夜间灯光数据在地理教学中的应用

【摘 要】本文分析夜间灯光数据的优缺点，以广西壮族自治区为例，论述夜间灯光数据在地理教学中的应用，主要包括 GDP 空间化的操作步骤、GDP 在空间上的分布的教学展示、地形对 GDP 的分布影响的教学展示、交通对 GDP 的分布影响的教学展示四个方面。

【关键词】夜间灯光数据 遥感技术 地理教学

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）02B-0116-02

地理教学离不开地理图件的辅助，而近年来地理信息系统（Geography information system）的不断完善，使地理教学开始变得更加多样化，地理教师不仅可以在黑板上板書、画图，而且还可以通过地理信息系统软件，对一些经济发展数据等进行空间展示，加深中小学生对地理事物的理解，比如交通、地形等对 GDP 和人口分布的影响。地理信息系统软件的存在，可以帮助地理科目更好地进行教学，但是它的运用是在有相应数据支撑的情况下，才能达到应有的教学效果。夜间灯光数据作为一种数据量小、信息量大的遥感数据，非常适合应用于中学地理教学，借助 Arcgis 软件平台，通过简单的步骤，可以将 GDP 进行空间化，让学生对 GDP 的空间分布及其影响因素有一个直观、深刻的理解。除此外夜间灯光数据还可以扩展进行建设用地空间化、人口空间化等地理要素的分析，使地理教学更加丰富多彩，更具吸引力。本文选取近年来得到广泛运用的夜间灯光数据和 Arcgis 软件平台，对夜间灯光数据在地理教学中的应用进行探讨。

一、夜间灯光数据的优缺点

（一）夜间灯光数据的优点

夜间灯光数据的优点是数据量较小，但是信息量大。相对其他遥感数据，比如常用的 Landsat 陆地资源卫星TM 遥感数据，一景遥感图像就有 200M至 300 M 左右，但是空间范围只有一个县的面积大小，所包含信息也只有一个县的空间地理信息；而夜间灯光数据，地理空间范围覆盖全球，但是没解压之前的压缩包只有 363 M，解压后有 1.03 G。而一个省的夜间灯光数据数据量很小，广西壮族自治区（下文以广西代替）范围的夜间灯光数据就只有 2.62 M，包含了广西各个地级市、县市区的夜间灯光信息，所含信息量非常大，善加利用，可以在地理教学中大放异彩。因为夜间灯光数据所含信息量大，夜间灯光和城市建设用地、GDP、人口、用电量、能源碳排放等经济社会发展、环境要素关系密切，可以展示 GDP、人口、用电量、能源碳排放等在地理空间上的分布，以及其他地理因素对这些要素的影响，引起学生的思考，开阔学生视野。除此外，它便于下载，这里的夜间灯光数据是指DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）美国国防部的极轨卫星计划制作的 DMSP 夜间灯光数据，可以通过这个网址（http：//ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html）进行下载，和 Landsat TM 遥感卫星相比，不需要选取轨道号、日期等信息，方便地理教师进行下载。

（二）夜间灯光数据的缺点

事物都有两面性，有优点，就会有缺点。DMSP 夜间灯光数据也有缺点，首先，DMSP 夜间灯光数据的分辨率不是很高，只有 1 km，这就限制了 DMSP 不能应用于高精度的图像展示，只能展示空间范围较大的地理信息，比如省域、全国范围、全球范围。其次，DMSP 夜间灯光数据是非辐射定标数据，简单来说，就是数据存在着一些误差和缺陷，需要通过一些校正方法对数据进行校正才能更好地使用，但是 DMSP 夜间灯光数据在地理教学中的应用主要是图示作用，并不是运用于严谨的科学研究，对它是否进行校正可以根据教师的地理信息系统技术是否娴熟来决定，也受教学环境和教学目的所影响。

二、夜间灯光数据在地理教学中的应用

（一）GDP 空间化的操作步骤

首先是数据的准备，在互联网相应网站和广西统计年鉴中得到 2013 年DMSP 夜间灯光数据、广西的县级和市级行政区界线、面的 shp 格式数据以及2013 年广西各县市区的 GDP 数据。利用 Arcgis 软件平台的区域分析功能得到每个县市区的夜间灯光亮度值，将数据导入到 Excel 表格和对应的各县市区 GDP 进行一元线性回归，得到回归方程的系数，再利用 Arcgis 的栅格计算器的乘法功能得到广西的 1 km*1 km 分辨率的 GDP 空间化图像。如果追求更准确的数据可以利用增强型植被指数（EVI）对 DMSP 夜间灯光数据进行饱和校正，然后再进行提取数据和 GDP 进行线性拟合，最后再通过系数调整校正得到更准确的 GDP 图像。

（二）GDP 在空间上的分布的教学展示

根据上述步骤，就可以得到广西GDP 空间化的结果。虽然 GDP 在空间上的差异可以县级、市级、省级作为地理单元在地理信息系统上展示出来，但是还是不能确定 GDP 在空间上的具体位置，给学生的展示效果欠佳，基于夜间灯光数据的 GDP 空间化突破了行政界线的限制，能直观地展示 GDP 在空间上的确切位置，有利于加深学生对于 GDP 来源以及分布的理解，为下一步对 GDP分布影响因素做进一步的深入分析做好准备。根据广西 GDP 空间化结果图，可以在课堂上引导学生观察哪个市的 GDP 最多？市辖区的 GDP 和县级的 GDP 有什么差异？广西的 GDP 在空间上的分布有什么规律？在地理教学中，特别是传统人文地理教学中，GDP 空间的分布、大小排名只是借助文字或者表格给学生展示，缺少地理空间上的识别教学，通过夜间灯光数据的 GDP 空间化成果，可以培养学生识图能力和加深对 GDP 空间分布的理解。以广西为例，在以夜间灯光数据为基础制作的广西 GDP 空间化图像中，引导学生观察制作的广西 GDP空间化专题地图的图例、行政界线和行政区名称，依据 GDP 空间化图像中栅格的多寡来判断 GDP 的排名依次如下：从市级行政区域而言，南宁市>柳州市>桂林市>玉林市>梧州市>百色市>钦州市>贵港市>北海市>崇左市>来宾市>河池市>防城港市>贺州市；从县市级行政区域而言，南宁市辖区>横县>武鸣县>宾阳县>隆安县>上林县>马山县。这比简单地看表格中 GDP 数字更加直观，更加容易理解。

（三）地形对 GDP 的分布影响的教学展示

在 GDP 排名中，南宁市 GDP 第一，柳州市次之，桂林市排在第三，西北部的百色市和河池市的 GDP 最少。这样的分布是受什么影响呢？在 Arcgis 平台上将高程和广西 GDP 空间化结果图叠加，得到广西高程与 GDP 空间化叠加图，可以很明显地看出地形对 GDP 的影响。之前的GDP 大小排名只能做到“识图”，也就是认识地图，通过叠加图则能做到更深一步的“析图”——解析和分析地图。同样以广西为例，引导学生识别高程、GDP空间化图例、行政界线和行政名称，可以发现：从省级行政范围而言：南宁市的GDP 主要集中于海拔 200 m 以下的南宁盆地，柳州市、桂林市、玉林市、梧州市、北海市等东南部城市 GDP 都分布于海拔 200 m 以下的平坦地区，西北部山区的河池市、宜州市市区和百色市市区 GDP 都分布于海拔 200 m 以下的平坦谷地，而河池市和百色市的县级 GDP 几乎都分布于平均海拔 200-1000 m 的喀斯特山区。在教导学生“识图”之后，就要引导学生思考为什么GDP都分布于海拔较为平坦的区域，这就是一个“析图”的过程，通过不同地貌区域的 GDP 对比，可引导学生得到以下结论：相比平原地区，喀斯特山区典型的峰林、峰丛洼地地貌导致百色市和河池市大部分地区耕地较少，平坦地方较少，对交通路线的建设，工农业的发展都受到极大的限制，这就是西北部山区的百色市和河池市 GDP 排名落后的重要原因之一；从县级区域，南宁市内的 GDP 排名是：南宁市辖区 GDP>横县 GDP>武鸣县 GDP>宾阳县 GDP>隆安县 GDP>上林县 GDP>马山县 GDP，从叠加图上可以发现，这和各个县市级行政区域的平均海拔 200 m 以下的土地面积有极大关联。从图上明显看出，平坦区域土地面积大小排名如下：南宁市辖区所在的南宁盆地>武鸣县盆地>宾阳县平原>上林县丘陵>马山县喀斯特山区，同样可以得出：平原或者盆地地区的GDP>丘陵或者山区 GDP。这些因素的分析，教师可以在课堂上结合广西高程与 GDP 空间化叠加图对学生进行提问、抢答或者其他扩展教学活动。

（四）交通对 GDP 的分布影响的教学展示

除了可以展示地形对 GDP 分布的影响，还可以展示交通对 GDP 的影响分布。通过 Arcgis 将交通路线，主要是公路和铁路叠加到广西高程与 GDP 空间化图像上，就得到高程、GDP 空间化结果与交通路线叠加图。从叠加图上看，市辖区交通线路数量>县级行政区交通线路数量，交通线路越多，交通越发达，这和之前展示的市辖区 GDP>县级 GDP的趋势是一样的，说明了交通对 GDP 的分布呈现正相关关系；从地级市范围而言，交通路线排名如下：南宁市>柳州市>桂林市>玉林市>梧州市，这和 GDP 的排名分布也是一致的，可见交通对 GDP 的巨大推动作用；从更大的区域而言，西北山区（河池市和百色市），虽然有公路和铁路经过，但是受到喀斯特峰林、峰丛等地貌的影响，大型交通路线对当地的县级行政单元资源、人口的辐射作用和经济带动作用相对较弱，东南部较平坦，海拔较低，地形开阔，有利于交通路线的辐射，有更多土地发展工农业。最后得出结论：东南部经济发达和西北部山区的相对落后，这些都是地形、交通路线等多种因素的综合作用。地理教师可以参照以上这样的案例讲解在课堂上培养学生综合思考的思维模式。

经过上文分析，可以得到以下结论：夜间灯光数据量小，信息量大，处理比较简单，适合中学地理教师发掘利用来进行地理教学，特别是人文地理方面的教学。除了利用夜间灯光数据进行简单的GDP 空间化以外，夜间灯光数据还可以进行城市建设用地的提取、人口的空间化等地理要素的分析和处理，再结合高程、交通路线等数据的叠加可以激发学生对地理教学的兴趣，同时加深学生对地理这一门课相关内容的理解。随着地理教师教学水平以及电脑信息技术的不断进步，不久的将来可以引入更多有助于教学的遥感数据，使地理教学更上一层楼。

【参考文献】

[1]苏泳娴，王重洋，张虹鸥，陈修治，林 晖，许喜逢.基于DMSP/OLS夜间灯光数据提取城镇建设用地的邻域分析法[J].热带地理，2015（2）

[2]杨 妮，吴良林，邓树林，张 超.基于DMSP/OLS夜间灯光数据的省域GDP统计数据空间化方法—— 以廣西壮族自治区为例[J].地理与地理信息科学，2014（4）

【作者简介】吴桂梅（1989— ），女，汉族，广西藤县人，梧州市藤县中学教师，研究方向：中学地理教育。

（责编 罗汝君）