遙感圖像模擬技術(shù)方法與應(yīng)用研究

白洪偉,董維超，李 進(jìn)，穆 星，吳滿意

(1.宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院研究生部，河北 廊坊 065000；3.國家測繪地理信息局第一地形測量隊(duì)，陜西 西安 710054)

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遙感圖像模擬技術(shù)方法與應(yīng)用研究

白洪偉,董維超，李 進(jìn)，穆 星，吳滿意

(1.宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院研究生部，河北 廊坊 065000；3.國家測繪地理信息局第一地形測量隊(duì)，陜西 西安 710054)

目的 衛(wèi)星在獲取高空間分辨率的同時(shí)會(huì)降低其時(shí)間分辨率以及觀測范圍，造成時(shí)間分辨率只能在很短時(shí)間內(nèi)可用，并且其較小的觀測范圍也不能滿足要求。方法 根據(jù)已有的具有高空間、低時(shí)間分辨率特征的遙感影像和具有低空間、高時(shí)間分辨率特征遙感影像，從解決時(shí)空矛盾出發(fā)，模擬生成具備高時(shí)間分辨率特性和高空間分辨率特性的遙感影像。對(duì)尺度下降方法及圖像模擬方法做簡單介紹，并對(duì)遙感圖像模擬實(shí)例進(jìn)行分析，主要包括實(shí)驗(yàn)流程、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)。結(jié)果 總體分類精度是92.57%，Kappa系數(shù)為0.911 2，分類精度比較理想。真實(shí)影像NDVI圖與模擬影像生成的NDVI圖，二者的相關(guān)系數(shù)為0.89。實(shí)驗(yàn)大體上實(shí)現(xiàn)了圖像模擬，通過真實(shí)遙感影像對(duì)圖像模擬，檢驗(yàn)了其科學(xué)性和可行性，并且生成NDVI圖，證明其有很好的應(yīng)用價(jià)值。結(jié)論 設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明該方法科學(xué)、可行，并具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

遙感圖像模擬；遙感影像；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

0 前 言

在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步的情形下，遙感技術(shù)在過去幾十年中得到了很大的發(fā)展，并且取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前，遙感衛(wèi)星對(duì)于很多國家來說已經(jīng)比較常見，同時(shí)各國研究發(fā)明了多種衛(wèi)星遙感傳感器的觀測系統(tǒng)。遙感技術(shù)已被快速廣泛應(yīng)用到日常環(huán)境監(jiān)測、各種資源調(diào)查、海洋變化監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。但是，由于遙感技術(shù)尚不成熟，存在客觀的缺陷往往滿足不了實(shí)際的需求。衛(wèi)星在獲取高空間分辨率的同時(shí)其弊處就是會(huì)降低其時(shí)間分辨率以及觀測范圍，造成時(shí)間分辨率只能在很短時(shí)間內(nèi)可用，并且其較小的觀測范圍也不能滿足要求，即使有些衛(wèi)星的時(shí)間分辨率以及觀測范圍滿足上述欠缺的條件，隨之而來的困難就是它的空間分辨率對(duì)于圖像處理階段，無法提取精確的空間信息，也就意味著達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，在很大程度上遙感的實(shí)際應(yīng)用會(huì)被這種客觀存在的缺陷所限制。

借助其他研究成果，通過尺度下降技術(shù)，根據(jù)高時(shí)間分辨率影像，結(jié)合高空間分辨率影像的地物幾何空間信息，從中提取地物屬性的變化規(guī)律，再結(jié)合高空間分辨率影像和傳感器光譜響應(yīng)關(guān)系模擬出高空間、高時(shí)間分辨率影像。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 尺度下降方法

在解決混合像元分解問題時(shí)提出了線性混合模型。通過像元來記錄地物光譜信息的是遙感圖像，其中純像元是指該像元只包含單獨(dú)一種土地利用類型，用以記錄該類型地面物體的光譜特性[1-3]；混合像元指的是記錄很多種類的地面物體光譜特征的綜合，即地物類型多樣性，像元包含了多種土地利用類型。假設(shè)一種線性組合是像元在特定光譜波段的反射率由組成像元的基本成分的反射率與它占像元面積的比例為權(quán)重系數(shù)，則稱為線性混合模型[4-8]。下面介紹利用該模型實(shí)現(xiàn)尺度下降的2種主要方法：

(1)通過線性混合模型來計(jì)算組分豐度矩陣。該矩陣是次像元信息，這種方法是一種尺度下降技術(shù)，也是比較常用的使用方式，但是其尺度下降程度是有限的，因?yàn)樗皇谴蜗裨念悇e信息，所以造成這種現(xiàn)象。

(2)線性混合模型的計(jì)算以及組成成分反射率的計(jì)算。通常它是以高空間分辨率的影像來獲取組分豐度矩陣，因此尺度的變換程度較大。線性混合模型假設(shè)像元在某一光譜波段的反射率是由構(gòu)成像元的基本組分的反射率以其所占像元面積比例為權(quán)重系數(shù)的線性組合。用公式表示為：

(1)

約束條件

(2)

其中，R(i,λ)表示第i個(gè)像元在波段的反射率(混合像元反射率)；fc(i,c)表示第c類組分在第i個(gè)像元所占的百分比(組分豐度矩陣)；r(c,λ)表示第c類組分在第i個(gè)像元λ波段的反射率，即子像元反射率；ε(i,λ)表示運(yùn)算時(shí)波段中像元i的剩余誤差，c為像元i中某種類別，k為像元中的類別總數(shù)。

1.2 圖像模擬方法

通過模擬模型，模擬數(shù)據(jù)源是低空間分辨率影像，以此來生成模擬的預(yù)期影像，因?yàn)樗奶匦允歉邥r(shí)間分辨率，所以模擬的預(yù)期影像同時(shí)具備高時(shí)間和高空間分辨率特性。數(shù)據(jù)源與模擬數(shù)據(jù)的中間介質(zhì)是模擬模型，是模擬過程的重要部分。隨時(shí)間的變化假設(shè)模型類別的平均反射率與類別內(nèi)像元反射率相等[9-12]。用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

(3)

Δr(i,t2-t1)(x,y)=r(i,t2)(x,y)-r(i,t1)(x,y)

(4)

(5)

2 遙感圖像模擬實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)利用新的數(shù)據(jù)，并重新選取合適的研究區(qū)域。首先得出各類別端元反射率，對(duì)t1、t2時(shí)刻MODIS進(jìn)行尺度下降，結(jié)合t1時(shí)刻ETM影像中的類別端元反射率，模擬模型生成t2時(shí)刻ETM模擬影像，最后再進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證評(píng)價(jià)。

圖1 圖像模擬試驗(yàn)流程圖

獲取時(shí)間ETM+軌道號(hào)MODIS軌道號(hào)2003-10-23127/3626/052003-09-22127/3626/05

2.2 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選用數(shù)據(jù)為2003年10月23日、2003年9月22日空間分辨率250 m的MODIS 1、MODIS 2波段影像和2003年10月23日空間分辨率30 m的ETM+1、ETM 2波段影像模擬2003年9月22日空間分辨率30 m的ETM+3、ETM 4波段影像，再利用真實(shí)的2003年9月22日空間分辨率30 m的ETM+1、ETM 2波段影像對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 2003-09-22 ETM 5、ETM 4、ETM 3假彩合成影像

圖3 2003-10-23 ETM 5、ETM 4、ETM 3假彩合成影像

(2)匹配精度

本實(shí)驗(yàn)以2003年10月23日ETM 5波段影像為基準(zhǔn)對(duì)投影轉(zhuǎn)換后的MODIS影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，ETM對(duì)MODIS配準(zhǔn)的平均均方根誤差為1.138。

(3)分類精度

由于研究區(qū)域中植被較多，非林地和林地光譜差異較大，并且邊界清晰，它們各自類別內(nèi)部的光譜反射率值差異不大，所以將研究區(qū)域分為非林地和林地2類。對(duì)2003年10月23日ETM+影像彩色合成分類，其中植被:95,316 points (67.545%)，非林地:46,466 points (32.455%)，總體分類精度是92.57%，Kappa 系數(shù)為0.911 2。分類精度比較理想。

(4)ETM反射率轉(zhuǎn)換

ETM反射率轉(zhuǎn)換用于模擬模型計(jì)算與模擬效果評(píng)價(jià)，不用于評(píng)價(jià)尺度下降的效果，模擬模型中MODIS數(shù)據(jù)是反射率，ETM也需要由灰度值轉(zhuǎn)換為反射率。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)利用2003年9月22日、10月23日空間分辨率250 m MODIS 1、MODIS 2波段影像模擬生成了2003年9月22日空間分辨率30 m的ETM+3、ETM 4波段的影像。下圖為模擬影像與真實(shí)影像。

表2 模擬影像與真實(shí)影像相關(guān)系數(shù)

時(shí)間類別類別r2003-09-22ETM3模擬影像ETM3真實(shí)影像0.872ETM4模擬影像ETM4真實(shí)影像0.814

從模擬結(jié)果可以看出，ETM 3、4波段的模擬影像與真實(shí)影像非常相似，且ETM 3模擬影像的邊界更清晰，ETM 4的模擬影像在亮度顯示上與真實(shí)影像存在微小差異。為了定量評(píng)價(jià)模擬結(jié)果，通過計(jì)算模擬影像與真實(shí)影像的相關(guān)系數(shù)(表2)，數(shù)據(jù)說明模擬影像與真實(shí)影像具有較高的相似性。

以y軸為第4波段，x軸為第3波段，制作真實(shí)影像與模擬影像的二維散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)比。從二維散點(diǎn)圖上看，像元值位于高值區(qū)的像元數(shù)模擬影像要大于真實(shí)影像，但大部分像元分布位置還是相同的。

對(duì)于生成NDVI圖像，通過利用模擬生成的ETM 4和ETM 3得到，圖11、10為真實(shí)影像NDVI圖與模擬影像生成的NDVI圖，二者的相關(guān)系數(shù)為0.89。

可以看出，實(shí)驗(yàn)大體上實(shí)現(xiàn)了圖像模擬，通過真實(shí)遙感影像對(duì)圖像模擬檢驗(yàn)了其科學(xué)性和可行性，并且生成NDVI圖，證明其有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了研究目的，利用低空間分辨率衛(wèi)星遙感影像模擬出了高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像，運(yùn)用此方法還可模擬出其它時(shí)間點(diǎn)的高空間分辨率影像，并在實(shí)際應(yīng)用方面有很高的價(jià)值。從實(shí)驗(yàn)看出，模擬影像和真實(shí)影像存在著一定的誤差，清楚這些誤差的來源有利于更好地實(shí)現(xiàn)模擬。引起模擬算法誤差的誤差因子有多種，大致可分為以下2種：

(1)不同傳感器引起的誤差，包括衛(wèi)星過境時(shí)間差異引起的光照條件差異、大氣條件差異、成像波段差異和幾何配準(zhǔn)差異。

(2)模型假設(shè)引起的誤差，文章用了線性光譜混合模型和模擬模型。任何模型都是基于一定的假設(shè)條件對(duì)真實(shí)情況的近似模擬，因而難免存在誤差。在線性光譜混合模型中粗像元的反射率被認(rèn)為是類別反射率(端元反射率)的線性組合。

模型的假設(shè)條件使本方法的應(yīng)用受到了限制，所以，為了更好地實(shí)現(xiàn)圖像模擬效果，在以后的研究工作中，應(yīng)對(duì)尺度下降模型、模擬模型和模擬方法進(jìn)一步改進(jìn)。

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[責(zé)任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Technology and Application of Remote Sensing Image Simulation

BAI Hong-wei1,DONG Wei-chao2，LI Jin1,MU Xing1,WU Man-yi3

(1.Anhui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center,Suzhou University,Suzhou，Anhui 234000，China;2.Postgraduate Department,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang,Hebei 065000,China;3.The First Topographic Surveying Brigade of SBSM,Xi’an,Shaanxi 710054,China)

Objective In the acquisition of high spatial resolution satellites will reduce the time resolution and measurement range,resulting in that time resolution is only available in a very short time and that the smaller range of observation cannot meet the requirements.Methods Based on the existing remote sensing image with high spatial resolution and low resolution remote sensing image with low spatial resolution,a high temporal resolution and high spatial resolution characteristics were generated from the solution.In this paper,the method of scale down and the method of image simulation were introduced,and the remote sensing image simulation was analyzed,including the experimental process,data processing and experiment.Results The overall classification precision was 92.57%,and the Kappa coefficient was 0.911 2.The classification precision was ideal.Real NDVI image and simulated image generated NDVI map,the correlation coefficient of two was 0.89.In general,image simulation was realized in the experiment.The effectiveness and feasibility were verified through the simulation of the real image of remote sensing image,and a NDVI map was generated,proving its good application value.Conclusion The design and verification method is verified by the experimental results,which proves that the method is scientific and feasible and has high practical application value.

remote sensing image simulation;remote sensing image;experiment verification

衛(wèi)星測繪技術(shù)與應(yīng)用國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(KLSMTA-201304)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510379046、201510379084、201510379080)；宿州學(xué)院卓越人才教育培養(yǎng)計(jì)劃(szxy2015zjjh01)；2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學(xué)生開放課題(2015SZXTXSKF11)；宿州學(xué)院一般科研項(xiàng)目(2014yyb07)

白洪偉(1987-)，男，安徽宿州人，講師，碩士，主要研究方向：測繪與3S技術(shù)。

TP 751

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.003