李夢真

【摘 要】隨著夜間燈光數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，夜間燈光數(shù)據(jù)的長時間序列應(yīng)用逐漸受到人們關(guān)注。但應(yīng)用最廣的DMSP/OLS數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)之間的不連續(xù)性以及像元飽和問題，所以需要對這種數(shù)據(jù)進行校正。本文介紹了一種基于不變區(qū)域的夜間燈光數(shù)據(jù)校正方法，能夠合理的解決DMSP/OLS數(shù)據(jù)所存在的問題。

【關(guān)鍵詞】 夜間燈光 DMSP/OLS 像元飽和 校正

美國國防氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program， DMSP）搭載的業(yè)務(wù)型線掃描傳感器（Operational Linescan System， OLS）最初主要為氣象監(jiān)測而設(shè)計，用于探測月光照射下的云，后來由于其獨特的光電放大能力使其能在夜間探測到地表微弱的近紅外輻射，因此，該傳感器獲取的夜間燈光影像被越來越多的用來研究人類活動，目前主要應(yīng)用于社會經(jīng)濟參數(shù)估算、城市化監(jiān)測與評估、人口發(fā)展與估算以及重大事件評估。

一、存在的缺陷

DMSP/OLS 夜間燈光影像本身存在缺陷，該數(shù)據(jù)集包括由多個DMSP衛(wèi)星傳感器獲取的自1992-2012年共33期影像，其中存在由不同傳感器獲取的同一年度的影像。因為衛(wèi)星傳感器在獲取地表數(shù)據(jù)的過程受到多種因素的影響，所以不同傳感器獲取的同一年度的影像之間是有差異的。同時，不同的OLS傳感器在獲取影像時并沒有進行星上輻射校正，造成了同一個衛(wèi)星傳感器獲取的連續(xù)不同年度的影像間相同位置的亮值像元DN值之間的異常波動。所以長時間序列的DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)集主要存在2個問題需在校正中解決：（1）原始影像數(shù)據(jù)集中的影像是非連續(xù)性的;（2）數(shù)據(jù)集中的每一期影像都存在著像元DN值飽和的現(xiàn)象。所以針對這些問題前人做了很多研究，目前已經(jīng)能較好的解決長時間序列的DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)的非連續(xù)性問題以及像元DN值飽和現(xiàn)象。

二、不變目標區(qū)域法的影像校正方法

（一）不變區(qū)域與參考影像的選擇。首先選取黑龍江省鶴崗市市區(qū)作為不變區(qū)域，選取黑龍江省鶴崗市市區(qū)的原因如下：（1）鶴崗市市轄區(qū)的主要社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)在21年間的變化較小，說明該市一直都處在一個相對穩(wěn)定的發(fā)展過程中;（2）鶴崗市市轄區(qū)的穩(wěn)定夜間燈光影像中包含從低到高且范圍很廣的DN值范圍，保證了相互校正模型的精確性。（3）鶴崗市F12衛(wèi)星傳感器1992年的夜間燈光影像與F18衛(wèi)星傳感器2012年的夜間燈光影像有很好的線性相關(guān)關(guān)系。。選取F162006輻射定標的夜間燈光影像的對應(yīng)區(qū)域作為參考影像。

（二）影像互相校正與飽和校正。首先提取每一期影像的每一個像元的DN值，并列入同一個灰度矩陣中，將待校正影像（33期）與參考影像（F162006）進行了指數(shù)、線性、對數(shù)、二次多項式、冪數(shù)5種形式進行回歸分析。對得出的回歸系數(shù)進行比較分析，發(fā)現(xiàn)冪數(shù)回歸的相關(guān)系數(shù)最高，選擇冪數(shù)方程建立校正模型

注：校正后的不連續(xù)性未解決，主要表現(xiàn)為：1）不同傳感器獲取的同一年度的影像依然同時存在。 2）多傳感器獲取的不同年度的影像間相互位置的像元DN值異常波動問題。

（三）多傳感器同一年度影像數(shù)據(jù)DN 值校正。由于不同的衛(wèi)星傳感器本身就存在差異，且傳感器獲取影像時會受到各種因素的影響，因此，多傳感器獲取的同一年度的影像之間存在差異。同一年度的2 期影像仍然同時存在。為了充分利用多個傳感器獨立獲取的相同年度的夜間燈光影像，同時解決經(jīng)相互校正的影像數(shù)據(jù)集中影像之間的不連續(xù)問題。

在1994 年和1997至2007 年存在由兩個不同的傳感器同時獲取夜間燈光影像的現(xiàn)象，為充分利用兩個傳感器獨立獲取的同一年度的夜間燈光影像，按照式（2），對同一年度兩個傳感器穩(wěn)定亮值像元影像的DN 值進行校正。

（1）

式中，分別為分別為校正前的第n 年度兩不同傳感器獲取的i 像元的DN 值;為校正后的第n 年度i 像元的DN 值。

（四）多傳感器多年度影像數(shù)據(jù)DN 值校正。根據(jù)夜間燈光影像的特點及變化規(guī)律，DMSP/OLS 燈光影像上某一像元后一年度的DN 值應(yīng)不小于該像元前一年度的DN 值?；诖送普摚瑢ι鲜鲂Ｕ蟮姆€(wěn)定亮值像元影像根據(jù)上述推論，進行多傳感器多年度亮值像元影像的DN 值校正。對后一年度DN值小于該像元前一年度DN值的異常像元進行處理，方法為將該像元后一年的DN值修改為前一年度的DN值，這樣既可完成多傳感器多年度影像數(shù)據(jù)的DN值校正。

三、精度驗證

第一種方法是將校正前后圖像的視覺效果進行對比。第二種方法hi構(gòu)建光照指數(shù)（TLI）來建立指標，表示為一個區(qū)域內(nèi)的灰度值之和。第三種方法為相對輻射定標能有效的減少兩顆衛(wèi)星同年數(shù)據(jù)的差異，從而穩(wěn)定同一顆衛(wèi)星的年際變異性。本文以歸一化差分指數(shù)NDI作為評價標準。還有一種方法是選擇GDP統(tǒng)計數(shù)據(jù)對夜間光照數(shù)據(jù)進行線性回歸。通過對比相互校正前后的擬合精度，驗證了相互校正結(jié)果的可靠性。

理想校正結(jié)果的標志主要有兩個。

1）在數(shù)量尺度上，整個時間序列夜間燈光影像的穩(wěn)定亮值像元總數(shù)及總灰度值表現(xiàn)出明顯的持續(xù)增長軌跡。

2）在空間尺度上，長時間序列夜間燈光影像的穩(wěn)定亮值像元區(qū)域表現(xiàn)出逐漸擴大的趨勢。對獲取的目標影像進行相關(guān)分析，如圖3 所示。校正后的影像數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的連續(xù)性和一致性，取得了較好的校正效果。

四、結(jié)束語

本文介紹了一種針對DMSP/OLS數(shù)據(jù)集在長時間序列中使用的校正方法，該方法能夠很好的解決DMSP/OLS數(shù)據(jù)的影像不連續(xù)問題以及影像DN值問題。有利于DMSP/OLS數(shù)據(jù)在夜間燈光遙感中的使用。

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