王霄鵬, 張 杰, 馬 毅*, 任廣波
(1. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.青島大學(xué),山東 青島 266071)
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資源一號02C衛(wèi)星海岸帶影像二級產(chǎn)品質(zhì)量評價*
王霄鵬1,2, 張 杰1, 馬 毅1*, 任廣波1
(1. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.青島大學(xué),山東 青島 266071)
為分析資源一號02C衛(wèi)星在海岸帶地區(qū)的應(yīng)用潛力,對其遙感數(shù)據(jù)成像質(zhì)量進行評價。采用主觀評價和客觀評價相結(jié)合的評價方法,對資源一號02C衛(wèi)星P/MS影像二級產(chǎn)品進行質(zhì)量評價,并與應(yīng)用廣泛且波段設(shè)置、空間分辨率相近的SPOT-5影像數(shù)據(jù)進行對比,分析其在海岸帶遙感應(yīng)用方面的潛力。結(jié)果表明:采用目視解譯的主觀評價顯示,資源一號02C全色、多光譜以及融合影像在海岸帶典型地物表現(xiàn)能力方面接近SPOT-5影像,而SPOT-5影像顏色過渡更自然,影像紋理和細(xì)節(jié)信息更豐富。采用統(tǒng)計分析量的客觀評價顯示,資源一號02C與SPOT-5影像的各統(tǒng)計參數(shù)互有高低。就全色影像而言,資源一號02C的信息量較高,而SOPT-5的亮度、灰度離散程度和空間分辨率較高;就多光譜影像而言,SPOT-5的灰度離散程度較高,其他指標(biāo)無明顯規(guī)律,不易比較;就融合影像而言,SOPT-5的空間分辨率較高,而資源一號02C的信息量、灰度離散程度和波段間獨立性較高。因此,資源一號02C影像數(shù)據(jù)在一定程度上可以替代SPOT-5影像,在海岸帶遙感研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有相當(dāng)潛力。
資源一號02C;SPOT-5;海岸帶;遙感影像;質(zhì)量評價
資源一號02C衛(wèi)星(簡稱ZY-1 02C)發(fā)射于2011-12,該衛(wèi)星可獲取高分辨率的全色和多光譜影像數(shù)據(jù),是我國新近發(fā)射的一顆填補國內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)空白的衛(wèi)星。該衛(wèi)星的發(fā)射,有助于提高我國高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的自給率,打破國外該類型遙感數(shù)據(jù)的壟斷地位,降低遙感應(yīng)用領(lǐng)域日常業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)成本。該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、國土資源監(jiān)測調(diào)查以及國家重大工程管理監(jiān)管等各個方面,在海岸帶遙感研究與應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用推廣潛力。
衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量評價指標(biāo)可分為主觀評價和客觀評價兩種。主觀評價是以人為觀察者,通過目視判斷來評價影像的表現(xiàn)能力[1],該方法易于理解、直觀高效,但受到觀察者的經(jīng)驗水平等因素影響具有一定的片面性、主觀性和不確定性;客觀評價是通過計算影像各波段灰度統(tǒng)計參數(shù)(如均值、方差、信息熵等)和波段間的相關(guān)系數(shù)(如協(xié)方差和相關(guān)系數(shù))來反映圖像特征[2-4],該方法具有客觀性、確定性的優(yōu)勢,但不直觀,難于理解。主觀評價與客觀評價相結(jié)合的方法是現(xiàn)階段研究者常用的影像評價方法[5-6]。
由于ZY-1 02C數(shù)據(jù)較新,目前針對該數(shù)據(jù)的研究工作還比較少。馬利剛等采用ZY-1 02C數(shù)據(jù)進行土地利用分類,并對該數(shù)據(jù)的分類能力進行了分析評價[7]。劉剛等利用ZY-1 02C數(shù)據(jù)開展了土地利用變化信息提取方法研究,并對不同方法的提取結(jié)果進行了比較評價[8]。周亦等使用ZY-1 02C數(shù)據(jù)對幾種土地利用變化信息自動發(fā)現(xiàn)方法進行實驗,并對這些方法的實驗結(jié)果進行了評價[9]。王建步等開展了ZY-1 02C數(shù)據(jù)二級產(chǎn)品影像定位精度評價工作[10]。文雄飛等采用定量分析的方法對ZY-1 02C數(shù)據(jù)的影像質(zhì)量進行了客觀評價,并與ETM+數(shù)據(jù)進行對比,分析該數(shù)據(jù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用潛力[11]。綜上所述,以上研究多采用基于定量分析的客觀評價方法對ZY-1 02C數(shù)據(jù)進行分析,目前采用主觀評價和客觀評價相結(jié)合的方法對ZY-1 02C數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評價,并采用同數(shù)量級空間分辨率的影像數(shù)據(jù)進行比較分析的研究工作還比較少。
本文采用主觀評價和客觀評價相結(jié)合的評價方法對資源一號02C衛(wèi)星影像二級產(chǎn)品的全色影像、多光譜影像以及融合影像分別進行影像質(zhì)量評價,并基于相同區(qū)域范圍、相同季節(jié)的SPOT-5數(shù)據(jù)進行比較分析,評價過程中,對兩種影像的全色數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)分別進行比較,最后分析其在海岸帶遙感研究方面的應(yīng)用潛力。
ZY-1 02C搭載一臺全色/多光譜傳感器(P/MS)和兩臺高分辨率全色傳感器(HRC)*中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心.資源一號02C衛(wèi)星用戶指南.北京,2012.,P/MS傳感器空間分辨率分別為5和10 m,幅寬為60 km,多光譜波段為綠、紅、近紅外三個波段,具體參數(shù)見表1;HRC傳感器空間分辨率為2.36 m,兩臺拼接的幅寬為54 km。
SPOT-5衛(wèi)星是2002年法國發(fā)射的高分辨率遙感成像衛(wèi)星,星上載有一臺高分辨率立體成像裝置(HRS)、兩臺高分辨率幾何成像裝置(HRG)和一臺寬視域植被探測儀(VGT)[12]。其全色影像空間分辨率為2.5和5 m,多光譜影像空間分辨率為10 m,波段包括綠、紅、近紅外、短波紅外四個波段,幅寬為60 km。SPOT-5衛(wèi)星影像的利用技術(shù)相對成熟,其影像質(zhì)量得到了遙感應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)行業(yè)廣泛認(rèn)可。
由表1所示,兩顆衛(wèi)星所獲取的影像空間分辨率相當(dāng),波段范圍基本重合,因此,利用SPOT-5衛(wèi)星影像對ZY-1 02C衛(wèi)星影像進行比較評價,可以有效、客觀地反映后者的成像質(zhì)量和數(shù)據(jù)特點。
表1 ZY-1 02C P/MS傳感器與SPOT-5傳感器參數(shù)比較Table 1 Specifications of ZY-1 02C P/MS and SPOT-5
本研究所選取的兩景影像成像范圍為黃河三角洲北側(cè)沿海區(qū)域,該區(qū)域既具備濕地又具備海岸帶的特征,區(qū)域內(nèi)包括農(nóng)田、林地、道路、草地、工業(yè)用地、城鎮(zhèn)建筑、水庫、海域及海岸線等典型地物類型,具有較好的代表性。選取的ZY-1 02C影像成像時間為2013-05-27,傳感器為P/MS傳感器,全色影像分辨率為5 m,多光譜影像分辨率為10 m;選取的SPOT-5影像的成像時間為2010-05-10,全色影像空間分辨率為2.5 m,多光譜影像分辨率為10 m。兩景影像季節(jié)相同,且沒有云霧遮擋,成像清晰,層次豐富,已經(jīng)過幾何校正。如圖1所示,矩形框范圍內(nèi)為兩景影像的公共區(qū)域。
圖1 ZY-1 02C影像與SPOT-5影像整景對比圖
選取山東省東營市河口區(qū)仙河鎮(zhèn)附近的城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域作為客觀分析的實驗區(qū)域,計算各波段灰度值的典型統(tǒng)計參數(shù)作為客觀評價的依據(jù)。該區(qū)域地物類型豐富,包含樓房、道路、植被、水體等多種地物;由于時間接近,兩景影像中的地物類型幾乎沒有變化,具有較好的代表性。
兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)在實驗區(qū)域的全色影像、多光譜影像及融合影像如圖2所示,其中融合影像采用主成分分析法(Principal Component Analysis,簡稱PCA)生成,PCA影像融合算法的處理過程為:
1) 對低空間分辨率的多光譜影像進行PCA變換;
2) 采用高空間分辨率的全色影像替換PCA變換的第一分量影像;
3) 對替換后的分量影像進行PCA逆變換,生成具有高空間分辨率的多波段融合影像。
本文采用主觀評價與客觀評價相結(jié)合的方式,綜合運用目視判別和統(tǒng)計指標(biāo)定量分析兩種方法,對兩種影像的成像質(zhì)量進行比較評價。主觀評價主要通過目視判別方法,由多名經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗知識對影像質(zhì)量進行評價,并將評價結(jié)果進行匯總分析;客觀評價主要應(yīng)用7種典型的數(shù)理統(tǒng)計參量,對影像質(zhì)量進行定量分析評價,其中多光譜影像針對兩種影像數(shù)據(jù)的3個共有波段(綠、紅和近紅外)進行比較。
3.1 主觀評價
3.1.1 全色影像
對比ZY-1 02C全色影像(空間分辨率5 m)與SPOT-5全色影像(空間分辨率2.5 m)如圖2所示??梢园l(fā)現(xiàn),從整體看,SPOT-5全色影像的亮度更高,道路、堤壩等大型地物的邊界更清晰,而ZY-1 02C全色影像對比度更高,影像中的陸地與水體的反差更大,影像層次更分明;從細(xì)節(jié)看,SPOT-5全色影像所反映的細(xì)節(jié)信息更加豐富,其空間分辨率更高,因此影像中地物的紋理、邊界更加清晰。
圖2 實驗區(qū)域ZY-1 02C影像與SPOT-5影像對比圖
3.1.2 多光譜影像
對比ZY-1 02C多光譜影像(空間分辨率10 m)與SPOT-5多光譜影像(空間分辨率10 m)可以發(fā)現(xiàn),從整體看,SPOT-5多光譜影像顏色更柔和,過渡更自然,而ZY-1 02C多光譜影像的亮度更高,顏色更鮮艷;從細(xì)節(jié)看,SPOT-5多光譜影像的顏色更豐富,影像中部分地物(如植被)的顏色梯度更大,紋理更明顯,而ZY-1 02C多光譜影像對比度更高,影像中地物邊界更加清晰,地物的輪廓更容易識別。
3.1.3 融合影像
對比ZY-1 02C融合影像與SPOT-5融合影像可以發(fā)現(xiàn),從整體看,SPOT-5融合影像顏色更柔和,過渡更自然,道路及大型地物的邊界更清晰,而ZY-1 02C融合影像亮度更高,顏色更鮮艷;從細(xì)節(jié)看,SPOT-5融合影像由于具有更高的空間分辨率,因此影像所反映的細(xì)節(jié)信息更加豐富,且影像中地物的顏色梯度更大,地物內(nèi)部的紋理更清晰。
進一步對兩景融合影像的細(xì)節(jié)信息進行對比分析,選取研究區(qū)域內(nèi)的典型海岸帶地物類型,包括蘆葦、灘涂、淺海水域、鹽田、養(yǎng)殖池塘、堤壩、道路、建筑用地和工業(yè)用地,如表2所示。
基于表2中的地物細(xì)節(jié)信息對比,可以發(fā)現(xiàn),ZY-1 02C影像在海岸帶各種典型地物的細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面其能力接近于SPOT-5影像:ZY-1 02C影像在亮度、對比度等方面表現(xiàn)更好,影像顏色更加鮮艷,地物之間的對比更強烈,邊界更明顯;SPOT-5影像空間分辨率、顏色過渡和地物紋理等方面表現(xiàn)更好,影像更加細(xì)膩,細(xì)節(jié)信息更豐富。
表2 ZY-1 02C融合影像與SPOT-5融合影像地物對比表Table 2 Comparison of objects in ZY-1 02C and SPOT-5 fusion images
3.2 客觀評價
采用的具體客觀評價指標(biāo)包括最小灰度值、最大灰度值、灰度均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵、協(xié)方差和相關(guān)系數(shù)七種統(tǒng)計參數(shù)[13],通過ENVI 5.0的圖像統(tǒng)計功能[14]計算得出。
計算圖2中6景影像的7種統(tǒng)計參數(shù),作為ZY-1 02C與SPOT-5衛(wèi)星遙感影像的客觀評價指標(biāo),分別對全色影像、多光譜影像和融合影像進行兩兩對比,如表3和表4所示。
根據(jù)表3和表4中的統(tǒng)計指標(biāo),客觀評價如下:
1)就灰度均值而言,在全色影像、多光譜影像的紅光波段和融合影像的紅光波段中,SPOT-5影像的灰度均值高于ZY-1 02C影像,這表明SPOT-5影像的全色波段以及紅光波段亮度較高;在多光譜影像和融合影像的近紅外波段和綠光波段中,ZY-1 02C影像的灰度均值高于SPOT-5影像,這表明ZY-1 02C影像的近紅外和綠光波段亮度較高。
2)就標(biāo)準(zhǔn)差而言,在全色影像和多光譜影像的各波段中,均表現(xiàn)為SPOT-5影像的標(biāo)準(zhǔn)差略高于ZY-1 02C影像,這表明SPOT-5全色和多光譜影像的灰度級分布更分散,地物間的反差大,可分性高;在融合影像的各波段中,表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的標(biāo)準(zhǔn)差高于SPOT-5影像,這表明ZY-1 02C融合影像的灰度級分布更分散,影像的反差大,地物間的可分性高。
3)就信息熵而言,在全色影像、多光譜影像的大部分波段(近紅外波段除外)以及和融合影像的所有波段中,均表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的信息熵略高于SPOT-5影像,這表明ZY-1 02C影像承載的信息量略大于SPOT-5,但二者比較接近。
4)就協(xié)方差而言,在多光譜影像的各波段中,均表現(xiàn)為SPOT-5影像的協(xié)方差高于ZY-1 02C影像,這表明SPOT-5多光譜影像中各波段間的獨立性更高;在融合影像的各波段中,均表現(xiàn)為ZY-1 02C影像的協(xié)方差高于SPOT-5影像,這表明ZY-1 02C融合影像中各波段間的獨立性更高。
5)就相關(guān)系數(shù)而言,在多光譜影像的各波段中,指標(biāo)數(shù)值各有高低,無明顯規(guī)律;在融合影像的各波段中,表現(xiàn)為SPOT-5影像的波段相關(guān)系數(shù)高于ZY-1 02C影像,這表明ZY-1 02C融合影像的波段間獨立性更高。
表3 ZY-1 02C與SPOT-5遙感影像信息評價對比表Table 3 Comparison of image information between ZY-1 02C and SPOT-5
表4 ZY-1 02C與SPOT-5遙感影像協(xié)方差與相關(guān)系數(shù)對比表Table 4 Covariance and correlation coefficient comparison between ZY-1 02C and SPOT-5 images
采用主觀分析和客觀分析相結(jié)合的方法,以在海岸帶遙感領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的SPOT-5影像為參照,對ZY-1 02C二級產(chǎn)品P/MS影像的全色數(shù)據(jù)、多光譜影像數(shù)據(jù)及融合數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特點和成像質(zhì)量進行比較評價。具體結(jié)論如下:
1)ZY-1 02C衛(wèi)星作為我國自主研發(fā)的光學(xué)遙感衛(wèi)星,其所獲取的遙感影像具有較高的成像質(zhì)量,在一定程度上可以替代SPOT-5影像;
2)主觀評價顯示,ZY-1 02C二級產(chǎn)品P/MS影像數(shù)據(jù)在海岸帶區(qū)域典型地物類型的表現(xiàn)能力方面基本相近于SPOT-5影像,在空間分辨率和地物細(xì)節(jié)信息方面略遜于SPOT-5影像;
3)客觀評價顯示,ZY-1 02C二級產(chǎn)品P/MS影像的7種統(tǒng)計參數(shù)與SPOT-5影像均比較接近且各有高低,其中就全色影像而言,ZY-1 02C影像的信息量更高,而SOPT-5影像的亮度、灰度離散程度和空間分辨率更高;就多光譜影像而言,SPOT-5影像的灰度離散程度更高,其它指標(biāo)無明顯規(guī)律,不易比較;就融合影像而言,SOPT-5影像的空間分辨率更高,而ZY-1 02C影像的信息量、灰度離散程度和波段間獨立性更高。
由于本文用于比較的ZY-1 02C影像與SPOT-5影像同月不同年,時相上并不完全同步,且采用的ZY-1 02C全色影像來自于P/MS傳感器,其空間分辨率為5 m,低于SPOT-5全色影像的2.5 m空間分辨率,因此可能對地物比較的精度產(chǎn)生一定影響。此外,本文在進行影像融合工作時僅嘗試了主成分分析方法,對于其他融合方法的融合效果還有待于進一步研究。
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Received: March 16th, 2015
Image Quality Evaluation for ZY-1 02C Satellite in Coastal Zone Area
WANG Xiao-peng1,2, ZHANG Jie1, MA Yi1, REN Guang-bo1
(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.QingdaoUniversity, Qingdao 266071, China)
The ZY-1 02C satellite is a wide-breadth remote sensing satellite with high spatial resolution developed in China. To analyze the application potential of the satellite in coastal zone area, the imaging quality evaluating research on the remote sensing data is necessary. The combined method of subjective evaluation and objective evaluation is used in this research, to evaluate the imagery captured by ZY-1 02C P/MS sensor, and then compared with SPOT-5 imagery data, which is widely used and with similar bands and spatial resolution. The subjective evaluation results of visual interpretation suggests, the performance ability of the multi spectral, panchromatic, and fusion images of ZY-1 02C satellite is close to SPOT-5 image in typical coastal ground object, while the color transition, texture and detail information of the SPOT-5 image are better. The objective evaluation results of statistical analysis suggests, the statistical parameters of ZY-1 02C and SPOT-5 images of the cross level. Therefore, the ZY-1 02C image data can replace the SPOT-5 image to a certain extent, and with considerable potential in the coastal zone remote sensing research and application fields.
ZY-1 02C; SPOT-5; coastal zone; remote sensing image; quality evaluation
2015-03-16
國家自然科學(xué)青年基金項目——海岸帶遙感影像半監(jiān)督學(xué)習(xí)自動化分類方法研究——以黃河三角洲濱海濕地分類為例(41206172);國家科技支撐計劃項目——海礁探測與礁盤測量關(guān)鍵技術(shù)(2012BAB16B01-02)
王霄鵬(1981-),男,山東棗莊人,實驗師,博士,主要從事遙感圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘方面研究.E-mail:qduwxp@163.com*
馬 毅(1973-),男,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人,研究員,博士,主要從事海岸帶遙感方面研究. E-mail:mayimail@fio.org.cn
(王 燕 編輯)
TP751.1
A
1671-6647(2016)01-0129-09
10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.013