資源三號(hào)影像質(zhì)量及測(cè)圖應(yīng)用評(píng)價(jià)

白 穆，張 勤，吳曉春

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054)

資源三號(hào)影像質(zhì)量及測(cè)圖應(yīng)用評(píng)價(jià)

白 穆，張 勤，吳曉春

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054)

從影像輻射質(zhì)量和影像實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面，對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)從輻射精度、信息量、清晰度、信噪比和紋理特征等方面進(jìn)行，通過(guò)對(duì)比相近時(shí)相的ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)優(yōu)于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)；影像實(shí)際應(yīng)用評(píng)價(jià)則通過(guò)秦嶺地區(qū)1∶25 000和1∶50 000測(cè)圖成果精度分析來(lái)進(jìn)行，結(jié)果顯示DEM高程精度、DOM平面精度和DLG采集精度均符合現(xiàn)行成果標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿足國(guó)家基礎(chǔ)比例尺測(cè)圖要求。

資源三號(hào)；ALOS；圖像；質(zhì)量評(píng)價(jià)；紋理特征

一、引 言

2012年1月9日，我國(guó)首顆民用測(cè)繪衛(wèi)星資源三號(hào)發(fā)射升空。該衛(wèi)星搭載了4臺(tái)高分辨率光學(xué)相機(jī)(正視、前視、后視和正視多光譜)，不僅可用于常規(guī)的資源調(diào)查、農(nóng)情監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃、海域環(huán)境監(jiān)測(cè)和重大工程監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，其具備的三線陣立體成像功能還可生成立體影像產(chǎn)品，填補(bǔ)了我國(guó)在立體測(cè)圖衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的空白，在服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)方面具有重要意義。

遙感影像質(zhì)量及應(yīng)用評(píng)價(jià)是遙感影像數(shù)據(jù)使用的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，它是連接衛(wèi)星傳感器研制與遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要紐帶[1]。張霞等[2]在對(duì)中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星紅外多光譜掃描儀(IRMSS)4個(gè)波段零級(jí)圖像進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，從圖像信噪比、地面分解力、清晰度、輻射精度、反差等5個(gè)指標(biāo)對(duì)圖像進(jìn)行了全面的質(zhì)量評(píng)價(jià)；楊忠東等[3]對(duì)中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星的CCD數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量開展評(píng)價(jià)，并結(jié)合ETM＋(enhanced thematic mapper plus)數(shù)據(jù)開展交叉定標(biāo)研究；孫中平等[4]從圖像工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和影像應(yīng)用質(zhì)量評(píng)價(jià)兩個(gè)方面，對(duì)環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD影像與同時(shí)相Landsat TM影像進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)；Engel-Cox等[5]對(duì)MODIS在區(qū)域尺度空氣質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用做了充分說(shuō)明?？傮w而言，一方面從傳感器光譜響應(yīng)能力和輻射量角度對(duì)在軌衛(wèi)星的影像輻射質(zhì)量進(jìn)行評(píng)測(cè)；另一方面是從影像數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

因此，本文分別從上述兩個(gè)角度對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，利用輻射精度、信息量、清晰度、信噪比、紋理特征分析衛(wèi)星的影像輻射質(zhì)量。影像實(shí)際應(yīng)用評(píng)價(jià)則通過(guò)將該衛(wèi)星影像應(yīng)用于測(cè)圖工作而進(jìn)行，即從DEM高程精度、DOM位置精度和DLG采集精度等方面進(jìn)行分析。

二、研究區(qū)和數(shù)據(jù)源說(shuō)明

本文研究區(qū)位于陜西省秦嶺山地區(qū)中部，地形類別為高山地，如圖1所示。研究區(qū)內(nèi)地物類型無(wú)顯著變化。

圖1 研究區(qū)影像分布圖

資源三號(hào)衛(wèi)星軌道為太陽(yáng)同步圓軌道，軌道高度505.984 km，回歸周期為59 d，衛(wèi)星具有側(cè)擺功能，重訪周期可為5 d[6]。該衛(wèi)星的前視相機(jī)和后視相機(jī)的波長(zhǎng)范圍為0.5～0.8 μm，空間分辨率3.5 m，幅寬52 km；正視相機(jī)的波長(zhǎng)范圍為0.5～0.8 μm，空間分辨率2.1 m，幅寬51 km；正視多光譜相機(jī)的波長(zhǎng)范圍為藍(lán)色(0.45～0.52 μm)、綠色(0.52～0.59 μm)、紅色(0.63～0.69 μm)和近紅外(0.77～0.89 μm)，空間分辨率6 m，幅寬51 km[7]。

資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)由測(cè)繪衛(wèi)星應(yīng)用中心提供，產(chǎn)品級(jí)別為SC，包括正視影像、前視影像、后視影像和正視多光譜影像，如表1所示。正視影像和多光譜影像主要用于影像質(zhì)量評(píng)價(jià)和DOM以及DLG生產(chǎn)評(píng)價(jià)，前視和后視影像主要用于DEM生產(chǎn)評(píng)價(jià)。其他輔助資料包括ALOS，全野外實(shí)測(cè)GPS控制點(diǎn)。

表1 影像數(shù)據(jù)信息表

三、衛(wèi)星影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文選擇ALOS衛(wèi)星與資源三號(hào)衛(wèi)星同一地區(qū)影像數(shù)據(jù)，用于衛(wèi)星影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)比。ALOS衛(wèi)星是由日本國(guó)家空間發(fā)展局于2006年發(fā)射升空的，其在測(cè)圖、區(qū)域性觀測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、技術(shù)發(fā)展等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。

1.輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)輻射精度包括均值、方差、偏斜度、陡度、邊緣輻射畸變和增益調(diào)整畸變6項(xiàng)參數(shù)，是表達(dá)單幅圖像輻射狀態(tài)的信息。輻射精度的具體計(jì)算公式可見文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]。

2)信息量是反映圖像包含地物信息詳細(xì)程度的指標(biāo)，一般用熵來(lái)表示[9]。信息熵與遙感影像的灰度變化程度直接相關(guān)，是影像無(wú)序程度的度量，能很好地反映遙感影像所表達(dá)的信息范圍與不確定性，通常采用shannon信息熵表示。shannon信息熵的具體計(jì)算公式可見文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]。

3)清晰度反映了圖像細(xì)節(jié)邊緣變化的敏銳程度，可度量圖像對(duì)微小細(xì)節(jié)的方差表達(dá)能力。本文采用由邊緣銳度方法改進(jìn)得到的點(diǎn)銳度算法計(jì)算清晰度指標(biāo)。清晰度的具體計(jì)算公式可見文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]。

4)信噪比表達(dá)影像受干擾的程度。本文假設(shè)圖像噪聲為高斯噪聲分布，采用方差法估算進(jìn)行計(jì)算。信噪比的具體計(jì)算公式可見文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[8]。

5)紋理特征分析是對(duì)圖像解譯的重要信息——紋理特征進(jìn)行衡量的重要環(huán)節(jié)。影像紋理特征一般采用灰度共生矩陣方式進(jìn)行。灰度共生矩陣含有影像灰度中關(guān)于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜合信息，能很好地反映影像紋理細(xì)節(jié)、邊緣突變的情況，可以用來(lái)檢測(cè)影像的條帶噪聲和掉線情況[4]。本研究選擇同質(zhì)性、對(duì)比度和角二階矩3種紋理特征參數(shù)，具體的計(jì)算公式見文獻(xiàn)[10]。

2.評(píng)價(jià)結(jié)果分析

資源三號(hào)的輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)分析研究是根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行，通過(guò)資源三號(hào)和ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，評(píng)價(jià)資源三號(hào)數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量，見表2和表3。

表2 資源三號(hào)和ALOS衛(wèi)星輻射精度評(píng)價(jià)結(jié)果表

表3 資源三號(hào)和ALOS信息量、清晰度、信噪比和紋理特征評(píng)價(jià)結(jié)果表

(1)輻射精度對(duì)比分析

從表2可以看出，在均值和方差方面，資源三號(hào)衛(wèi)星的全色波段、藍(lán)色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段均高于ALOS衛(wèi)星，這是由于資源三號(hào)采用無(wú)符號(hào)整型(0～65 535)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而ALOS衛(wèi)星采用的是字節(jié)型(0～255)。這就說(shuō)明資源三號(hào)衛(wèi)星所接收的光能更多，更有利于看清楚圖像中的目標(biāo)地物，而且圖像灰度層次較ALOS豐富。影像的偏斜度和陡度方面，資源三號(hào)衛(wèi)星的值均比ALOS衛(wèi)星的值偏小，而且相差至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，反映在直方圖分布上較為均勻。綜合對(duì)比邊緣輻射畸變和增益調(diào)整畸變，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)也均優(yōu)于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

(2)信息量對(duì)比分析

圖像信息量對(duì)比如表3所示。資源三號(hào)衛(wèi)星的全色波段、藍(lán)色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段所包含信息量分別是ALOS衛(wèi)星相應(yīng)波段所含信息量的159.48%、135.37%、134.03%、129.43%和157.55%。因此，利用資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)生產(chǎn)傳統(tǒng)真彩色模式的DOM將獲得比ALOS衛(wèi)星的DOM結(jié)果更多的信息量，如果采用標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方案，資源三號(hào)影像數(shù)據(jù)的信息量將更為豐富。

(3)清晰度對(duì)比分析

在清晰度方面，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)各波段均高于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)3～10倍。圖像清晰度影響著人眼的主觀感覺，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高反差地物的細(xì)節(jié)、輪廓等可辨識(shí)能力方面明顯超過(guò)了ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采用字段長(zhǎng)度更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)優(yōu)于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要原因。

(4)信噪比對(duì)比分析

資源三號(hào)衛(wèi)星的全色數(shù)據(jù)與ALOS全色數(shù)據(jù)信噪比間存在著一定的差距。然而資源三號(hào)響應(yīng)藍(lán)色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段的多光譜傳感器與ALOS衛(wèi)星多光譜傳感器在信噪比方面并無(wú)明顯差距，質(zhì)量相當(dāng)。

(5)紋理特征對(duì)比分析

紋理特征是遙感影像目視解譯和機(jī)助解譯的重要信息。從表3的計(jì)算結(jié)果上看，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同質(zhì)性低于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，反映了相鄰像素灰度值差異相同的灰度在數(shù)量方面，資源三號(hào)衛(wèi)星少于ALOS衛(wèi)星。資源三號(hào)衛(wèi)星的不同區(qū)域間變化較大，紋理特征更為復(fù)雜。

在對(duì)比度結(jié)果上，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)高于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。由于對(duì)比度越大說(shuō)明圖像紋理的紋溝越深，圖像越清晰，圖像效果越好[11]。因此，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在對(duì)比度方面也優(yōu)于ALOS衛(wèi)星。

角二階矩是圖像分布均勻性的度量，角二階矩值越大，紋理就越粗糙。從角二階矩的計(jì)算結(jié)果上看，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的紋理表征比ALOS衛(wèi)星更加精細(xì)。

四、高山地測(cè)圖應(yīng)用評(píng)價(jià)

滿足測(cè)圖工作需要是測(cè)繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的首要目的。為了便于評(píng)價(jià)資源三號(hào)衛(wèi)星在測(cè)圖方面的效果，按照1∶25 000和1∶50 000兩個(gè)成圖規(guī)格，遵循現(xiàn)行的基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在秦嶺地區(qū)內(nèi)分別生產(chǎn)DEM、DOM、DLG 3種測(cè)圖成果，利用外業(yè)采集的GPS點(diǎn)評(píng)價(jià)分析資源三號(hào)衛(wèi)星在測(cè)圖工作方面的應(yīng)用潛力。

從表 4中可以看出，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在1∶25 000和1∶50 000成圖規(guī)格獲得的DEM、DOM和DLG產(chǎn)品的精度結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)。在DEM高程精度方面，檢測(cè)結(jié)果顯示利用資源三號(hào)衛(wèi)星的1∶25 000 DEM產(chǎn)品的中誤差和最大誤差低于成果技術(shù)指標(biāo)2倍以上；在DOM平面精度方面，資源三號(hào)衛(wèi)星的1∶25 000 DOM產(chǎn)品的中誤差和最大誤差分別是成果技術(shù)指標(biāo)的33.26%和25.45%；在DLG采集精度方面，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的1∶25000 DLG產(chǎn)品平面精度中誤差和最大誤差均遠(yuǎn)低于成果技術(shù)指標(biāo)，而高程精度中誤差和最大誤差也只達(dá)到成果技術(shù)指標(biāo)的一半。由于1∶50 000測(cè)圖產(chǎn)品采用相同的影像數(shù)據(jù)和作業(yè)工藝，因此不再作進(jìn)一步分析。綜上，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)能滿足 1∶25 000和1∶50 000測(cè)圖生產(chǎn)的需要，其成果技術(shù)指標(biāo)和精度符合規(guī)范要求。

表4 高山區(qū)測(cè)圖成果精度對(duì)照表 m

五、結(jié)束語(yǔ)

本研究以秦嶺地區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，分別從影像輻射質(zhì)量和影像實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量?jī)蓚€(gè)角度對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，在影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)采用ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

1)在影像輻射質(zhì)量方面，資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)總體優(yōu)于ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。資源三號(hào)衛(wèi)星在輻射精度和清晰度方面遠(yuǎn)超ALOS衛(wèi)星；信息量和紋理特征比ALOS衛(wèi)星具有較大優(yōu)勢(shì)；信噪比與ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)相當(dāng)。

2)在影像實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量方面，資源三號(hào)衛(wèi)星可以滿足多種國(guó)家基本比例尺測(cè)圖要求?；谫Y源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了秦嶺地區(qū)1∶25 000和1∶50 000 DEM生產(chǎn)的高程精度最大誤差分別為7.35 m和11.07 m；1∶25 000和1∶50 000 DOM生產(chǎn)的平面精度最大誤差分別為9.67 m和8.95 m；1∶25 000 DLG生產(chǎn)的采集精度的平面和高程中誤差分別為6.32 m和3.32 m，而1∶50 000 DLG生產(chǎn)的采集精度的平面和高程中誤差分別為5.27 m和5.19 m。

綜上所述，我國(guó)首顆測(cè)繪衛(wèi)星資源三號(hào)衛(wèi)星的影像質(zhì)量相比ALOS衛(wèi)星具有較大優(yōu)勢(shì)，擁有很好的應(yīng)用前景，不僅可以滿足常規(guī)測(cè)繪生產(chǎn)的數(shù)據(jù)需求，而且在國(guó)土資源調(diào)查、能源、環(huán)保、城市規(guī)劃、應(yīng)急減災(zāi)方面均可以發(fā)揮重大作用。

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ZY-3 Image Quality and Mapping Application Evaluation

BAI Mu，ZHANG Qin，WU Xiaochun

P237

B

0494-0911(2014)12-0082-04

白穆，張勤，吳曉春.資源三號(hào)影像質(zhì)量及測(cè)圖應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：82-85.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0404

2013-11-07

基金編號(hào):國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAB01B06-03)

白 穆(1982—)，男，河北無(wú)極人，博士，工程師，主要從事地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施和研究工作。