2018年30米分辨率全球一張圖

尹然宇，何國金，王桂周，龍騰飛

1. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

目前，Landsat系列衛(wèi)星可以提供長時序30米分辨率全球數(shù)據(jù)，已在農(nóng)林地礦調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、能源與資源管理、城市管理規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測與恢復(fù)等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用[1]。大范圍的遙感數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)預(yù)處理工作具有一定的技術(shù)門檻，同時也要求一定的計(jì)算資源。特別是對于非遙感圖像處理專業(yè)領(lǐng)域的科研工作者，需要耗費(fèi)大量的時間和精力來完成。此外，現(xiàn)勢性強(qiáng)的30米分辨率全球遙感影像，在落實(shí)《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》、應(yīng)對氣候變化以及森林、水資源的可持續(xù)管理以及虛擬現(xiàn)實(shí)等方面都有廣泛的用途，需求迫切。研究制作公開共享的高質(zhì)量的大范圍影像底圖，可以讓地學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者從繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作中解放出來，投入更多的時間和精力到科研主線，具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提供2018年30米分辨率全球一張圖數(shù)據(jù)集，給出了全球陸地區(qū)域Landsat影像一張圖制作的技術(shù)流程：首先挑選出覆蓋全球陸地范圍的最優(yōu)影像，隨后經(jīng)過拉伸、重投影、勻色、鑲嵌處理生成2018年全球一張圖，范圍覆蓋60○S–80○N所有陸地區(qū)域（除格陵蘭島）。為方便用戶使用，已進(jìn)行分塊，并內(nèi)建金字塔。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

一張圖主要基于Landsat 8衛(wèi)星OLI傳感器數(shù)據(jù)制作而成。按照該衛(wèi)星的運(yùn)行計(jì)劃，可以覆蓋60○S–80○N的所有陸地區(qū)域[2]。其中制作一張圖時排除了格陵蘭島，總體數(shù)據(jù)覆蓋示意如圖1所示，圖中每個多邊形代表一個Path/Row（簡稱PR），也可稱一景數(shù)據(jù)，每個PR每年獲取約24景影像，制作一張圖的數(shù)據(jù)涉及9595個PR。然而，制作一張圖需要使用盡可能無云的影像，由于受云、冰雪的影響，僅有少量的影像可用于一張圖的制作。

圖1 Landsat影像覆蓋示意圖

對于每個PR，盡可能挑選無云或少云的生長季影像，保證了大尺度制圖時色彩一致性。對于某些難以找到符合條件影像的特殊地區(qū)，在重點(diǎn)區(qū)域使用Google Earth Engine[3]（簡稱GEE）制作的年度合成影像來替代。其中，覆蓋中國及周邊地區(qū)的影像來主要自于中國遙感衛(wèi)星地面站接收的數(shù)據(jù)，世界其他地區(qū)的影像來自于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（USGS）和GEE。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

一張圖制作的數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線如圖2所示，主要分為色彩預(yù)處理、投影轉(zhuǎn)換、勻色鑲嵌三個數(shù)據(jù)處理步驟。對于無法找到滿足質(zhì)量需求的PR，使用GEE合成年度中值影像來替代。

圖2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線

1.2.1 色彩預(yù)處理

Landsat 8衛(wèi)星OLI傳感器的數(shù)據(jù)數(shù)字量化（DN）值范圍是0–65535，而影像制圖需要的像元值范圍是0–255，因此需要對原始的像元值進(jìn)行變換，將其數(shù)據(jù)范圍映射到0–255，本文中采用線性拉伸的方法來變換DN值值域。由于不同景影像之間的DN值量化參數(shù)不同，所以無法使用一致的最大值/最小值對影像進(jìn)行拉伸。為了保證全球所有的影像具有較一致的拉伸效果，先將原始數(shù)據(jù)處理為星上反射率，再使用最小值0、最大值0.6對全球所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性拉伸，紅綠藍(lán)（RGB）通道分別使用OLI傳感器的短波紅外1（SWIR1）、近紅外（NIR）、紅（RED）三個波段。

1.2.2 投影變換與勻色鑲嵌

Landsat 8原始數(shù)據(jù)的投影為UTM分帶投影，該投影并不適用全球范圍的制圖。制作一張圖使用WGS 84經(jīng)緯度投影，分辨率為0.00025度，使用三次立方卷積進(jìn)行重采樣。投影變換處理使用PCI GXL高性能處理平臺中的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

由于不同影像之間拍攝時間不一，且大氣條件不同，相鄰影像之間仍然會有少許色差，鑲嵌時需要勻色處理。勻色過程使用捆綁算法。該算法首先使用每個重疊圖像之間的“塊約束”方法來全局調(diào)整每個圖像的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；隨后在圖像對之間自動計(jì)算閃避點(diǎn)并進(jìn)行局部調(diào)整。過渡自然的鑲嵌影像依賴于高質(zhì)量的鑲嵌線，本文使用最小平方差方法來確定鑲嵌接邊線。該方法在相鄰影像的重疊區(qū)域之間計(jì)算所有波段的像元值平方差，通過使平方差最小來確定鑲嵌線。

最后對最終鑲嵌輸出結(jié)果進(jìn)行分塊，分塊及命名規(guī)則詳見下一節(jié)。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

為方便用戶使用，一張圖數(shù)據(jù)集使用 GeoTiff格式保存，以 10○×10○（40000×40000）分塊，包含三個波段，分別對應(yīng)OLI傳感器的SWIR1、NIR、RED，分辨率為0.00025。為便于用戶瀏覽影像，已在TIF文件中內(nèi)建了金字塔。

文件命名規(guī)則如圖3所示。

圖3 文件命名規(guī)則示意圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

制作一張圖所使用的數(shù)據(jù)有66.95%為L1TP級別產(chǎn)品，3.23%為L1GT級別產(chǎn)品，29.82%為GEE中值合成產(chǎn)品，其分布如圖4所示。據(jù)USGS報告描述，截至2019年2月28日，在所有存檔的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，92.2%的L1TP產(chǎn)品的RMSE小于等于12米[4]。GEE中值合成產(chǎn)品在空間細(xì)節(jié)上會有一定的丟失，定位精度接近L1TP產(chǎn)品。經(jīng)過勻色后的一張圖色彩一致性較好，整體概覽如圖5所示。

圖4 產(chǎn)品級別分布圖

圖5 2018年全球一張圖概覽

4 數(shù)據(jù)價值

本文率先推出2018年30米分辨率全球一張圖，幾何精度高、色彩一致性好，可為遙感應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)等提供基礎(chǔ)底圖，對于農(nóng)林地礦調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、能源與資源管理、城市管理規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測與恢復(fù)、全球變化研究、一帶一路倡議的落實(shí)以及《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》的行動具有重要的應(yīng)用價值。

致 謝

感謝貢成娟、郭燕滔、何海鵬、何陳臨秋、黃莉婷、冷宛春、李墨瑄、蒲東川、孫嘉悅、鄭覃在數(shù)據(jù)挑選方法探索時鼎力相助。