蘇祥祥, 李永康, 朱永基, 陶新宇,祝雪晴, 劉吉?jiǎng)P, 李新偉,3*

(1.安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽省農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化利用與耕地質(zhì)量提升工程研究中心,安徽 鳳陽 233100;3.安徽省作物智慧種植與加工技術(shù)工程研究中心,安徽 鳳陽 233100)

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有全方位、快速高效獲取地面資源和環(huán)境信息的優(yōu)勢,在農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用[1-3]。在遙感觀測中,由于光學(xué)傳感器獲取的影像數(shù)據(jù)易受氣象條件、重返周期、成像時(shí)間和角度等因素的影響[4],導(dǎo)致單顆衛(wèi)星難以獲取長時(shí)間序列的影像數(shù)據(jù)。為了解決這一問題,開始出現(xiàn)多顆衛(wèi)星組網(wǎng)或協(xié)同觀測研究[5]。然而,異源傳感器數(shù)據(jù)能否協(xié)同使用還需考慮其光譜信息的一致性問題[6]。

近年來,大量研究開展了異源傳感器光譜數(shù)據(jù)的一致性分析。Wang等[7]通過對GF-1/WFV、ZY-3/MUX和HJ-1/CCD傳感器數(shù)據(jù)的對比分析,發(fā)現(xiàn)紅光和近紅外波段的標(biāo)準(zhǔn)差由高到低依次為ZY-3/MUX>GF-1/WFV>HJ-1/CCD。針對異源傳感器的光譜差異,Chastain等[8]對比了Sentinel-2/MSI、Landsat-8/OLI和Landsat-7/ETM+對應(yīng)波段地表反射率,發(fā)現(xiàn)各波段間的均方根誤差處于0.012 1～0.039 8之內(nèi)。為了降低差異,學(xué)者們提出了線性轉(zhuǎn)換方法,通過線性模型將異源傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成目標(biāo)數(shù)據(jù),能有效減少因傳感器差異導(dǎo)致的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的不確定性,降低變化檢測中因數(shù)據(jù)源差異所帶來的誤差[9-10]。孫元亨等[11]利用GF-4/PMS與GF-1/WFV地表反射率數(shù)據(jù)構(gòu)建了線性回歸模型,發(fā)現(xiàn)GF-4的NDVI數(shù)據(jù)通過線性轉(zhuǎn)換后與GF-1的一致性有所提升,轉(zhuǎn)換前后的相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.77。徐光志等[12]對比分析了Sentinel-2A/MSI和Landsat-8/OLI傳感器數(shù)據(jù),并利用線性模型縮小了數(shù)據(jù)差異,轉(zhuǎn)換后對應(yīng)波段的均方根誤差(RMSE)降低了35.71%。吳曉萍等[13]分析了GF-2/PMS2與ZY-3/MUX多光譜傳感器數(shù)據(jù)間的定量關(guān)系,經(jīng)過線性模型轉(zhuǎn)化后其RMSE降幅達(dá)64.79%。蔣喬靈等[14]建立了GF-1/PMS2與GF-2/PMS2各波段間的線性轉(zhuǎn)換模型,結(jié)果表明經(jīng)轉(zhuǎn)化后可明顯降低誤差,其中對藍(lán)光和綠光波段,RMSE下降高達(dá)75%。

高分六號(簡稱GF-6)衛(wèi)星于2018年6月2日成功發(fā)射,是中國首顆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測的低軌光學(xué)遙感高分衛(wèi)星,具有高分辨率和寬覆蓋相結(jié)合的特點(diǎn),能與在軌的高分一號(簡稱GF-1)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,組網(wǎng)后可以大幅度提高對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草原等資源監(jiān)測能力[15]。然而二者數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用的一致性及其對應(yīng)光譜波段間的性能差異鮮有報(bào)道。因此,本研究基于2對(3幅)同步影像,選取GF-6/WFV與GF-1/WFV1、GF-1/WFV2的傳感器影像數(shù)據(jù),采用樣區(qū)均值法進(jìn)行對比,分析其光譜數(shù)據(jù)間的差異,通過建立GF-1/WFV1、GF-1/WFV2與GF-6/WFV數(shù)據(jù)的線性轉(zhuǎn)化模型并進(jìn)行驗(yàn)證,以期為GF-6與GF-1衛(wèi)星WFV數(shù)據(jù)的協(xié)同和融合應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

高分辨率對地觀測系統(tǒng)作為中國重大科技專項(xiàng)(高分專項(xiàng))已發(fā)展了10余年,大幅提升了中國遙感數(shù)據(jù)獲取的便捷性和應(yīng)用能力[16]。GF-1作為該專項(xiàng)的首顆衛(wèi)星,于2013年4月26日發(fā)射,具有高空間與時(shí)間分辨率,并在農(nóng)業(yè)[17]、信息提取[18]、參數(shù)反演[19]等領(lǐng)域取得深入的研究成果。2018年發(fā)射的GF-6作為GF-1的“姊妹星”,具有相同的空間分辨率、幅寬以及重訪周期,同樣應(yīng)用廣泛[20-23],不同的是GF-6/WFV有8個(gè)波段,而GF-1/WFV僅有4個(gè)波段。為探究二者協(xié)同觀測的潛力,本研究僅對二者共有的波段進(jìn)行分析,GF-6與GF-1的WFV具體參數(shù)見表1。

表1 GF-6/WFV與GF-1/WFV數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置

本研究選擇的GF-6/WFV、GF-1/WFV1和GF-1/WFV2數(shù)據(jù)前后相差1天,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,成像光照穩(wěn)定,太陽高度角與方位角相近(圖1),詳細(xì)信息參見表2。數(shù)據(jù)來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http://www.cresda.com),獲取時(shí)間分別為2021年10月17日和10月18日,數(shù)據(jù)原始處理級別為L1級。

表2 GF-6/WFV與GF-1/WFV影像對信息

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于衛(wèi)星傳感器在成像過程中受到傳感器、大氣、太陽輻射、日地距離等因素影響,產(chǎn)生輻射畸變,干擾衛(wèi)星傳感器間的交互對比精度,需在數(shù)據(jù)預(yù)處理中進(jìn)行必要的輻射校正。利用式(1)將原始獲取的數(shù)字量化值(DN)轉(zhuǎn)換為輻亮度值。

L(λ)=Gain×DN+Bias

(1)

其中,Gain為定標(biāo)斜率;DN為衛(wèi)星載荷觀測值;Bias為定標(biāo)截距;L(λ)為波段的輻亮度,單位為W/(m2·sr·μm),定標(biāo)系數(shù)來自中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心。

進(jìn)一步將輻亮度值L(λ)轉(zhuǎn)化為地表反射率數(shù)據(jù)(ρ),通過正規(guī)化不同影像之間的太陽天頂角差異和日地距離,以降低因太陽光照和不同地形所造成的影響,具體公式為[24]:

ρ=πL(λ)d2/(EScosθS)

(2)

其中,ES是大氣頂部的平均太陽輻照度;d為日地天文距離;θS為太陽天頂角。

為消除大氣對地表反射率的影響,采用ENVI 5.3軟件的FLAASH模塊對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣效應(yīng)校正。FLAASH(Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)能夠有效地減少氣溶膠散射效應(yīng)與修正像元間的“鄰近效應(yīng)”并獲得真實(shí)地表反射率。根據(jù)研究區(qū)的地貌特征和影像數(shù)據(jù)元文件選擇校正參數(shù),關(guān)鍵參數(shù)包括傳感器類型、數(shù)據(jù)獲取日期、衛(wèi)星過境日期、大氣模型(中緯度夏季)、氣溶膠模型(Rural)等。

1.3 交互對比方法

采取樣區(qū)均值法進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)對比分析,即在2對影像數(shù)據(jù)中選取位置一致的感興趣區(qū)(Region of Interest,ROI),統(tǒng)計(jì)ROI樣區(qū)內(nèi)的光譜均值進(jìn)行對比。本研究在研究區(qū)1和2中各選取200個(gè)ROI區(qū)域,共400個(gè)像元數(shù)適中、面積適宜、地形平坦、地物純凈的樣區(qū)。二者數(shù)據(jù)的差異程度利用相對偏差率(Mean Error,ME)和均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)來衡量,計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)特征分析

基于2對研究區(qū)影像所選的400個(gè)ROI同質(zhì)樣區(qū),利用式(1)、(2)將研究區(qū)影像的DN值轉(zhuǎn)化成地表反射率數(shù)據(jù),求出每個(gè)樣區(qū)的地表反射率均值,并依此統(tǒng)計(jì)各波段地表反射率的最小值、均值和最大值,計(jì)算各波段反射率均值的ME和RMSE(表3)。GF-1/WFV的地表反射率高于GF-6/WFV,但GF-1/WFV與GF-6/WFV的數(shù)據(jù)之間差異不明顯,具有較好的一致性。從波段間的偏差來看,除研究區(qū)1中藍(lán)光波段ME為正值外,在其他3波段和研究區(qū)2全部波段的數(shù)據(jù)特征中ME均為負(fù)值,表明GF-6/WFV的地表反射率總體上略低于GF-1/WFV,其中偏低GF-1/WFV1約9.327%,偏低GF-1/WFV2約13.573%。進(jìn)一步分析可知,GF-6/WFV與GF-1/WFV數(shù)據(jù)之間的差異會隨著波長的增加而進(jìn)一步加劇,但研究區(qū)1的近紅外波段除外,造成研究區(qū)1的近紅外波段的ME較低的主要原因是GF-1低值區(qū)數(shù)據(jù)明顯高于GF-6,在一定程度上抬高了GF-1的均值,這可能是由于二者光譜響應(yīng)函數(shù)的差異所致。

表3 基于ROI的GF-1/WFV與GF-6/WFV地表反射率的統(tǒng)計(jì)特征

2.2 相關(guān)性分析

由圖2可知,GF-6/WFV與GF-1/WFV1和GF-1/WFV2的對應(yīng)波段具有顯著的線性相關(guān)性,擬合方程的R2值均大于0.940(P<0.001)。除GF-1/WFV1傳感器的藍(lán)光波段外,其余對應(yīng)波段的地表反射率數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在1∶1線的下方,表明GF-1/WFV傳感器的地表反射率強(qiáng)度高于GF-6/WFV。隨著波長的增加,數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布位置越偏離1∶1線,說明在波段間的差異隨波長而增加,該結(jié)果與表3的分析結(jié)果一致。

近紅外波段數(shù)據(jù)點(diǎn)分布零散,其低值區(qū)遠(yuǎn)離1∶1線,中值及高值區(qū)逐漸靠近1∶1線,而紅光波段數(shù)據(jù)點(diǎn)卻接近平行地聚集在1∶1線下方(圖2a),這與表3中研究區(qū)1近紅外波段的ME低于紅光波段,RMSE則高于后者的結(jié)論一致。藍(lán)光波段數(shù)據(jù)點(diǎn)在低值區(qū)位于1∶1線下方,而在中值區(qū)和高值區(qū)均勻分散在1∶1線上,隨著波長的增加,數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度變大(圖2b),與圖2a趨勢一致。GF-1/WFV1和WFV2與GF-6/WFV的對比結(jié)果(圖3)表明,GF-6/WFV的波段反射率低于GF-1/WFV,在低值區(qū)的偏離更顯著,說明二者可能對暗目標(biāo)(如純凈水體、濃郁的植被、陰影等)的觀測存在信息偏差。

圖2 研究區(qū)1、2 GF-6/WFV和GF-1/WFV的地表反射率圖Fig.2 Surface reflectance plots of GF-6/WFV and GF-1/WFV in study areas 1 and 2

2.3 轉(zhuǎn)換方程驗(yàn)證

利用各波段的轉(zhuǎn)換方程(圖3),將GF-1/WFV1和GF-1/WFV2模擬至GF-6/WFV對應(yīng)波段,然后將模擬數(shù)據(jù)與GF-6/WFV原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,計(jì)算ME和RMSE,并與轉(zhuǎn)換前的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,以此評價(jià)轉(zhuǎn)換方程的精度(表4、圖4)。

圖3 研究區(qū)的GF-6/WFV和GF-1/WFV的地表反射率匯總圖Fig.3 Summary plot of surface reflectance of GF-6/WFV and GF-1/WFV in the study area

表4 轉(zhuǎn)換方程驗(yàn)證前后的統(tǒng)計(jì)特征值對比

圖4 模擬轉(zhuǎn)換后對應(yīng)波段對比圖Fig.4 Comparison of matched bands after the simulated transformation

為準(zhǔn)確表達(dá)差異程度的變化,衡量對比數(shù)據(jù)的相對偏差率和均方根誤差的變化率,計(jì)算公式如下:

(5)

因ME已經(jīng)是百分?jǐn)?shù),故其變化計(jì)算公式為:

ME變化=|模擬后|-|模擬前|

(6)

驗(yàn)證結(jié)果表明,GF-1通過轉(zhuǎn)換方程模擬成GF-6數(shù)據(jù)后,各波段ME和RMSE均明顯降低,各波段的數(shù)據(jù)點(diǎn)相較于模擬前更接近1∶1線,模擬數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)基本一致,RMSE均不超過0.01。GF-1/WFV1模擬轉(zhuǎn)換后,ME均值降幅達(dá)8.351%,其中原差異較大的紅光波段降幅接近15%,RMSE的均值降幅可達(dá)56.435%;GF-1/WFV2模擬轉(zhuǎn)換后,ME的均值降幅為11.119%,RMSE的均值降幅更是在60%以上。表明所得的GF-1/WFV與GF-6/WFV轉(zhuǎn)換方程具有較高的準(zhǔn)確性,可有效提升2顆衛(wèi)星的組網(wǎng)觀測的一致性,對監(jiān)測地表變化、采集地面信息具有重要意義。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明,GF-1/WFV與GF-6/WFV傳感器數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性,但仍存在一定程度的差異。GF-1/WFV的地表反射率總體上高于GF-6/WFV,并且差異隨著波長的增加逐步變大,這可能是由于它們的光譜響應(yīng)函數(shù)、傳感器定標(biāo)精度等因素導(dǎo)致。

光譜響應(yīng)函數(shù)的差異使得傳感器在接收到相同的入瞳輻射度時(shí)響應(yīng)的數(shù)字量化值不同,進(jìn)而影響到地表反射率[25-27]。雖然二者傳感器的波段設(shè)置一致(表1),但其光譜響應(yīng)函數(shù)卻存在較大的差異。由圖5所示,GF-6/WFV的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線不穩(wěn)定,整體起伏變化大。在藍(lán)光波段,GF-6/WFV與GF-1/WFV光譜響應(yīng)范圍較為一致,綠光波段、紅光波段和近紅外波段的光譜響應(yīng)偏差逐漸變大,表4中各波段的RMSE也隨波段的增加逐步變大,說明光譜響應(yīng)函數(shù)是造成GF-6/WFV與GF-1/WFV1和GF-1/WFV2之間地表反射率差異的因素之一。

圖5 GF-1/WFV1、GF-1/WFV2與GF-6/WFV的光譜響應(yīng)函數(shù)Fig.5 Relative spectral response functions of GF-1/WFV1, GF-1/WFV2, and GF-6/WFV

定標(biāo)精度直接影響地表反射率的解算,進(jìn)而影響GF-6/WFV與GF/1/WFV傳感器間的數(shù)據(jù)對比結(jié)果[28]。GF-1于2013年發(fā)射,設(shè)計(jì)壽命為5～8年,目前處于“超期服役”狀態(tài)中,傳感器不可避免地發(fā)生老化,導(dǎo)致輻射性能衰減[29]。丁闖等[30]以輻射定標(biāo)精度較高的MODIS作為參考衛(wèi)星,基于敦煌輻射定標(biāo)場對GF-1/WFV開展交互定標(biāo),結(jié)果表明4個(gè)波段的不確定度為2.99%、1.84%、2.22%、2.97%。紀(jì)睿等[31]利用MODIS數(shù)據(jù)對GF-6/WFV進(jìn)行單場地交叉定標(biāo)和多場地交叉定標(biāo),結(jié)果發(fā)現(xiàn)各波段間的不確定度為1.94%、1.91%、1.92%、2.77%。結(jié)果表明,GF-6/WFV的定標(biāo)精度要高于GF-1/WFV。

此外,除了上述的系統(tǒng)性誤差外,還存在一定的隨機(jī)誤差,這可能是多種因素協(xié)同作用造成的,例如,GF-6和GF-1在成像時(shí)的太陽方位角和觀測方位角不完全一致,會導(dǎo)致地表反射率的方向性特征產(chǎn)生偏移,從而影響傳感器獲取的反射率結(jié)果[32-33]。

綜上,本研究基于2對同步影像,采用樣區(qū)均值法對GF-6/WFV和GF-1/WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析,確定了其光譜數(shù)據(jù)的差異關(guān)系,據(jù)此構(gòu)建了線性模型并進(jìn)行驗(yàn)證。GF-6/WFV與GF-1/WFV傳感器的地表反射率表現(xiàn)出高度的一致性(R2>0.942),但也存在一定的差異。通過分析發(fā)現(xiàn)這種差異主要是由光譜響應(yīng)函數(shù)、傳感器定標(biāo)精度等所致。GF-6/WFV的地表反射率低于GF-1/WFV,具體表現(xiàn)在GF-6/WFV的地表反射率低于GF-1/WFV1約9.327%,低于GF-1/WFV2約13.573%,且差異呈現(xiàn)出隨著波長的增加而逐漸變大的趨勢,在藍(lán)光波段差異較小,在綠光、紅光、近紅外波段上逐步變大。鑒于這些數(shù)據(jù)差異的存在,若2顆衛(wèi)星應(yīng)用于同一長時(shí)間序列的監(jiān)測中,不宜直接替代使用,建議對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換,采用線性轉(zhuǎn)化方程對GF-1/WFV1和GF-1/WFV2進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后可顯著減少傳感器數(shù)據(jù)之間的差異,對GF-1/WFV1和WFV2,RMSE均值降幅分別為56.435%和62.222%,該轉(zhuǎn)化方程可大幅提升2顆衛(wèi)星的組網(wǎng)觀測的精準(zhǔn)度,對監(jiān)測地表變化、采集地面信息具有重要意義。

由于本研究所獲取的GF-1/WFV影像數(shù)據(jù)有限,僅使用了GF-1的WFV1和WFV2傳感器數(shù)據(jù)與GF-6/WFV數(shù)據(jù)回歸擬合得到了地表反射率的轉(zhuǎn)換方程,WFV3和WFV4數(shù)據(jù)的回歸擬合還有待進(jìn)一步探索。此外,本研究選擇的研究區(qū)類型較為單一,在未來的研究中要考慮更多的地物類型以展開深入的對比分析。