鐘洪麟,施潤和,劉朝順,高 煒,3

(1.華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室,上海 200062;2.華東師范大學—中國科學院對地觀測與數字地球科學中心環(huán)境遙感與數據同化聯合實驗室,上海 200062;3.美國科羅拉多州立大學,FortCo llinsCO 80523)

基于重疊區(qū)匹配技術的DVB-SMOD IS影像異常數據處理方法

鐘洪麟1,2,施潤和1,2,劉朝順1,2,高 煒1,2,3

(1.華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室,上海 200062;2.華東師范大學—中國科學院對地觀測與數字地球科學中心環(huán)境遙感與數據同化聯合實驗室,上海 200062;3.美國科羅拉多州立大學,FortCo llinsCO 80523)

DVB-S(數字視頻廣播系統)是一種符合工業(yè)化標準的數字衛(wèi)星廣播新技術,中國氣象局利用該技術建立起成本低廉、應用廣泛的我國衛(wèi)星遙感數據共享接收平臺,可準實時獲取美國 EOS、NOAA和我國 FY等系列遙感衛(wèi)星數據。在使用該接收系統的過程中發(fā)現,由于信號干擾等原因,接收到的部分MOD IS條帶影像中存在異常數據,影響使用。鑒于DVB-S共享接收系統具有多站接收的特點,且各地面站的接收范圍存在較大重疊,有針對性地提出了一種利用多站重疊區(qū)內的同名像元,對含有異常點的MOD IS 1B級條帶影像進行修正的方法 (包括影像選擇、重疊區(qū)匹配、異常點替換等),并通過 V isualC++編程實現了自動化。

DVB-S系統;MOD IS;數據異常;重疊區(qū)

0 引言

中分辨率成像光譜儀 (MOD IS)是地球觀測系統(EOS)計劃中重要的傳感器之一,具有時效性高、覆蓋范圍廣、光譜信息豐富等特點,能夠為對地實時監(jiān)測和預報提供全面、豐富、及時的信息,并在突發(fā)性自然、環(huán)境災害中有廣泛的應用[1-3]。

作為我國對地觀測系統MOD IS共享平臺的重要組成部分,DVB-S(數字視頻廣播系統)能夠為我國研究人員提供準實時的MOD IS數據,促進了我國相關領域的科學研究。但由于信號干擾等原因,用戶通過 DVB-S系統接收到的數據中,個別影像存在較多的異常數據,主要為影像 DN值及地理定位數據的異常。

以往對于遙感影像中異常值的修正,主要利用空間或時間上相鄰像元的自相關性,采用一定的時間或空間插值方法對影像中的異常數據進行填補[4,5]。但對于MOD IS遙感影像而言,單個像元覆蓋的地表面積較大,易受云等多變大氣要素影響,降低了其時空自相關性。而且上述方法獲得的數據均為經插值運算后的計算值,與真實值會存在一定差異,難以對集中分布的大量異常點或條帶進行高精度修正[5]。

本文通過對DVB-S系統所有接收站點分布的分析,發(fā)現各站點接收范圍之間都存在較大的重疊,因此可以通過查找影像間重疊區(qū)域內的同名像元,用正常像元數據替代異常數據,從而實現大量異常數據的快速、準確修正。

1 MOD IS共享平臺及 DVB-S系統

為了提高我國遙感數據的共享水平,在科技部科學數據共享工程的支持下,國家衛(wèi)星氣象中心利用 DVB-S建立了MOD IS共享平臺,通過國家衛(wèi)星氣象中心下屬的北京、廣州和烏魯木齊地面站,以及國家海洋局下屬的三亞、西藏和海洋局共 6個地面站接收遙感衛(wèi)星數據,將所有的數據匯總到國家衛(wèi)星氣象中心,生成 1A/1B級數據;最后通過 DVBS系統,采用數字視頻的方式將所有的數據統一打包上傳至通訊衛(wèi)星,并向國內用戶廣播。國內用戶只需簡單的視頻接收設備,即可以低廉的價格使用這些衛(wèi)星遙感數據。DVB-S系統的建立極大地提高了我國遙感數據的共享水平[6]。

2 算法原理和技術流程

本算法通過影像中重疊區(qū)域同名像元的匹配技術來實現數據修正。DVB-S系統部分地面站的位置分布及各自的接收范圍如圖 1所示。

圖 1 DVB-S系統部分地面站接收范圍示意圖[6]Fig.1 Receiving range of some DVB-S ground stations[6]

從圖 1中可以看到,4個地面站點分別為國家氣象局位于北京、烏魯木齊和廣州的站點和國家海洋局位于西藏的站點,各自的接收范圍之間存在大量重疊區(qū)域。加上圖中未標出的國家海洋局三亞站和北京站,全部重疊區(qū)域可覆蓋我國全境,為本文算法的推廣應用提供了條件。

本文以待修正的影像為基礎,按一定算法找到其他地面站接收到的匹配影像,并提取出影像間的重疊區(qū)域。隨后對重疊區(qū)域中的異常像元用與之匹配的同名像元的正常數據進行修正。技術流程如圖2所示。

圖 2 技術流程Fig.2 The work flow of the method

3 關鍵技術

3.1 匹配影像選擇與判斷

由于 Terra/Aqua衛(wèi)星重訪同緯度區(qū)域的時間間隔大約為 1 h 30m in,且MOD IS覆蓋范圍廣,1 d之中會產生多幅覆蓋局部區(qū)域的影像,要對某一時刻的MOD IS影像進行異常數據的修正,應先找出同一時刻不同地面接收站接收到的匹配影像,即影像間存在完全相同的重疊區(qū)域。通過分析發(fā)現,在同一軌道中,所有能夠接收到 MOD IS數據站點中,接收同一顆衛(wèi)星數據的起始時間間隔均小于 30m in,因而將成像時間間隔小于 30m in的影像劃分為一組進行處理。

考慮到MOD IS 1B影像分辨率有 250m、500m和 1 km三種,因此必須對影像的空間分辨率進行判別,只有空間分辨率相同的 2幅影像之間才有匹配的同名像元。

通過DVB-S系統接收到的MOD IS影像文件都是按照一定的規(guī)則命名的,因而可從影像的文件名中提取部分影像信息,如 AQUA_2008_06_04_05_48_GZ.MOD 021KM.hdf,表示該影像數據來自于Aqua衛(wèi)星,成像時間為 2008年 6月 4日 5時 48分,由廣州站接收,是空間分辨率為 1 km的 2級產品。因此,可直接利用文件名進行空間分辨率的判斷,計算出 2幅影像成像時間的間隔,從而找出相互匹配的影像。

3.2 重疊區(qū)域查找

由于 Aqua衛(wèi)星白天過境時為升軌,因此在經過我國境內時掃描帶的緯度是遞增的,可直接利用緯度信息快速查找出同一軌上相鄰影像的重疊區(qū)域。因MOD IS影像邊緣存在“Bow tie效應”(即相鄰掃描條帶間的影像和緯度數據會存在規(guī)律性重疊[7]),而星下點的緯度數據是單調遞增的,且重疊區(qū)域的緯度數據是相同的,因而可通過直接比對星下點附近列方向上的緯度數據進行重疊區(qū)域的快速查找。

經過對大量 DVB-S系統獲得的MOD IS影像進行分析后發(fā)現,影像中異常條帶所對應的緯度數據往往也會存在不同程度異常甚至完全缺失(如本文示例數據中,異常點的數值均為 -999),從而導致基于緯度數據的快速匹配算法失效。此時就要綜合利用影像掃描帶的 DN值及相應的緯度數據,查找時間上相鄰影像的重疊區(qū)域。

根據成像時間和衛(wèi)星的升降軌,可確定重疊區(qū)域的起始和終止掃描行的位置。以 Aqua衛(wèi)星為例(圖 3),此時衛(wèi)星為升軌,圖 3(右)成像時間更晚,因而其第一個掃描行是重疊區(qū)域的起始位置 (Terra衛(wèi)星反之)。從圖 3(右)重疊區(qū)起始行開始,找到第一個數據正常的掃描行 (DN值的正常范圍是 0～32 767,緯度數據的正常范圍是 -90～90);然后從圖 3(左)重疊區(qū)的終止位置開始,依次將所有的掃描行的 DN值和緯度數據與圖 3(右)的數據正常掃描行進行嚴格的一致性檢驗,依次比對掃描行中的所有像元的DN值和緯度值,找出完全相同的掃描行,并通過記錄的行、列號最終確定重疊區(qū)域的位置。

圖 3 Aqua/MOD IS重疊區(qū)示意圖Fig.3 The over lapped area of Aqua/M OD IS

4 算法實現和應用效果

基于以上算法,本文在 V isual C++6.0環(huán)境下實現了相應的模塊,可直接讀取不同分辨率MOD IS 1B級數據的 HDF文件,并能對其進行海量數據的批處理。以 2008年 6月 4日廣州、北京和烏魯木齊衛(wèi)星地面站接收到空間分辨率為 1 km的 Aqua/MOD IS數據為例。北京地面站接收的MOD IS數據,數據缺失最為嚴重;廣州站接收的數據在影像底部有 2處異常條帶,該數據不僅在影像上下兩側有若干異常條帶,在其中部也有大塊數據缺失。利用上述 3幅影像中正常的數據進行影像間的相互修正,修正前后的影像如圖 4所示。

圖 4 修正前 (左)后 (右)影像的對比Fig.4 Comparison between the data before(left)and after(righ t)correction

從圖 4可以看出,上述影像之間重疊區(qū)域的數據異常均得到了修正,且修正后像元值均為MOD IS在該處的真實探測值。整個計算過程在普通 PC機(奔騰 IV,CPU 3.06 GHz,內存 1G,Windows XP系統)上僅耗時 5 s,執(zhí)行效率高。

5 結論

(1)DVB-S系統作為我國遙感衛(wèi)星數據的重要共享平臺,已在各領域擁有大量用戶。

(2)針對 DVB-S系統接收的MOD IS數據中存在的異常數據問題,結合 DVB-S系統多站接收的特點,提出并實現了基于重疊區(qū)匹配和替換思想的異常數據修正算法。該算法通過重疊區(qū)域的快速匹配修正異常數據,相對于利用時間或空間插值方法,算法簡單,執(zhí)行效率高,能實現重疊區(qū)域的精確匹配,且修正后的像元值均為MOD IS在該處的真實探測值。

(3)由于該算法基于 DVB-S系統接收站點間的重疊區(qū)域,對于重疊區(qū)無法覆蓋的區(qū)域 (如我國東北部分區(qū)域),該算法無法解決MOD IS影像異常數據修正問題。

[1] Qu J J,Gao W,Kafatos M,et al.地球衛(wèi)星遙感[M].北京:清華大學出版社,2006:363-365.

[2] Jepsen JU,Hagen SB,Hogda K A,et al.Monitoring the Spatiotemporal Dynamics of Geometrid Moth Outbreaks in Birch Forest Using MOD IS-NDVI Data[J].Remote Sensing of Environment,2009,113(9):1939-1947.

[3] Chand TR K,Badarinath K V S,Murthy MSR,et al.Active Forest Fire Monitoring in Ttaranchal State,India Using Multi-temporal DMSP-OLS and MOD IS Data[J].International Journal of Remote Sensing,2007,28(10):2123-2132.

[4]Fang H L,Liang SL,Townshend JR,et al.Spatially and Temporally Continuous LAI Data Sets Based on an Integrated Filtering Method:Examples from North America[J].Remote Sensing of Environment,2008,112(1):75-93.

[5] 陳 姚,王金亮,李石華.遙感圖像中云層遮擋影響消除方法研究述評[J].國土資源遙感,2006(1):61-65.

[6] DVB-S遙感衛(wèi)星利用站系統[EB/OL].[2010-05-31]http://www.shinetek.com.cn/p roduct/dvbs.aspx.

[7] 劉良明,文雄飛,余 凡,等.MOD IS數據 Bow tie效應快速消除算法研究[J].國土資源遙感,2007(2):10-15.

(責任編輯:劉心季)

The Modification of the Abnormal Remote Sen sing Data from the DVB-S System Based on MOD IS

ZHONG Hong-lin1,2,SHI Run-he1,2,LIU Chao-shun1,2,GAO Wei1,2,3
(1.Key Laboratory of Geographic Information Science,Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai200062,China;2.Joint Laboratory for Environmental Remote Sensing and Data Assimilation,ECNU&CEODE,CAS,Shanghai200062,China;3.Colorado State University,Fort Collins CO 80523,USA)

The DVB-S is a new digital satellite broadcasting technology which meets the industrial standard.Based on this technology,China Meteorological Administration built up a low-cost,wildly-applied satellite remote sensing data sharing platform.The users can acquire the near-real-time satellite remote sensing data from US EOS,NOAA and Chinese FY satellite series.Due to the signal disturbance and other reasons,some

data have lots of abnormal data,which influence their utilization.Considering the multiple receiving stations in the DVB-S system,there would be lots of overlapped areas in their receiving range.A method for modifying the abnormal data in the MOD IS 1B swath image by using the correspondent pixels in the overlapped area is introduced in this paper.Its key step s include image selection,overlapped are a matching,abnormal data replacement etc.,and the automatic data processing code is realized by using Visual C++.

DVB-S system;MOD IS;Abnormal data;Overlapped area

施潤和 (1979-),男,博士,主要從事遙感信息模型研究。聯系電話:021-62232120,E-m ail:rhshi@geo.ecnu.edu.cn。

TP 751.1

A

1001-070X(2011)01-0073-04

2010-04-07;

2010-06-02

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(編號:2010CB951603)、上海市科技支撐計劃世博科技專項 (編號:10DZ0581600)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項共同資助。

鐘洪麟 (1984-),男,碩士,主要從事“3S”集成方面的研究。