Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD傳感器數(shù)據(jù)的交互對(duì)比

徐豐，李恒凱

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

由于光學(xué)傳感器在獲取影像數(shù)據(jù)時(shí)，容易受到許多不確定因素的影響，如氣候條件、成像時(shí)間、成像角度等，因此在長(zhǎng)時(shí)間序列對(duì)地觀測(cè)研究中，經(jīng)常難以獲得理想的影像，造成某一時(shí)間段的影像數(shù)據(jù)缺失，必須用其他傳感器的影像來(lái)彌補(bǔ)[1-2]，尤其在多云多雨地區(qū)，由于回訪周期、天氣等因素的限制，單一來(lái)源的影像數(shù)據(jù)有較大局限性[3]。此外，不同年代的傳感器相互補(bǔ)充構(gòu)建的長(zhǎng)時(shí)序?qū)Φ赜^測(cè)數(shù)據(jù)集，也已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境演變監(jiān)測(cè)。因此，針對(duì)不同傳感器的交互定標(biāo)一直是遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，檢查不同衛(wèi)星信息之間的一致性和相互關(guān)系極為重要[4-5]。

針對(duì)傳感器的交互定標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。胡昌苗[6]在輻射歸一化研究方面，以Landsat TM/ETM+及 HJ-1 A/B CCD數(shù)據(jù)為例，提出了相對(duì)和絕對(duì)輻射校正一體化處理方案，將 DN 值轉(zhuǎn)換到地表反射率。不少學(xué)者為了能讓波段間光譜特征盡可能保持一致，根據(jù)每個(gè)波段中的 DN 值計(jì)算各種類別像素的轉(zhuǎn)換系數(shù)[7-8]，或通過(guò)最小二乘法對(duì)大量多源時(shí)序影像進(jìn)行回歸，給出了表觀反射率、地表反射率的回歸系數(shù)[9-10]。目前，有研究針對(duì)不同的傳感器獲取的主要植被指數(shù)如歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、土壤調(diào)整植被指數(shù)(soil-adjusted vegetation index，SAVI)、增強(qiáng)植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)[11-13]進(jìn)行交互對(duì)比，查明之間的定量關(guān)系，求出其轉(zhuǎn)換方程。這些研究充分表明：不同傳感器數(shù)據(jù)可以通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行交叉定標(biāo)。但是，不同數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)之間有較大差異，需要開(kāi)展有針對(duì)性的研究[14-15]。Landsat系列影像具有較為豐富的歷史存檔數(shù)據(jù)，是長(zhǎng)時(shí)序?qū)Φ乇O(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。但Landsat-5傳感器和Landsat-8傳感器在時(shí)間上并不能無(wú)縫銜接，有幾年空檔，另外兩種傳感器本身性能也有較大差異。HJ-1B CCD傳感器與Landsat系列影像具有相同空間分辨率，回訪周期僅兩天，且其數(shù)據(jù)跨越TM和OLI傳感器，利用其銜接和補(bǔ)充TM和OLI傳感器具有可行性[16]?；诖?，本文結(jié)合NDVI植被指數(shù)和地表反射率，通過(guò)對(duì)同日過(guò)空的三對(duì)(六幅)Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD影像對(duì)進(jìn)行比較，分析不同波段的觀測(cè)能力，并建立其回歸關(guān)系。本研究有利于三者觀測(cè)數(shù)據(jù)的互相補(bǔ)充，為構(gòu)建多源長(zhǎng)時(shí)序遙感數(shù)據(jù)集提供重要的數(shù)據(jù)源支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 數(shù)據(jù)源和研究區(qū)

本文選取的Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD傳感器在許多方面都較為相似，如HJ-1B CCD的四個(gè)波段與Landsat-5 TM的1～4波段以及Landsat-8 OLI的2～5波段的光譜范圍基本相同，相應(yīng)為藍(lán)、綠、紅、近紅外波段；三者過(guò)境時(shí)間較為接近；HJ-1B CCD、Landsat TM/OLI的傳感器參數(shù)基本一致，空間分辨率都是30 m；軌道傾角也頗為接近，分別為98.2°、98.2°、98°[17-18]。因此，HJ-1B 與Landsat系列是滿足影像對(duì)比分析的遙感儀器。然而，Landsat-5 TM傳感器有七個(gè)多光譜波段，Landsat-8 OLI有九個(gè)多光譜波段，HJ-1B CCD只有四個(gè)多光譜波段(藍(lán)、綠、紅、近紅外波段)，光譜響應(yīng)函數(shù)曲線不一致，為了準(zhǔn)確對(duì)比三種衛(wèi)星傳感器的對(duì)地觀測(cè)能力，重要的前提條件就是獲取二者同日過(guò)境的遙感影像對(duì)[19-20]。此外，為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，不能僅用一組影像對(duì)來(lái)進(jìn)行交互對(duì)比。但由于南方多云天氣較多，以及運(yùn)行周期的不一致，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)只能選取日期最為接近的影像對(duì)[21]。因此，本研究選用了滿足以上條件的三對(duì)同日過(guò)境、相同區(qū)域的Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD影像對(duì)。同時(shí)，選取2016年3月1日的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。選取的研究區(qū)域?yàn)榻魇≮M州市定南縣，地理坐標(biāo)為：

表1 實(shí)驗(yàn)影像對(duì)參數(shù)

114°47′49″E～115°22′48″E，24°33′37″N～25°03′21″N，行政面積為 1 318.72 km2，境內(nèi)屬低山丘陵地形，植被覆蓋率在82%以上，具有耕地、林地、礦區(qū)、城鎮(zhèn)等多種土地利用類型。

1.2 輻射校正

在進(jìn)行不同傳感器數(shù)據(jù)的交互比較時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行輻射校正，以使對(duì)比影像之間的輻射信號(hào)能相互一致。不同傳感器之間由于光譜波段和波長(zhǎng)之間設(shè)計(jì)的不同，使得如果僅將DN(digital number)值反演成輻射值還可能會(huì)給對(duì)比結(jié)果帶來(lái)不確定性，因此還必須進(jìn)一步將其反演成反射率。對(duì)Landsat-5 TM、HJ-1B遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，定標(biāo)參數(shù)從中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲取(http：//www.cresda.com/CN/)，將影像的DN值轉(zhuǎn)換成輻亮度，進(jìn)一步將輻亮度轉(zhuǎn)換為反射率，通過(guò)對(duì)不同影像之間的日-地距離和太陽(yáng)天頂角的差異進(jìn)行正規(guī)化，以減少它們之間因日照和地形條件的不同所造成的影響(式(1))。

(1)

式中：ρλ為像元在傳感器處的反射率；DN·Gainλ+biasλ為傳感器處的輻亮度值；Gainλ和biasλ是傳感器的定標(biāo)增益值和偏置值；ESUNλ為大氣頂部平均太陽(yáng)輻照度，單位為 W/(m2·μm)；d為日-地天文單位距離；θs為太陽(yáng)天頂角。這些參數(shù)都可以從影像的頭文件中獲得。

由于Landsat-8衛(wèi)星改進(jìn)后，在表觀反射率反演方面與以往Landsat系列有較大的差異，減少了d、ESUNλ等參數(shù)的計(jì)算，可以直接采用式(2)得到傳感器處的表觀反射率[22]。

ρλ=(Mρ·Qcal+Aρ)∕cosθs

(2)

式中：Qcal為影像的DN 值；Mρ為波段λ的反射率調(diào)整因子；Aρ為波段λ反射率調(diào)整參數(shù)，可以從影像頭文件中獲得。對(duì)Landsat level1和HJ-1B level 2數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，以Landsat TM/OLI為基準(zhǔn)影像對(duì)HJ-1B影像進(jìn)行幾何校正，校正后的均方根誤差(RMSE)小于0.5個(gè)像元。

1.3 樣區(qū)的選擇

在Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD遙感圖像中采用國(guó)際慣用的樣區(qū)比較法[23-24]，即在二者影像上選取范圍相同的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)作為樣區(qū)，然后以各樣區(qū)的均值來(lái)進(jìn)行對(duì)比。樣區(qū)要盡量選擇均勻的地物，避免光譜差異大的地區(qū)，可有效避免配準(zhǔn)精度可能產(chǎn)生的問(wèn)題。據(jù)此，本文在每對(duì)實(shí)驗(yàn)影像上共選了66個(gè)均質(zhì)的植被樣區(qū)(林地：25；耕地：10；建設(shè)用地：10；礦區(qū)：10；裸土：7；水體：4)，每個(gè)樣區(qū)的像元數(shù)在數(shù)十個(gè)到數(shù)百個(gè)之間，共計(jì)16 442個(gè)。圖1以2013年Landsat-8影像(543真彩色合成)為例列出部分樣區(qū)。

圖1 樣區(qū)例圖

1.4 誤差分析

通過(guò)計(jì)算兩兩傳感器各對(duì)應(yīng)波段之間的NDVI指數(shù)，地表反射率的最大值、最小值、平均值和動(dòng)態(tài)范圍，標(biāo)準(zhǔn)誤差(standard deviation，Std.Dev)，決定系數(shù)(R2)，均方根誤差(root mean square error，RMSE)，相對(duì)偏差率(mean error，ME)，來(lái)衡量?jī)山M數(shù)據(jù)之間的偏差程度。決定系數(shù)(R2)是代表各對(duì)應(yīng)波段之間線性擬合程度，以Landsat TM/OLI為自變量，HJ-1B CCD為因變量進(jìn)行擬合，擬合程度越高，自變量對(duì)因變量的解釋程度越高，觀察點(diǎn)在回歸直線附近越密集。計(jì)算如式(3)至式(4)所示。

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI指數(shù)一致性分析

植被指數(shù)是用來(lái)反映植被覆蓋度及其生長(zhǎng)狀況的度量參數(shù)，有益于增強(qiáng)遙感影像的解譯能力。計(jì)算Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD影像的植被指數(shù)NDVI，并進(jìn)一步計(jì)算出研究區(qū)域各樣區(qū) NDVI的統(tǒng)計(jì)特征值以及二者之間的ME和RMSE，然后將各樣區(qū)的NDVI均值散點(diǎn)投影到二維光譜特征空間上進(jìn)行回歸分析，以查明它們之間的定量關(guān)系。

從表2和圖2來(lái)看，Landsat NDVI均與HJ-1B NDVI數(shù)據(jù)顯示出良好的相關(guān)性。當(dāng)NDVI小于0.2時(shí)，HJ-1B數(shù)據(jù)比Landsat稍大，但是，隨著NDVI的增加，HJ-1B數(shù)據(jù)開(kāi)始偏小于Landsat。散點(diǎn)總體均勻分布在 1∶1 線附近，它們的相對(duì)偏差率(ME)不大于10%，RMSE小于0.1，三組對(duì)比中產(chǎn)生的回歸方程的R2都大于0.93。ME都為正數(shù)，表明HJ-1B的NDVI數(shù)據(jù)均略大于Landsat，二者的NDVI數(shù)據(jù)十分接近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，二者的NDVI數(shù)據(jù)仍存在一定的差距。

1)HJ-1B CCD的NDVI最小值、最大值、均值和動(dòng)態(tài)范圍都大于Landsat TM/OLI的相應(yīng)值，而標(biāo)準(zhǔn)差小于Landsat TM/OLI的相應(yīng)值，這說(shuō)明HJ-1B CCD獲取的植被信息量、動(dòng)態(tài)范圍以及植被的可分性會(huì)大于Landsat TM/OLI的相應(yīng)值，即使用HJ-1B CCD數(shù)據(jù)計(jì)算的NDVI敏感性更高，獲取的植被信息也更豐富且獲取植被信息的穩(wěn)定性較好。

2)Landsat獲取的植被指數(shù)信號(hào)會(huì)強(qiáng)于HJ-1B，因?yàn)榕cHJ-1B相比，Landsat TM/OL的NDVI 表現(xiàn)為低估，其均值小于HJ-1B系列。在植被覆蓋率高的地方，HJ-1B影像獲得的植被指數(shù)值低于Landsat影像，而在植被覆蓋率較低的地方，情況相反。表明在植被覆蓋區(qū)HJ-1B植被指數(shù)獲得的信號(hào)弱于Landsat影像。

通過(guò)NDVI指數(shù)表明，HJ-1B影像與Landsat在植被應(yīng)用方面有著相當(dāng)，甚至更高的優(yōu)勢(shì)。Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD三者的植被觀測(cè)能力很接近，但在不同的獲取信息上表現(xiàn)各不相同。魏宏偉等[25]的研究證實(shí)發(fā)現(xiàn)，HJ-1B植被信號(hào)要弱于后者，主要原因是由于兩種傳感器在構(gòu)成植被指數(shù)的紅光與近紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)不同造成的。如圖4可見(jiàn)，HJ-1B的光譜范圍明顯小于其他傳感器。

表2 基于 ROI 的Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD的NDVI統(tǒng)計(jì)特征

圖2 不同年份Landsat TM/OLI、HJ-1B影像對(duì)的NDVI散點(diǎn)圖

2.2 地表反射率一致性分析

圖3展現(xiàn)的是Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD對(duì)應(yīng)波段像元地表反射率散點(diǎn)分布(紅色實(shí)線)以及過(guò)原點(diǎn)的擬合直線1∶1(黑色虛線)。表3列出了各實(shí)驗(yàn)影像對(duì)所有樣區(qū)所計(jì)算得出的統(tǒng)計(jì)特征。

由表3的統(tǒng)計(jì)特征可以得出，Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD的各對(duì)應(yīng)波段回歸方程的決定系數(shù)R2均大于0.8，最大值可達(dá)到0.93，表明三個(gè)傳感器的地表反射率具有較好的一致性，HJ-1B CCD在各波段的地表反射率均值基本都大于Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)，且兩個(gè)影像的均值都隨著波段范圍的提升而提高，大小順序?yàn)椋核{(lán)光<綠光<紅光<近紅外，同時(shí)，其RMSE也隨之提高。由于波段波譜差異，紅光、近紅外波段的地表反射率明顯增強(qiáng)，遠(yuǎn)大于藍(lán)綠波段，近紅外的平均值遠(yuǎn)超其他三個(gè)波段。

從圖3可以看出，Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD傳感器在所有頻段之間都具有明顯的相關(guān)性，四個(gè)頻段的決定系數(shù)R2在0.821 0至0.932 3范圍內(nèi)。各波段的變化規(guī)律基本一致，藍(lán)、綠光波段散點(diǎn)大部分在1∶1線下方；紅光波段散點(diǎn)分布較均勻，分布范圍較大，從0.02～0.4都有所分布，但都基于1∶1線對(duì)稱分布；近紅外波段的散點(diǎn)主要在0.2以上，地面反射率均大于其他光譜，說(shuō)明該區(qū)域地表吸收的近紅外較少。由于這兩個(gè)波段具有非常不同的波長(zhǎng)范圍，HJ-1B CCD 近紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)與 Landsat-8 OLI 近紅外波段光譜響應(yīng)函數(shù)僅有很小的一部分相交。

圖3 不同年份Landsat、HJ-1B影像對(duì)的地表反射率散點(diǎn)圖

通過(guò)提取66個(gè)樣區(qū)中的16 442個(gè)像元的地表反射率值，對(duì)每一對(duì)影像進(jìn)行比較，可獲得的轉(zhuǎn)換方程如圖3所示(黑色虛線為1∶1線，紅色實(shí)線為回歸方程)。

年份對(duì)應(yīng)波段Landsat TM/OLIHJ-1B CCD最大值最小值均值最大值最小值均值RMSER2轉(zhuǎn)換方程藍(lán)光 0.1890.0200.0570.1920.0160.0590.014 20.825 6y=0.842 1x+0.008 42009綠光 0.2960.0290.0920.2930.0180.0750.025 40.892 5y=0.793 7x+0.000 5紅光 0.3970.0190.0990.3860.0210.0910.026 30.884 9y=0.831 5x+0.005 9近紅外0.4970.0370.2730.4990.0500.2760.032 60.932 3y=0.942 3x+0.012 8藍(lán)光 0.1670.0120.0540.1750.0360.0660.017 30.841 2y=0.995 8x+0.013 02013綠光 0.2400.0240.0790.2350.0410.0990.021 60.891 1y=1.039 8x+0.013 5紅光 0.2860.0190.0820.2960.0530.1020.025 60.845 2y=0.843 0x+0.027 0近紅外0.4400.0330.2380.3630.1010.2370.038 80.897 6y=0.851 7x+0.025 5藍(lán)光 0.2180.0150.0600.2320.0480.0840.025 30.821 0y=0.978 5x+0.012 52014綠光 0.2950.0270.0830.2810.0650.1090.028 70.860 0y=1.062 0x+0.017 7紅光 0.2890.0170.0810.2910.0430.0980.027 50.827 7y=0.904 9x+0.020 3近紅外0.5690.0240.2970.5840.0770.3760.041 20.926 9y=1.152 7x+0.024 9

每?jī)蓚€(gè)傳感器的回歸線y越靠近1∶1線時(shí)，則表明二者的反射率差異越小；回歸線位于1∶1線上方時(shí)，說(shuō)明HJ-1B的反射率高于Landsat的反射率；回歸線位于其下方時(shí)則反之。從圖3中的回歸方程可看出，Landsat-5 TM與HJ-1B CCD的回歸線都在1∶1線下方，說(shuō)明Landsat-5 TM比HJ-1B CCD接收的地表反射率更高；而Landsat-8 OLI與HJ-1B CCD的回歸線在1∶1線上方，說(shuō)明HJ-1B CCD比Landsat-8 OLI接收的地表反射率更高。三個(gè)傳感器在藍(lán)、綠和紅光波段的RMSE和ME差異程度較一致，在近紅外波段則表現(xiàn)出較大差異，其地表反射率和R2均大于藍(lán)、綠和紅波段，表明三種傳感器信號(hào)差異在不同波段的表現(xiàn)并不相同。近紅外波段地表反射率差異為0.2左右，R2的差異為0.3～0.5，說(shuō)明三個(gè)傳感器的地表反射率散點(diǎn)在近紅外波段的協(xié)調(diào)性優(yōu)于其他三個(gè)波段。對(duì)于Landsat TM/OLI，NIR波段反射率與HJ-1B CCD產(chǎn)生極為顯著的相關(guān)性。

上述對(duì)比結(jié)果表明，在植被觀測(cè)能力上，Landsat TM/OLI傳感器相較于 HJ1B-CCD 具有較強(qiáng)的植被探測(cè)能力；在對(duì)地觀測(cè)能力上，HJ-1B CCD獲取的地表反射率總體高于Landsat系列數(shù)據(jù)，但這兩個(gè)系列數(shù)據(jù)在不同波段表現(xiàn)有所差異，差異的原因可能有以下方面。

1)光譜響應(yīng)函數(shù)差異。如圖4所示，Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD在紅光、近紅外波段之間的光譜響應(yīng)函數(shù)存在一定的差異。HJ-1B的光譜響應(yīng)在紅光、近紅外的波長(zhǎng)范圍均大于Landsat TM/OLI，特別是近紅外，峰值、范圍都有較大差異，這是Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD近紅外波段在對(duì)地觀測(cè)能力上RMSE和R2差值最大的原因之一。但是，與傳感器的天頂角相比，光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD之間的差異影響相對(duì)較小。

圖4 Landsat TM/OLI與HJ-1B CCD光譜響應(yīng)函數(shù)曲線

2)傳感器天頂角的影響。隨著傳感器天頂角度的增加，各波段反射率和NDVI數(shù)據(jù)隨之變化。當(dāng)傳感器天頂角上升到大約34°然后下降時(shí)，三個(gè)可見(jiàn)波段的反射率會(huì)變大。但是，當(dāng)傳感器的天頂角小于45°時(shí)，NIR波段反射率始終會(huì)增加，NDVI數(shù)據(jù)變小，直到傳感器天頂角上升到34°，NDVI變大，這意味著超過(guò)34°的傳感器天頂角對(duì)NDVI、反射率值產(chǎn)生很大影響。在0°和17°之間的傳感器天頂角差將帶來(lái)9.54%的反射率誤差，而光譜誤差僅導(dǎo)致0.53%的誤差。與每個(gè)頻段的反射率相比，NDVI受傳感器天頂角度的影響很小。

3)傳感器的定標(biāo)精度差異。研究表明，Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD自發(fā)射以來(lái)，其傳感器的性能都發(fā)生了衰減。特別是Landsat-5發(fā)射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，各種觀測(cè)能力下降較為嚴(yán)重。HJ-1B的定標(biāo)文件不確定，在中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心官網(wǎng)，影像頭文件XML里面的定標(biāo)系數(shù)各有一套定標(biāo)文件，定標(biāo)系數(shù)不一致。

2.3 轉(zhuǎn)換方程驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)基于上述方法所得出的Landsat TM/OLI與HJ-1B的關(guān)系方程的精確度，本文選取了2016年3月1日同日過(guò)境的Landsat-8和HJ-1B的影像對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1)NDVI植被指數(shù)驗(yàn)證。將研究區(qū)域2009、2013、2014年的66個(gè)樣本合并起來(lái)進(jìn)行回歸分析，以此建立Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD 植被指數(shù)NDVI的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，表達(dá)如式(5)所示。

HJ-1BNDVI=1.020 2LandsatNDVI+0.007

(5)

首先，對(duì)驗(yàn)證影像對(duì)進(jìn)行預(yù)處理，保證與另三組影像進(jìn)行了相同的預(yù)處理；其次，在Landsat-8的驗(yàn)證影像上選取了同質(zhì)的66個(gè)樣本，將轉(zhuǎn)換方程代入Landsat的驗(yàn)證影像中，計(jì)算模擬HJ-1B的NDVI值；然后，與實(shí)際的HJ-1B的NDVI值進(jìn)行回歸分析(圖5)，并計(jì)算出它們的ME與RMSE。對(duì)照?qǐng)D6可看出，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，Landsat和HJ-1B植被指數(shù)NDVI 的散點(diǎn)擬合曲線更加靠近 1∶1 線，差距在變??；R2也較之前提高了3～4個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到0.991 8；ME降低為0.36%，取三年的ME平均值為0.65，降幅為80.5%；RMSE降低為0.02，取三年的RMSE平均值為0.046，降幅為130%。顯然，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的HJ-1BNDVI數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了較高的精度，接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換方程促進(jìn)這兩種傳感器NDVI數(shù)據(jù)的協(xié)同使用，可以用于兩種傳感器的相互替代。

圖5 基于驗(yàn)證影像建立的Landsat和HJ-1B NDVI轉(zhuǎn)換方程的擬合結(jié)果

圖6 基于驗(yàn)證影像建立的Landsat和HJ-1B地表反射率值轉(zhuǎn)換方程的擬合結(jié)果

2)地表反射率(bottom of atmospheric reflectance，BOA)驗(yàn)證。將研究區(qū)域2009、2013、2014年的66個(gè)樣本共16 442個(gè)像元值合并起來(lái)進(jìn)行回歸分析，建立Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD 各波段的地表反射率值的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，表達(dá)如式(6)所示。

藍(lán) 光：HJ-1BBOA=0.954 0LandsatBOA+0.013 2

綠 光：HJ-1BBOA=0.861 0LandsatBOA+0.013 8

紅 光：HJ-1BBOA=0.839 8LandsatBOA+0.018 3

近紅外：HJ-1BBOA=0.882 8LandsatBOA+0.021 5

(6)

與上節(jié)相同的方法，在驗(yàn)證影像選取同質(zhì)的66個(gè)樣本區(qū)共16 442個(gè)像元，將像元值代入相對(duì)應(yīng)波段的轉(zhuǎn)換方程中，計(jì)算出HJ-1B的模擬地表反射率值，與驗(yàn)證影像HJ-1B的實(shí)際值進(jìn)行回歸分析，并計(jì)算它們之間的RMSE和R2，并將結(jié)果進(jìn)行比較。

表4 驗(yàn)證影像地表反射率值模擬轉(zhuǎn)換前后的統(tǒng)計(jì)特征值對(duì)比

對(duì)照?qǐng)D3和圖6可以看出，經(jīng)過(guò)模擬轉(zhuǎn)換后各波段的RMSE和R2較模擬前都有較顯著的優(yōu)化。對(duì)比實(shí)驗(yàn)影像，轉(zhuǎn)換后的地表反射率值散點(diǎn)擬合曲線與1∶1線幾乎重疊，R2提高了3～12個(gè)百分點(diǎn)，都在0.93以上，接近于1，說(shuō)明轉(zhuǎn)換后具有極為顯著的線性關(guān)系。RMSE的降幅最大為60%，最小值可以達(dá)到0.007 5，這表明Landsat數(shù)據(jù)與HJ-1B數(shù)據(jù)能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過(guò)模擬轉(zhuǎn)換后，兩種傳感器之間的數(shù)據(jù)差異大大減小，能用于兩種傳感器的交替使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)三對(duì)同日過(guò)境的影像采用基于樣區(qū)的比較法對(duì)Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行交互對(duì)比分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，三種傳感器的NDVI數(shù)據(jù)和地表反射率值都具有較高的相關(guān)性，各對(duì)應(yīng)波段的R2都處于0.82～0.95之間，RMSE也小于0.05，處于一個(gè)較高的水平。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，三者的植被觀測(cè)能力以及對(duì)地觀測(cè)能力都存在著一定的差異，主要表現(xiàn)在植被觀測(cè)能力上，HJ-1B影像與Landsat在植被應(yīng)用方面有著相當(dāng)甚至更高的優(yōu)勢(shì)，Landsat TM/OLI和HJ-1B CCD三者的植被觀測(cè)能力很接近，但在不同的獲取信息上表現(xiàn)各不相同。在對(duì)地觀測(cè)能力上，HJ-1B獲取的地表反射率總體高于Landsat系列數(shù)據(jù)。分析表明，Landsat系列數(shù)據(jù)與HJ-1B數(shù)據(jù)之間的差異是由于光譜響應(yīng)函數(shù)、定標(biāo)精度以及傳感器天頂角的影響造成的。

因此，通過(guò)波段光譜轉(zhuǎn)換，將不同傳感器類型的數(shù)據(jù)以數(shù)值回歸校正法來(lái)消除傳感器之間的波段間差異，可以實(shí)現(xiàn)波段間光譜轉(zhuǎn)換，從而將多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的單一類型的時(shí)序數(shù)據(jù)，以提高研究數(shù)據(jù)的一致性。由光譜轉(zhuǎn)換結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)光譜定標(biāo)轉(zhuǎn)換的HJ-1B影像數(shù)據(jù)明顯提高了與TM/OLI數(shù)據(jù)的擬合度，通過(guò)光譜定標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，在精度允許范圍內(nèi)數(shù)據(jù)間可以相互轉(zhuǎn)化與模擬，為存檔數(shù)據(jù)利用提供新的思路與方法。

由于本文所獲取的HJ-1B數(shù)據(jù)量有限，僅以定南縣的Landsat系列和HJ-1B圖像對(duì)擬合得到了NDVI和地表反射率的轉(zhuǎn)換方程，該方程在其他區(qū)域的適用效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在今后的研究中，需要使用更多區(qū)域、更長(zhǎng)時(shí)間序列的不同影像對(duì)來(lái)檢驗(yàn)該方程的穩(wěn)定性。