1970-2017年海南島Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)集

梁琛彬，程博，何國金

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3.海南省地球觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572029

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 1970-2017年海南島Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 梁琛彬、程博、何國金數(shù)據(jù)通信作者 程博（chengbo@mail.cn）數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 1970-2017年地理區(qū)域 海南島全島（地理范圍包括北緯18°07’ -20°07’，東經(jīng)180°30’ -111°10’）空間分辨率 60 m，30 m數(shù)據(jù)量 1.00 GB數(shù)據(jù)格式 *.tif ( GeoTIFF, 8 bit float )數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/725基金項(xiàng)目海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2016021）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃海洋環(huán)境安全保障重點(diǎn)專項(xiàng)課題項(xiàng)目（2017YFC1405600）；中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)課題（XDA190090300）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61731022）。

數(shù)據(jù)庫（集）組成本數(shù)據(jù)集主要由以下2個(gè)部分組成：第一部分是1970-2017年海南島Landsat系列衛(wèi)星遙感鑲嵌產(chǎn)品，格式為GeoTIFF，一共5幅；第二部分是選取的影像名字列表文件，命名為海南島Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)列表，格式為XLS。此外，提供了一份樣例數(shù)據(jù)，包含波段融合數(shù)據(jù)和影像鑲嵌數(shù)據(jù)。

引 言

海南省位于中國最南端，擁有3.53萬km2陸域面積、1823 km的海岸線以及200萬km的南海海域，既是走向世界的前沿，又是東西方交流的主要通道，作為我國面積最大的經(jīng)濟(jì)特區(qū)，具有特殊的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)略地位[1]。自1988年海南建省辦經(jīng)濟(jì)特區(qū)30年來，海南島的自然環(huán)境和城市建設(shè)均發(fā)生了巨大的變化，快速掌握自然資源和人類活動(dòng)發(fā)展的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)于厘清海南省自然、農(nóng)業(yè)、旅游等資源情況，強(qiáng)化資源環(huán)境管理，促進(jìn)信息資源共享，提高科學(xué)、宏觀、決策管理水平，推動(dòng)“多規(guī)合一”，實(shí)現(xiàn)海南省資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，帶動(dòng)空間大數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用及萬眾創(chuàng)業(yè)，新時(shí)期推進(jìn)海南國際旅游島建設(shè)、建設(shè)21世紀(jì)海上絲綢之路和海南自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)的建設(shè)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略作用和重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)于開展資源環(huán)境宏觀調(diào)查具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這類調(diào)查必須依靠高質(zhì)量的衛(wèi)星遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。而隨著遙感應(yīng)用的深入和普及，廣大用戶對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求逐漸的由基礎(chǔ)型向深加工型轉(zhuǎn)變，為了能更加高效、快速地提供標(biāo)準(zhǔn)化的深加工產(chǎn)品，滿足用戶的快速應(yīng)用需求，使用戶將更多的精力投入更深層次的研究與實(shí)踐應(yīng)用中[3]，何國金等人提出了即得即用（Ready To Use，RTU）的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品理念[4-5]，即將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)加工成用戶能夠直接使用的產(chǎn)品級(jí)別，免去用戶在使用前進(jìn)行繁瑣的預(yù)處理過程，提高了工作效率。

本文以Landsat系列多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用遙感數(shù)據(jù)深加工處理方法得到1970-2017年共5期的覆蓋海南島全島的深加工數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本產(chǎn)品對(duì)獲取的遙感影像進(jìn)行了影像配準(zhǔn)，投影轉(zhuǎn)換等一系列的預(yù)處理，并進(jìn)行了影像鑲嵌獲得海南島全島鑲嵌產(chǎn)品。一方面，本數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用了模擬真彩色合成，在該彩色合成下，植被、建筑物等具有直觀鮮明的特點(diǎn)，有利于有關(guān)部門對(duì)島內(nèi)自然環(huán)境、城市建設(shè)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另一方面，本產(chǎn)品完成了數(shù)據(jù)的預(yù)處理，時(shí)間跨度大，空間范圍廣，為其他研究者更深層次的研究提供了便利，奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

Landsat系列衛(wèi)星自1972年首發(fā)以來，已發(fā)射8顆衛(wèi)星，是迄今為止在全球應(yīng)用最為廣泛、成效最為顯著的地球資源衛(wèi)星遙感信息源，常被用于探測(cè)地球資源與環(huán)境，調(diào)查地下礦藏、海洋資源和地下水資源，監(jiān)視和協(xié)助管理農(nóng)、林、畜牧業(yè)和水利資源的合理使用，預(yù)報(bào)農(nóng)作物的收成，研究自然植物的生長和地貌，考察和預(yù)報(bào)各種嚴(yán)重的自然災(zāi)害（如地震）和環(huán)境污染，拍攝各種目標(biāo)的圖像，以及繪制各種專題圖（如地質(zhì)圖、地貌圖、水文圖）等。Landsat具有較高的空間分辨率、較長的時(shí)間跨度、開放式使用等眾多特點(diǎn)[6]，對(duì)長時(shí)間序列監(jiān)測(cè)研究具有顯著優(yōu)勢(shì)。

本數(shù)據(jù)集以中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所三亞接收站和美國地質(zhì)勘探局（http://glovis.usgs.gov/）提供下載的海南島1970年、1988年、1998年、2008年和2017年的多光譜影像Landsat MSS/TM/OLI為數(shù)據(jù)源，共獲取少云和條帶影響的25景影像。為了避免云霧干擾，采用對(duì)應(yīng)時(shí)相相鄰年份的遙感數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充和替換，所用到的遙感影像信息如表1所示。根據(jù)成像時(shí)間對(duì)Landsat影像進(jìn)行拼接鑲嵌，得到完整覆蓋海南島的1970-2017年共5期的遙感影像圖。

表1 海南島遙感影像數(shù)據(jù)列表

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

針對(duì)Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，主要包括：投影轉(zhuǎn)換、影像配準(zhǔn)、波段融合和影像鑲嵌。本數(shù)據(jù)集的投影坐標(biāo)統(tǒng)一為UTM 49N，坐標(biāo)系為WGS84，采用短波紅外、近紅外、紅光波段進(jìn)行波段融合，最后進(jìn)行影像鑲嵌得到覆蓋海南島全島的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（圖1）。

圖1 Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)處理流程

1.2.1 投影轉(zhuǎn)換

由于獲取數(shù)據(jù)的來源不同，以及Landsat數(shù)據(jù)本身的投影也不統(tǒng)一，為了后續(xù)影像鑲嵌工作的順利進(jìn)行，將影像投影坐標(biāo)統(tǒng)一為UTM 49N，使用ENVI軟件采用Map Based的方式，對(duì)數(shù)據(jù)列表中的各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。

1.2.2 影像配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是指將相同或不同日期、同一傳感器或不同傳感器獲取的2幅或多幅圖像（參考和待配準(zhǔn)圖像），利用其重疊的物理區(qū)域來擬合最佳空間轉(zhuǎn)換的過程。若從數(shù)學(xué)意義的角度來定義圖像配準(zhǔn)，可將圖像間的配準(zhǔn)關(guān)系映射為下式[7]:

作為數(shù)字圖像，I1(x,y)和I2(x,y)分別為參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的二維數(shù)組矩陣，它們用來表征圖像的灰度級(jí)，其中(x,y) 是空間坐標(biāo)；f為二維空間坐標(biāo)變換，如仿射變換、相似變換等，其參數(shù)矩陣由2幅圖像間的相似性度量決定，使之能夠達(dá)到最佳的空間擬合過程；g為圖像亮度或飽和度等的變換，也可以通過調(diào)整傳感器硬件參數(shù)來達(dá)到目的。

為了消除鑲嵌時(shí)的影像間的幾何誤差，在鑲嵌每一期影像前，從每期所需的數(shù)據(jù)中，選取一景基準(zhǔn)影像，利用ENVI軟件采用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行Image to Image的幾何糾正。

1.2.3 波段融合

采用了短波紅外、近紅外和紅光波段的假彩色合成，清晰地反映了各種地物的特征，這種組合利用了一個(gè)紅光波段、2個(gè)紅外波段，水體與水體邊界很清晰，易于區(qū)分河渠與道路，適合對(duì)海岸及其灘涂的調(diào)查。對(duì)于居民地，這種波段組合下，其外圍邊界雖不十分清晰，但內(nèi)部的街區(qū)結(jié)構(gòu)特征清楚。此外，該波段組合具備標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像的突顯植被的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)色彩上又不會(huì)很飽和。

本文利用 GDAL庫對(duì)數(shù)據(jù)列表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，實(shí)現(xiàn)波段融合。GDAL是由 Frank Warmerdam于1988年最先研發(fā)的，全稱是Geospatial Data Abstraction Library，為表達(dá)各種數(shù)據(jù)格式制定了抽象數(shù)據(jù)模型，并為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理服務(wù)提供了相關(guān)的命令行工具。GDAL中提供了對(duì)大多數(shù)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的支持，但對(duì)某些特定數(shù)據(jù)的讀寫需要按照一定的規(guī)則處理[8-9]。

1.2.4 影像鑲嵌

在進(jìn)行影像鑲嵌時(shí)，通過修改鑲嵌線盡量減少鑲嵌結(jié)果的云量。此外，由于成像條件的不同，在鑲嵌某一年份的全島圖時(shí)，所用影像之間的色差比較嚴(yán)重，需要對(duì)影像進(jìn)行勻色，以減少影像之間的色差，使得整體上色調(diào)能夠保持一致。

采用直方圖匹配進(jìn)行勻色，直方圖匹配是影像間的色彩一致性處理時(shí)經(jīng)常用到的方法，該方法以基準(zhǔn)參考圖像的直方圖為標(biāo)準(zhǔn)，使待勻色的圖像的直方圖與之相同或近似，從而使2幅圖像具有類似的色彩和亮度[10]。它充分反映了圖像的灰度分布。通過直方圖修正來對(duì)圖像進(jìn)行處理是以直方圖作為根本來變換的，使得變換后的直方圖與給定的參考圖像直方圖相近。圖像可以數(shù)字化，當(dāng)然它的直方圖就可以用離散函數(shù)來表示，通過它可以統(tǒng)計(jì)數(shù)字圖像中的灰度值與其出現(xiàn)的次數(shù)之間的關(guān)系[11]。

假如數(shù)字圖像用g(x,y)來表示，圖像行列的維數(shù)分別為M和N。歸一化的直方圖可以定義為：

式中：rk為第k級(jí)灰度值；P(rk)為灰度級(jí)rk在圖像中出現(xiàn)的概率的一個(gè)估計(jì)；nk為灰度級(jí)rk的像素總數(shù)。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集包括1970-2017年共計(jì)5期的覆蓋全島的海南島Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工產(chǎn)品。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“data set”文件夾中，每期數(shù)據(jù)以相應(yīng)的年份命名，總數(shù)據(jù)量為1.00 GB。除1970年的影像空間分辨率為60 m外，其余年份均為30 m。各期投影坐標(biāo)為UTM 49N，坐標(biāo)系為WGS1984。2017年的海南島鑲嵌圖如圖2所示。

圖2 2017年海南島Landsat影像鑲嵌圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

3.1 影像配準(zhǔn)精度

從統(tǒng)計(jì)誤差方面入手對(duì)影像配準(zhǔn)的效果進(jìn)行全面深入的分析。現(xiàn)在普遍適用的方法是均方根誤差法（Root-mean-square Error, RMSE），通過計(jì)算校正圖像與參考圖像之間的RMSE 來對(duì)配準(zhǔn)精度進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。一般來說，RMSE值越小表示算法的準(zhǔn)確度越高。在圖像變化檢測(cè)方向的研究中，RMSE的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，(x′′,y′′)為配準(zhǔn)后圖像的像元坐標(biāo)。

選取多項(xiàng)式模型進(jìn)行幾何糾正，選取雙向線性內(nèi)插法進(jìn)行精配準(zhǔn)，總體精度達(dá)到 0.5個(gè)像元以內(nèi)，分別選取上下和左右鄰接影像展示接邊精度（圖3）。從圖3中可以直觀地看出河流、道路等現(xiàn)狀物的接邊精度較高。

圖3 影像接邊圖

3.2 勻色鑲嵌效果

采用直方圖匹配進(jìn)行勻色，其以基準(zhǔn)參考圖像的直方圖為標(biāo)準(zhǔn)，使待勻色的圖像的直方圖與之相同或近似，對(duì)圖像的色彩和亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使圖像在色彩和亮度上保持均衡，消除不同影像之間的色差，如圖4所示。比較鑲嵌前后的示意圖可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行勻色鑲嵌時(shí)，影像之間的接邊處理效果好，接邊處顏色過渡自然，無明顯色差。

圖4 影像勻色鑲嵌前后效果圖比對(duì)

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集是一個(gè)比較完整的海南島40多年間Landsat全島鑲嵌產(chǎn)品，本產(chǎn)品云量少，定位精度高和色彩均衡，無需使用者進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)集包含5期全島鑲嵌產(chǎn)品和影像數(shù)據(jù)列表，可滿足不同用戶使用需求，亦可服務(wù)于海南省自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、城市發(fā)展規(guī)劃、重大工程選址、海洋戰(zhàn)略通道監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，也可作為關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于科學(xué)研究。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1970-2017年海南島 Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)產(chǎn)品是一個(gè)長時(shí)序的海南島全島鑲嵌產(chǎn)品，除1970年份的空間分辨率為60 m外，其余年份的空間分辨率均為30 m，可作為海南島本底數(shù)據(jù)，便于研究海南省經(jīng)濟(jì)特區(qū)建立以來，海南島的整體變遷，并且對(duì)于城市規(guī)劃、農(nóng)田保護(hù)、植被檢測(cè)、土地覆被和海岸帶監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要作用。后續(xù)本數(shù)據(jù)集將會(huì)定期補(bǔ)充新的時(shí)序產(chǎn)品，為海南省可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)格式為GeoTIFF，包含短波紅外、近紅外、紅光波段3個(gè)波段，該波段組合具有水體邊界清晰、易于突顯植被、能直觀反映植被和城市信息等優(yōu)點(diǎn)。此外，數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠在ENVI、ArcGIS、PCI和QGIS等遙感和地理信息系統(tǒng)軟件中直接讀取與操作，便于進(jìn)行二次生產(chǎn)。所采用的數(shù)據(jù)列表，命名為海南省Landsat系列衛(wèi)星遙感深加工數(shù)據(jù)列表，格式為XLS。