利用高分辨率的夜间卫星数据来量化香港地区的光污染情况

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Using high-resolution nighttime satellite data to quantify light emissions in Hong Kong

香港维多利亚港两岸67个社区的人工光污染源分析显示，建筑灯光（41.8%）和街道灯光（41.1%）是主要来源，公园虽占比低（17.1%）却因高强度体育照明产生显著污染。通过高分辨率卫星图像重建建筑三维结构，首次量化了视角对光污染测量的影响，并建立 lit building percentage（LBP）指标，发现该指标与区域总光排放量呈强相关性（R2=0.76）。研究建议优先整治商业区广告牌照明，为高密度城市光污染治理提供新方法。

　　

刘盛杰|苏楚颖|何宏哲|史倩|陈俊盛鹏

中国香港特别行政区香港大学物理系

摘要

夜间人造光（ALAN）是一种人为污染形式，它改变了自然和城市环境，影响了动植物以及人类的生活节奏。为了减轻光污染，分析ALAN的来源至关重要。在这项研究中，我们使用高分辨率（1米空间分辨率）的卫星图像来分析ALAN的来源。通过利用包含建筑物高度信息的数据集重建图像中的单个建筑物，我们调查了香港维多利亚港两岸67个社区的ALAN来源比例。在三种类型的灯光排放中，建筑物灯光排放占多数（41.8%），其次是主要位于街道上的其他区域（41.1%）和公园（17.1%）。尽管公园的数量较少，但由于篮球、足球和赛马等户外体育活动过度使用高功率体育场照明，它们对光污染的贡献却不成比例。建筑物灯光排放主要来自商业区的LED广告牌。附近的住宅建筑墙壁也因周围明亮的 urban environment 而被照亮，这同样加剧了光污染。被照亮的建筑物比例是衡量一个社区光污染严重程度的有力指标，其与每单位面积总灯光排放量的相关性为R平方值0.76。研究表明，减少商业建筑上不必要的照明广告牌是一种成本效益高且易于实施的光污染缓解方法。

引言

夜间人造光（ALAN）长期以来被用来延长人类的夜间活动时间。自从电力出现以来，随着现代社会的发展，夜间灯光的使用已经超出了其安全功能，逐渐扩展到装饰、庆祝以及作为繁荣的象征（Schlor和Schl?r，1998年）。许多城市通过使用装饰性且往往不必要的照明来提升夜间景观，例如拉斯维加斯、柏林和香港（Petty，2014年；Jechow，2024年；Albers和Duriscoe，2001年）。然而，对ALAN的过度使用导致了一个常被忽视的问题：光污染。

ALAN造成的光污染显著改变了自然和城市环境（Aguilera和González，2023年）。在可见光形式下，ALAN使夜空变得明亮，使得现代人无法像我们的祖先那样看到银河系（Kyba等人，2023年）。ALAN还影响了城市树木，导致物候变化，例如叶芽提前9天萌发，叶子提前6天变色（Meng等人，2022年）。暴露在ALAN下会减少蝙蝠的活动和活动范围（Pauwels等人，2019年；Laforge等人，2019年）。LED发出的蓝光会扰乱人类的自然生物节律并降低睡眠质量（Hatori等人，2017年；Wu等人，2023年）。流行病学研究甚至表明，暴露在ALAN下可能会增加健康风险，包括心脏病、乳腺癌和加速衰老（Blask等人，2005年；Münzel等人，2020年；N Anisimov等人，2012年）。

许多研究已经探讨了城市中ALAN的来源，但不同地区的结论并不一致（Mander等人，2023年）。Cheon和Kim（2020年）使用分辨率为742米的VIIRS/DNB数据发现，首尔的光源主要与道路、办公楼和商业设施相关。基于使用VIIRS/DNB数据的受控实地实验，Kyba等人（2020年）得出结论，只有16%–21%的总灯光排放来自路灯，而Barentine等人（2020年）根据天空质量测量仪（SQM）的测量数据认为路灯的贡献略高，为25%–27%。Kuechly等人（2012年）使用高分辨率航空图像发现，德国柏林的主要光污染来源是与街道相关的照明，约占32%。需要注意的是，街道照明不仅包括路灯，还包括车辆前灯等其他光源。Bará等人（2019年）的延时数码照片显示，在西班牙加利西亚，主要的光源是路灯（晚上10点前占60%，凌晨1点后占90%），其次是从住宅建筑窗户泄漏出的照明（晚上10点前占20%）。Luginbuhl等人（2009年）在亚利桑那州弗拉格斯塔夫进行了地面调查，发现42%的光源来自商业和工业照明，其次是体育照明（33%）、住宅照明（9%）和道路照明（7%）。

这些研究扩展了我们对ALAN的理解，但其结论并不一致。归因于路灯的ALAN比例在7%到90%之间。大多数这些研究是在欧洲或北美的中小型城市进行的，这些地方以低层城市设计为主。相比之下，亚洲的高层城市设计导致更为复杂和紧凑的建筑环境，可能产生更高的光污染程度。据报道，香港是世界上最光污染严重的城市之一，其中心区域的夜空亮度（NSB）平均值约为15 mag arcsec^?2（Pun和So，2012年）。这种程度的光污染比以往研究中的大多数城市都要严重，包括德国波茨坦-巴贝尔斯贝格（高达16.5 mag arcsec^?2）、中国无锡（平均16.5 mag arcsec^?2）、瑞士门德里西奥（平均18.5 mag arcsec^?2）以及奥地利的26个城市（17–21 mag arcsec^?2）（Puschnig等人，2014年；Cui等人，2020年；Cereghetti等人，2020年；Kotarba等人，2019年；Posch等人，2018年）。像香港这样的特大城市本身会产生并经历更高程度的光污染，而亚洲城市的高人口密度进一步加剧了这一问题。因此，分析香港的ALAN来源可以增进我们的理解，并为制定这些地区的光污染缓解机制奠定基础。

角度效应，或者更准确地说，由于3D城市结构造成的遮挡效应，会影响夜间光线的测量（Tan等人，2022年），但这一结论目前仅基于低分辨率的VIIRS数据得出。由于VIIRS数据的分辨率为742米，无法对单个建筑物进行建模；因此所得结论仅具有统计性质，缺乏从建筑物尺度建模中获得的详细信息。需要高分辨率的图像数据来正确考虑3D城市结构。郑等人（2018年）首次推出的Jilin-1卫星配备了分辨率为0.92米的RGB CMOS传感器。多项研究利用这一新的数据源来描述夜间光线，包括耶路撒冷的土地利用和种族特征（Guk和Levin，2020年）、厄瓜多尔基多的高压钠灯和LED灯（Watson等人，2023年）、布法罗的住房空置率（Du等人，2018年）、太阳能路灯和能源分析（Cheng等人，2020年）、不透水面（Tang等人，2020年）以及鸟类栖息地（Xue等人，2020年）。高分辨率图像对于建模单个建筑物以考虑角度效应非常有价值，但目前尚无研究将其纳入分析。在我们的研究中，我们首次从侧视卫星图像出发对单个建筑物进行建模，以准确区分来自建筑物、公园以及主要位于街道上的其他区域的灯光来源。

本工作的创新之处在于三个方面：

• 1.
  我们使用高分辨率的Jilin-1卫星图像（1米）详细量化了世界上光污染最严重的城市之一的灯光排放情况。详细分析显示，商业和体育照明（即非必要的照明）占了意想不到的大比例。
• 2.
  我们通过从侧视图像重建单个建筑物来考虑卫星位置和建筑物高度对角度效应的影响——这是首次尝试。
• 3.
  我们提出了被照亮建筑物百分比（LBP）指数作为光污染严重程度的指标。该指标有助于识别可以最大程度实施缓解策略的光污染社区。

研究区域

在这项研究中，我们使用Jilin 1–03卫星的高分辨率彩色卫星图像来分析灯光排放比例。如图1a所示，该图像覆盖了维多利亚港两岸（22.28°N，114.18°E），这是香港人口最密集的地区。经过与图像和2019年的行政地图核对后，我们选择了图像中的67个社区作为研究区域。如图1b所示，这些社区是正式称为“District”的选区单位。

高分辨率彩色卫星图像

夜间图像是在2017年6月28日当地时间22:45:48（UTC+8）拍摄的。自2015年以来，研究区域的夜间光线强度保持稳定（Liu等人，2025a）。该图像是侧视的，非天底视角，仰角为64.75度。方位角为234.38度，大致相当于从西南方向观察向东北方向。图像捕捉到了建筑物西南侧的灯光，而东北侧的灯光被遮挡了。我们对图像进行了地理配准。

校准夜间图像

我们使用图像头部提供的公式将原始数字值（$DN$）转换为亮度单位（$L$）：$L=a\times D+b\left({\text{W m}}^{?2}{\mathrm{sr}}^{?1}{\mathrm{um}}^{?1}\right)$系数$a$和$b$分别为红色通道的0.000809和0.003825，绿色通道的0.001538和0.005694，蓝色通道的0.003539和0.015821。

从侧视图像重建单个建筑物

我们重建了图像中看到的单个建筑物。将仰角表示为$?$，方位角表示为$\alpha$；在这个侧视图像中，它们分别为64.75度和234.38度。

结果与分析

总结

由于空间分辨率较低且缺乏颜色信息，早期的ALAN研究一致认为街道照明是城市天空辉光的主要来源。在这里，我们使用高分辨率（1米）彩色夜间卫星图像，量化了香港67个社区的ALAN来源，这些社区的人口总计达一百万——香港是世界上建筑密度最高、光污染最严重的城市之一。

我们发现不同社区之间的ALAN分布不均：建筑物灯光排放范围从

结论

光污染长期以来一直被忽视，部分原因是中低分辨率的夜间图像使人误以为大多数灯光排放来自支持夜间活动所必需的街道照明。通过利用1米高分辨率的夜间卫星图像，本研究挑战了这一假设，并提供了对高密度建筑环境中城市光源的精细描述。

我们首次实现了米级量的化

CRediT作者贡献声明

刘盛杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。苏楚颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，概念化。何宏哲：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。史倩：撰写 – 审稿与编辑，资源整理。陈俊盛鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，正式分析，概念化。

资助

这项研究得到了香港特别行政区环境与保护基金的支持（项目编号：125/2018和113/2022）。本文中的任何观点、发现、结论或建议不一定反映香港特别行政区政府和环境与保护基金的立场。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。