省域的国产光学卫星影像获取困难区分析

徐之俊，刘子雯，邢光成，李连营

（1. 湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉 430074；2. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430070）

随着我国高分系列和资源系列等国产卫星的种类和数量日益增多，国产遥感卫星对地观测能力提升，为地表研究提供高精度的地物要素信息能力越来越高，应用越来越广泛。目前国产高分辨率卫星已广泛地应用于国土资源[1]，每年的地理国情监测[2]、土地利用变更[3]等常态化更新都需要用到大量遥感卫星影像进行分析。因此，遥感卫星影像对各地的覆盖情况以及覆盖质量会对应用有着一定的影响。

一方面，由于地形、地势、气候等因素的影响，卫星影像在各个地区的覆盖范围、覆盖频次上差异较大，甚至部分困难地区无影像覆盖。另一方面，据全球卫星云气候研究数据（ISCCP-FD）显示，全球每年平均云覆盖占全球地表面积的比例大约为66%，而云层作为影像中的一种常见污染物，也会影响国产卫星遥感数据获取地表信息的能力[4]。

因此，为全面分析卫星影像数据的覆盖质量，使其满足自然资源事业发展需要，我们需要对近年来的国产卫星影像数据进行深入分析，统计规律，研究影响具体覆盖困难的地区。考虑到云层覆盖情况，在本次研究中采用了深度学习方法对现有国产卫星影像数据的云覆盖、云影等信息进行提取，并对这些数据进行分析，研究云的遮挡对遥感影像在各地的覆盖率以及覆盖频次的影响，综合分析国产卫星的影像获取能力，评价卫星影像的可用性。

1 研究区域及数据

本次研究根据高分一号卫星、高分二号卫星以及资源三号卫星影像数据在湖北省各市（州）的覆盖情况，通过具体指标值分析出覆盖困难的城市，并对这些覆盖困难城市进行量化的分级，便于后续为如何提升国产光学卫星影像质量提供依据[5]。

1.1 研究区域特点

湖北省地处中国中部地区，29°01′53″N～ 33°6′47″N、108°21′42″E～116°07′50″E之间，东西长约740 km，南北宽约470 km，总面积18.59万km2。湖北省地势大致为东、西、北三面环山，中间低平，略呈向南敞开的不完整盆地，地形地势对卫星影像的获取有着较大影响。

湖北省共辖12个市、1个自治州、4个省直辖县级行政单位。本次研究将以市（州）为单位对湖北省各市（州）的卫星影像覆盖情况进行分析，具体有武汉市、黄石市、十堰市、宜昌市、襄阳市、鄂州市、荆门市、孝感市、荆州市、黄冈市、咸宁市、随州市、恩施土家族苗族自治州、仙桃市、潜江市、天门市、神农架林区17个市（州）。

1.2 数据内容分析

1.2.1 原始影像资料数据

本次研究现有影像数据包括GF1、GF1BCD、GF2、 ZY-3卫星影像，影像时间跨度从2012－2019年，其中共有2189景GF1 PMS卫星影像；405景GF1BCD PMS影像；1204景GF2 PMS影像；5341景ZY-3 MUX影像，具体数据清单如表1所示。

表1 已有卫星影像数据清单

现有卫星影像数据具有以下特点：

1）数据时间跨度大：涉及数据自2012年后所有多源影像数据，从其按年份统计来看，数据量有逐年增加趋势明显。

2）数据类型多：影像涉及卫星类型多样，早期以ZY系列为主，后期增加了很多GF系列卫星影像，且卫星编号不断增加。

3）数据格式差异大：不同卫星影像涉及的数据标准均有差异，从覆盖区域、文件大小、命名规则等均存在较大差异。

4）数据量巨大：不同卫星影像中，每景数据大小从500 M～6 G，大小不等，整体数据量巨大。

1.2.2 云检测软件处理后的数据

由于本次分析需要基于天气模型，需要使用多源国产卫星影像云检测软件对原始影像数据进行处理。

本次研究中，各卫星影像的样本数量较为充足，选取基于深度学习的云提取技术实现对遥感影像中云要素的提取。首先通过半自动标注影像云掩膜、人工检查纠正和裁切构建多源影像云检测样本集，然后进行多源卫星影像深度学习云检测模型训练，实现多类型国产卫星影像高精度批量云提取，输出影像云掩膜和云量注记信息等文件。

处理后影像的元数据xml文件包含每一景影像的含云量，矢量云掩膜文件中有每一景数据各地理单位的云覆盖情况，并用mask属性字段对云覆盖情况进行区分，其中mask字段值为1的地方代表此地区没有云层覆盖，其余值表示有云覆盖。通过矢量云掩膜文件可以得到每景影像中有云覆盖的位置和大小数据，在ArcGIS中经过处理后可以得到各地区内云覆盖的具体情况，为后续分析提供数据支持。

2 研究方法

2.1 指标体系

1）覆盖率。覆盖率是指卫星拍摄覆盖到面积与各地总面积的比值。根据数据中各卫星每一景影像数据的XML文件中的信息进行处理，将生成的各卫星覆盖的shp文件与行政区划shp数据相交后，分别计算出各地的覆盖率[6]。

2）覆盖频次。覆盖频次是指卫星影像在一年间对各地覆盖的次数。获得每景影像的覆盖范围矢量数据后，将所有矢量图形组合并为一个要素类，每个图形作为其中的一个要素。在ArcGIS中，使用频数工具，通过面积字段以及表连接功能统计出各区域的覆盖频次[7]。

3）云量。云量是指云、薄云和云影的面积占所在区域面积的百分比。本文中的云量数据是指原始影像数据经过云提取软件处理后得到的数据结果。

以市（州）为单位对各卫星所拍摄影像的含云量进行分析，含云量比例也是由有云区域的面积与各市（州）的面积相除得到的。将数据整理后得到下图，其中含云量是指所有年份各卫星对各市（州）所拍摄影像含云量的平均值。

2.2 分析方法

由于每一年各卫星对湖北省各市（州）的覆盖率和覆盖频次都有较大差别，高分一号和资源三号总体的覆盖率较高，各市（州）相差较小，而高分二号覆盖率相差较大，因此要确定各个年份各卫星的覆盖率指标和覆盖频次指标应在整体覆盖质量指标中计算权重的大小。得到各市（州）的覆盖质量指标后，使用自然断点法对其分类，完成基于覆盖质量的困难城市的分级。具体分析路线如图1所示。

图1 分析路线图

1）熵权法赋值。熵权法是一种客观赋值方法。在具体使用的过程中，熵权法根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，再通过熵权对各指标的权重进行修正，从而得到较为客观的指标权重。

具体计算步骤如下：

①处理计算得到每年各卫星影像对17个市（州）的覆盖率、覆盖频次、云量指标数据。

②分别对各市（州）的覆盖率指标、覆盖频次指标和云量指标进行归一化处理，得到各指标数据标准值，再计算标准值下的熵权。

（3）浑河、苏子河的氮输入对抚顺取水口处各水质要素的影响相当，减小苏子河的磷输入能更有效地降低抚顺取水口处的叶绿素a浓度。该研究以期为大伙房水库水资源可持续利用及水质管理提供理论指导。

③用计算得到的权重分别与原始数据相乘，得到加权后各州市的覆盖率指标值、覆盖频次指标值和云量指标值。

④对这3个指标值再进行归一化处理和熵权计算，得到最终各市（州）质量指标值。

2）自然断点法分级。自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的差异最大化。使用自然断点法进行分级处理，会对数值进行运算后自动设置断点位置，将其分为几类，使类内差异最小,类间差异最大。

3）困难地区分级。困难地区是指卫星影像覆盖程度较差的地区，为了更好地对困难程度进行评价，通过对各地区的覆盖质量指标值进行分级处理，从而得到覆盖困难地区的分级情况。对各市（州）原始影像以及天气模型影像的覆盖质量指标进行分级，得到困难地区的初步分级结果。湖北省包含12个市、1个自治州和4个省直辖县，覆盖质量指标值有17个，对这 17个指标值进行分级，根据自然断点法原理会将这些指标由低到高分为不同级别，即代表困难城市等级。

3 实例研究

运用上述分析方法，以湖北省为例进行卫星的覆盖质量分析。

3.1 覆盖质量指标统计

根据影像数据通过分析方法计算出各卫星对湖北省各市（州）的覆盖率数据、覆盖频次数据以及云量数据。以2017年高分一号影像数据为例，如图2～4所示。

图2 覆盖率统计图

图3 覆盖频次统计图

图4 各市（州）含云量比例图

原始影像质量指标中需要对影像数量、覆盖率、覆盖频次进行熵权法加权计算，天气模型影像质量指标中需要对覆盖率、覆盖频次和含云量进行熵权法加权计算。对各年数据指标进行熵权赋值之后，得到覆盖质量指标如表2所示。

表2 湖北省各市（州）影像覆盖质量指标

3.2 困难地区分级

基于上述覆盖质量指标使用自然断点法进行覆盖困难的分级。

1）原始影像困难区分级。使用自然断点法对 17个市（州）的原始影像覆盖质量进行处理后，质量值被分为1.75～1.81，1.81～2.37，2.37～2.56，2.56～2.984个级别，从低到高排列后对应的市（州）也被分为4个困难等级，其中一级困难地区（覆盖质量低）有恩施和神农架，四级困难地区（覆盖质量高）有随州、孝感和天门。

2）天气模型影像困难区分级。使用自然断点法对17个市（州）的天气模型影像覆盖质量进行处理后，质量值被分为1.01～1.21，1.21～1.53，1.53～1.81 3个级别。一级困难地区有恩施、神农架和宜昌。

3.3 困难地区分析

1）原始影像困难区分析。原始影像的覆盖质量提升主要是针对困难地区覆盖不到的情况。除非遇到重大事件，卫星运行轨道是无法进行更改的，因此无法从轨道路线上对拍摄进行调整，只有等卫星按照周期对这个地区重访时才能再次获取到影像数据。

对数据进行分析可知，湖北省各市（州）中，恩施市、神农架林区的遥感影像获取相对较困难，而遥感卫星对天门市、随州市以及孝感市的覆盖情况相对较好。

2） 天气模型影像困难区分析。天气模型带来的影响主要是由于天气因素，由于这些因素导致遥感影像本身覆盖到的区域数据缺失。考虑到天气模型后对数据进行分析得到，湖北省各市（州）中是恩施市、神农架以及宜昌市受到云层覆盖的影响相对较大。要提高这些地区的覆盖影像的质量，需要尽量去掉或者修复影像中的云层遮挡。

3）综合分析。从上述分析可知，卫星影像质量是由两部分因素决定的，一是由于卫星本身规划的运行轨道、拍摄周期频次等因素导致对各地区的覆盖率和覆盖频次有所差别；另一方面是由于各地区本身天气因素导致的影像数据中存在云遮挡面积的差别。因此，原始影像困难区与天气模型影像困难区分析结果中，一致的地区为卫星本身原因导致的影像覆盖困难，不一致的地区则是因为云遮挡现象的影响导致的。

4 结 语

基于已有国产卫星影像对湖北省的覆盖数据，在ArcGIS中使用空间分析工具得到覆盖率、覆盖频次等分析指标，再使用熵权法与自然断点法实现对基于原始影像和基于天气模型影像的困难城市的分级，确定哪些地区的覆盖情况相对较差。

本文完成了面向湖北省域的国产光学卫星影像获取困难区的分析，得出原始遥感影像对神农架林区以及恩施市的覆盖情况相对较差，同时宜昌市、神农架林区以及恩施市到云层覆盖的影响相对较大。若要进行影像覆盖质量的提升，应重点关注这些困难地区的覆盖情况。

由于数据类型、数据量等因素，本文的研究也存在一些局限性。未来在卫星数据类型更加多元、数据更加完整的情况下继续对各卫星的获取能力进行分析，会得到更加准确、有价值的结果。