学术前沿 | DMSP-OLS夜间城市灯光数据文献综述

DMSP-OLS夜间城市灯光数据介绍

DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）是美国国防气象卫星计划。该项目是通过气象卫星搭载的传感器，探测出夜间低强度灯光，例如城市的灯光、车流的灯光、居民小区的灯光等。目前，获取到这些DMSP-OLS夜间灯光数据，已成为研究人类活动的不可多得数据源。Tilottama 等人（2013）发现了夜间卫星图像数据的巨大价值，这些灯光数据要相比典型的人口普查数据，折射出的信息比较综合和呈现的频次更高，且能在多个研究领域得到运用。

多领域运用

衡量区域和城市经济发展水平

DMSP-OLS夜间城市灯光数据被广泛运用于多个领域，一些学者将这一指标当作真实反映一个地区的经济发展情况的替代性指标。

在研究区域发展的政治经济关系方面，Hodler等人（2014）通过将该数据与国家领导人的出生地信息链接，收集了从1992年到2009年共126个国家38427个地区的数据，发现在政治体制薄弱、公民受教育程度较低的国家中，现任领导人出生地的夜间灯光光线更强的现象较为普遍，而在政治制度相对较好的国家则影响不大。同样地，范子英等人（2016）运用了倍差法估计新任部长对地区灯光亮度的影响，发现新任部长对其出生地的经济增长具有显著的促进作用，对其籍贯地和工作地的影响则不明显。将DMSP-OLS夜间灯光数据与政治家的信息链接起来的方法，为今后的区域政治与经济发展研究提供了新的思路。

在研究对区域发展的作用和影响方面，Papaioannou等人（2014）运用夜间灯光数据发现在非洲地区，地区距离首都位置越远，国家机构的作用力越弱，国家在偏远地区的渗透有限。当与和交通建设相结合时，张俊（2017）运用匹配倍差法和OLS发现高铁开通显著提高了县级市的平均灯光亮度，但对县的平均灯光亮度没有显著影响。这说明了高铁开通对县级市和县的经济发展带来了不同的影响。

未来城镇化发展的模式关系未来城市的发展，刘修岩等人（2017）运用校正后的夜间灯光数据度量了地区经济效率，同时考察了城市空间结构对经济效率的影响及其尺度差异。发现在城市和市域等较小的空间尺度上，单中心的空间结构更加有利于经济效率提升；在省域这一较大的空间尺度上，多中心的空间结构则更能促进经济效率提升。中国未来的城镇化发展模式应该严格控制大城市无序蔓延式的发展，同时鼓励农村转移人口进入中小城市，提高中小城市的规模。通过便利的基础设施将中小城市与大城市连接形成多中心、网络化的城市空间结构。

部分有历史文化价值的城市可以利用历史文化的名片来促进自身的发展，卢盛峰等人（2018）发现基于历史文化的城市更名会使城市灯光总强度提高，有效地促进了城市旅游产业的发展和推动了城市交通网络设施的建设。

衡量GDP

GDP历来是经济研究的重中之重，Henderson等人(2012)利用卫星夜灯数据与实测收入增长数据结合起来，增加对真实收入增长估计的准确率。在关于中国经济增长及GDP数据是否可信问题方面，许康宁等人（2015）对1992年-2012年中国省级面板数据运用OLS和空间计量等方法进行回归，发现不同的估计方法下DMSP-OLS夜间灯光亮度与GDP之间均存在着显著的正相关关系。夜间城市灯光亮度是可以作为观察经济增长数据的替代变量的。clark等人（2017）也在针对中国官方GDP统计数据的质量方面，利用DMSP-OLS夜间灯光数据为一个独立的基准，比较中国公布的各种经济指标。结果表明中国官方统计数据并没有夸大经济的增长，甚至可能实际增长率要高于官方公布的数据。

夜间灯光数据的亮度指标可以度量城市的真实经济发展状况，卢盛峰等人（2017）利用官方发布的城市生产总值与城市夜间灯光亮度的比值来刻画城市的GDP注程度。研究结果表明，中国地区之间的 GDP 注水系数存在较大差异，同时在地域分布上具有集中分布特征，而在时期上呈现一种持续恶化的趋势。相对而言，四川、湖南、湖北以及江西和福建等省份平均注水嫌疑更加严重；2006-2012 年，所有省份的平均注水程度相对于 2000 — 2005 年都有明显上升。如果以官方承认统计数据存在注水的 2011-2014 年辽宁省数据为参考，那么位于这一注水系数以上的四川、湖南、湖北、福建、江西、江苏、浙江等省份所辖的城市都存在较大的 GDP 注水嫌疑。

丁焕峰等人（2017）建立了灯光数据和GDP的相关性后，分析了1992年至2013年的中国省级区域经济增长和人口变化引起的灯光变化的空间模式。还用区域的灯光亮度度量了经济增长的区域不平衡性的地理变化。特别关注了在这个时间段内的省级区域规模、距离海岸线的距离与灯光亮度变化的关系，沿海及内陆区域发展的差异。发现各分析单位间存在空间扩散或空间溢出相互作用，且程度较强；周边地区的扰动会降低本地区NTL的增长；中国省级区域灯光与GFP之间的强对数相关性。区域面积和经济增长率之间的线性相关性很弱，并非是地理面积越大的省份NTL亮度增长越快；区域灯光增长路随着距离海岸线的距离增加而减少。中国省级经济增长具有明显的空间依赖性，区域经济增长的行为不仅受到自身特征的影响，同时还受到邻居特征的影响。另外，省级经济增长在空间上确实存在显著的集聚性，区域呈现“一荣俱荣、一损俱损”的现象，与此同时空间差异也较为明显。

其他领域

除了区域发展和衡量GDP外，DMSO-OLS夜间灯光数据还在很多领域运用，例如王贤彬等人（2017）运用GMM方法，构建了动态面板模型系统性地考察了夜间灯光亮度的区际差距变动趋势，结果发现夜间灯光亮度变化与用电量变化之间存在高度相关性，落后地区的夜间灯光亮度的快速增长一定程度上反映了电力消费密集型经济活动的快速扩张，并且在行政空间维度上表现为夜间灯光亮度的互相追赶。

在环境方面，Sutton等人（2002）指出传统市场经济活动和“非市场”生态系统服务都发生在特定的空间位置。他们试图映射出它们的空间模式。利用DMSP - OLS的夜间卫星图像数据集和全国总GDP，运用了独特的测量方式，将生态系统服务经济的百分比与2001年的环境可持续性指数关联。来描述时间变化对生态系统服务的价值。

社会研究中普遍存在的问题中有一是提高发展中国家的社会经济数据的质量，Chen等人（2011）将DMSP-OLS的夜间卫星图像数据集中的亮度代替标准产出度量，希望通过亮度的测量可以改进区域的产出估计。发现在统计系统D或E级的国家效果最好，若统计系统提升到C级或B级，则替代效果不佳。

全球国家人口分布广泛，很难以全球为范围收集到全面并统一标准的有关生活质量的数据。Elvidge 等人（2011）根据DMSP 的照明数据绘制了2006年的电气化空间范围。他们将DMSP-OLS的夜间照明数据和人口密度网络结合，得到了第一个系统的全球电气化率评估，包含了229个国家和2000多个次国家级单位。

Charlotta等人（2015）在研究瑞典的人口、工资收入、企业等方面，发现NTL与经济活动之间的相关性足够强，能较好的代表人口与企业密度，但与工资的相关性较弱，尤其对于工资的估计，在大城市被略高估，在农村地区被低估。

Baum-Snow等人（2017）将1992年至2009年的夜间卫星灯光图像与1962年、1990年、1999年、2005年和2010年的数字化国家公路和铁路地图整合在一起，研究了在过去的20年里，中国高速公路和铁路网络的扩张程度和配置如何影响了中国城市的形态。发现子午线公路和环线公路会导致大量的人口分散化，而公交会有助于城市的紧凑性。

杨孟禹等人（2017）在研究城市规模时，利用全球夜间灯光数据构建新城市规模指数来反映城市规模的变动。发现城市规模变动水平方向的空间竞争为正，且在2004-2013年间逐年递增，城市规模变动在空间上表现出越来越强的模仿性；垂直方向的空间竞争显著存在且为正，官员晋升机制也能引起城市规模的效仿现象。研究还发现，在晋升年份，城市规模变动空间竞争以垂直方向为主导，在其他年份则以水平方向的竞争为主导。

数据的校正

DMSP-OLS夜间城市灯光数据尽管已在多个领域得以广泛运用，其本身还是有一定的缺陷的，如灯光数据由不同卫星获取，数据有不可比性；同一卫星长时间探测可能会因衰退带来波动。曹子阳等人（2015）使用不变目标区域法的影像校正方法，对提取出的中国区域的夜间灯光影像进行校正，并对结果进行了检验。范子英等人（2016）亦对灯光数据进行了校正。

小结

DMSP-OLS夜间城市灯光数据已在区域发展、GDP、环境、人口、城市规模等领域有较强的应用性。虽然仍有局限和缺陷，例如无夜间灯光的人类活动的区域就无法探测其状况，以及使用的传感器和卫星的不同导致收集的数据有差异，需要进行校正等，但任何数据都会有其局限性。

相信利用城市灯光数据还可以运用在更多的研究方向上，例如某区域内企业总体的进入和退出情况，或许可以使用该区域各年的灯光数据进行相关研究；城市间企业的迁入迁出，产业的地域性转移，或许可以使用多个时间横截面下地域间的城市灯光数据的演变进行相关研究；产业的转型，不同产业其对城市夜间灯光数据的影响可能会有所不同，也可能可以利用城市灯光数据来探至一二。总体来说，DMSP-OLS夜间城市灯光数据在经济发展等多方面的研究提供了全新的视角。

参考文献

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20、卢盛峰,吴一平,谢潇.历史名片的经济价值——来自中国城市更名的证据[J].经济学(季刊),2018,17(03):1055-1078.

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作者：兔饼（吴凡）

审阅：杨奇明

编辑：青酱