Landsat9和Landsat8卫星数据应用对比研究.pdf
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1、 :引用格式:晏红波,吴思怡,卢献健,等 和卫星数据应用对比研究无线电工程,():,():和卫星数据应用对比研究晏红波,吴思怡,卢献健,王佳华(桂林理工大学 测绘地理信息学院,广西 桂林;广西空间信息与测绘重点实验室,广西 桂林)摘要:以和卫星在中国个地区的期影像作为数据源,通过比对其原始影像质量、归一化植被指数(,)和地表温度(,)反演精度,客观评价和卫星数据的质量及应用精度,为遥感影像的科学研究及在中国地区的应用提供有价值的参考。采用目视判读法及原始影像特征数据(直方图、灰度均值、灰度方差、信噪比和熵)进行影像质量比对分析,利用相对偏差率()、和对比分析和的和反演精度,得到以下结论:原始影
2、像质量评价显示,数据光谱信息量更大、图层丰富、观测地物能力也更加优越。获取的植被指数信号更强,的标准差与相比总体偏大,差值最大可达,植被的可分性优于;的均值整体大于,最大差值可达。在经度 两个卫星的适用情况相似,而在其他地区植被获取能力明显更强。此外,反演精度(,)要优于(,),与中国陆面数据同化系统()近实时产品数据集的偏差率最小仅为。关键词:;归一化植被指数;地表温度中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,;,):,(),(),(,)(),(,)(,),():;收稿日期:基金项目:广西自然科学基金();国家自然科学基金(,):();(,)专题:长时
3、序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 引言系列卫星自问世以来,因分辨率较高、时间跨度大及数据免费等特点被广泛应用。于年月日:从加利福尼亚范登堡太空部队基地发射,是的改进复制品,陆地成像仪(,)是陆地成像仪(,)的副本,但在进行光谱响应表征时,采用戈达德绝对辐射测量激光器(,)代替了传统的双单色仪方法。增强了扫描光谱范围,提供了足够的照明来进行指定的带内和带外光谱采样,同时提供低于的辐射不确定性,可以验证绝对辐射校准。改进的光谱特性将减少绝对辐射测量不确定性,提高了目标相关条纹大小的评估能力,同时让用户在不同辐射水平下更好地处理数据。认识到数据量化噪声是受限的,因此将下行链路
4、所产生的位数据全部由航天器电子设备接收并传输到地面,为其图像提供更大的位深度和增加冗余度。以更高的辐射精度对地球表面进行观测,在典型辐射下,传输的数据的信噪比(,)提高了。搭载了最先进的热红外传感器,能够提供更为精确和及时的数据,但的热红外传感器(,)出现的故障导致图像中出现了过多的杂散光,伪影的幅度高达(波段)和(波段)。热红外传感器(,)的个波段性能都优于的热波段,且在仪器风险等级与最大限度减少杂散光的设计方面也是的改进版。是级仪器,设计寿命为年,冗余度有限,而是级仪器,设计寿命与、一样长,为年,增加了冗余度。杂散光分析和测试表明,的杂散光是由一个光学机械部件引起的。建模和测试表明,固定望
5、远镜的第个透镜,其机械支架的散射比预期的高,这是造成杂散光过多的主要原因。为了减少杂散光,的研发策略是在光学望远镜内增加几个挡板,以阻挡设计中可能出现的杂散光路径,提高绝对精度。初步评估表明,总的杂散光幅度已经改善到至少。综上所述,是一颗性能更好、数据质量更高的遥感卫星。但由于其发射时间较短,相关研究还比较匮乏。相比之下,对的研究较为全面,有利于科研界更好地了解的应用情况,证实了该卫星在遥感对地观测技术方面的重要贡献。如初庆伟等介绍了的研发背景、基本参数和数据特点,对该卫星的数据应用方向进行了探讨。地表温度产品的验证表明该卫星的温度产品精度稍高于普适性单通道算法反演结果。本文旨在通过对比和的影
6、像特征差异,以及选取国内不同地质地貌区域的影像,从归一化植被指数(,)和地表温度(,)反演结果统计特征数据、结果图的视觉效果等方面分析在中国区域内的应用情况,探讨的影像质量情况。在此基础上,可以进一步评估是否能有效弥补的缺陷并提高对地观测的能力。研究区与数据源 研究区概况本文选取个研究区,分布在国内各方位。这些区域的海拔高度、气候、地貌特征、植被覆盖类型和地质类型之间存在明显的差异。同时,它们的地质地貌和气候条件较为典型,有利于增加数据的多样性并从不同角度验证个卫星在不同地理条件下的应用情况。华西研究区选取了靠近喜马拉雅山脉的影像,介于北纬 、东经 ,平均海拔超过 ,占地面积约 ,气候干燥、寒
7、冷,雪季长,温度和降雨分布不均,区内冰川广布雪山连绵,山间高原面起伏和缓,地质类型包括火山岩、花岗岩和沉积岩等,植被以高山草甸、高山针叶林、高山灌丛和高山荒漠为主。西北研究区选取塔里木盆地与昆仑山交界处,介于北纬 、东经 ,平均海拔 ,占地面积约 ,属于内陆干旱区,气候干燥,年均降水量少,区内盆地和山脉交错分布,地势较为平坦,地表砾石和沙粒较多,植被覆盖度低,以荒漠植被和荒漠灌丛为主。华中研究区介于北纬 、东经 ,平均海拔,占地面积约 ,夏无酷暑,冬无严寒,雨量充沛,气候湿润,四季分明,地势起伏较大,山地、丘陵和盆地等地形类型都有,地质构造复杂,以花岗岩、片麻岩和变质岩为主,也有火山岩、沉积岩
8、和喀斯特地貌等地质类型,植被种类繁多,以常绿阔叶林和落叶阔叶林为专题:长时序定量遥感产品重建与应用 主。东北研究区介于北纬 、东经 ,平均海拔,占地面积约 ,春季干旱多风,夏季短促温热,秋季凉爽,冬季干冷,地表形态比较平坦,地物高差不大,以第四季沉积为主,植被覆盖以草原植被为主,森林植被居其次。华北平原研究区选取多覆盖城市地区,介于北纬 、东经 ,平均海拔,占地面积约 ,冬寒夏热,春秋短促,气候干燥,地势平坦,地质类型主要为沉积岩和火山岩,主要植被类型属于暖温带阔叶林。东南研究区介于北纬 、东经 ,平均海拔,占地面积约 ,气候温暖潮湿,雨量充沛,地形主要是平原、丘陵和山地,地形起伏较大,地质类
9、型丰富,岩石和土壤类型多样,植被主要为落叶和常绿阔叶林。中国西南喀斯特地貌地区主要分布于广西、云南、贵州等省区,本文选择了位于云贵地区的研究区,该地平均海拔为 ,夏季多雨、湿度大,冬季干燥、风沙较多,多山地,地形崎岖,峰岭众多,石灰岩厚度大,分布广,经地表和地下水溶蚀作用形成典型的喀斯特地貌,以亚热带常绿阔叶林为主。由于该地区在年月末年的月份存在较多阴雨天气,因此遥感影像中的云量相对较高,需要从多幅影像中选择具有较少云量且处于同一地区的样区进行筛选。最终确定的研究区域范围较小,主要覆盖西南喀斯特地貌地区,位于北纬 、东经 ,占地面积约。数据来源为了避免实验结果的偶然性,本文采用了多组影像交互对
10、比的方法。在比较和之前,必须获取二者在同一天过境的遥感影像。与成像存在 的时间偏移,在同一行列上的影像并不能满足要求。不过,与的相邻影像之间只相差约,因此利用张相邻影像的重叠区域可获取所需的数据。本研究共获取了个地区、个不同时间段(秋季、冬季和春季)的和在同一景、近同一时间(不超过)的遥感影像,查询气象数据,获取时间段内地表温度变化幅度不大,无剧烈的天气变化,无雨雪大风等强对流天气。共期,如表所示。所有数据均来自美国地质勘探局(,)官网(:)。表和卫星数据选取对照 地区时间数据集等级时间数据集等级华西 华北 西南 东北 华中 西北 东南 专题:长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第
11、卷 第 期 研究方法 影像质量评估方法受环境、遥感系统随机误差或地面数据处理方法等影响,卫星遥感数据可能存在一定误差。由此对原始影像的质量评估可以为产品的应用提供理论依据,为评估探测器识别结果的准确性和可靠性提供重要参考。本文的影像分析处理采用如下方法。()直方图直方图是统计影像亮度值频率信息的图形表达方式,横坐标代表某波段亮度值的量化等级,纵坐标代表该亮度值出现的频率。在影像像元数目相当大、地物类型差异非悬殊的情况下,其直方图接近于正态分布,而波峰不止一个则意味着图像中包含着波谱特征差异明显的个或多个类别。()灰度均值影像上所有像元的灰度平均值就是灰度均值,反映图像整体的辐射情况。灰度均值越
12、大,图像所接收的光能越大;均值越低,图像越暗,对影像呈现地物的清晰度影响越大。()灰度方差对于同一个区域的不同影像,其灰度分布范围越大,影像的方差就越大。而影像的灰度方差越大则代表图像的灰度层次越丰富,图像质量越好。()信噪比影像中有用的信息与噪声信号的比值称为信噪比。对遥感影像而言,信噪比值大,影像所反映的有用信息较由于噪声所引起的干扰要强,反映地物信息效果好,影像质量好。()灰度共生矩阵影像的灰度共生矩阵指的是像元距离和角度的矩阵函数,通过计算影像中一定距离和一定方向的个灰度之间的相关性来反映影像在方向、间隔、变化幅度及快慢上的综合信息。在共生矩阵的基础上进行二次统计,抽取表示纹理特征的参
13、数,对其分析可以理解影像的纹理特性。本文选择的参数为熵、对比度和角二阶矩。熵值是影像中包含信息量的一个度量单位,表示影像的复杂程度,当影像复杂程度高时,熵值越大,信息量越大。计算如下:,(,),()式中:为每一灰度级出现的概率。角二阶矩()是灰度共生矩阵各个元素的平方和,也称为能量,反映的是图像灰度的均匀程度和纹理的粗糙程度。角二阶矩越大,其纹理越粗糙,空间结构越复杂。计算如下:(,)。()图像的对比度()代表纹理的清晰程度,也是图像的清晰程度。图像对比度越大,反映图像纹理沟壑越深,图像更清晰,可以达到更好的视觉效果。计算如下:(,),()式中:,(,)为规一化的灰度共生矩阵。()目视判读目视
14、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,目视判读更直观。和计算和比较方法 计算和比较方法是目前世界上应用最广的植被指数,广泛应用于监测草地长势、判断植物的生长状态、作物产量和密度估计以及林火监测等方面。在不同传感器之间进行逐一对比时,通常使用统计回归方法。本文通过获取和在整个研究区的植被指数、同一位置 像元的值,统计特征数据,如最大值、最小值、均值、标准差以及数据动态范围(最大值与最小值的比值),从不同海拔条件、气候条件和纬度条件的角度对比这个卫星的植被观测能力。使用相对偏差率()来量化组数据之间的特征差异,并判断它们之间的强弱关系。计算如下:(),()式中:和
15、分别代表和提取的整体区域的均值,为和的平均值。计算和比较方法目前,地表温度反演算法主要包括大气校正法(辐射传输方程)、单通道算法和分裂窗专题:长时序定量遥感产品重建与应用 算法。本实验采用大气校正法,该算法物理基础明确、计算结果精度较高,所需的大气剖面数据也较容易获取。针对地表温度反演,同样使用各种统计特征数据进行计算,并比较反演结果的色彩、亮度等视觉效果。为了验证反演结果的准确性,使用中国气象局陆面数据同化系统(,)近实时产品数据集对反演结果进行验证。最后,分别统计水体、植被以及裸土这种不同地物的平均温度和标准差,并进行比较。数据处理及过程分析 数据处理基于 进行数据处理,预处理包括辐射定标
16、以及大气校正。所选研究区地物种类繁多,且部分影像出现云雾覆盖的情况。地表类型差异、云雾遮挡和阴影等情况可能会导致计算出现异常值。此外,图像的边缘、云层、阴影或者其他遮挡物的区域可能会出现像元缺失的情况,像元缺失同样会导致计算异常。利用 对大气校正后的影像进行计算,。进行计算后用 统计是否有值出现跳跃(是否有数值不在,),如果有,需要使用 建立掩膜去除异常值得到正常值范围内的,公式为()()()(),选择计算结果,含义是小于 的值赋予,大于的值赋予,其他值不需要改变。之后计算出的各种统计特征数据,以便进行后续分析。在进行预处理时,同样需要进行辐射定标和大气校正,但辐射定标是对可见光波段和热红外波
17、段分别进行的。利用可见光波段的辐射定标结果进行大气校正,提取值,计算植被覆盖度得到地表比辐射率。利用热红外波段的辐射定标结果结合地表辐射率和大气剖面数据,计算出同温度下的黑体辐射亮度,最终生成单位为的地表温度图。影像质量评价()直方图评价在与多光谱数据的直方图,图为在月日关于华北平原冬季的影像波段直方图,图为在月日关于华北平原冬季的影像波段直方图。二者直方图曲线总体形态相近,峰值较大,信息量较在均值附近更集中。存在多个峰值,可见其影像更易区分不同类型地物。图波段直方图 图波段直方图 ()影像的特征值统计、影像特征数据如表和表所示。可以看出,的个波段的方差、均值和灰度分布范围比大,说明相比之下接
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