基于对比分析的国产卫星影像质量评价

【摘要】近年来，为了适应我国遥感、地理信息系统相关项目对遥感影像愈加强大的需求量，我国自主研发的国产卫星陆续升空，正逐步摆脱对国外卫星昂贵影像的依赖。资源一号02C卫星以及资源三号卫星作为我国近期发射的几颗卫星，具有高时间分辨率、高空间分辨率、且多尺度等特性，为了使我国自主研发的卫星影像更广泛、更实用、更有针对性地应用于相关项目中，也为今后国产卫星的发展提供一定技术支撑，本文分别在国产卫星资源一号02C、资源三号影像的针对项目需求的预处理方法方面、与国外同级别卫星影像对比的工程质量方面、遥感影像最基本的波谱质量方面以及影像的专题应用等方面做了相关的试验论证，以便全面、客观、定性地为我国国产卫星影像的应用、发展指明方向。本文在预处理方面，以行业相关调查规范、技术规范为准则，分别对资源一号02C及资源三号卫星影像进行系统化、规范化、产业化的预处理方法研究，主要涉及的预处理方法包括原始数据检查、正射校正、波段配准、最佳波段选取、真彩色合成、影像融合方法评价等。在以国产卫星资源一号02C多光谱影像及资源三号卫星多光谱影像为中心的影像工程质量评价方面，借助美国侦察卫星及法国SPOT5等高分辨率影像，通过对比的方法，分别在影像统计特征、影像纹理特征、影像能量特征等方面在Matlab及Envi软件中进行定量的比较。其中影像统计特征对比指标包括，最值、均值、标准差、偏斜度、清晰度以及直方图；而影像纹理特征指标主要有基于灰度共生矩阵的对比度、均质性、角二阶矩、熵等；影像能量特征主要是基于小波变换所得的影像细节能量及影像边缘能量。在波谱质量评价方面，本文以资源一号02C影像及资源三号卫星影像为中心，利用影像波谱特征，与SPOT5影像在典型地物区分及提取方面对比分析。通过三种卫星影像利用波谱特性对典型地物（水体、林地、旱田、水田、人工地物）的识别能力作为评价指标，定性地得出三种卫星影像波谱质量方面的差异。本文分别从波谱影像空间、波谱曲线空间、波谱特征空间三个角度，对卫星影像的波谱质量进行评价。其中波谱影像空间及三维波谱特征空间可体现不同卫星影像波谱区分多类地物的能力，而波谱曲线空间及二维波谱特征空间则体现不同卫星影像利用波谱特征提取单一地物的能力。波谱影像空间具体研究方法为利用不同分类方法对同种卫星影像进行监督分类，选取该卫星影像监督分类总体精度最高的方法，与其它卫星影像精度最高的监督分类方法作典型地物分类的精度对比，精度高者则更适合在多类地物中区分该地物，波谱影像空间质量越高。波谱曲线空间则更为直观，主要研究方法为选取典型地物的标准波谱曲线及影像上该类地物波谱曲线作不同波谱相似性测度的对比，两条曲线相似性越大，则该影像体现此类地物的波谱特征越佳，即为提取该单类地物所适合的遥感卫星影像，进而得出波谱曲线空间的各卫星影像波谱质量高低的结论。而在波谱特征空间方面的研究中，分别在三种卫星影像上提取各类典型地物的20个样本点，投影到波谱特征空间中，通过点群聚落大小的不同，判断该类卫星影像提取、区分该地物的能力。在二维波谱特征空间中，通过单一地物样本点拟合的外包椭圆的大小，得出该卫星影像适合提取该单一地物的能力；在三维波谱特征空间中，所有类别样本点都投射其中，同一地物类别的点群聚集的越小，与其它地物点群间隔越大，则说明区分该类地物能力越强。进而定性得出波谱特征空间方面各卫星影像的波谱质量评价结论。经过本文所做试验，可得如下主要结论：1.预处理方面：通过对资源三号原始影像检查，可发现，在反射率持续较高的地类（如人工地物）区域，会出现灰度值大于辐射量化值10bit的少许像元。而通过对资源一号02C影像的检查，可发现由于大气噪声或成像扫描带噪声导致的影像信息缺失，可用频率域滤波来解决。在资源三号影像的最佳波段选取的试验中，经过对比单波段统计分析和波段组合分析，得出结论，资源三号影像最佳波段选取为波段Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ。在影像融合方面预处理方面，本文通过目视对比及定量对比，总结出资源三号影像融合适合选取Gram-Schimdt法或Pansharpening法，而资源一号02C则较适合IHS融合方法或Pansharpening融合方法。2.影像工程质量评价：通过对影像的统计特征对比，由于资源三号影像辐射量化值为10bit，所以统计特征方面是资源三号优于侦察卫星，其次是SPOT5，最后是资源一号02C。通过对影像的纹理特征对比，资源三号优于资源一号02C，其次是SPOT5，最后是侦察卫星。而在影像的能量特征统计方面，SPOT5影像的能量特征体现的极好，其次为资源三号及资源一号02C，它们都优于侦察卫星影像。综上所述，资源三号影像在多方面都较国外卫星略占优势，而资源一号02C影像也与SPOT5及侦察卫星影像工程质量相差无几。3.影像波谱质量评价：通过波谱影像空间的监督分类及三维波谱特征空间，三种卫星影像利用波谱区分典型地物能力对比，可知，当工作区水体、林地、旱田、水田、人工地物同时存在时，资源一号02C影像区分林地或人工地物能力较强，资源三号影像区分水体、水田、人工地物能力尚可，而SPOT5区分水体、林地的优势极大。通过波谱曲线空间有二维波谱特征空间的试验分析可得，当工作区目标为单一典型地物的提取时，资源一号02C适合提取林地及人工地物，资源三号则更适合提取水体、旱田，SPOT5在水体、林地、人工地物的提取方面都有良好的效果。综上所述，我国国产卫星资源一号02C、资源三号与国外成熟卫星SPOT5影像利用波谱提取地物能力不相上下，不同卫星影像在体现典型地物的波谱特征中各有优势。4.影像专题应用评价：通过以资源一号02C影像及资源三号影像为数据源对土地资源调查监测、交通信息调查监测、界河信息调查监测以及采矿地表环境信息调查监测等相关遥感专题应用的信息提取，可充分说明资源一号02C和资源三号可完全应用于项目相关应用中，有助于数据的推广。
【作者】崔璨；
【导师】姜琦刚；
【作者基本信息】吉林大学，地图学与地理信息系统，2014，硕士
【关键词】资源一号02C；资源三号；预处理；工程质量；波谱质量；专题应用；

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