資源三號影像質量及測圖應用評價

白 穆，張 勤，吳曉春

(國家測繪地理信息局陜西基礎地理信息中心，陜西 西安 710054)

資源三號影像質量及測圖應用評價

白 穆，張 勤，吳曉春

(國家測繪地理信息局陜西基礎地理信息中心，陜西 西安 710054)

從影像輻射質量和影像實際應用兩個方面，對資源三號衛星影像數據的質量進行了評價與分析。影像輻射質量評價從輻射精度、信息量、清晰度、信噪比和紋理特征等方面進行，通過對比相近時相的ALOS衛星數據，結果顯示資源三號衛星數據優于ALOS衛星數據；影像實際應用評價則通過秦嶺地區1∶25 000和1∶50 000測圖成果精度分析來進行，結果顯示DEM高程精度、DOM平面精度和DLG采集精度均符合現行成果標準要求，可以滿足國家基礎比例尺測圖要求。

資源三號；ALOS；圖像；質量評價；紋理特征

一、引 言

2012年1月9日，我國首顆民用測繪衛星資源三號發射升空。該衛星搭載了4臺高分辨率光學相機(正視、前視、后視和正視多光譜)，不僅可用于常規的資源調查、農情監測、防災減災、城市規劃、海域環境監測和重大工程監測等領域，其具備的三線陣立體成像功能還可生成立體影像產品，填補了我國在立體測圖衛星應用領域的空白，在服務國民經濟建設和國防建設方面具有重要意義。

遙感影像質量及應用評價是遙感影像數據使用的一項基礎性工作，它是連接衛星傳感器研制與遙感數據應用的重要紐帶[1]。張霞等[2]在對中巴地球資源一號衛星紅外多光譜掃描儀(IRMSS)4個波段零級圖像進行預處理的基礎上，從圖像信噪比、地面分解力、清晰度、輻射精度、反差等5個指標對圖像進行了全面的質量評價；楊忠東等[3]對中巴地球資源一號衛星的CCD數據的圖像質量開展評價，并結合ETM＋(enhanced thematic mapper plus)數據開展交叉定標研究；孫中平等[4]從圖像工程質量評價和影像應用質量評價兩個方面，對環境一號衛星CCD影像與同時相Landsat TM影像進行對比評價；Engel-Cox等[5]對MODIS在區域尺度空氣質量評估中的應用做了充分說明。總體而言，一方面從傳感器光譜響應能力和輻射量角度對在軌衛星的影像輻射質量進行評測；另一方面是從影像數據的實際應用角度對影像數據進行分析。

因此，本文分別從上述兩個角度對資源三號衛星影像進行質量評價，利用輻射精度、信息量、清晰度、信噪比、紋理特征分析衛星的影像輻射質量。影像實際應用評價則通過將該衛星影像應用于測圖工作而進行，即從DEM高程精度、DOM位置精度和DLG采集精度等方面進行分析。

二、研究區和數據源說明

本文研究區位于陜西省秦嶺山地區中部，地形類別為高山地，如圖1所示。研究區內地物類型無顯著變化。

圖1 研究區影像分布圖

資源三號衛星軌道為太陽同步圓軌道，軌道高度505.984 km，回歸周期為59 d，衛星具有側擺功能，重訪周期可為5 d[6]。該衛星的前視相機和后視相機的波長范圍為0.5～0.8 μm，空間分辨率3.5 m，幅寬52 km；正視相機的波長范圍為0.5～0.8 μm，空間分辨率2.1 m，幅寬51 km；正視多光譜相機的波長范圍為藍色(0.45～0.52 μm)、綠色(0.52～0.59 μm)、紅色(0.63～0.69 μm)和近紅外(0.77～0.89 μm)，空間分辨率6 m，幅寬51 km[7]。

資源三號衛星數據由測繪衛星應用中心提供，產品級別為SC，包括正視影像、前視影像、后視影像和正視多光譜影像，如表1所示。正視影像和多光譜影像主要用于影像質量評價和DOM以及DLG生產評價，前視和后視影像主要用于DEM生產評價。其他輔助資料包括ALOS，全野外實測GPS控制點。

表1 影像數據信息表

三、衛星影像輻射質量評價

本文選擇ALOS衛星與資源三號衛星同一地區影像數據，用于衛星影像輻射質量評價對比。ALOS衛星是由日本國家空間發展局于2006年發射升空的，其在測圖、區域性觀測、災害監測、資源調查、技術發展等領域有較廣泛的應用。

1.輻射質量評價指標

1)輻射精度包括均值、方差、偏斜度、陡度、邊緣輻射畸變和增益調整畸變6項參數，是表達單幅圖像輻射狀態的信息。輻射精度的具體計算公式可見文獻[1]和文獻[8]。

2)信息量是反映圖像包含地物信息詳細程度的指標，一般用熵來表示[9]。信息熵與遙感影像的灰度變化程度直接相關，是影像無序程度的度量，能很好地反映遙感影像所表達的信息范圍與不確定性，通常采用shannon信息熵表示。shannon信息熵的具體計算公式可見文獻[1]和文獻[8]。

3)清晰度反映了圖像細節邊緣變化的敏銳程度，可度量圖像對微小細節的方差表達能力。本文采用由邊緣銳度方法改進得到的點銳度算法計算清晰度指標。清晰度的具體計算公式可見文獻[1]和文獻[8]。

4)信噪比表達影像受干擾的程度。本文假設圖像噪聲為高斯噪聲分布，采用方差法估算進行計算。信噪比的具體計算公式可見文獻[1]和文獻[8]。

5)紋理特征分析是對圖像解譯的重要信息——紋理特征進行衡量的重要環節。影像紋理特征一般采用灰度共生矩陣方式進行。灰度共生矩陣含有影像灰度中關于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜合信息，能很好地反映影像紋理細節、邊緣突變的情況，可以用來檢測影像的條帶噪聲和掉線情況[4]。本研究選擇同質性、對比度和角二階矩3種紋理特征參數，具體的計算公式見文獻[10]。

2.評價結果分析

資源三號的輻射質量評價分析研究是根據上述評價指標進行，通過資源三號和ALOS衛星數據計算結果對比分析，評價資源三號數據的輻射質量，見表2和表3。

表2 資源三號和ALOS衛星輻射精度評價結果表

表3 資源三號和ALOS信息量、清晰度、信噪比和紋理特征評價結果表

(1)輻射精度對比分析

從表2可以看出，在均值和方差方面，資源三號衛星的全色波段、藍色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段均高于ALOS衛星，這是由于資源三號采用無符號整型(0～65 535)存儲數據，而ALOS衛星采用的是字節型(0～255)。這就說明資源三號衛星所接收的光能更多，更有利于看清楚圖像中的目標地物，而且圖像灰度層次較ALOS豐富。影像的偏斜度和陡度方面，資源三號衛星的值均比ALOS衛星的值偏小，而且相差至少一個數量級，反映在直方圖分布上較為均勻。綜合對比邊緣輻射畸變和增益調整畸變，資源三號衛星數據也均優于ALOS衛星數據。

(2)信息量對比分析

圖像信息量對比如表3所示。資源三號衛星的全色波段、藍色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段所包含信息量分別是ALOS衛星相應波段所含信息量的159.48%、135.37%、134.03%、129.43%和157.55%。因此，利用資源三號衛星數據生產傳統真彩色模式的DOM將獲得比ALOS衛星的DOM結果更多的信息量，如果采用標準假彩色合成方案，資源三號影像數據的信息量將更為豐富。

(3)清晰度對比分析

在清晰度方面，資源三號衛星數據各波段均高于ALOS衛星數據3～10倍。圖像清晰度影響著人眼的主觀感覺，資源三號衛星數據在高反差地物的細節、輪廓等可辨識能力方面明顯超過了ALOS衛星數據。采用字段長度更長的數據類型存儲數據是資源三號衛星數據優于ALOS衛星數據的主要原因。

(4)信噪比對比分析

資源三號衛星的全色數據與ALOS全色數據信噪比間存在著一定的差距。然而資源三號響應藍色波段、綠色波段、紅色波段和近紅外波段的多光譜傳感器與ALOS衛星多光譜傳感器在信噪比方面并無明顯差距，質量相當。

(5)紋理特征對比分析

紋理特征是遙感影像目視解譯和機助解譯的重要信息。從表3的計算結果上看，資源三號衛星數據的同質性低于ALOS衛星數據，反映了相鄰像素灰度值差異相同的灰度在數量方面，資源三號衛星少于ALOS衛星。資源三號衛星的不同區域間變化較大，紋理特征更為復雜。

在對比度結果上，資源三號衛星數據高于ALOS衛星數據。由于對比度越大說明圖像紋理的紋溝越深，圖像越清晰，圖像效果越好[11]。因此，資源三號衛星數據在對比度方面也優于ALOS衛星。

角二階矩是圖像分布均勻性的度量，角二階矩值越大，紋理就越粗糙。從角二階矩的計算結果上看，資源三號衛星數據的紋理表征比ALOS衛星更加精細。

四、高山地測圖應用評價

滿足測圖工作需要是測繪衛星數據應用的首要目的。為了便于評價資源三號衛星在測圖方面的效果，按照1∶25 000和1∶50 000兩個成圖規格，遵循現行的基礎地理信息數字成果相關技術標準，在秦嶺地區內分別生產DEM、DOM、DLG 3種測圖成果，利用外業采集的GPS點評價分析資源三號衛星在測圖工作方面的應用潛力。

從表 4中可以看出，資源三號衛星數據在1∶25 000和1∶50 000成圖規格獲得的DEM、DOM和DLG產品的精度結果均在誤差范圍內。在DEM高程精度方面，檢測結果顯示利用資源三號衛星的1∶25 000 DEM產品的中誤差和最大誤差低于成果技術指標2倍以上；在DOM平面精度方面，資源三號衛星的1∶25 000 DOM產品的中誤差和最大誤差分別是成果技術指標的33.26%和25.45%；在DLG采集精度方面，資源三號衛星數據的1∶25000 DLG產品平面精度中誤差和最大誤差均遠低于成果技術指標，而高程精度中誤差和最大誤差也只達到成果技術指標的一半。由于1∶50 000測圖產品采用相同的影像數據和作業工藝，因此不再作進一步分析。綜上，資源三號衛星數據能滿足 1∶25 000和1∶50 000測圖生產的需要，其成果技術指標和精度符合規范要求。

表4 高山區測圖成果精度對照表 m

五、結束語

本研究以秦嶺地區為試驗區，分別從影像輻射質量和影像實際應用質量兩個角度對資源三號衛星數據進行了評價和分析，在影像輻射質量評價時采用ALOS衛星數據進行對比分析，主要結論如下：

1)在影像輻射質量方面，資源三號衛星數據總體優于ALOS衛星數據。資源三號衛星在輻射精度和清晰度方面遠超ALOS衛星；信息量和紋理特征比ALOS衛星具有較大優勢；信噪比與ALOS衛星數據相當。

2)在影像實際應用質量方面，資源三號衛星可以滿足多種國家基本比例尺測圖要求。基于資源三號衛星數據進行了秦嶺地區1∶25 000和1∶50 000 DEM生產的高程精度最大誤差分別為7.35 m和11.07 m；1∶25 000和1∶50 000 DOM生產的平面精度最大誤差分別為9.67 m和8.95 m；1∶25 000 DLG生產的采集精度的平面和高程中誤差分別為6.32 m和3.32 m，而1∶50 000 DLG生產的采集精度的平面和高程中誤差分別為5.27 m和5.19 m。

綜上所述，我國首顆測繪衛星資源三號衛星的影像質量相比ALOS衛星具有較大優勢，擁有很好的應用前景，不僅可以滿足常規測繪生產的數據需求，而且在國土資源調查、能源、環保、城市規劃、應急減災方面均可以發揮重大作用。

[1] 劉睿，孫九林，王卷樂，等.環境與災害監測預報小衛星CCD數據質量評價[J].地球科學進展，2011，26(9)：971-979.

[2] 張霞，張兵，趙永超，等.中巴地球資源一號衛星多光譜掃描圖象質量評價[J].中國圖象圖形學報，2002，7(6)：581-586.

[3] 楊忠東，谷松巖，邱紅，等.中巴地球資源一號衛星CCD圖像質量評價和交叉定標研究[J].遙感學報，2004，8(2)：113-120.

[4] 孫中平，熊文成，魏斌，等.環境一號衛星CCD影像質量評價研究[J].紅外，2010，31(9)：30-36.

[5] ENGEL-COX J A，HOLLOMAN C H，COUTANT B W，et al.Qualitative and Quantitative Evaluation of MODIS Satellite Sensor Data for Regional and Urban Scale Air Quality[J].Atmospheric Environment，2004，38(16)：2495-2509.

[6] 國家測繪局衛星測繪應用中心.衛星載荷[EB/OL]. (2009-12-17).http：∥sasmac.sbsm.gov.cn/article∥wxzh/200912/20091200059258.shtm.

[7] 中國資源衛星應用中心.資源三號衛星介紹[EB/ OL].(2012-07-25).http：∥www.cresda.com/n16/ n1130/n175290/175676.html.

[8] 周雨霽，田慶久.EO-1 Hyperion高光譜數據的質量評價[J].地球信息科學，2008，10(5)：678-683.

[9] 王欽軍，田慶久.IRS-P6衛星LISS3圖像數據質量評價[J].地理與地理信息科學，2007，23(3)：11-14.

[10] SU Wei，LI Jing，CHEN Yunhao，et al.Textural and Local Spatial Statistics for the Object-oriented Classification of Urban Areas Using High Resolution Imagery[J]. International Journal of Remote Sensing， 2008，29(11)：3105-3117.

[11] 李石華，角媛梅.環境與災害監測預報小衛星A星CCD影像質量評價[J].紅外技術，2009，31(3)：167-172.

ZY-3 Image Quality and Mapping Application Evaluation

BAI Mu，ZHANG Qin，WU Xiaochun

P237

B

0494-0911(2014)12-0082-04

白穆，張勤，吳曉春.資源三號影像質量及測圖應用評價[J].測繪通報，2014(12)：82-85.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0404

2013-11-07

基金編號:國家科技支撐計劃(2011BAB01B06-03)

白 穆(1982—)，男，河北無極人，博士，工程師，主要從事地理國情監測項目實施和研究工作。