塑造学生的科学理想。
余柏蒗教授团队记者：从1998年进入华东师范大学求学、任教至今， 24年光阴里有什么印象深刻的经历?这些年来您觉得自己的变与不变在哪里?
余柏蒗：这24年间，除了有一年半在国外参与联合培养，其余时间我确实都与华东师大共同度过。在这个过程中我总结出两个转变，第一个转变——地理信息科学从我的专业变成了我的事业。1998年我进入华东师范大学地理系学习，后来决定要一直坚持从事这方面的工作，现在它已经成为了我的事业。第二个转变——我从学生成为了学者。其中不仅有身份的转变，更包括认同感的转变。这种转变也是我自身成长、成熟起来的一个过程。9月恰逢教师节，我到现在还对2009年过的第一个教师节印象深刻。当时我刚留校工作，当了一年的兼职辅导员，正好是一个毕业班，还有新的课程需要备课，所以感到压力很大。教师节那天，团队内部聚餐时我突然收到了学生们送的一束花，上面写着“祝余老师教师节快乐”，这是第一年别人称我为“余老师”，尚且还有些不习惯，但收到学生的花内心很震撼、很感动，觉得教师这个职业很崇高，虽说辛苦但是真的非常值得。现在这么多个教师节过去了，但这束花一直令我记忆犹新。今年的疫情期间学校封闭管理，我在校跟学生同吃同住一个多月，一起做志愿者为大家服务，看到学生们很可爱的一面，感觉自己也充满了朝气，生机勃勃，可以说这些都是使我作为一名人民教师的初心坚持不变的动力与源泉。
记者：作为论坛“高校GIS创新人物”的获得者，您也先后两次参与论坛报告，论坛给您留下了哪些印象?2022第十届高校GIS论坛即将举办，您希望通过这个平台和其他院校的老师做哪些方面的交流?对论坛在未来做哪些创新与突破有何建议?
余柏蒗：我认为论坛不仅有学术的交流，还有对于 GIS人才培养、产业发展的一些思考和观点，为业内提供了一个优秀的沟通平台，到目前为止举办第十届说明高校GIS论坛确实广受关注。如果说未来还有一些创新和突破的余地，我认为论坛可以更具开放性，希望华东师范大学也能有机会为大家服务，主办一次高校GIS论坛，把华东师大的GIS科学研究与学科建设更好地展现给大家。还有就是坚持，我认为论坛对教育教学、人才培养和产业发展的思考都需要继续坚持下去，打造论坛的专业品牌。最后可以跟随当前发展，在论坛的演讲主题与内容选择、嘉宾邀请的选择上做加减法。现在不仅是GIS科研人士使用GIS软件，其他的专业领域也在用，例如林业、海洋等，可以考虑邀请这方面的嘉宾来论坛做报告，鼓励他们参加论坛，可能会给参会者带来一些不一样的收获。
人物介绍
余柏蒗，博士，华东师范大学地理科学学院、地理信息科学教育部重点实验室教授，博士生导师，青年长江学者(2018年度)。2009年毕业于华东师范大学地图学与地理信息系统专业获博士学位，之后留校工作。主要从事夜间灯光遥感、城市空间信息遥感分析、城市三维形态遥感等研究工作。
主持了国家自然科学基金等多项国家级和省部级科研项目，在Remote Sensing of Environment、IJGIS、Annals of AAG、遥感学报等期刊发表学术论文100余篇，其中SCI/SSCI检索80余篇。IEEE高级会员，中国地理信息产业协会理论与方法委员会副主任委员、教育与科普工作委员会委员，中国测绘学会摄影测量与遥感专业委员会委员，国际数字地球学会中国国家委员会激光雷达专业委员会委员，遥感学报、Remote Sensing副主编、Journal of Spatial Science等期刊编委，担任40余个SCI期刊审稿人;获上海市科技进步一等奖、上海市青年五四奖章等奖励。
(来源：新视线)
