王美玲，張和生

(太原理工大學(xué)，太原 030024)

0 引言

當(dāng)夜間的天空無云時(shí)，遙感衛(wèi)星能夠捕捉到城鎮(zhèn)燈光、漁船燈光、火點(diǎn)等可見光輻射源，這些夜間無云條件下獲取的地球可見光的影像即為夜光遙感影像[1]。夜間燈光數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于城市化時(shí)空動態(tài)[2-3]、人口空間化[4-6]、能源消耗[7-8]及GDP空間化[9-11]等方面的研究。

最早的夜光遙感影像數(shù)據(jù)是美國軍事氣象衛(wèi)星搭載的線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(defense meteorological satellite program operational linescan system，DMSP/OLS)拍攝的。美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)提供了1992年到2013年的DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括3種全年平均影像：無云觀測頻率影像、平均燈光影像和穩(wěn)定燈光影像，其中穩(wěn)定燈光影像數(shù)據(jù)應(yīng)用最為廣泛。該數(shù)據(jù)去除了短暫的亮光(如火光)，且背景噪音也被識別并用0代替，然而OLS傳感器上可見光-近紅外(VNIR)通道存在設(shè)計(jì)缺陷使得在許多城市核心區(qū)出現(xiàn)了大量DN值為63的像元飽和區(qū)域[12]。

2011年10月，美國發(fā)射了Suomi NPP環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，其搭載的可見光/紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer，VIIRS)的夜間燈光數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了DMSP/OLS停止供應(yīng)后夜間燈光數(shù)據(jù)的空缺，NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)相比DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)具有更高空間分辨率和更廣的輻射探測范圍，且不存在飽和效應(yīng)。雖然NPP/VIIRS的月合成夜間燈光數(shù)據(jù)已經(jīng)剔除了云層反光和暫時(shí)性地物如火災(zāi)閃電等對燈光輻射值的干擾，但是依然存在大量的背景噪聲和極大異常值噪聲，因此需要進(jìn)行去噪處理。剔除NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)噪聲的方法主要有掩膜法、閾值法和領(lǐng)域法。李峰等[13]使用2012年的DMSP/OLS數(shù)據(jù)對同年份NPP/VIIRS月均數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜去除背景噪聲，同時(shí)對像元值排序，取99.9%處作為閾值，剔除極高像元值，進(jìn)而對北京市GDP數(shù)據(jù)建模得到空間化結(jié)果。文獻(xiàn)[14-15]采用8鄰域算法對研究區(qū)域的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，得到NPP/VIIRS的修正數(shù)據(jù)。鐘亮等[16]將中值濾波與低閾值去噪相結(jié)合，對NPP/VIIRS夜間燈光影像中的異常值及背景噪聲進(jìn)行過濾。

隨著遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，擁有更高分辨率的第三代夜間燈光數(shù)據(jù)誕生了。2018年6月2日，由武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)機(jī)構(gòu)共同研發(fā)制作的珞珈一號(Luojia-1)01星成功發(fā)射升空。珞珈一號01星是全球首顆專業(yè)夜光遙感衛(wèi)星，也是目前國際上第3顆具備夜間燈光數(shù)據(jù)拍攝能力的衛(wèi)星，彌補(bǔ)了我國在夜間燈光數(shù)據(jù)獲取方面的不足，具有重要的歷史意義及研究價(jià)值。表1為DMSP/OLS、NPP/VIIRS和Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)各項(xiàng)參數(shù)的對比。Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率更高并且像元不存在飽和現(xiàn)象，應(yīng)用潛力巨大。

表1 DMSP/OLS、NPP/VIIRS和Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)的參數(shù)

目前關(guān)于Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)的研究并不多，現(xiàn)有的文章對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)只進(jìn)行了簡單的去噪處理，如厲飛等[17]利用NTL&POI綜合指數(shù)，消除夜間燈光影像背景噪聲和削弱燈光溢出的影響。Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)存在大量的噪聲，影響數(shù)據(jù)的應(yīng)用，研究如何有效地對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理是發(fā)展Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提。本文北京市為例，對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的研究，分析噪聲類型，結(jié)合以往的去噪方法，獲得1種對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)有效去噪的方法，并對去噪數(shù)據(jù)的應(yīng)用性進(jìn)行探索。

1 數(shù)據(jù)和預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)

本文以北京市為研究區(qū)域，北京市包含16個(gè)行政區(qū)的子區(qū)。北京市人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，作為研究區(qū)域具有地域代表性，另外北京市夜間燈光的光量豐富，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)能充分體現(xiàn)出不同數(shù)據(jù)之間的特征差異情況。所需數(shù)據(jù)主要有Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)、NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)、人口和GDP的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

選擇采用2018年9月6日成像的2幅Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)作為研究對象，該數(shù)據(jù)由“高分辨率對地觀測系統(tǒng)湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用網(wǎng)”提供。選擇2018年9月NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)的vcm月均數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。人口數(shù)據(jù)及GDP數(shù)據(jù)由北京市統(tǒng)計(jì)局提供。人口數(shù)據(jù)使用2017年北京市各區(qū)常住人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，GDP使用2018年北京市各區(qū)的GDP總量。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于湖北數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心僅對Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)幾何校正，并且定位精度較低(范圍從0.49～0.93 km)，因此需要對其進(jìn)行幾何校正。Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)的分辨率高，從影像上可以清晰看到路網(wǎng)，通過采集道路交叉口的控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正[18]。

經(jīng)過幾何校正的2幅Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)仍存在分辨率不同的問題。將其中一幅按照另一幅的參數(shù)進(jìn)行重采樣，采樣方法選擇鄰近法。

使用ArcGIS的柵格計(jì)算器，得到2幅Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)的平均影像，并通過2幅影像中有燈光輻射(DN值大于0)的范圍掩膜得到穩(wěn)定燈光的平均影像。

由于Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)絕對輻射校正后數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，不便于存儲，因此，地面系統(tǒng)將浮點(diǎn)型輻射亮度數(shù)據(jù)放大1010后指數(shù)拉伸，轉(zhuǎn)為INT32存儲。根據(jù)式(1)對珞珈一號夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行反拉伸。為了探索Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)噪聲特點(diǎn)，與NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過式(2)將絕對輻射校正后Luojia-1夜間燈光數(shù)據(jù)的輻射亮度的量綱統(tǒng)一為nW/(cm2·sr)。

(1)

式中：DN為圖像灰度值；L為絕對輻射校正后輻射亮度，單位為W/(m2·sr·μm)。

L′=L·w·105

(2)

式中：w為帶寬，范圍為460～980 nm，取w=0.52 μm[19]；L′為統(tǒng)一量綱后的Luojia-1穩(wěn)定燈光平均影像的輻射亮度。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)3266號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖1 Luojia-1影像預(yù)處理結(jié)果

2 噪聲分析

將統(tǒng)一量綱后的Luojia-1穩(wěn)定燈光平均影像和天地圖影像疊加發(fā)現(xiàn)，在不應(yīng)該存在燈光的范圍(如森林、水域)依然存在殘留的背景噪聲，對這部分噪聲還需進(jìn)一步處理。另外，統(tǒng)一量綱后的Luojia-1穩(wěn)定燈光平均影像的輻射值的最大值遠(yuǎn)大于NPP/VIIRS的最大值，說明統(tǒng)一量綱后的Luojia-1穩(wěn)定燈光平均影像存在極大異常值需要剔除，否則會影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)空間化的結(jié)果，使得某些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化結(jié)果過大，不符合實(shí)際情況。

2.1 殘留的背景噪聲

將統(tǒng)一量綱后的Luojia-1穩(wěn)定燈光平均影像與天地圖影像疊加，發(fā)現(xiàn)影像存在殘留的背景噪聲。為了解這些噪聲輻射特性，人工提取了6 000個(gè)柵格樣本，其中966個(gè)位于城區(qū)周邊村莊，1 207個(gè)位于樣本村莊周圍的背景噪聲，其余的柵格為遠(yuǎn)離人類居住范圍的背景噪聲。統(tǒng)計(jì)輻射值和柵格數(shù)量發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離人類居住范圍的背景噪聲的輻射值較低，一般低于0.1。村莊周圍的背景噪聲和村莊范圍輻射值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。對比發(fā)現(xiàn)，雖然整體上村莊周圍的背景噪聲的數(shù)量隨輻射值的增大而減少，但是村莊周圍的背景噪聲和村莊的輻射值在1到1.5之前出現(xiàn)峰值重疊，說明影像在輻射值為1到1.5的區(qū)間存在大量的背景噪聲，且這部分背景噪聲無法通過閾值法與城區(qū)周圍村莊進(jìn)行區(qū)分。這個(gè)部分背景噪聲很有可能是周圍村莊燈光的溢出，周圍地物反射燈光產(chǎn)生的。

圖2 村莊周圍的背景噪聲和村莊范圍輻射值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 極大異常值

珞珈一號衛(wèi)星采用了大相對孔徑像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)、異形遮光罩雜光抑制、大像元高靈敏成像器件以及雙星敏定姿和雙頻GP定軌等手段，實(shí)現(xiàn)了高靈敏、高精度和大動態(tài)范圍的夜間燈光成像技術(shù)，使得拍攝的夜間燈光數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到NPP/VIIRS數(shù)據(jù)的5倍以上，并且具有更強(qiáng)的光感能力[20]。因此，與NPP/VIIRS相比，Luojia-1夜間燈光影像更能反映出城市內(nèi)部燈光的差異，同時(shí)存在更多需要處理的異高值。圖3是Luojia-1夜間燈光影像一處高輻射值區(qū)域的橫斷面，圖中反映出Luojia-1夜間燈光影像高輻射值區(qū)域內(nèi)存在輻射值突然變高的區(qū)域，且該區(qū)域有時(shí)會連片出現(xiàn)，這部分異高值可能是燈光相互疊加導(dǎo)致的。

3 去噪方法

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過簡單處理的Luojia-1平均影像存在殘留的背景噪聲和極大異常值。本文去噪的主要流程如圖4所示。

圖4 Luojia-1影像去噪流程圖

1)去除背景噪聲。Luojia-1平均影像的噪聲輻射值區(qū)間和低燈光輻射區(qū)間有重疊，如果使用閾值去除殘留背景噪聲會錯誤地刪除大量村莊的燈光。因此，本文選擇掩膜法去除Luojia-1夜間燈光平均影像的殘留背景噪聲。NOAA僅提供了2015年和2016年的年均數(shù)據(jù)，然而北京市城市發(fā)展迅速，使用這2期數(shù)據(jù)掩膜去噪忽略了新增燈光。本文將2018年9月的NPP/VIIRS月均數(shù)據(jù)以0.92為閾值去噪，使用去噪后的NPP/VIIRS月均數(shù)據(jù)剔除Luojia-1平均影像殘留的背景噪聲，去除背景噪聲的同時(shí)也盡可能地保留了新增燈光。

2)去極大異常值。降低異高值實(shí)際上就是使影像更平滑，常用方法是中值濾波[21]。中值濾波在去噪的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量改變。為了盡量保留數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，采用局部中值濾波處理數(shù)據(jù)的異高值，而局部中值濾波的關(guān)鍵是如何確定Luojia-1夜間燈光平均影像的異高值范圍。本文計(jì)算了每個(gè)柵格8鄰域的標(biāo)準(zhǔn)差STD，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，STD大于25 000的柵格不到總量的1%，且分布在異高值的周邊范圍。以STD大于25 000為邊界，確定影像輻射值超過1 751的柵格為異高值范圍的柵格，對這部分柵格進(jìn)行中值濾波。這樣，既能保留大部分的數(shù)據(jù)的分辨率，又把異高值降低到了正常值范圍。

4 結(jié)果與分析

4.1 去噪結(jié)果

本文經(jīng)過探索Luojia-1影像的輻射特性和噪聲特點(diǎn)，確定使用掩膜和局部中值濾波結(jié)合的去噪方法對Luojia-1影像進(jìn)行去噪處理，結(jié)果如圖5所示。去噪后的Luojia-1影像背景噪聲明顯減少，城區(qū)周邊的村莊等低輻射燈光區(qū)域也得到基本保留。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖 />號為GS(2019)3266號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖5 Luojia-1影像8鄰域的標(biāo)準(zhǔn)差圖

4.2 評價(jià)結(jié)果

普通影像的噪聲主要是光譜信號噪聲，通常采用信噪比和均方根誤差等指標(biāo)作為去噪效果評價(jià)參數(shù)。而對夜間燈光數(shù)據(jù)來說，噪聲主要來自由燈光外光源及物體的反射產(chǎn)生的背景噪聲和極大異常值高值，這2種噪聲對夜間燈光數(shù)據(jù)會產(chǎn)生不同的影響。背景噪聲雖然輻射值低，但會使燈光的面積增大，而極大異常值雖然面積小，但柵格輻射值大，應(yīng)用時(shí)擬合結(jié)果的影響較大。因此，本文通過統(tǒng)計(jì)在不同地類的燈光輻射(DN值大于0)柵格數(shù)來評價(jià)去背景噪聲的效果，同時(shí)統(tǒng)計(jì)夜間燈光數(shù)據(jù)輻射總值并與GDP和常住人口數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析來評價(jià)去極大異常值的效果。

表2 Luojia-1燈光輻射柵格統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，通過掩膜減少的燈光輻射柵格主要分布在林地、耕地和草地，分別占總減少燈光輻射柵格的74.23%、10.14%和10.02%。

同時(shí)，建設(shè)用地的燈光輻射有所減少，屬于錯誤去除燈光輻射，僅占原建設(shè)用地?zé)艄廨椛鋿鸥竦?.64%。由此看來，本文的去噪方法在盡可能保留建設(shè)用地?zé)艄廨椛涞耐瑫r(shí)去除了大部分背景噪聲。

表3 Luojia-1均值影像和去噪影像統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，影像輻射最大值由6 034.920下降到900.599，極大異常值下降到了合理區(qū)間。同時(shí)，與初步去噪的影像相比，去噪影像的輻射值總量有所減少，但是減少的是高出正常值的部分，且減少量僅占輻射總值的6.9%，說明在去除極大異常值時(shí)，對輻射總量的影響不大。

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)3266號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖6 Luojia-1影像去噪結(jié)果

為了探究去噪后的Luojia-1影像在人類活動相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用精度，計(jì)算北京市各行政區(qū)的夜間燈光輻射總量與相應(yīng)的GDP及人口數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表4所示。由表4可知，去噪處理使得影像與GDP和常住人口數(shù)據(jù)的相關(guān)性均有提升，說明本文采取的去噪方法有效去除噪聲的同時(shí)提高了影像在人類活動相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用精度；但影像與GDP的相關(guān)性較低，可能是因?yàn)橛跋窈虶DP數(shù)據(jù)獲取時(shí)間不一致。

表4 Luojia-1影像燈光輻射總量與GDP和常住人口數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)束語

作為新一代夜間燈光影像，珞珈一號衛(wèi)星影像分辨率高，輻射探測范圍廣，具有巨大的應(yīng)用潛力。應(yīng)用珞珈一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行去噪處理，使用本文方法去噪后的影像在人類活動相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用精度有所提升。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，需要提取影像中的不同信息，這些信息具有不同的輻射特性，進(jìn)而采取不同的去噪方法。隨著珞珈一號衛(wèi)星影像應(yīng)用范圍的不斷拓展，需要進(jìn)一步研究針對不同研究方向的去噪方法。