王霄鵬, 張 杰, 馬 毅*, 任廣波

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071)

?

資源一號(hào)02C衛(wèi)星海岸帶影像二級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)*

王霄鵬1,2, 張 杰1, 馬 毅1*, 任廣波1

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071)

為分析資源一號(hào)02C衛(wèi)星在海岸帶地區(qū)的應(yīng)用潛力，對(duì)其遙感數(shù)據(jù)成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星P/MS影像二級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，并與應(yīng)用廣泛且波段設(shè)置、空間分辨率相近的SPOT-5影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其在海岸帶遙感應(yīng)用方面的潛力。結(jié)果表明：采用目視解譯的主觀評(píng)價(jià)顯示，資源一號(hào)02C全色、多光譜以及融合影像在海岸帶典型地物表現(xiàn)能力方面接近SPOT-5影像，而SPOT-5影像顏色過渡更自然，影像紋理和細(xì)節(jié)信息更豐富。采用統(tǒng)計(jì)分析量的客觀評(píng)價(jià)顯示，資源一號(hào)02C與SPOT-5影像的各統(tǒng)計(jì)參數(shù)互有高低。就全色影像而言，資源一號(hào)02C的信息量較高，而SOPT-5的亮度、灰度離散程度和空間分辨率較高；就多光譜影像而言，SPOT-5的灰度離散程度較高，其他指標(biāo)無明顯規(guī)律，不易比較；就融合影像而言，SOPT-5的空間分辨率較高，而資源一號(hào)02C的信息量、灰度離散程度和波段間獨(dú)立性較高。因此，資源一號(hào)02C影像數(shù)據(jù)在一定程度上可以替代SPOT-5影像，在海岸帶遙感研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有相當(dāng)潛力。

資源一號(hào)02C；SPOT-5；海岸帶；遙感影像；質(zhì)量評(píng)價(jià)

資源一號(hào)02C衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱ZY-1 02C)發(fā)射于2011-12，該衛(wèi)星可獲取高分辨率的全色和多光譜影像數(shù)據(jù)，是我國新近發(fā)射的一顆填補(bǔ)國內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)空白的衛(wèi)星。該衛(wèi)星的發(fā)射，有助于提高我國高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的自給率，打破國外該類型遙感數(shù)據(jù)的壟斷地位，降低遙感應(yīng)用領(lǐng)域日常業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)成本。該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、國土資源監(jiān)測(cè)調(diào)查以及國家重大工程管理監(jiān)管等各個(gè)方面，在海岸帶遙感研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用推廣潛力。

衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種。主觀評(píng)價(jià)是以人為觀察者，通過目視判斷來評(píng)價(jià)影像的表現(xiàn)能力[1]，該方法易于理解、直觀高效，但受到觀察者的經(jīng)驗(yàn)水平等因素影響具有一定的片面性、主觀性和不確定性；客觀評(píng)價(jià)是通過計(jì)算影像各波段灰度統(tǒng)計(jì)參數(shù)(如均值、方差、信息熵等)和波段間的相關(guān)系數(shù)(如協(xié)方差和相關(guān)系數(shù))來反映圖像特征[2-4]，該方法具有客觀性、確定性的優(yōu)勢(shì)，但不直觀，難于理解。主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法是現(xiàn)階段研究者常用的影像評(píng)價(jià)方法[5-6]。

由于ZY-1 02C數(shù)據(jù)較新，目前針對(duì)該數(shù)據(jù)的研究工作還比較少。馬利剛等采用ZY-1 02C數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類，并對(duì)該數(shù)據(jù)的分類能力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)[7]。劉剛等利用ZY-1 02C數(shù)據(jù)開展了土地利用變化信息提取方法研究，并對(duì)不同方法的提取結(jié)果進(jìn)行了比較評(píng)價(jià)[8]。周亦等使用ZY-1 02C數(shù)據(jù)對(duì)幾種土地利用變化信息自動(dòng)發(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)這些方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[9]。王建步等開展了ZY-1 02C數(shù)據(jù)二級(jí)產(chǎn)品影像定位精度評(píng)價(jià)工作[10]。文雄飛等采用定量分析的方法對(duì)ZY-1 02C數(shù)據(jù)的影像質(zhì)量進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)，并與ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析該數(shù)據(jù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用潛力[11]。綜上所述，以上研究多采用基于定量分析的客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)ZY-1 02C數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目前采用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法對(duì)ZY-1 02C數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，并采用同數(shù)量級(jí)空間分辨率的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析的研究工作還比較少。

本文采用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星影像二級(jí)產(chǎn)品的全色影像、多光譜影像以及融合影像分別進(jìn)行影像質(zhì)量評(píng)價(jià)，并基于相同區(qū)域范圍、相同季節(jié)的SPOT-5數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)過程中，對(duì)兩種影像的全色數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，最后分析其在海岸帶遙感研究方面的應(yīng)用潛力。

1 影像數(shù)據(jù)

ZY-1 02C搭載一臺(tái)全色/多光譜傳感器(P/MS)和兩臺(tái)高分辨率全色傳感器(HRC)*中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心.資源一號(hào)02C衛(wèi)星用戶指南.北京，2012.，P/MS傳感器空間分辨率分別為5和10 m，幅寬為60 km，多光譜波段為綠、紅、近紅外三個(gè)波段，具體參數(shù)見表1；HRC傳感器空間分辨率為2.36 m，兩臺(tái)拼接的幅寬為54 km。

SPOT-5衛(wèi)星是2002年法國發(fā)射的高分辨率遙感成像衛(wèi)星，星上載有一臺(tái)高分辨率立體成像裝置(HRS)、兩臺(tái)高分辨率幾何成像裝置(HRG)和一臺(tái)寬視域植被探測(cè)儀(VGT)[12]。其全色影像空間分辨率為2.5和5 m，多光譜影像空間分辨率為10 m，波段包括綠、紅、近紅外、短波紅外四個(gè)波段，幅寬為60 km。SPOT-5衛(wèi)星影像的利用技術(shù)相對(duì)成熟，其影像質(zhì)量得到了遙感應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)行業(yè)廣泛認(rèn)可。

由表1所示，兩顆衛(wèi)星所獲取的影像空間分辨率相當(dāng)，波段范圍基本重合，因此，利用SPOT-5衛(wèi)星影像對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星影像進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，可以有效、客觀地反映后者的成像質(zhì)量和數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

表1 ZY-1 02C P/MS傳感器與SPOT-5傳感器參數(shù)比較Table 1 Specifications of ZY-1 02C P/MS and SPOT-5

本研究所選取的兩景影像成像范圍為黃河三角洲北側(cè)沿海區(qū)域，該區(qū)域既具備濕地又具備海岸帶的特征，區(qū)域內(nèi)包括農(nóng)田、林地、道路、草地、工業(yè)用地、城鎮(zhèn)建筑、水庫、海域及海岸線等典型地物類型，具有較好的代表性。選取的ZY-1 02C影像成像時(shí)間為2013-05-27，傳感器為P/MS傳感器，全色影像分辨率為5 m，多光譜影像分辨率為10 m；選取的SPOT-5影像的成像時(shí)間為2010-05-10，全色影像空間分辨率為2.5 m，多光譜影像分辨率為10 m。兩景影像季節(jié)相同，且沒有云霧遮擋，成像清晰，層次豐富，已經(jīng)過幾何校正。如圖1所示，矩形框范圍內(nèi)為兩景影像的公共區(qū)域。

圖1 ZY-1 02C影像與SPOT-5影像整景對(duì)比圖

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域及影像融合

選取山東省東營市河口區(qū)仙河鎮(zhèn)附近的城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域作為客觀分析的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，計(jì)算各波段灰度值的典型統(tǒng)計(jì)參數(shù)作為客觀評(píng)價(jià)的依據(jù)。該區(qū)域地物類型豐富，包含樓房、道路、植被、水體等多種地物；由于時(shí)間接近，兩景影像中的地物類型幾乎沒有變化，具有較好的代表性。

兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的全色影像、多光譜影像及融合影像如圖2所示，其中融合影像采用主成分分析法(Principal Component Analysis，簡(jiǎn)稱PCA)生成，PCA影像融合算法的處理過程為：

1) 對(duì)低空間分辨率的多光譜影像進(jìn)行PCA變換；

2) 采用高空間分辨率的全色影像替換PCA變換的第一分量影像；

3) 對(duì)替換后的分量影像進(jìn)行PCA逆變換，生成具有高空間分辨率的多波段融合影像。

3 影像質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文采用主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，綜合運(yùn)用目視判別和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)定量分析兩種方法，對(duì)兩種影像的成像質(zhì)量進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)主要通過目視判別方法，由多名經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行匯總分析；客觀評(píng)價(jià)主要應(yīng)用7種典型的數(shù)理統(tǒng)計(jì)參量，對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)，其中多光譜影像針對(duì)兩種影像數(shù)據(jù)的3個(gè)共有波段(綠、紅和近紅外)進(jìn)行比較。

3.1 主觀評(píng)價(jià)

3.1.1 全色影像

對(duì)比ZY-1 02C全色影像(空間分辨率5 m)與SPOT-5全色影像(空間分辨率2.5 m)如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，從整體看，SPOT-5全色影像的亮度更高，道路、堤壩等大型地物的邊界更清晰，而ZY-1 02C全色影像對(duì)比度更高，影像中的陸地與水體的反差更大，影像層次更分明；從細(xì)節(jié)看，SPOT-5全色影像所反映的細(xì)節(jié)信息更加豐富，其空間分辨率更高，因此影像中地物的紋理、邊界更加清晰。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域ZY-1 02C影像與SPOT-5影像對(duì)比圖

3.1.2 多光譜影像

對(duì)比ZY-1 02C多光譜影像(空間分辨率10 m)與SPOT-5多光譜影像(空間分辨率10 m)可以發(fā)現(xiàn)，從整體看，SPOT-5多光譜影像顏色更柔和，過渡更自然，而ZY-1 02C多光譜影像的亮度更高，顏色更鮮艷；從細(xì)節(jié)看，SPOT-5多光譜影像的顏色更豐富，影像中部分地物(如植被)的顏色梯度更大，紋理更明顯，而ZY-1 02C多光譜影像對(duì)比度更高，影像中地物邊界更加清晰，地物的輪廓更容易識(shí)別。

3.1.3 融合影像

對(duì)比ZY-1 02C融合影像與SPOT-5融合影像可以發(fā)現(xiàn)，從整體看，SPOT-5融合影像顏色更柔和，過渡更自然，道路及大型地物的邊界更清晰，而ZY-1 02C融合影像亮度更高，顏色更鮮艷；從細(xì)節(jié)看，SPOT-5融合影像由于具有更高的空間分辨率，因此影像所反映的細(xì)節(jié)信息更加豐富，且影像中地物的顏色梯度更大，地物內(nèi)部的紋理更清晰。

進(jìn)一步對(duì)兩景融合影像的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行對(duì)比分析，選取研究區(qū)域內(nèi)的典型海岸帶地物類型，包括蘆葦、灘涂、淺海水域、鹽田、養(yǎng)殖池塘、堤壩、道路、建筑用地和工業(yè)用地，如表2所示。

基于表2中的地物細(xì)節(jié)信息對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，ZY-1 02C影像在海岸帶各種典型地物的細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面其能力接近于SPOT-5影像：ZY-1 02C影像在亮度、對(duì)比度等方面表現(xiàn)更好，影像顏色更加鮮艷，地物之間的對(duì)比更強(qiáng)烈，邊界更明顯；SPOT-5影像空間分辨率、顏色過渡和地物紋理等方面表現(xiàn)更好，影像更加細(xì)膩，細(xì)節(jié)信息更豐富。

表2 ZY-1 02C融合影像與SPOT-5融合影像地物對(duì)比表Table 2 Comparison of objects in ZY-1 02C and SPOT-5 fusion images

3.2 客觀評(píng)價(jià)

采用的具體客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)包括最小灰度值、最大灰度值、灰度均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵、協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)七種統(tǒng)計(jì)參數(shù)[13]，通過ENVI 5.0的圖像統(tǒng)計(jì)功能[14]計(jì)算得出。

計(jì)算圖2中6景影像的7種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，作為ZY-1 02C與SPOT-5衛(wèi)星遙感影像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)全色影像、多光譜影像和融合影像進(jìn)行兩兩對(duì)比，如表3和表4所示。

根據(jù)表3和表4中的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，客觀評(píng)價(jià)如下：

1)就灰度均值而言，在全色影像、多光譜影像的紅光波段和融合影像的紅光波段中，SPOT-5影像的灰度均值高于ZY-1 02C影像，這表明SPOT-5影像的全色波段以及紅光波段亮度較高；在多光譜影像和融合影像的近紅外波段和綠光波段中，ZY-1 02C影像的灰度均值高于SPOT-5影像，這表明ZY-1 02C影像的近紅外和綠光波段亮度較高。

2)就標(biāo)準(zhǔn)差而言，在全色影像和多光譜影像的各波段中，均表現(xiàn)為SPOT-5影像的標(biāo)準(zhǔn)差略高于ZY-1 02C影像，這表明SPOT-5全色和多光譜影像的灰度級(jí)分布更分散，地物間的反差大，可分性高；在融合影像的各波段中，表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的標(biāo)準(zhǔn)差高于SPOT-5影像，這表明ZY-1 02C融合影像的灰度級(jí)分布更分散，影像的反差大，地物間的可分性高。

3)就信息熵而言，在全色影像、多光譜影像的大部分波段(近紅外波段除外)以及和融合影像的所有波段中，均表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的信息熵略高于SPOT-5影像，這表明ZY-1 02C影像承載的信息量略大于SPOT-5，但二者比較接近。

4)就協(xié)方差而言，在多光譜影像的各波段中，均表現(xiàn)為SPOT-5影像的協(xié)方差高于ZY-1 02C影像，這表明SPOT-5多光譜影像中各波段間的獨(dú)立性更高；在融合影像的各波段中，均表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的協(xié)方差高于SPOT-5影像，這表明ZY-1 02C融合影像中各波段間的獨(dú)立性更高。

5)就相關(guān)系數(shù)而言，在多光譜影像的各波段中，指標(biāo)數(shù)值各有高低，無明顯規(guī)律；在融合影像的各波段中，表現(xiàn)為SPOT-5影像的波段相關(guān)系數(shù)高于ZY-1 02C影像，這表明ZY-1 02C融合影像的波段間獨(dú)立性更高。

表3 ZY-1 02C與SPOT-5遙感影像信息評(píng)價(jià)對(duì)比表Table 3 Comparison of image information between ZY-1 02C and SPOT-5

表4 ZY-1 02C與SPOT-5遙感影像協(xié)方差與相關(guān)系數(shù)對(duì)比表Table 4 Covariance and correlation coefficient comparison between ZY-1 02C and SPOT-5 images

4 結(jié) 論

采用主觀分析和客觀分析相結(jié)合的方法，以在海岸帶遙感領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的SPOT-5影像為參照，對(duì)ZY-1 02C二級(jí)產(chǎn)品P/MS影像的全色數(shù)據(jù)、多光譜影像數(shù)據(jù)及融合數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和成像質(zhì)量進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。具體結(jié)論如下：

1)ZY-1 02C衛(wèi)星作為我國自主研發(fā)的光學(xué)遙感衛(wèi)星，其所獲取的遙感影像具有較高的成像質(zhì)量，在一定程度上可以替代SPOT-5影像；

2)主觀評(píng)價(jià)顯示，ZY-1 02C二級(jí)產(chǎn)品P/MS影像數(shù)據(jù)在海岸帶區(qū)域典型地物類型的表現(xiàn)能力方面基本相近于SPOT-5影像，在空間分辨率和地物細(xì)節(jié)信息方面略遜于SPOT-5影像；

3)客觀評(píng)價(jià)顯示，ZY-1 02C二級(jí)產(chǎn)品P/MS影像的7種統(tǒng)計(jì)參數(shù)與SPOT-5影像均比較接近且各有高低，其中就全色影像而言，ZY-1 02C影像的信息量更高，而SOPT-5影像的亮度、灰度離散程度和空間分辨率更高；就多光譜影像而言，SPOT-5影像的灰度離散程度更高，其它指標(biāo)無明顯規(guī)律，不易比較；就融合影像而言，SOPT-5影像的空間分辨率更高，而ZY-1 02C影像的信息量、灰度離散程度和波段間獨(dú)立性更高。

由于本文用于比較的ZY-1 02C影像與SPOT-5影像同月不同年，時(shí)相上并不完全同步，且采用的ZY-1 02C全色影像來自于P/MS傳感器，其空間分辨率為5 m，低于SPOT-5全色影像的2.5 m空間分辨率，因此可能對(duì)地物比較的精度產(chǎn)生一定影響。此外，本文在進(jìn)行影像融合工作時(shí)僅嘗試了主成分分析方法，對(duì)于其他融合方法的融合效果還有待于進(jìn)一步研究。

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Received: March 16th, 2015

Image Quality Evaluation for ZY-1 02C Satellite in Coastal Zone Area

WANG Xiao-peng1,2, ZHANG Jie1, MA Yi1, REN Guang-bo1

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.QingdaoUniversity, Qingdao 266071, China)

The ZY-1 02C satellite is a wide-breadth remote sensing satellite with high spatial resolution developed in China. To analyze the application potential of the satellite in coastal zone area, the imaging quality evaluating research on the remote sensing data is necessary. The combined method of subjective evaluation and objective evaluation is used in this research, to evaluate the imagery captured by ZY-1 02C P/MS sensor, and then compared with SPOT-5 imagery data, which is widely used and with similar bands and spatial resolution. The subjective evaluation results of visual interpretation suggests, the performance ability of the multi spectral, panchromatic, and fusion images of ZY-1 02C satellite is close to SPOT-5 image in typical coastal ground object, while the color transition, texture and detail information of the SPOT-5 image are better. The objective evaluation results of statistical analysis suggests, the statistical parameters of ZY-1 02C and SPOT-5 images of the cross level. Therefore, the ZY-1 02C image data can replace the SPOT-5 image to a certain extent, and with considerable potential in the coastal zone remote sensing research and application fields.

ZY-1 02C; SPOT-5; coastal zone; remote sensing image; quality evaluation

2015-03-16

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目——海岸帶遙感影像半監(jiān)督學(xué)習(xí)自動(dòng)化分類方法研究——以黃河三角洲濱海濕地分類為例(41206172)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——海礁探測(cè)與礁盤測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)(2012BAB16B01-02)

王霄鵬(1981-)，男，山東棗莊人，實(shí)驗(yàn)師，博士，主要從事遙感圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘方面研究.E-mail：qduwxp@163.com*

馬 毅(1973-)，男，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人，研究員，博士，主要從事海岸帶遙感方面研究. E-mail：mayimail@fio.org.cn

(王 燕 編輯)

TP751.1

A

1671-6647(2016)01-0129-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.013