探討DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)的校正

李夢(mèng)真

【摘 要】隨著夜間燈光數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，夜間燈光數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間序列應(yīng)用逐漸受到人們關(guān)注。但應(yīng)用最廣的DMSP/OLS數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)之間的不連續(xù)性以及像元飽和問(wèn)題，所以需要對(duì)這種數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。本文介紹了一種基于不變區(qū)域的夜間燈光數(shù)據(jù)校正方法，能夠合理的解決DMSP/OLS數(shù)據(jù)所存在的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 夜間燈光 DMSP/OLS 像元飽和 校正

美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program， DMSP）搭載的業(yè)務(wù)型線掃描傳感器（Operational Linescan System， OLS）最初主要為氣象監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，用于探測(cè)月光照射下的云，后來(lái)由于其獨(dú)特的光電放大能力使其能在夜間探測(cè)到地表微弱的近紅外輻射，因此，該傳感器獲取的夜間燈光影像被越來(lái)越多的用來(lái)研究人類活動(dòng)，目前主要應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)估算、城市化監(jiān)測(cè)與評(píng)估、人口發(fā)展與估算以及重大事件評(píng)估。

一、存在的缺陷

DMSP/OLS 夜間燈光影像本身存在缺陷，該數(shù)據(jù)集包括由多個(gè)DMSP衛(wèi)星傳感器獲取的自1992-2012年共33期影像，其中存在由不同傳感器獲取的同一年度的影像。因?yàn)樾l(wèi)星傳感器在獲取地表數(shù)據(jù)的過(guò)程受到多種因素的影響，所以不同傳感器獲取的同一年度的影像之間是有差異的。同時(shí)，不同的OLS傳感器在獲取影像時(shí)并沒(méi)有進(jìn)行星上輻射校正，造成了同一個(gè)衛(wèi)星傳感器獲取的連續(xù)不同年度的影像間相同位置的亮值像元DN值之間的異常波動(dòng)。所以長(zhǎng)時(shí)間序列的DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)集主要存在2個(gè)問(wèn)題需在校正中解決：（1）原始影像數(shù)據(jù)集中的影像是非連續(xù)性的;（2）數(shù)據(jù)集中的每一期影像都存在著像元DN值飽和的現(xiàn)象。所以針對(duì)這些問(wèn)題前人做了很多研究，目前已經(jīng)能較好的解決長(zhǎng)時(shí)間序列的DMSP/OLS夜間燈光影像數(shù)據(jù)的非連續(xù)性問(wèn)題以及像元DN值飽和現(xiàn)象。

二、不變目標(biāo)區(qū)域法的影像校正方法

（一）不變區(qū)域與參考影像的選擇。首先選取黑龍江省鶴崗市市區(qū)作為不變區(qū)域，選取黑龍江省鶴崗市市區(qū)的原因如下：（1）鶴崗市市轄區(qū)的主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在21年間的變化較小，說(shuō)明該市一直都處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展過(guò)程中;（2）鶴崗市市轄區(qū)的穩(wěn)定夜間燈光影像中包含從低到高且范圍很廣的DN值范圍，保證了相互校正模型的精確性。（3）鶴崗市F12衛(wèi)星傳感器1992年的夜間燈光影像與F18衛(wèi)星傳感器2012年的夜間燈光影像有很好的線性相關(guān)關(guān)系。。選取F162006輻射定標(biāo)的夜間燈光影像的對(duì)應(yīng)區(qū)域作為參考影像。

（二）影像互相校正與飽和校正。首先提取每一期影像的每一個(gè)像元的DN值，并列入同一個(gè)灰度矩陣中，將待校正影像（33期）與參考影像（F162006）進(jìn)行了指數(shù)、線性、對(duì)數(shù)、二次多項(xiàng)式、冪數(shù)5種形式進(jìn)行回歸分析。對(duì)得出的回歸系數(shù)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)冪數(shù)回歸的相關(guān)系數(shù)最高，選擇冪數(shù)方程建立校正模型

注：校正后的不連續(xù)性未解決，主要表現(xiàn)為：1）不同傳感器獲取的同一年度的影像依然同時(shí)存在。 2）多傳感器獲取的不同年度的影像間相互位置的像元DN值異常波動(dòng)問(wèn)題。

（三）多傳感器同一年度影像數(shù)據(jù)DN 值校正。由于不同的衛(wèi)星傳感器本身就存在差異，且傳感器獲取影像時(shí)會(huì)受到各種因素的影響，因此，多傳感器獲取的同一年度的影像之間存在差異。同一年度的2 期影像仍然同時(shí)存在。為了充分利用多個(gè)傳感器獨(dú)立獲取的相同年度的夜間燈光影像，同時(shí)解決經(jīng)相互校正的影像數(shù)據(jù)集中影像之間的不連續(xù)問(wèn)題。

在1994 年和1997至2007 年存在由兩個(gè)不同的傳感器同時(shí)獲取夜間燈光影像的現(xiàn)象，為充分利用兩個(gè)傳感器獨(dú)立獲取的同一年度的夜間燈光影像，按照式（2），對(duì)同一年度兩個(gè)傳感器穩(wěn)定亮值像元影像的DN 值進(jìn)行校正。

（1）

式中，分別為分別為校正前的第n 年度兩不同傳感器獲取的i 像元的DN 值;為校正后的第n 年度i 像元的DN 值。

（四）多傳感器多年度影像數(shù)據(jù)DN 值校正。根據(jù)夜間燈光影像的特點(diǎn)及變化規(guī)律，DMSP/OLS 燈光影像上某一像元后一年度的DN 值應(yīng)不小于該像元前一年度的DN 值?；诖送普?，對(duì)上述校正后的穩(wěn)定亮值像元影像根據(jù)上述推論，進(jìn)行多傳感器多年度亮值像元影像的DN 值校正。對(duì)后一年度DN值小于該像元前一年度DN值的異常像元進(jìn)行處理，方法為將該像元后一年的DN值修改為前一年度的DN值，這樣既可完成多傳感器多年度影像數(shù)據(jù)的DN值校正。

三、精度驗(yàn)證

第一種方法是將校正前后圖像的視覺(jué)效果進(jìn)行對(duì)比。第二種方法hi構(gòu)建光照指數(shù)（TLI）來(lái)建立指標(biāo)，表示為一個(gè)區(qū)域內(nèi)的灰度值之和。第三種方法為相對(duì)輻射定標(biāo)能有效的減少兩顆衛(wèi)星同年數(shù)據(jù)的差異，從而穩(wěn)定同一顆衛(wèi)星的年際變異性。本文以歸一化差分指數(shù)NDI作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。還有一種方法是選擇GDP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)夜間光照數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸。通過(guò)對(duì)比相互校正前后的擬合精度，驗(yàn)證了相互校正結(jié)果的可靠性。

理想校正結(jié)果的標(biāo)志主要有兩個(gè)。

1）在數(shù)量尺度上，整個(gè)時(shí)間序列夜間燈光影像的穩(wěn)定亮值像元總數(shù)及總灰度值表現(xiàn)出明顯的持續(xù)增長(zhǎng)軌跡。

2）在空間尺度上，長(zhǎng)時(shí)間序列夜間燈光影像的穩(wěn)定亮值像元區(qū)域表現(xiàn)出逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。對(duì)獲取的目標(biāo)影像進(jìn)行相關(guān)分析，如圖3 所示。校正后的影像數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的連續(xù)性和一致性，取得了較好的校正效果。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種針對(duì)DMSP/OLS數(shù)據(jù)集在長(zhǎng)時(shí)間序列中使用的校正方法，該方法能夠很好的解決DMSP/OLS數(shù)據(jù)的影像不連續(xù)問(wèn)題以及影像DN值問(wèn)題。有利于DMSP/OLS數(shù)據(jù)在夜間燈光遙感中的使用。

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