天宮二號(hào)寬波段成像儀青藏高原專題數(shù)據(jù)集

李雷娟，任海根，李盛陽，覃幫勇*

1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，中國科學(xué)院太空應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094

2.中國載人航天工程辦公室，北京 100071

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 天宮二號(hào)寬波段成像儀青藏高原專題數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 李盛陽、張萬峰、劉志文、覃幫勇、于海軍、王博、邵雨陽、劉康、李雷娟、黑保琴、李軒、任海根數(shù)據(jù)通信作者 覃幫勇（qinby@csu.ac.cn）數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 2016年9月至2018年11月地理區(qū)域青藏高原地理位置：北緯 26°00′-39°47′，東經(jīng) 73°19′-104°47′。主要由昆侖山脈、唐古拉山脈、喜馬拉雅山脈等山脈，青海湖、色林錯(cuò)、納木錯(cuò)等湖泊，長江、黃河、瀾滄江、怒江等河流組成?？臻g分辨率 （1）可見近紅外譜段（100 m）；（2）短波紅外譜段（200 m）；（3）熱紅外譜段（400 m）。數(shù)據(jù)量 2.0 TB數(shù)據(jù)格式 影像數(shù)據(jù)為Geotiff格式（*.tif），影像縮略圖為png格式，影像拇指圖為jpg格式，輔助文件為xml格式數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.msadc.cn/t2/t2web/data/data_list.jsp http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/701

基金項(xiàng)目 國家科技部國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目“國家基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)”（DKA2018-12-02-23）。數(shù)據(jù)庫（集）組成數(shù)據(jù)集由 4部分?jǐn)?shù)據(jù)組成：（1）可見近紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品；（2）短波紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品；（3）熱紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品；（4）專題產(chǎn)品：地表反射率產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品、地表亮溫產(chǎn)品、歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品、歸一化積雪指數(shù)產(chǎn)品、歸一化水體指數(shù)產(chǎn)品。

引 言

青藏高原是世界屋脊、亞洲水塔和地球第三極，位于北緯 26°00′-39°47′，東經(jīng) 73°19′-104°47′之間，東西長約2800公里，南北寬約300-1500公里，總面積約250萬平方公里。境內(nèi)高山大川密布，地勢險(xiǎn)峻多變，其平均海拔4000 m以上，是中國最大、世界海拔最高的高原。高原腹地年平均溫度在0℃以下，最暖月平均溫度也不足10℃，從南往北橫跨亞熱帶濕潤氣候到寒帶干旱高原氣候等10個(gè)氣候區(qū)，是北半球氣候變化的啟張器和調(diào)節(jié)器。其獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和高原氣候造就了特有的自然資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，成為我國重要的戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備基地和生態(tài)安全屏障[1-2]。

天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室寬波段成像儀（以下簡稱寬波段成像儀）是國內(nèi)首次在單臺(tái)儀器上，實(shí)現(xiàn)多光譜大視場推掃成像功能的寬刈幅（約300公里）光學(xué)遙感器，包含3個(gè)譜段：可見近紅外譜段（0.4 μm-1.0 μm，14 個(gè)通道）、短波紅外譜段（1.0 μm-1.7 μm，2 個(gè)通道）和熱紅外譜段（8.0 μm-10.0 μm，2個(gè)通道）。3個(gè)譜段的空間分辨率分別為100 m、200 m和400 m[3-5]。自發(fā)射以來，寬波段成像儀通過對(duì)青藏高原的持續(xù)觀測，獲得了大量青藏高原數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并生成了相應(yīng)的專題產(chǎn)品，包括地表反射率產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品、地表亮溫產(chǎn)品、歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品、歸一化積雪指數(shù)產(chǎn)品、歸一化水體指數(shù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)量總計(jì)超過2.0 TB。數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖1所示。

圖1 青藏高原專題數(shù)據(jù)集覆蓋圖

青藏高原專題數(shù)據(jù)集包含數(shù)據(jù)產(chǎn)品與專題產(chǎn)品，其中數(shù)據(jù)產(chǎn)品有可見近紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品、短波紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品和熱紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品，專題產(chǎn)品有地表反射率產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品、歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品及歸一化積雪指數(shù)產(chǎn)品等。本數(shù)據(jù)集可作為青藏高原科學(xué)研究與綜合考察的參考數(shù)據(jù)，應(yīng)用于氣候變化、生物多樣性、土地覆蓋類型及湖泊水文監(jiān)測變化等領(lǐng)域。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 寬波段成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品

寬波段成像儀采用推掃成像模式，可見近紅外、短波紅外與熱紅外3個(gè)譜段單獨(dú)成像，可見近紅外有3個(gè)視場，短波紅外和熱紅外各有2個(gè)視場。數(shù)據(jù)下行后，首先進(jìn)行解格式處理，得到各譜段格式化原始數(shù)據(jù)；再經(jīng)過視場拼接和均一性校正，將多個(gè)視場組合成一幅寬刈幅影像；接著按照成像時(shí)間進(jìn)行分景處理，將一軌圖像分割成多個(gè)連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)景；標(biāo)準(zhǔn)景圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過相對(duì)及絕對(duì)輻射校正后，生成入瞳處的輻亮度圖像，再經(jīng)過傳感器校正和幾何投影生成帶有地理坐標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)品[3,5]。處理流程如圖2。

圖2 寬波段成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理流程圖

1.2 專題產(chǎn)品

寬波段成像儀專題產(chǎn)品包括地表反射率產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品、地表亮溫產(chǎn)品、歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品、歸一化積雪指數(shù)產(chǎn)品、歸一化水體指數(shù)產(chǎn)品。在生成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，利用輻射傳輸模型或暗像元法進(jìn)行大氣校正，進(jìn)而得到地表反射率和地表亮溫產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步生成地表溫度、歸一化植被指數(shù)、歸一化積雪指數(shù)、歸一化水體指數(shù)專題產(chǎn)品。植被指數(shù)公式為：

這里NDVI為歸一化植被指數(shù)，NIR為位于近紅外波段的遙感通道所得到的反射率，RED為位于可見光波段的紅光通道得到的反射率[6]，NIR與RED分別對(duì)應(yīng)寬波段成像儀可見近紅外譜段的通道5和通道9。

利用積雪在綠光波段反射率較高，在短波紅外波段反射率較低的獨(dú)特變化特征，構(gòu)建的歸一化積雪指數(shù)能有效識(shí)別積雪[7]。公式為：

這里NDSI為歸一化積雪指數(shù)，Green為位于可見光波段的綠光通道得到的反射率，SWI為位于短波紅外波段的遙感通道得到的反射率，Green與SWI分別對(duì)應(yīng)寬波段成像儀可見近紅外譜段通道11和短波紅外譜段通道2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般NDSI≥0.4區(qū)域可以定義為冰雪覆蓋區(qū)。

歸一化水體指數(shù)是基于綠波段與近紅外波段反射率的歸一化比值指數(shù)[8]，其公式為：

這里NDWI為歸一化水體指數(shù)，Green與NIR分別選取寬波段可見近紅外譜段的通道11和通道5進(jìn)行歸一化差值處理，突出顯示影像水體信息。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

寬波段成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品以輻亮度值作為灰度值存儲(chǔ)地面空間信息與光譜特征。本數(shù)據(jù)集采用對(duì)地觀測領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，并配套有完整的元數(shù)據(jù)信息，方便數(shù)據(jù)讀取和使用。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品文件名以“飛行器_載荷名稱_產(chǎn)品標(biāo)識(shí)_數(shù)據(jù)類型_數(shù)據(jù)采集開始時(shí)間_數(shù)據(jù)采集結(jié)束時(shí)間_產(chǎn)品級(jí)別_分段號(hào)_分景號(hào)_產(chǎn)品生成時(shí)間_版本號(hào).文件后綴”的格式命名[3]。

按照前后字段順序，具體描述如表1。

表1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品文件名字段描述表

可見近紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品是使用8、10、12三個(gè)通道合成的近似真彩色影像（圖3），圖片名稱T2_MWI_VNI_IMG_20180121122946_20180121124748_L2_000_8_20181111143510_V211.tif。

圖3 可見近紅外譜段影像及xml文件

短波紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品通道1如圖4所示，圖片名稱T2_MWI_SWI_IMG_20180121122946_201 80121124748_L2_000_8_20181111121833_V211.tif。

圖4 短波紅外譜段影像及xml文件

熱紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品通道1如圖5所示，圖片名稱T2_MWI_INF_IMG_20180121122946_20180 121124748_L2_000_8_20181111122009_V211.tif。

圖5 熱紅外譜段影像及xml文件

地表反射率產(chǎn)品如圖6、圖7所示，圖片名稱分別為T2_MWI_VNI_LSR-RTM_20180121122946_20180121124748_L5_000_8_20181127091444_V211.tif、T2_MWI_SWI_LSR-RTM_20180121122946_20180121124748_L5_000_8_20181127092919_V211.tif。

圖6 可見近紅外譜段地表反射率產(chǎn)品（通道1）及xml文件

圖7 短波紅外譜段地表反射率產(chǎn)品（通道1）及xml文件

地表溫度產(chǎn)品如圖8所示，圖片名稱為T2_MWI_INF_LST_20180121122946_20180121124748_L5_000_8_20181127123217_V211.tif。

圖8 地表溫度產(chǎn)品（通道1）及xml文件

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

在數(shù)據(jù)處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制，以確保數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。針對(duì)傳感器在軌輻射性能的變化，2018年8月在敦煌和青海湖開展了寬波段成像儀外場輻射定標(biāo)試驗(yàn)，通過外場同步測量的方式，計(jì)算得到傳感器各通道的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，從而有效改善和提高了數(shù)據(jù)產(chǎn)品的輻射精度。寬波段成像儀的可見近紅外和短波紅外譜段的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于10%，熱紅外譜段的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于2K。

在數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估方面，針對(duì)數(shù)據(jù)格式[9]、輻射質(zhì)量、幾何精度、云量等進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了篩選，將滿足質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布共享。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式檢查包括數(shù)據(jù)格式正確性、數(shù)據(jù)完整性及數(shù)據(jù)有效性檢查。

（1）數(shù)據(jù)格式檢查主要對(duì)數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)內(nèi)容及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的正確性進(jìn)行檢查；

（2）數(shù)據(jù)完整性檢查主要對(duì)數(shù)據(jù)文件的完備性、數(shù)據(jù)內(nèi)容的完整性等進(jìn)行檢查；

（3）數(shù)據(jù)有效性主要對(duì)數(shù)據(jù)及參數(shù)取值是否有效進(jìn)行檢查。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品輻射質(zhì)量要求地表反射率及相關(guān)的各類指數(shù)產(chǎn)品與 MODIS的地表反射率及專題產(chǎn)品的交叉驗(yàn)證平均誤差在10%以內(nèi)，地表亮溫與MODIS地表亮溫產(chǎn)品交叉驗(yàn)證平均誤差在2K以內(nèi)，地表溫度產(chǎn)品的交叉驗(yàn)證平均誤差在2.5K以內(nèi)。數(shù)據(jù)產(chǎn)品的平均幾何定位精度在10個(gè)像元以內(nèi)。此外，為保障數(shù)據(jù)產(chǎn)品的可用性，在數(shù)據(jù)發(fā)布前對(duì)圖像中的云量進(jìn)行檢測。對(duì)于云量較多的圖像數(shù)據(jù)，由于可用性較低，在發(fā)布的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了剔除。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

寬波段成像儀獲取的中等分辨率多譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在青藏高原區(qū)域中大尺度地物目標(biāo)監(jiān)測、氣候變化、生物多樣性變化、土地覆蓋類型及湖泊水文監(jiān)測變化等方面具有廣泛的應(yīng)用前景?？梢娊t外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品及地表反射率產(chǎn)品等專題產(chǎn)品可應(yīng)用于氣候變化監(jiān)測[10-12]、土地覆蓋類型調(diào)查[2]、冰川及積雪分布演變[13-16]、高原湖泊提取[17]、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及突發(fā)性災(zāi)害監(jiān)測等應(yīng)用研究；短波紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于土壤濕度[18-19]、農(nóng)作物長勢監(jiān)測、云監(jiān)測等應(yīng)用研究；熱紅外譜段數(shù)據(jù)產(chǎn)品、地表溫度產(chǎn)品可用于地表溫度反演與分析、火災(zāi)監(jiān)測、城市熱島效應(yīng)等應(yīng)用研究。