海南島高分一號衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)集

江威，何國金，程博，龍騰飛，冷宛春，尹然宇

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3.海南省地球觀測重點實驗室，海南三亞 572029

4.三亞中科遙感研究所，海南三亞 572029

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 海南島高分一號衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 江威、何國金、程博、龍騰飛、冷宛春、尹然宇數(shù)據(jù)通信作者 何國金（hegj@radi.ac.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 2015-2016年地理區(qū)域 海南全島（地理范圍包括北緯18°7′-20°7′，東經(jīng)108°30′-111°10′）空間分辨率 2 m數(shù)據(jù)量 105.2 GB數(shù)據(jù)格式 *.tif ( GeoTIFF, 8bit float )數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址ftp://124.16.184.141/GF1_hainan/ftp://10.7.2.2/GF1_hainan/http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/679基金項目海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2016021）；國家重點研發(fā)計劃全球變化及應(yīng)對專項課題項目（2016YFA0600302）；中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項課題（XDA190090300）；國家發(fā)展和改革委員會促進大數(shù)據(jù)發(fā)展重大工程（2016-999999-65-01-000696-01）。

數(shù)據(jù)庫（集）組成本數(shù)據(jù)集主要由以下五個部分組成：第一部分是海南島高分一號衛(wèi)星遙感鑲嵌產(chǎn)品，格式為GeoTIFF，第二部分是海南島高分一號衛(wèi)星遙感鑲嵌產(chǎn)品縮略圖，第三部分是海南島高分一號衛(wèi)星遙感鑲嵌分幅產(chǎn)品，第四部分是海南島高分一號衛(wèi)星遙感鑲嵌分幅產(chǎn)品索引圖，第五部分是海南島高分一號深加工原始影像列表。此外，提供了一份樣例數(shù)據(jù)，包含正射校正、影像融合和影像鑲嵌數(shù)據(jù)。

引 言

海南島是21世紀海上絲綢之路戰(zhàn)略的重要支點，也是我國面積最大的經(jīng)濟特區(qū)，具有特殊的區(qū)位優(yōu)勢和戰(zhàn)略地位[1]。新時期海南自由貿(mào)易試驗區(qū)的建設(shè)過程中，及時掌握資源環(huán)境動態(tài)信息對于海南島資源環(huán)境和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

衛(wèi)星遙感技術(shù)對于開展大尺度資源環(huán)境調(diào)查具有獨特優(yōu)勢，這類調(diào)查必須依靠高質(zhì)量的衛(wèi)星遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。何國金等人首次提出了即得即用（Ready To Use，RTU）衛(wèi)星遙感產(chǎn)品理念[3-4]，該理念是將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)加工成用戶能夠直接使用的級別，免去用戶在使用過程中繁瑣的預(yù)處理過程，目前已經(jīng)發(fā)布了基于Landsat系列數(shù)據(jù)研制的中國區(qū)域RTU系列產(chǎn)品，包括正射校正產(chǎn)品、地表反射率產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品、鑲嵌產(chǎn)品和標準分幅產(chǎn)品。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)射，江威等人進一步利用國產(chǎn)高分衛(wèi)星研制了全國16 m分辨率的衛(wèi)星遙感RTU產(chǎn)品，進一步豐富了原有RTU數(shù)據(jù)類型[5]。盡管這些產(chǎn)品包含了海南島范圍，但數(shù)據(jù)的空間分辨率較粗，需要研制覆蓋海南島更高分辨率的衛(wèi)星遙感深加工產(chǎn)品，以期滿足海南島資源環(huán)境精細調(diào)查的需求。

本數(shù)據(jù)集選用2015-2016年的國產(chǎn)高分一號2 m分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，是較早針對海南島研制的高分衛(wèi)星遙感深加工產(chǎn)品。本數(shù)據(jù)集特點是云量少、定位精度高和色彩均衡，能夠直接下載使用。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

高分一號衛(wèi)星于2013年4月發(fā)射，目前在軌5年多，2018年3年又成功發(fā)射了高分一號系統(tǒng)星的02、03、04星，目前已經(jīng)組網(wǎng)形成星座。高分一號搭載了2臺2 m分辨率全色8 m分辨率多光譜相機，4臺16 m分辨率多光譜相機，其中2 m分辨率衛(wèi)星參數(shù)如表1[5]。

本數(shù)據(jù)采用的高分一號2 m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于海南省高分數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心，下載的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為 1A級，尚未進行正射校正，數(shù)據(jù)文件中包含了縮略圖、有理函數(shù)系數(shù)（Rational Polynomial Coefficients，RPC）文件、原始數(shù)據(jù)以及影像元數(shù)據(jù)等文件，全色影像和多光譜影像分為2個TIFF格式存儲[6]。選擇2015-2016年高質(zhì)量的高分一號2 m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，影像的云量在10%以下，優(yōu)選夏季影像，下載后檢查影像，確保沒有缺失、條帶和異常像元等情況。根據(jù)以上要求，共選取覆蓋海島67景高分一號2 m分辨率衛(wèi)星影像。

除了影像數(shù)據(jù)外，還收集了海南島30 m 數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和Landsat 8 全色15 m分辨率參考影像，如圖1所示，DEM高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云[7]，Landsat 8影像來源于中國遙感衛(wèi)星地面站[8]。

表1 GF-1衛(wèi)星2 m分辨率傳感器主要載荷技術(shù)指標

圖1 輔助數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

針對多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，需要對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包含影像配準、平差、幾何校正、影像融合和影像鑲嵌，流程如圖2。以下主要對影像配準、控制點采集、平差、正射校正、影像融合和勻色鑲嵌等關(guān)鍵步驟進行說明。

圖2 高分一號影像數(shù)據(jù)處理流程

1.2.1 影像配準

在影像成像過程中，多種誤差會造成全色和多光譜位置存在錯位現(xiàn)象，需要首先對影像進行配準，以高分辨率全色影像為參考，將多光譜數(shù)據(jù)進行配準，配準后影像偏差要求不超過1個像元。

1.2.2 控制點采集

利用高分一號影像自帶的RPC系數(shù)校正影像，影像定位精度較低，需要借助參考影像采集高精度控制點，優(yōu)化影像自帶的RPC系數(shù)，從而實現(xiàn)高精度正射校正[9]。傳統(tǒng)的地面控制點都是人工選擇，主要是道路交叉點等不易變動的位置，本次控制點選取采用頻域相位相關(guān)匹配法，該方法匹配精度高，而且速度較快，能夠識別特征不明顯的控制點[5]。地面控制點（GCP）采集搜索范圍為100像素×100像素，每景影像控制點數(shù)閾值設(shè)置為100，通過網(wǎng)格控制，使控制點在空間上分布均勻，在特定缺少GCP區(qū)域，進行手動增加。

1.2.3 平差

高分一號影像之間重疊較大，需要對影像采集連接點進行平差，以保證影像具有較高的接邊精度[5]。通過對影像進行連接點采集，進一步優(yōu)化每景影像的RPC系數(shù)，連接點采集的算法也為頻率域相位相關(guān)，連接點搜索半徑設(shè)置為50像素×50像素。

將各時期土地利用類型面積與社會經(jīng)濟相關(guān)指標進行多元回歸分析，找出影響山東省土地利用變化的主要因素。通過SPSS軟件，對這些因子進行降維分析，構(gòu)建多元逐步回歸分析模型，分析各地類面積變化與社會經(jīng)濟指標的相關(guān)性[3]。

1.2.4 正射校正

衛(wèi)星在采集過程受諸多成像因素影像，影像會發(fā)生一定的幾何畸變，正射校正的目的是消除這種畸變，使得采集的影像能夠準確代表地面實際位置。有理函數(shù)模型是目前高分影像校正通用的方法，模型將像元坐標表示以相應(yīng)地面點空間坐標為自變量的有理多項式的比值[9]，通過引入大量的參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度，該模型表達式如下[10]：

式中（Tn，Sn）和（Xn，Yn，Zn）分別為像素坐標（T，S）和地面坐標（X，Y，Z）經(jīng)平移和縮放后的正則化坐標，進一步地，該方程形式可以展開為：

ai,bi,ci,di(i=0,1…19)即為RPC參數(shù)，其中b0和d0的值為1。

由于高分一號影像自帶的RPC系數(shù)精度不夠高，通過前面步驟采集的控制點和連接點可對RPC系數(shù)進行優(yōu)化，并利用DEM高程數(shù)據(jù)進一步提高復(fù)雜地形區(qū)域影像定位精度。針對單景影像，首先利用有優(yōu)化的理函數(shù)模型對全色影像進行校正，然后將多光譜影像與已經(jīng)糾正好的全色影像進行配準，這樣能夠同時保證全色和多光譜影像定位精度。

1.2.5 影像融合

高分辨率遙感數(shù)據(jù)的全色圖像具有較高的空間分辨率，而多光譜圖像具有豐富的光譜特征，對全色和多光譜影像進行融合可獲取高空間分辨率的多光譜影像。目前遙感商業(yè)軟件提供了多種影像融合方法，如Brovey、Gram-Schmidt、HSV、PCA和Pansharp。江威等人從目視效果和定量指數(shù)的角度評價了這5種方法用于高分二號影像融合的效果，結(jié)果表明Pansharp 法在圖像信息、細節(jié)以及光譜都具有較好的保持效果[11]。本次產(chǎn)品是采用Pansharp方法進行影像融合。

由于影像成像條件不一致，融合后的影像會有較大的色差，需要對影像進行勻色，使其整體上色調(diào)能夠保持一致。本次勻色鑲嵌采用的是捆綁勻色方法，該方法首先在每個影像及其重疊影像間使用“束捆綁”來計算每個影像的均值和西格瑪全局調(diào)整，通過該調(diào)整使影像之間的色調(diào)更加均衡；其次，系統(tǒng)會自動采集一系列特征點，在影像對之間進行小范圍的局部調(diào)整。該方法的優(yōu)勢是不考慮影像疊加次序，對影像是全局到局部精細化調(diào)整。另外，由于部分影像存在少許云量覆蓋，可以通過人工編輯鑲嵌線編輯，用無云影像替代有云影像，最后生成云量較少的影像產(chǎn)品[5]。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集為海南島高分一號深加工產(chǎn)品，為全島鑲嵌影像產(chǎn)品，能夠直觀展示海南全島資源環(huán)境空間分布。影像空間分辨率為2 m，GeoTIFF格式，格式為阿爾伯斯圓錐等面積投影，坐標系為WGS1984，海南全島鑲嵌圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 正射校正精度

影像采集的控制點和連接點精度如表2。全區(qū)域共采集控制點4079個，平均每景控制點61個，控制點的均方根誤差（RMS）為1.35個像元，每影像影像采集的控制點個數(shù)及其均方根誤差如圖4。此外，全區(qū)共采集了連接點數(shù)量為27685個（圖5），連接點水平均方根誤差為0.18個像元，分別選取上下和左右鄰接影像展示接邊精度（圖6），發(fā)現(xiàn)影像的接邊精度很高，道路和河流線狀地物接邊精度較高。

圖3 海南島高分一號影像鑲嵌圖

表2 影像采集的控制點和連接點精度

圖4 單景影像控制點數(shù)量和控制點均方根誤差

圖5 影像連接點分布圖

圖6 影像接邊圖

3.2 影像融合質(zhì)量

影像融合后會得到分辨率較高的多光譜影像，圖7顯示了融合前后的影像效果，從圖中可以看出，融合后的影像相比融合前的多光譜影像，對于地物細節(jié)信息有較大的提升，同時對于地物的色彩也保持得較好，說明本文采用的融合方法能夠取得較高的影像融合質(zhì)量。

圖7 影像融合前后效果對比

3.3 影像的勻色效果

影像的勻色鑲嵌效果是對于不同色度的影像進行顏色調(diào)整，從而在全區(qū)范圍優(yōu)化，使得鑲嵌后的影像在接邊處顏色過度自然。圖8顯示了鑲嵌前后影像的效果，可以看出鑲嵌后的影像在影像接邊過度上有較好的處理效果，影像的色調(diào)基本均勻。

圖8 影像勻色鑲嵌前后效果對比

4 數(shù)據(jù)價值

高質(zhì)量的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品對于海南島資源環(huán)境動態(tài)信息監(jiān)測極為重要。本研究收集了國產(chǎn)高分一號2 m分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)深加工流程技術(shù)，研制覆蓋海南全島的衛(wèi)星遙感深加工產(chǎn)品。本產(chǎn)品云量少，定位精度高且色彩均衡，使用者可直接進行遙感應(yīng)用。本數(shù)據(jù)集包含全島鑲嵌影像、鑲嵌產(chǎn)品縮略圖、鑲嵌影像分幅產(chǎn)品和鑲嵌分幅產(chǎn)品索引圖等，可方便不同用戶下載使用。

海南省既是國家生態(tài)文明試驗區(qū)，也將建設(shè)成為自由貿(mào)易試驗區(qū)。本數(shù)據(jù)集可作為海南島基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將在島內(nèi)重大工程選址、城市發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)田保護和海岸帶監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

海南島高分一號2m分辨率衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)集保存為GeoTIFF格式，包含4個波段，能夠在ENVI、PCI、ArcGIS和QGIS等遙感和GIS主流軟件中讀取和操作。為便于下載使用，對鑲嵌影像進行分塊處理，并提供了影像的分塊邊界（圖9），可以快速查詢獲取局部數(shù)據(jù)。與此同時，在樣例數(shù)據(jù)中提供了海南省全島60 m分辨率鑲嵌產(chǎn)品，便于快速查看全島數(shù)據(jù)。所采用的單景高分一號數(shù)據(jù)列表命名為海南島高分一號深加工數(shù)據(jù)列表，格式為XLS。使用過程中，建議采用影像3（R）4（G）1（B）波段組合，能夠直觀反映植被和城市等信息。

圖9 海南島鑲嵌影像分塊示意圖