环境一号遥感卫星影像质量评估和应用分析

刘玥佟

（1. 新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

环境一号遥感卫星影像质量评估和应用分析

刘玥佟1

（1. 新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

以CCD影像分析为主，通过随机抽取的环境一号卫星遥感影像，按照卫星影像标准处理流程获得遥感影像，综合利用多种计算机分析和人眼判定方法，对卫星影像质量进行分析，获得环境一号卫星遥感影像质量评定结果，并确定其应用范围与适用性。其相关结果可以为环境一号卫星的应用提供借鉴，也为未来我国发展多光谱宽幅中分辨率遥感卫星提供参考。

环境一号；CCD；影像质量；应用

1 环境一号遥感卫星星系概况

环境一号卫星遥感减灾卫星星系由环境一号A星和B星组成，于2008年9月6日发射升空并于2009 年 4月在轨交付使用。A星和B星采用相同的卫星平台，都搭载了分辨率达30 m的CCD高分辨率相机，另外，A星还搭载了一台 RSI相机，B星搭载一台HSI相机，基本参数如表1 所示[1]。

表1 环境一号A/B卫星基本数据

由于单颗卫星的卫星周期是4 d，A星与B星轨道差180°，因此两颗卫星组成的卫星星系获取地球上同一点的CCD影像周期是2 d。

CCD相机是两颗卫星的统一装备，从影像用途上看，CCD高分辨率遥感影像是应用范围最广的设备，因此，分析环境一号遥感卫星星系的CCD影像，对于推广环境一号遥感数据的普及和应用都有重要意义。

2 影像特点和处理流程

环境一号A/B遥感卫星CCD多光谱数据包括4 个波段的光谱，即第1蓝光波段、第2绿光波段、第3红光波段和第4近红外波段。一般最终真彩色遥感影像均通过波段影像3、2、1或4、3、2合成获得，本次研究主要采用了3、2、1波段合成影像。

影像数据处理过程包括光谱影像合成、影像纠正、影像增强处理和DEM融合。

1）影像融合。利用3、2、1三个波段的影像，分别置于红、绿、蓝波段，进行影像合成操作，获得接近真彩色影像的合成影像。

2）影像几何纠正。环境一号卫星影像的原始数据（二级产品）定位误差较大，需要利用控制点成果对影像进行重新纠正，本次研究影像均利用7个以上的地面特征点进行二次多项式纠正。影像几何纠正后的精度约为2～3个像元，实际定位精度在30～90 m。

3）影像增强。由于遥感影像在获取过程中受到大气、天气条件以及相机因素的影响，对比度不够，或带有少量噪声，需要对影像进行增强处理，包括辐射增强、直方图均衡化、降噪处理、空间域增强和频率域增强等[2]。

4）DEM融合。利用DEM栅格数据和遥感影像融合，可以提高影像解译能力。本次研究采用了美国NASA的全球DEM数据融合，效果较好。

3 影像评估

3.1 评估方法

影响遥感影像质量的因素包括环境（如大气散射）、随机误差或系统故障、地面处理问题等。本次影像分析处理采用以下5种方式：①影像直方图中单个亮度值出现频率分析；②影像中某一位置或区域像元亮度值评估分析；③一元或多元统计分析，判断影像数据正常性；④多元统计量确定波段时间相关；⑤目视判读识别物。

本次研究抽取了一幅典型的影像进行分析，通过综合分析评估影像平均质量。

3.2 评估过程

3.2.1 直方图评价

直方图是影像亮度值频率统计的图形表达方式，横坐标x是影像某波段值的量化等级，纵坐标y代表这些亮度值出现的频率。直方图分析是一种原始数据质量的评价方式，同时也是评价光学多光谱影像和其他类型遥感影像的主要方法[3]。

如图1所示，从4个波段的直方图上评价，各个波段的曲线比较稳定，RGB的极值相差不大，其光谱反射角均衡。

图1 环境一号CCD影像的4个波段直方图

3.2.2 影像的一元统计和多元统计

影像的一元统计和多元统计分析可以从影像中分析影像质量集中趋势测度和离散度。其中最主要的方式是遥感数据集中趋势测度计算，包括采用中值分布曲线计算方法，采用所有亮度观测值和综合除以观测值个数来度量集中趋势。单波段影像均值μk由n个亮度值BVik计算获得：

式中，μk是总体均值的无偏估计。

分布均值的离散度可以提供影像有用信息，如遥感载荷的可靠性和CCD相机稳定性等因素，离散度计算最常用的方法是样板方差计算：

同时可以采用标准差方法计算单波段影像像元亮度值：

标准差小表示观测值比较紧密集中于中心值周围，标准差大表示观测值比较分散，影像质量不稳定。

多元统计分析方法如下。

1）多波段遥感数据协方差分析。利用不同像元的遥感光谱观测值分析影像演化的相同点，获得一个波段的亮度值变化与另一个波段亮度值变化的关系。可通过计算它们的相关性来获取不同波段之间的关联关系。首先需要计算离均差乘积和：

式中，BVik是第k波段第i个亮度值，研究区域由n个像元组成。第k波段和第l波段的均值分别是μk和μl。同时可以利用式（4）提高计算效率。

式中，SPkl为离均差乘积和。如果k和l相同，则得到SPkl与离差平方和，即

则第k波段和第l波段的亮度值协方差covkl为：

2）多波段遥感数据相关分析。为了消除量纲对评价变量的影响，本文采用皮尔逊积矩相关系数分析界定多波段遥感数据。式（7）采用了两个波段（k和l）之间的协方差和标准差乘积来界定。

根据以上计算方法，此次研究中应用了1幅9级以上无云层影像进行分析，分析结果如表2～4所示。

表2 一元统计量4个波段影像统计分析

表3 方差-协方差矩阵4个波段影像统计分析

表4 相关矩阵4个波段影像统计分析

由于蓝光波段的瑞利散射和米氏大气散射影像，第1波段的亮度值变化最大。在北部湾海洋水体地区，水体吸收了大多数近红外辐射通量，因此，部分地区近红外（第4波段）的最小值接近于0。波段1、2、3之间有很高的相关性（r≥0.95），说明这几个通道存在大量的冗余光谱信息。波段4与波段1、2、3之间的相关性较低[4]。

3.2.3 目视判读

目视判读是遥感影像质量分析中最直接的无定性方法，与计算机分析和统计分析相比，目视判读更容易接受。本次对环境一号3、2、1三波段影像4幅影像进行了目视判读，主要分析影像中各种地物的可判辨度、信息获取量以及影像判读难度等。本次研究采用了环境一号影像中质量差、中、好3类影像进行目视判读分析。对各种地面物和属性的识别程度如表5所示[5-6]。

从表5影像目视判读结果可以看出，环境一号A/ B星影像质量是中等分辨率卫星中，影像质量较好的卫星，在影像色彩、清晰度和亮度等各方面质量均较佳。

3.3 A星与B星影像对比分析

环境一号A星影像与B星影像存在差别，本次研究利用环境一号A星和B星的两幅北部湾地区典型CCD影像进行分析对比，结果如表6所示。

从表6可以看出，A星的影像质量明显高于B星，从目视判读上看， A星影像虽然亮度低于B星影像，但是A星影像的清晰度比B星高，可提取信息量大，识别和判读地面物能力高于B星，数据可靠性高。因此，无论是计算机分析结果还是目视判读结果都表明，环境一号A星CCD影像质量高于环境一号B星影像质量。

表5 环境一号CCD影像对各种地面物和属性的识别程度

表6 A星和B星典型CCD影像结果对比表

4 适用性分析

4.1 影像质量和优势

从数据分析结果和人工目视判读结果可知，环境一号的影像平均质量较佳，其质量可以达到Landsat5卫星遥感影像质量水平。但是波段数较少，数据质量波动较大。由于A/B两颗卫星构成的星座最快更新周期为2 d，且每颗卫星都采用双CCD相机模式，相机幅面宽，宏观性好，可以实现快速对地观测。

4.2 影像可用范围

根据实际对比分析和分类，以及在实际中的应用效果，在环境一号A/B星CCD遥感影像的应用领域评估中，得到以下结论：

1）1：25万地形图编绘和更新能力。环境一号A/B 星由于其畸变差较大，且缺少相关参数，因此无法实现异轨立体成像，同时对1：25万成图要求的地物识别能力有限，因此无法直接进行1：25万图的编绘。但是由于影像对道路、地块和大型水体有一定的识别能力，因此具备对1：25万地形图要素一定的更新能力。

2）水质分析。由于环境一号A/B星CCD影像波段数较少，较难获得基于水体的基本信息，对于精确分析水质情况比较困难，但是可以分析一些重污染，如填海的泥沙污染、海上溢油以及生物污染等，如对云南滇池水藻污染的分析和墨西哥湾油污染监控等[7]。

3）土地利用监测。环境一号CCD影像有出色的时间分辨率、中等空间分辨率以及较大的幅面宽，因此可以监测大规模的土地变化，如工业用地变化、农业用地变化、林地变化和城市扩展等，但是不能详细计算出变化面积，变化量测精度在0.3 km2左右。

4）海岸带监测。环境一号CCD影像对海岸带变化监测分析能力主要体现为对海岸工程和海岸线大规模变化的监测，同时可以监测海岸生物带特别是红树林的长势。

5）道路规划。在环境一号CCD影像上，可以分辨高速公路、一级公路、部分二级公路和铁路。由于对山体和水体等道路规划中有影响的地物能够进行比较清晰分辨，因此可以用于高等级公路的概括性规划。

6）灾害损失评估。在大型灾害，如泥石流、洪灾和旱灾后，对受灾地区和淤泥堆积情况以及水稻、玉米、甘蔗等农作物损失情况进行评估，评估精度可以达到20%以上。

4.3 影像缺点

1）分辨率较低。环境一号A/B卫星CCD相机的分辨率是30 m，虽然相幅比较宽，但是30 m的分辨率仍然处于中分辨率和高分辨率之间，对地物识别能力较差，对村级居民地、普通公路和三级以上水系等重要地物识别比较困难。

2）二级产品定位精度较差。环境一号A/B卫星CCD相机的二级产品定位是通过卫星CCD传感器参数和卫星轨道参数计算，计算精度差，且未能用地面DEM进行影像纠正，影像定位精度较差，其精度在300～1 200 m之间，二级产品应用一般要利用地面控制点进行重新定位配准。

3）波段较少。环境一号CCD影像相机只有4个波段，对地物识别能力精确度不足，而Landsat5和Landsat7卫星多光谱CCD传感器的光谱段达7个，EO-1卫星的CCD相机的光谱段达9个，通过反射光谱对地物识别准确率很高。

5 结 语

环境一号卫星虽然在最高分辨率、影像最佳质量、光谱分辨率上与美国最新的Landsat8中分辨率遥感卫星还有一定的差距，但是其拥有周期短、像幅宽等特点。在相同周期内，其可用数据要远高于Landsat8，其优势也是非常明显的。

中分辨率卫星遥感影像的信息宏观性和时间分辨率要优于高分辨率卫星遥感影像，即使在今天，其作用仍然是不可替代的。未来我国应该继续大力发展10～20 m的中分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率遥感卫星，其应用潜力广泛。

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1672-4623（2016）05-0081-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.026

刘玥佟，硕士，工程师，主要从事测绘管理工作。

2015-12-29。