“环境一号”卫星遥感影像质量分析

“环境一号”卫星遥感影像质量分析摘要：环境一号卫星A/B光学卫星星座是我国第一个小卫星星座，为我国各个行业的卫星遥感应用提供了大量可用数据。本人通过随机抽取的卫星影像，利用多种计算机分析和人眼判定的方法，对卫星影像的质量进行了分析，获得其质量评定结果，并分析其应用范围。其相关结果可以给环境一号卫星的应用提供借鉴，也为未来我国发展多光谱宽幅中分辨率遥感卫星提供参考。关键词：环境一号遥感影像分析0前言环境一号A/B星是我国第一个遥感卫星小星座，从2008年9月发射至今已经在轨运行6年，超期服役3年，为我国环境保护、土地利用、农林监测和水资源保护等工作提供了大量遥感数据。环境一号A/B星的寿命即将终止，本文根据多个科研项目，评估环境一号星A/B的数据质量，分析其应用范围，为我国未来中分辨率遥感卫星规划提供参考。1环境一号遥感卫星星系概况环境一号卫星遥感减灾卫星星系由环境一号A星和B星组成，两颗卫星于2008年9月6日发射升空并于2009年4月在轨交付使用。A星和B星采用相同的卫星平台，A星和B星都搭载了分辨率达30m的CCD高分辨率相机，另外，A星还搭载了一台RSI相机，B星搭载一台HSI相机。由于单颗卫星的卫星周期时间是4天，A星与B星轨道差180度，因此两颗卫星组成的卫星星系，其获取地球上同一点的CCD影像周期是两天。CCD相机是两颗卫星的统一装备，从影像用途上看，CCD高分辨率遥感影像是应用范围最广的设备，因此分析环境一号遥感卫星星系的CCD影像，对于推广环境一号遥感数据的普及应用都有重要意义。2.影像特点和处理流程环境一号A/B遥感卫星CCD数据多光谱数据包括4个波段的光谱，即第1蓝光波段、第2绿光波段、第3红光波段和第4近红外波段。一般真彩遥感影像均通过3、2、1三波段影像合成和4、3、2影像合成获得最终影像。本次研究主要采用了3、2、1波段合成影像。影像数据处理过程包括光谱影像合成、影像纠正、影像增强处理和DEM融合，各个步骤主要工作如下：（1）影像融合利用3、2、1三个光波段的影像，分布置于红、绿、蓝处理端，进行影像合成操作，获得接近真彩影像的合成影像；（2）影像几何纠正环境一号卫星影像的原始数据（二级产品）定位误差较大，需要利用控制点成果对影像进行重新纠正，本次研究项目所有影像纠正都是每幅影像利用7个以上的地面特征点进行二次多项式纠正。影像几何纠正后的精度约为2――3个像元精度，实际定位精度在30――90米。（3）影像增强由于遥感影像在获取过程中受到大气或者天气以及相机因素的影响，带有少量噪声或者对比度不够等，因此需要对影像进行增强处理，包括辐射增强、直方图均衡化、降噪处理、空间域增强和频率域增强等。（4）DEM融合利用DEM栅格数据和遥感影像融合，可以提高影像解译能力。本次研究采用了美国NASA的全球DEM数据融合，取得较好效果。3.影像评估3.1影像评估方法遥感影像质量影响因素包括：环境（如大气散射）、随机误差或系统故障、地面处理问题等。因此本次影像分析处理采用以下几种方式对影像的质量：（1）影像直方图中单个亮度值出现频率分析（2）影像中某一位置或区域像元亮度值评估分析（3）一元或多元统计分析，判断影像数据正常性（4）多元统计量确定波段时间相关（5）目视判读识别物本次研究抽取了一幅典型的影像进行分析，通过综合分析评估影像平均质量。3.2影像评估过程3.2.1直方图评价直方图是影像亮度值频率统计的图形表达方式横坐标（x）是影像某波段值的量化等级，纵坐标（y）代表这些亮度值出现的频率。直方图分析是一种原始数据质量的评价方式，同时也是评价光学多光谱影像和其他类型遥感影像的主要方法。图1是影像的四个波段直方图。从四个波段的直方图上评价，各个波段的曲线比较稳定，RGB的极值相差不大，其光谱反射角均衡。3.2.2影像的一元统计和多元统计影像的一元统计和多元统计分析可以从影像中分析影像质量集中趋势测度和离散度的统计。其中最主要的多方式是遥感数据集中趋势测度计算，包括采用中值分布曲线计算方法，采用所有亮度观测值和综合除以观测值个数来度量集中趋势。单波段影像均值由n个亮度值计算获得，其公式如公式1所示。（1）式中是总体均值的无偏估计。（1）离散度分布均值的离散度可以提供影像有用信息，如遥感载荷的可靠性和CCD相机稳定性等因素，离散度计算最常用的方法是样板方差计算方法，其计算方法如公式2所示。（2）式中代表离差平方和。同时可以采用标准差方法计算单波段影像像元亮度值标准差小则表示观测值比较紧密集中于中心值周，标准差大则表示观测值比较分散，影像质量不稳定。（2）多元统计多波段遥感数据数据协方差分析利用不同像元的遥感光谱观测值分析影像演化的相同点，获得一个波段的亮度值变化与另一个波段亮度值变化的关系。因此计算它们的相关性以获得不同波段之间的关联关系。首先需要计算离均差乘机和，计算公式如公式3所示（3）其中是第k波段第i个亮度值，研究区域由n个像元组成。第k波段和第l波段的均值分别是和。同时可以利用公式4提高计算效率。（4）称为非离均差乘积和。如果k和l相同，则得到与离差平方和，即=则第k波段和第l波段的亮度值协方差等于多波段遥感数据相关分析为了不受量纲影响的方法评价变量间，可以采用皮尔逊积矩相关系数分析界定多波段遥感数据。公式中采用了两个波段（k和l）之间之间的协方差和标准差乘积来界定。根据以上计算方法，此次研究中应用了一幅九级以上无云层影像进行分析，分析结果如表所示。环境一号4个波段影像统计分析表2波段号1（0.43-0.52）2（0.52-0.60）3（0.63-0.69）4（0.76-0.90）一元统计量平均值48.2523.4821.4526.30标准差8.254.325.6814.52方差94.8935.4557.64214.72最小值4819137最大值198112143115方差――协方差矩阵198.25254.3234.12367.7542.8862.32471.2446.5734.49197.25相关矩阵1120.97130.890.89140.520.620.691由于蓝光波段的瑞利散射和米氏大气散射影像，是第一波段的亮度值变化最大。在北部湾海洋水体地区，水体吸收了大多数近红外辐射通量，因此部分地区近红外（第四波段）的最小值接近于0。1、2、3波段之间有很高的相关性（r?R0.95），说明这几个通道存在大量的冗余光谱信息。第四波段与1、2、3波段之间的相关性较低。3.2.3目视判读本次对环境一号321三波段影像四幅影像进行了目视判读，主要分析影像中各种地物的可判辨度、信息获取量以及影像判读难度等。环境一号遥感影像中，通过目视判读分析其数据质量获得各种信息，本次研究采用了环境一号影像中质量差、中、好三类影像进行目视判读分析。环境一号CCD影像对各种地面物和属性的识别程度如表3所示。4结论4.1影像质量和优势从数据分析结果和人工目视判读结果，“环境一号”的影像平均质量较佳，其质量可以达到landsat5卫星遥感影像质量水平。但是波段数较少，数据质量波动较大。但是由于A/B两颗卫星构成的星座最快更新周期为两天，且每颗卫星都采用双CCD相机模式，相机幅面宽，宏观性好。可以实现快速对地观测。4.2影像可用范围根据实际对比分析和分类，以及在实际中的应用效果，在环境一号A/B星CCD遥感影像的应用领域评估中，得到以下评估结论：（1）1：25万地形图编绘和更新能力环境一号A/B星由于其畸变差较大，且缺少相关参数，因此无法实现异轨立体成像，同时对1：25万成图要求的地物识别能力有限，因此无法直接进行1：25万图的编绘。但是由于影像对道路、地块和大型水体有一定的识别能力，因此具备对1：25万地形图要素一定的更新能力；（2）水质分析由于环境一号A/B星CCD影像波段数较少，较难获得基于水体的基本信息，对于精确分析水质情况比较困难，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，如对云南滇池水藻污染的分析和墨西哥湾油污染监控等。（3）土地利用监测环境一号CCD影像出色的时间分辨率和中等空间分辨率以及较大的幅面宽，因此可以监测大规模的土地变化，如工业用地变化、农业用地变化、林地变化和城市扩展等，但是不能详细计算出变化面积，变化量测精度在0.3平方千米左右。（4）海岸带监测环境一号CCD影像对海岸带变化监测分析能力主要体现在对海岸工程和海岸线大规模变化的监测，同时可以监测海岸生物带特别是红树林的长势。（5）道路规划在环境一号CCD影像上，可以分辨高速公路、一级公路、部分二级公路和铁路。由于对山体和水体等道路规划中有影响的地物能够进行比较清晰分辨，因此可以用于高等级公路的概括性规划。（6）灾害损失评估在大型灾害，如泥石流、洪灾和旱灾后，对受灾地区和淤泥堆积情况以及水稻、玉米、甘蔗等农作物损失情况进行评估。评估精度可以达到20%以上。4.3影像缺点（1）分辨率较低环境一号A/B卫星CCD相机的分辨率是30米，虽然相幅比较宽，但是30米的分辨率仍然处于中分辨率和高分辨率之间，对地物识别能力较差，对村一级居民地、普通公路和三级以上水系等重要地物识别比较困难。（2）二级产品定位精度较差环境一号A/B卫星CCD相机的二级产品定位是通过卫星CCD传感器参数和卫星轨道参数计算，计算精度差，且未能用地面DEM进行影像纠正，影像定位精度较差，其精度在300m――1200m之间，二级产品应用一般要利用地面控制点进行重新定位配准。（3）波段较少环境一号CCD影像相机只有4个波段，对地物识别能力精确度不足，而Landsat5和Landsat7卫星多光谱CCD传感器的光谱段达7个，EO-1卫星的CCD相机的光谱段达9个，通过反射光谱对地物识别准确率很高。5结论环境一号卫星虽然在最高分辨率、影像最佳质量、光谱分辨率上与美国最新的Landsat8中分辨率遥感卫星还有一定的差距，但是其拥有周期短、宽像幅等特点。在相同周期内，其可用数据要远高于Landsat8，其优势也是非常明显的。中分辨率卫星遥感影像的信息宏观性和时间分辨率要优于高分辨率卫星遥感影像，故即使在今天，其作用仍然是不可替代的。未来我国应该继续大力发展10米-20米的中分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率遥感卫星，其应用潜力广泛。参考文献：[1]王桥.基于环境一号卫星的生态环境遥感监测[M]，北京，科学出版社，2010。[2]周城虎.遥感影像地学理解与分析[M]，北京，科学出版社，1999。