劉玥佟

（1. 新疆維吾爾自治區(qū)測繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

環(huán)境一號遙感衛(wèi)星影像質(zhì)量評估和應(yīng)用分析

劉玥佟1

（1. 新疆維吾爾自治區(qū)測繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

以CCD影像分析為主，通過隨機抽取的環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像，按照衛(wèi)星影像標(biāo)準(zhǔn)處理流程獲得遙感影像，綜合利用多種計算機分析和人眼判定方法，對衛(wèi)星影像質(zhì)量進行分析，獲得環(huán)境一號衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量評定結(jié)果，并確定其應(yīng)用范圍與適用性。其相關(guān)結(jié)果可以為環(huán)境一號衛(wèi)星的應(yīng)用提供借鑒，也為未來我國發(fā)展多光譜寬幅中分辨率遙感衛(wèi)星提供參考。

環(huán)境一號；CCD；影像質(zhì)量；應(yīng)用

1 環(huán)境一號遙感衛(wèi)星星系概況

環(huán)境一號衛(wèi)星遙感減災(zāi)衛(wèi)星星系由環(huán)境一號A星和B星組成，于2008年9月6日發(fā)射升空并于2009 年 4月在軌交付使用。A星和B星采用相同的衛(wèi)星平臺，都搭載了分辨率達30 m的CCD高分辨率相機，另外，A星還搭載了一臺 RSI相機，B星搭載一臺HSI相機，基本參數(shù)如表1 所示[1]。

表1 環(huán)境一號A/B衛(wèi)星基本數(shù)據(jù)

由于單顆衛(wèi)星的衛(wèi)星周期是4 d，A星與B星軌道差180°，因此兩顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星系獲取地球上同一點的CCD影像周期是2 d。

CCD相機是兩顆衛(wèi)星的統(tǒng)一裝備，從影像用途上看，CCD高分辨率遙感影像是應(yīng)用范圍最廣的設(shè)備，因此，分析環(huán)境一號遙感衛(wèi)星星系的CCD影像，對于推廣環(huán)境一號遙感數(shù)據(jù)的普及和應(yīng)用都有重要意義。

2 影像特點和處理流程

環(huán)境一號A/B遙感衛(wèi)星CCD多光譜數(shù)據(jù)包括4 個波段的光譜，即第1藍光波段、第2綠光波段、第3紅光波段和第4近紅外波段。一般最終真彩色遙感影像均通過波段影像3、2、1或4、3、2合成獲得，本次研究主要采用了3、2、1波段合成影像。

影像數(shù)據(jù)處理過程包括光譜影像合成、影像糾正、影像增強處理和DEM融合。

1）影像融合。利用3、2、1三個波段的影像，分別置于紅、綠、藍波段，進行影像合成操作，獲得接近真彩色影像的合成影像。

2）影像幾何糾正。環(huán)境一號衛(wèi)星影像的原始數(shù)據(jù)（二級產(chǎn)品）定位誤差較大，需要利用控制點成果對影像進行重新糾正，本次研究影像均利用7個以上的地面特征點進行二次多項式糾正。影像幾何糾正后的精度約為2～3個像元，實際定位精度在30～90 m。

3）影像增強。由于遙感影像在獲取過程中受到大氣、天氣條件以及相機因素的影響，對比度不夠，或帶有少量噪聲，需要對影像進行增強處理，包括輻射增強、直方圖均衡化、降噪處理、空間域增強和頻率域增強等[2]。

4）DEM融合。利用DEM柵格數(shù)據(jù)和遙感影像融合，可以提高影像解譯能力。本次研究采用了美國NASA的全球DEM數(shù)據(jù)融合，效果較好。

3 影像評估

3.1 評估方法

影響遙感影像質(zhì)量的因素包括環(huán)境（如大氣散射）、隨機誤差或系統(tǒng)故障、地面處理問題等。本次影像分析處理采用以下5種方式：①影像直方圖中單個亮度值出現(xiàn)頻率分析；②影像中某一位置或區(qū)域像元亮度值評估分析；③一元或多元統(tǒng)計分析，判斷影像數(shù)據(jù)正常性；④多元統(tǒng)計量確定波段時間相關(guān)；⑤目視判讀識別物。

本次研究抽取了一幅典型的影像進行分析，通過綜合分析評估影像平均質(zhì)量。

3.2 評估過程

3.2.1 直方圖評價

直方圖是影像亮度值頻率統(tǒng)計的圖形表達方式，橫坐標(biāo)x是影像某波段值的量化等級，縱坐標(biāo)y代表這些亮度值出現(xiàn)的頻率。直方圖分析是一種原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價方式，同時也是評價光學(xué)多光譜影像和其他類型遙感影像的主要方法[3]。

如圖1所示，從4個波段的直方圖上評價，各個波段的曲線比較穩(wěn)定，RGB的極值相差不大，其光譜反射角均衡。

圖1 環(huán)境一號CCD影像的4個波段直方圖

3.2.2 影像的一元統(tǒng)計和多元統(tǒng)計

影像的一元統(tǒng)計和多元統(tǒng)計分析可以從影像中分析影像質(zhì)量集中趨勢測度和離散度。其中最主要的方式是遙感數(shù)據(jù)集中趨勢測度計算，包括采用中值分布曲線計算方法，采用所有亮度觀測值和綜合除以觀測值個數(shù)來度量集中趨勢。單波段影像均值μk由n個亮度值BVik計算獲得：

式中，μk是總體均值的無偏估計。

分布均值的離散度可以提供影像有用信息，如遙感載荷的可靠性和CCD相機穩(wěn)定性等因素，離散度計算最常用的方法是樣板方差計算：

同時可以采用標(biāo)準(zhǔn)差方法計算單波段影像像元亮度值：

標(biāo)準(zhǔn)差小表示觀測值比較緊密集中于中心值周圍，標(biāo)準(zhǔn)差大表示觀測值比較分散，影像質(zhì)量不穩(wěn)定。

多元統(tǒng)計分析方法如下。

1）多波段遙感數(shù)據(jù)協(xié)方差分析。利用不同像元的遙感光譜觀測值分析影像演化的相同點，獲得一個波段的亮度值變化與另一個波段亮度值變化的關(guān)系?？赏ㄟ^計算它們的相關(guān)性來獲取不同波段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。首先需要計算離均差乘積和：

式中，BVik是第k波段第i個亮度值，研究區(qū)域由n個像元組成。第k波段和第l波段的均值分別是μk和μl。同時可以利用式（4）提高計算效率。

式中，SPkl為離均差乘積和。如果k和l相同，則得到SPkl與離差平方和，即

則第k波段和第l波段的亮度值協(xié)方差covkl為：

2）多波段遙感數(shù)據(jù)相關(guān)分析。為了消除量綱對評價變量的影響，本文采用皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)分析界定多波段遙感數(shù)據(jù)。式（7）采用了兩個波段（k和l）之間的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差乘積來界定。

根據(jù)以上計算方法，此次研究中應(yīng)用了1幅9級以上無云層影像進行分析，分析結(jié)果如表2～4所示。

表2 一元統(tǒng)計量4個波段影像統(tǒng)計分析

表3 方差-協(xié)方差矩陣4個波段影像統(tǒng)計分析

表4 相關(guān)矩陣4個波段影像統(tǒng)計分析

由于藍光波段的瑞利散射和米氏大氣散射影像，第1波段的亮度值變化最大。在北部灣海洋水體地區(qū)，水體吸收了大多數(shù)近紅外輻射通量，因此，部分地區(qū)近紅外（第4波段）的最小值接近于0。波段1、2、3之間有很高的相關(guān)性（r≥0.95），說明這幾個通道存在大量的冗余光譜信息。波段4與波段1、2、3之間的相關(guān)性較低[4]。

3.2.3 目視判讀

目視判讀是遙感影像質(zhì)量分析中最直接的無定性方法，與計算機分析和統(tǒng)計分析相比，目視判讀更容易接受。本次對環(huán)境一號3、2、1三波段影像4幅影像進行了目視判讀，主要分析影像中各種地物的可判辨度、信息獲取量以及影像判讀難度等。本次研究采用了環(huán)境一號影像中質(zhì)量差、中、好3類影像進行目視判讀分析。對各種地面物和屬性的識別程度如表5所示[5-6]。

從表5影像目視判讀結(jié)果可以看出，環(huán)境一號A/ B星影像質(zhì)量是中等分辨率衛(wèi)星中，影像質(zhì)量較好的衛(wèi)星，在影像色彩、清晰度和亮度等各方面質(zhì)量均較佳。

3.3 A星與B星影像對比分析

環(huán)境一號A星影像與B星影像存在差別，本次研究利用環(huán)境一號A星和B星的兩幅北部灣地區(qū)典型CCD影像進行分析對比，結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，A星的影像質(zhì)量明顯高于B星，從目視判讀上看， A星影像雖然亮度低于B星影像，但是A星影像的清晰度比B星高，可提取信息量大，識別和判讀地面物能力高于B星，數(shù)據(jù)可靠性高。因此，無論是計算機分析結(jié)果還是目視判讀結(jié)果都表明，環(huán)境一號A星CCD影像質(zhì)量高于環(huán)境一號B星影像質(zhì)量。

表5 環(huán)境一號CCD影像對各種地面物和屬性的識別程度

表6 A星和B星典型CCD影像結(jié)果對比表

4 適用性分析

4.1 影像質(zhì)量和優(yōu)勢

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果和人工目視判讀結(jié)果可知，環(huán)境一號的影像平均質(zhì)量較佳，其質(zhì)量可以達到Landsat5衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量水平。但是波段數(shù)較少，數(shù)據(jù)質(zhì)量波動較大。由于A/B兩顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座最快更新周期為2 d，且每顆衛(wèi)星都采用雙CCD相機模式，相機幅面寬，宏觀性好，可以實現(xiàn)快速對地觀測。

4.2 影像可用范圍

根據(jù)實際對比分析和分類，以及在實際中的應(yīng)用效果，在環(huán)境一號A/B星CCD遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域評估中，得到以下結(jié)論：

1）1：25萬地形圖編繪和更新能力。環(huán)境一號A/B 星由于其畸變差較大，且缺少相關(guān)參數(shù)，因此無法實現(xiàn)異軌立體成像，同時對1：25萬成圖要求的地物識別能力有限，因此無法直接進行1：25萬圖的編繪。但是由于影像對道路、地塊和大型水體有一定的識別能力，因此具備對1：25萬地形圖要素一定的更新能力。

2）水質(zhì)分析。由于環(huán)境一號A/B星CCD影像波段數(shù)較少，較難獲得基于水體的基本信息，對于精確分析水質(zhì)情況比較困難，但是可以分析一些重污染，如填海的泥沙污染、海上溢油以及生物污染等，如對云南滇池水藻污染的分析和墨西哥灣油污染監(jiān)控等[7]。

3）土地利用監(jiān)測。環(huán)境一號CCD影像有出色的時間分辨率、中等空間分辨率以及較大的幅面寬，因此可以監(jiān)測大規(guī)模的土地變化，如工業(yè)用地變化、農(nóng)業(yè)用地變化、林地變化和城市擴展等，但是不能詳細計算出變化面積，變化量測精度在0.3 km2左右。

4）海岸帶監(jiān)測。環(huán)境一號CCD影像對海岸帶變化監(jiān)測分析能力主要體現(xiàn)為對海岸工程和海岸線大規(guī)模變化的監(jiān)測，同時可以監(jiān)測海岸生物帶特別是紅樹林的長勢。

5）道路規(guī)劃。在環(huán)境一號CCD影像上，可以分辨高速公路、一級公路、部分二級公路和鐵路。由于對山體和水體等道路規(guī)劃中有影響的地物能夠進行比較清晰分辨，因此可以用于高等級公路的概括性規(guī)劃。

6）災(zāi)害損失評估。在大型災(zāi)害，如泥石流、洪災(zāi)和旱災(zāi)后，對受災(zāi)地區(qū)和淤泥堆積情況以及水稻、玉米、甘蔗等農(nóng)作物損失情況進行評估，評估精度可以達到20%以上。

4.3 影像缺點

1）分辨率較低。環(huán)境一號A/B衛(wèi)星CCD相機的分辨率是30 m，雖然相幅比較寬，但是30 m的分辨率仍然處于中分辨率和高分辨率之間，對地物識別能力較差，對村級居民地、普通公路和三級以上水系等重要地物識別比較困難。

2）二級產(chǎn)品定位精度較差。環(huán)境一號A/B衛(wèi)星CCD相機的二級產(chǎn)品定位是通過衛(wèi)星CCD傳感器參數(shù)和衛(wèi)星軌道參數(shù)計算，計算精度差，且未能用地面DEM進行影像糾正，影像定位精度較差，其精度在300～1 200 m之間，二級產(chǎn)品應(yīng)用一般要利用地面控制點進行重新定位配準(zhǔn)。

3）波段較少。環(huán)境一號CCD影像相機只有4個波段，對地物識別能力精確度不足，而Landsat5和Landsat7衛(wèi)星多光譜CCD傳感器的光譜段達7個，EO-1衛(wèi)星的CCD相機的光譜段達9個，通過反射光譜對地物識別準(zhǔn)確率很高。

5 結(jié) 語

環(huán)境一號衛(wèi)星雖然在最高分辨率、影像最佳質(zhì)量、光譜分辨率上與美國最新的Landsat8中分辨率遙感衛(wèi)星還有一定的差距，但是其擁有周期短、像幅寬等特點。在相同周期內(nèi)，其可用數(shù)據(jù)要遠高于Landsat8，其優(yōu)勢也是非常明顯的。

中分辨率衛(wèi)星遙感影像的信息宏觀性和時間分辨率要優(yōu)于高分辨率衛(wèi)星遙感影像，即使在今天，其作用仍然是不可替代的。未來我國應(yīng)該繼續(xù)大力發(fā)展10～20 m的中分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率遙感衛(wèi)星，其應(yīng)用潛力廣泛。

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1672-4623（2016）05-0081-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.026

劉玥佟，碩士，工程師，主要從事測繪管理工作。

2015-12-29。