GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)質(zhì)量在軌測試評價研究

□ 浙江省自然資源調(diào)查登記中心 敖為赳 陳文志 童英良

2018年3月31日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號丙運載火箭，以“一箭三星”方式成功將GF-1B、C、D星送入預(yù)定軌道。GF-1B、C、D星是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的首批業(yè)務(wù)化應(yīng)用衛(wèi)星。3星組網(wǎng)并投入運行后，可實現(xiàn)同一地區(qū)2天重訪，15天以內(nèi)對全球覆蓋一遍，獲取規(guī)?；?∶2.5萬-1∶5萬自然資源調(diào)查、監(jiān)測以及應(yīng)急等專題應(yīng)用產(chǎn)品，大幅度提高山、水、林、田、湖、草等自然資源全要素、全覆蓋調(diào)查監(jiān)測能力，實時掌控自然資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)動態(tài)變化，為國家自然資源資產(chǎn)管理和自然生態(tài)監(jiān)管提供精準信息保障。要用好GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)，使其在自然資源調(diào)查與監(jiān)測中發(fā)揮重要作用，就需要對GF-1B、C、D星的數(shù)據(jù)質(zhì)量開展綜合評價，系統(tǒng)評價GF-1B、C、D星全色、多光譜載荷標準影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)精度等。

一、數(shù)據(jù)來源與測試方法

（一）數(shù)據(jù)源

本文采用GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)，每顆衛(wèi)星裝載2臺2米/8米相機，地面幅寬優(yōu)于60公里，具有高質(zhì)量、高效能成像的優(yōu)勢，可實現(xiàn)快速地獲取全球2米全色、8米多光譜影像。

▲ 圖1 數(shù)據(jù)測試方法研究

（二） 測試流程與方法

1. 測試流程

數(shù)據(jù)測試流程主要分為資料收集、數(shù)據(jù)質(zhì)量評價和制圖測試評價、成果評價與分析4個階段。收集研究數(shù)據(jù)包括GF1-A、B、C、D星，其他光學(xué)衛(wèi)星和土地專題數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)質(zhì)量評價從輻射特性和信息量兩方面進行研究；制圖測試評價從幾何畸變、成圖比例尺和制圖效率方面研究；完成上述工作后進行成果評價與分析。見圖1。

2. 測試方法

本次測試評價主要通過對數(shù)據(jù)基本質(zhì)量、制圖測試、制圖效率等三個方面，定性、定量地評價影像質(zhì)量，并與穩(wěn)定運行的GF-1A星數(shù)據(jù)進行橫向比較。

（1）數(shù)據(jù)基本質(zhì)量評價

采用主、客觀相結(jié)合的方法，對GF-1B、C、D星多光譜載荷標準1A級影像數(shù)據(jù)基本質(zhì)量進行評價，包括輻射特性、信息量等。輻射特性方面，從圖像數(shù)據(jù)的灰度特征、紋理特征、能量特征等方面，其中包括信噪比、灰度動態(tài)范圍等開展定量和定性評價。信息量方面，從圖像數(shù)據(jù)的信息熵、清晰度等方面開展定量與定性評價。

表1 GF-1B、C、D衛(wèi)星影像灰度特征對比表

（2）制圖測試評價

采用GF-1B、C、D星影像2A級產(chǎn)品，及歷年土地利用遙感影像圖/土地利用數(shù)據(jù)，依據(jù)行業(yè)應(yīng)用規(guī)范規(guī)定的技術(shù)流程和方法，開展土地利用遙感影像圖制圖相關(guān)的幾何畸變、成果比例尺等評價。

（3）制圖效率評價

主要從以下幾方面進行評價。

①首先進行波段配準，控制點從10開始逐漸遞增，分別記錄GF-1B、C、D星2A級產(chǎn)品與基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)波段匹配結(jié)果滿足1∶5萬影像圖制圖規(guī)范時所需的控制點數(shù)，同時對不同控制點規(guī)模下波段匹配精度進行分析。

② 在完成波段配準后，通過參考影像匹配或控制點庫匹配的方式，分別對GF-1B、C、D星和國內(nèi)外其它高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取一系列校正控制點，使用逐漸遞增的控制點規(guī)模，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，開展正射校正，分別記錄正射校正后影像滿足1∶5萬制圖規(guī)范時，所對應(yīng)的控制點數(shù)。

③GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)處理工作時間效率的統(tǒng)計評價。

二、測試結(jié)果與分析

（一）數(shù)據(jù)基本質(zhì)量評價

選用GF-1B、C、D星標準1級產(chǎn)品多光譜影像，從幾何畸變、灰度特征、紋理特征、能量特征等幾個方面，定性或定量地對GF-1B、C、D星標準1級產(chǎn)品影像進行質(zhì)量評價。并與GF-1A數(shù)據(jù)進行比較。

1.影像灰度特征

影像灰度特征包括影像灰度值（DN值）的統(tǒng)計分析參數(shù)，包括：灰度動態(tài)范圍、均值、標準差、偏斜度、清晰度。見表1。

2.影像紋理特征

文主要采用對比度、均質(zhì)性、角二階矩、熵等指標對高分一號A、B、C、D星進行影像紋理特征計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 影像紋理特征對比表

表3 影像能量特征統(tǒng)計表

3.影像能量特征

采用二維影像多尺度小波變換，從細節(jié)能量、邊緣能量兩個方面，對影像的能量進行分析。Mallat 算法在小波分析理論中地位頗高，是根據(jù)多分辨率分析理論所提出，該算法使得小波分析理論得到了突破性發(fā)展，并使其得到了廣泛應(yīng)用。本項目在matlab中利用Mallat算法計算影像能量特征值。見表3。

4.數(shù)據(jù)基本質(zhì)量評價結(jié)果分析

針對本次試驗數(shù)據(jù)，輻射特性方面，整體噪聲水平低，部分影像內(nèi)建設(shè)用地地塊存在高亮問題，但單個高亮圖斑面積不大，對實際地類的目視判讀影響有限。在灰度動態(tài)范圍上，B、C、D星數(shù)據(jù)是高分一號的4倍，能表現(xiàn)的層次更豐富，色彩空間更廣。但是從灰度均值分布上看，B、C、D星不及高分一號，尤其B星數(shù)據(jù)灰度均值明顯低于中值，存在整體偏暗的問題。偏斜度方面，高分一號B、C、D星數(shù)據(jù)基本呈正態(tài)分布，且偏斜度更低，普遍低于高分一號數(shù)據(jù)2個數(shù)量級以上，質(zhì)量更優(yōu)。清晰度方面，高分一號B星數(shù)據(jù)與高分一號數(shù)據(jù)基本持平，C星數(shù)據(jù)各波段高出高分一號35%-128%，D星數(shù)據(jù)各波段均高出高分一號1倍以上，清晰度更好，細節(jié)地物表現(xiàn)能力更強。紋理特征方面，B、C、D星數(shù)據(jù)在2、3、4波段的對比度低于高分一號，其中D星數(shù)據(jù)略優(yōu)于B、C星。在均質(zhì)度和角二階矩這兩項指標上B、C、D星數(shù)據(jù)高于高分一號，而在熵這項指標上低于高分一號，表明B、C、D星數(shù)據(jù)在紋理特征上稍弱于高分一號。影像能量特征方面，B、C、D星數(shù)據(jù)影像能量均勻，99.99%集中在細節(jié)能量，信息量較好。

表4 GF-1B、C、D衛(wèi)星數(shù)據(jù)成圖比例尺計算表

表5 制圖效率統(tǒng)計表

（二）制圖測試評價

利用2A級影像對基于GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)的土地利用遙感影像圖制圖相關(guān)的幾何畸變、成圖比例尺等進行評價。

1.幾何畸變

應(yīng)用PCI GXL軟件自動選取控制點功能，以研究區(qū)第二次土地調(diào)查成果影像為底圖，分別對GF-1A、B、C、D星選取控制點。A星選取了33個，B星選取了38個，C星選取了32個，D星選取了43個。根據(jù)計算結(jié)果比較它們的幾何畸變程度，以象元為統(tǒng)計單位。由測試結(jié)果可知，GF-1B、C、D星影像畸變程度小，驗證點的平均殘差均較小，可控制在1.2個像元左右，且均低于GF-1A數(shù)據(jù)。糾正后影像與二調(diào)影像在同一窗口打開，逐屏檢查影像后，沒有明顯抖動或錯位、沒有明顯畸變，線狀地物連貫，A、B、C、D四星影像數(shù)據(jù)校正效果都好。

2.成圖比例尺評價

以控制點庫數(shù)據(jù)作為真值，分別求出正射校正后的GF-1A、GF-1B、GF-1C、GF-1D四星影像的定位誤差，并確定成圖比例尺。

根據(jù)成圖比例尺公式確定各星成圖比例尺。成圖比例尺公式：

式中，M 為成圖比例尺的分母，R是衛(wèi)星遙感影像空間分辨率（單位：米），C為影像幾何校正系數(shù)，即：經(jīng)幾何校正以后的像元位置均方根差RMSE，以像元為單位；e為人眼的分辨率，通常在0.1-0.3毫米。見表4。

綜合各星成圖比例尺來看，GF-1B、C、D衛(wèi)星數(shù)據(jù)無法滿足1∶10000成圖比例尺的要求，最佳成圖比例為1∶25000。

（三）制圖效率評價

評價利用GF-1B、C、D衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行土地應(yīng)用影像圖制圖工作中，有關(guān)波段配準以及幾何精校正的工作效率。見表5。

對GF-1A、B、C、D四星進行波段配準及正射校正，將控制點數(shù)從10開始逐漸遞增，開展正射校正，記錄表示正射校正后影像滿足1∶5萬制圖規(guī)范時所對應(yīng)的最少控制點數(shù)。其結(jié)果如上表所示。本次測試選用影像處理軟件自動選點，平均19秒左右即可完成幾何校正，且最多16個控制點即可達到制圖規(guī)范要求，制圖效率高，便于大范圍應(yīng)用。

總體來說，GF-1B、C、D星制圖效率高，進行波段配準及幾何精校正所需的處理時間少，僅16個控制點即可達到制圖規(guī)范要求，利于制圖工作的快速開展。

三、結(jié)論與展望

通過對GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)測試分析認為，GF-1B、C、D星綜合評價數(shù)據(jù)質(zhì)量較GF-1A星清晰度更好，細節(jié)地物表現(xiàn)能力更強，信息量更為豐富。GF-1B、C、D星數(shù)據(jù)基本質(zhì)量良好，幾何畸變小，能滿足1∶25000成圖比例尺要求，制圖效率較高。GF-1B、C、D衛(wèi)星幅寬大，約為67公里，單顆星單景數(shù)據(jù)覆蓋面積約為4500平方公里，是GF-1A星單景數(shù)據(jù)的近4倍面積。GF-1B、C、D星幅寬大且多星組網(wǎng)運行，極大地提升了我國2米級分辨率光學(xué)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力。特別是對于浙江地區(qū)多山、地形復(fù)雜多樣，有利于光學(xué)衛(wèi)星拍攝的晴好無云天氣有限、衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取困難的情況下，GF-1B、C、D衛(wèi)星的發(fā)射，能夠為浙江省山水林田湖草自然資源調(diào)查監(jiān)測監(jiān)管的有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取提供有力保障。