珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)

張立福，王颯，顏軍，張強(qiáng)，劉少杰，紀(jì)嬋，劉森，童慶禧

1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;

2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;

3.珠海歐比特宇航科技股份有限公司,珠海 519080;

4.石河子大學(xué) 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子 832003

1 引言

“珠海一號(hào)”衛(wèi)星星座，是中國首個(gè)民營企業(yè)發(fā)射的微納衛(wèi)星星座，共有34 顆衛(wèi)星組成，包括視頻衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星等。珠海一號(hào)高光譜衛(wèi)星OHS（Orbita HyperSpectral）計(jì)劃共10顆，目前4顆OHS-2 衛(wèi)星于2018 年4 月26 日發(fā)射成功，4 顆OHS-3 衛(wèi) 星于2019 年9 月19 日發(fā)射 成功。OHS 采用推掃式掃描成像的方式，空間分辨率為10 m，光譜分辨率為2.5 nm，波長范圍為400—1000 nm，波段32 個(gè)，可以通過命令，重新選擇其他波段進(jìn)行下傳，幅寬為150 km×150 km，運(yùn)行軌道為98°太陽同步軌道，軌道高度為500 km，同時(shí)支持在軌標(biāo)定，理想情況下10 顆星每2 天可覆蓋全球一次（洪韜，2019；李先怡 等，2019）。目前，OHS數(shù)據(jù)已在土壤有機(jī)質(zhì)含量反演、內(nèi)陸水體范圍提取、水體參數(shù)反演、農(nóng)作物精細(xì)分類等方面取得成功應(yīng)用（洪韜，2019；孫浩然 等，2020；尹慧新和樊彥國，2020；張信耶和李繼旭，2019）。

遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)是遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，得到了國內(nèi)外眾多專家的關(guān)注。遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法分為主觀和客觀評(píng)價(jià)方法（何南南 等，2017；王霄鵬 等，2016；尹靈芝 等，2014；周景超 等，2008）。主觀評(píng)價(jià)，即目視評(píng)價(jià)，主要靠人的目視檢查，對(duì)影像的質(zhì)量好壞進(jìn)行打分評(píng)級(jí)。主觀評(píng)價(jià)方法主要依靠評(píng)價(jià)人的主觀感受，但是由于每個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、素質(zhì)、認(rèn)知水平和個(gè)人背景等不同，可能會(huì)造成不同的評(píng)價(jià)人對(duì)同一幅影像的評(píng)價(jià)結(jié)果不同，同時(shí)，主觀評(píng)價(jià)方法還受限于人眼的分辨能力（曹春旭，2014；曾彩云，2017；任雪，2008），為了保障主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性，一般應(yīng)至少有20 名人員參加主觀評(píng)價(jià)（任雪，2008）。目前國際上對(duì)多媒體應(yīng)用和電視圖像的主觀評(píng)價(jià)方法已經(jīng)規(guī)定了國際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-T Rec.P.910 和ITU-R BT.500-11，但對(duì)于高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。客觀評(píng)價(jià)方法則以圖像的物理特征為基礎(chǔ)，以特定的指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，能夠避免主觀評(píng)價(jià)方法存在的主觀性問題。

眾多學(xué)者基于客觀評(píng)價(jià)的方法對(duì)高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估：Forster和Best（1994）通過調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì)SPOT 影像進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)分析；Kamal等（2016）通過葉面積指數(shù)比較了WorldView-2、ALOS AVNIR-2和Landsat TM 的數(shù)據(jù)質(zhì)量；張霞等（2002）通過地面分解力、清晰度、信噪比、反差和輻射精度6個(gè)指標(biāo)對(duì)中巴地球資源一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王欽軍和田慶久（2007）基于輻射精度、清晰度、信息量、信噪比、幾何精度和地面分辨率6 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)IRS-P6 衛(wèi)星LISS3圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，并基于相同區(qū)域的TM 數(shù)據(jù)，進(jìn)行了對(duì)比分析。魏宏偉和田慶久（2012）基于輻射精度、信息量、清晰度、信噪比、對(duì)比度和地面分辨率6個(gè)客觀指標(biāo)對(duì)HJ1B-CCD 影像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。曹春旭（2014）通過主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，基于數(shù)據(jù)的信息量、清晰度、灰度范圍、噪聲等方面對(duì)資源一號(hào)02C衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和評(píng)價(jià)。吳興等（2018）基于輻射精度、信噪比、信息熵和影像清晰度4個(gè)客觀指標(biāo)分析SPARK-02星高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量。

綜上可知，目前尚未有對(duì)珠海一號(hào)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)的系統(tǒng)性研究。珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品共有32 個(gè)波段，如果以主觀評(píng)價(jià)方法進(jìn)行逐一評(píng)定將消耗大量人力、物力和時(shí)間，因此，本文主要采用客觀評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)，針對(duì)珠海一號(hào)的高光譜數(shù)據(jù)，分別選擇了具有代表性地物覆蓋的區(qū)域，采用客觀評(píng)價(jià)的方法：輻射精度、清晰度、信噪比和信息熵為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)OHS-2 和OHS-3 高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)，并對(duì)比分析OHS-2 和OHS-3 不同星的高光譜數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量指標(biāo)，為珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)在地理國情監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、濕地資源保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測、海洋環(huán)境調(diào)查等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)質(zhì)量參考。

2 輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 輻射精度

輻射精度是反映圖像輻射狀態(tài)的指標(biāo)，包括均值、方差、偏度、陡度、邊緣輻射畸變和增益調(diào)整畸變6個(gè)指標(biāo)。其中，均值能夠反映圖像的整體輻射狀況；方差反映的是圖像信息量的大小，方差的值越大，則說明圖像的信息量越豐富（張霞 等，2002）；偏度和陡度是反映圖像直方圖分布的2個(gè)指標(biāo)，偏度反映的是圖像直方圖分布形狀偏離平均值周圍對(duì)稱形狀的程度，正負(fù)表示不對(duì)稱邊的分布是更趨向于正值還是負(fù)值，如果偏度為正值，則為右偏分布，反之，為左偏分布。當(dāng)偏度絕對(duì)值越大，表明偏斜程度越大，直方圖分布不均勻，質(zhì)量較差；陡度則表達(dá)圖像直方圖的分布形狀是集中在平均值附近還是向邊緣擴(kuò)展，陡度的值越大，表明越集中在平均值附近，說明圖像灰度范圍越窄，輻射精度較差；邊緣輻射畸變和增益調(diào)整畸變是輻射不均質(zhì)性的2個(gè)指標(biāo)，邊緣輻射畸變是行向量均值矢量，增益調(diào)整畸變則是列向量均值矢量，矢量的均值和方差的比值能夠反映圖像邊緣輻射畸變和灰度增益變化的情況，值越大說明輻射形變?cè)酱?。需要注意的是，由于圖像的灰度值與地物類型、成像時(shí)間和天氣等有著密切的聯(lián)系，輻射精度的6個(gè)指標(biāo)本身沒有絕對(duì)的意義，可以用于同一數(shù)據(jù)不用波段的相互比較。其計(jì)算公式如下所示：

式中，M表示均值，d表示方差，S表示偏度，R表示邊緣輻射畸變，P表示增益調(diào)整畸變，K表示陡度，xi表示第i像元的灰度值，N表示像元個(gè)數(shù)，Rm表示行方向均值矢量的均值，Rd表示行方向均值矢量的方差，Pm為列方向上均值矢量的均值，Pd為列方向上均值矢量的方差。

2.2 清晰度

清晰度是衡量影像細(xì)節(jié)邊緣變化的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)一幅影像的清晰度越高，意味著影像的邊緣細(xì)節(jié)可區(qū)分程度高。本文采用點(diǎn)銳度算法計(jì)算清晰度（王鴻南 等，2004；吳興 等，2018），公式如下：

式中，EVA 表示為影像的清晰度，N表示像元個(gè)數(shù)，df為影像灰度變化幅值，dx為像元間的距離增量。

2.3 信噪比

信噪比反映了影像中有用信息和噪聲信息的大小，它是衡量影像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，定義為圖像中有用成分的均值與噪聲成分的標(biāo)準(zhǔn)差的比值（高連如 等，2007；梁文秀 等，2015；吳興等，2018；朱博 等，2010）。影像噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法有去相關(guān)法、基于高斯波形提取的局部方差法、基于邊緣塊剔除的局部方差法、局部方差法等（高連如 等，2007；朱博 等，2010）。本文基于Canny算子進(jìn)行噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的估算，它基于高斯濾波和梯度幅值進(jìn)行邊緣檢測。計(jì)算公式為

式中，SNR 表示為影像的信噪比，單位為分貝（dB），m表示為圖像的均值，δ為影像噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4 信息熵

信息熵是反映影像所包含信息量大小的重要指標(biāo)，能夠反映影像所包含地物信息的詳細(xì)程度。一般而言，信息熵越大，表明影像所包含的信息量越大，地物信息越詳細(xì)。常用熵有：Shannon熵、條件熵、平方熵、立方熵等。本文采用Shannon 信息熵來表示OHS 高光譜的信息量，Shannon熵的計(jì)算公式如下：

式中，H表示為影像的信息熵，min 為圖像灰度最小值，max 為圖像灰度最大值，Pi表示灰度值i的像元的概率。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)為山東省東營市黃河入?？诘貐^(qū)。該地區(qū)地勢較為平坦，地表覆蓋主要包括：河流、農(nóng)田、水產(chǎn)養(yǎng)殖、植被和建筑物等，地物類型較為豐富。為了較為全面的評(píng)價(jià)分析珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量，選取了兩顆不同的珠海一號(hào)高光譜衛(wèi)星：OHS-2C和OHS-3B，其空間分辨率為10 m，光譜分辨率為2.5 nm，波長范圍400—1000 nm。分別 獲取了2019 年9 月28 日OHS-2C 衛(wèi)星 和2020 年10 月7 日OHS-3B 衛(wèi)星在該區(qū)域無云的L1B 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，L1B級(jí)產(chǎn)品經(jīng)過了幾何校正、相對(duì)輻射校正和全譜段配準(zhǔn)，包括RPC、空間范圍和元數(shù)據(jù)文件等，數(shù)據(jù)大小為50 km×50 km。

同時(shí)，為了對(duì)珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)更加客觀，獲取相同區(qū)域2019年11月14日無云的GF-5 高光譜L1 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，GF-5 高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，在可見近紅外有150個(gè)波段，波長范圍為390—1030 nm；在短波紅外有180個(gè)波段，波長范圍為1000—2500 nm，影像的大小為60 km×60 km，如圖1 所示。OHS-2C、OHS-3B 和GF-5數(shù)據(jù)各波段信息詳見表1。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)詳細(xì)情況列表Table 1 Summary of images used in this study

圖1 研究區(qū)及高光譜數(shù)據(jù)真彩色合成顯示Fig.1 True-color display of hyperspectral data in study area

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與結(jié)果分析

4.1 OHS輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

由于珠海高光譜數(shù)據(jù)的波長范圍為400—1000 nm，實(shí)際起始波段的中心波長為466 nm（OHS-2C）和443 nm（OHS-3B）（表1），為了便于分析和對(duì)比，僅計(jì)算和顯示了GF-5 數(shù)據(jù)的可見近紅外13—144 波段（波長范圍441—1002 nm），珠海高光譜和GF-5 數(shù)據(jù)的輻射精度如圖2 所示。分析各個(gè)輻射精度指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，珠海OHS-2C 和OHS-3B 衛(wèi)星的均值和方差變化趨勢基本一致，表明OHS-2C 和OHS-3B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠反映的地物信息量的能力較為一致；在440—760 nm譜段，GF-5數(shù)據(jù)的方差比珠海高光譜數(shù)據(jù)大，表明GF-5 數(shù)據(jù)在該譜段的灰度值變化范圍較大，信息量較為豐富。由于獲取的影像數(shù)據(jù)為同一區(qū)域，獲取時(shí)間較 為接近（2019 年9 月28 日、2020 年10 月7 日、2019年11月14日），其地物信息量應(yīng)基本保持一致，即方差沒有明顯的差別；但是在400—760 nm 譜段珠海高光譜數(shù)據(jù)的均值和方差明顯低于珠海高光譜數(shù)據(jù)。由于GF-5、OHS-2C 和OHS-3B 的量化級(jí)數(shù)分別為12 bits，16 bits 和10 bits，但是OHS-2C 數(shù)據(jù)量化等級(jí)是由10 bit的二進(jìn)制前補(bǔ)了6個(gè)0，其灰度范圍仍為0—1023，因此GF-5 數(shù)據(jù)的量化級(jí)數(shù)最大，量化級(jí)數(shù)是珠海高光譜數(shù)據(jù)均值在400—760 nm譜段低于GF-5 數(shù)據(jù)的原因之一；而珠海高光譜的光譜分辨率（2.5 nm）較GF-5 數(shù)據(jù)的光譜分辨率（5 nm）高，導(dǎo)致探測器每個(gè)通道接收的能量較低，可能導(dǎo)致其信息量較低。這種現(xiàn)象是數(shù)據(jù)的量化級(jí)數(shù)和光譜分辨率綜合影響的結(jié)果。同時(shí)GF-5 數(shù)據(jù)第88 波段（762.487 nm）和128 波段（933.604 nm），GF-5數(shù)據(jù)的均值和方差呈現(xiàn)明顯的波谷，這是由于760 nm 為氧氣吸收通道，940 nm為水體吸收通道，如圖3（a）和（b）所示。

圖2 OHS和GF-5輻射精度研究Fig.2 Radiation accuracy of OHS and GF-5

圖3 GF-5號(hào)影像第88和128波段Fig.3 The band 88 and 128 of GF

針對(duì)偏度和陡度指標(biāo)，GF-5數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，保持在-1—1，而兩顆珠海衛(wèi)星的高光譜數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，偏度均表現(xiàn)出先增加（440—656 nm）后減?。?56—716 nm），最后在716—926 nm 保持穩(wěn)定的趨勢。在716—926 nm 譜段，偏度和陡度都表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢，表明OHS-2C 和OHS-3B 星直方圖的分布基本保持一致。同時(shí)在440—940 nm 譜段，珠海高光譜數(shù)據(jù)的偏度絕對(duì)值和陡度數(shù)值基本上都高于GF-5 數(shù)據(jù)，與其方差較小的現(xiàn)象相符，即表明珠海高光譜數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍較小，且傳感器響應(yīng)比GF-5 數(shù)據(jù)差，需要進(jìn)行改進(jìn)和提高。對(duì)于邊緣輻射畸變而言，在430—1000 nm 譜段，GF-5 數(shù)據(jù)和珠海高光譜OHS-2C 和OHS-3B 的曲線變化呈現(xiàn)一致，且邊緣輻射畸變范圍在0—1.2，表明行方向上輻射形變大小基本一致。同時(shí)，對(duì)于增益調(diào)整畸變，在440—640 nm 譜段，珠海高光譜數(shù)據(jù)高于GF-5 數(shù)據(jù)，表明珠海高光譜數(shù)據(jù)在列方向上的輻射形變高于GF-5 數(shù)據(jù)，即珠海高光譜數(shù)據(jù)傳感器在掃描線方向的輻射形變較大，其他譜段曲線變化較為一致，增益調(diào)整畸變的范圍均在0—9，可能與傳感器探元的響應(yīng)有關(guān)。綜上，GF-5 高光譜數(shù)據(jù)所包含的信息量較珠海數(shù)據(jù)高，輻射精度高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，但是在使用時(shí)，需要注意762.487 nm 和933.604 nm 譜段的條帶問題，OHS-2C 和OHS-3B 數(shù)據(jù)的輻射精度變化趨勢基本一致，經(jīng)過逐一目視檢查，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的條帶問題。

清晰度計(jì)算結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示，GF-5數(shù)據(jù)的清晰度明顯優(yōu)于OHS-2C 和OHS-3B 數(shù)據(jù)。同時(shí)，珠海一號(hào)OHS-2C 和OHS-3B 的清晰度約為GF-5 數(shù)據(jù)清晰度的55%和54%，與GF-5 數(shù)據(jù)的平均值和方差大于珠海高光譜數(shù)據(jù)相吻合。這種現(xiàn)象可能與空間分辨率、光譜分辨率、傳感器的探元響應(yīng)以及量化級(jí)數(shù)有關(guān)。雖然珠海高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率較高，但同時(shí)其光譜分辨率較高，量化級(jí)數(shù)較低，因此造成了珠海高光譜數(shù)據(jù)的清晰度低于GF-5數(shù)據(jù)。OHS-2C和OHS-3B數(shù)據(jù)的清晰度曲線趨勢基本一致，清晰度在3—10，在686 nm附近，出現(xiàn)波峰；在紅外波段的880—940 nm，表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，因此在應(yīng)用中，可考慮去掉880—940 nm譜段數(shù)據(jù)。

圖4 OHS和GF-5影像清晰度Fig.4 Image definition of OHS and GF-5

信噪比計(jì)算結(jié)果如圖5所示，雖然，珠海高光譜和GF-5 數(shù)據(jù)的信噪比都保持在30—50 db，且隨著波長的增加呈現(xiàn)降低趨勢；但是由圖5可以看出，珠海高光譜數(shù)據(jù)信噪比在35—40，而GF-5 數(shù)據(jù)的信噪比在40—45，且珠海高光譜數(shù)據(jù)的信噪比約為GF-5 數(shù)據(jù)信噪比的86.5%。因此，GF-5 數(shù)據(jù)的信噪比明顯優(yōu)于珠海高光譜數(shù)據(jù)。對(duì)于OHS-2C星和OHS-3B星而言，其信噪比曲線形狀基本保持一致，在686 nm 附近，出現(xiàn)波谷值。而GF-5數(shù)據(jù)由于在第88 和128 波段的條帶，造成其信噪比出現(xiàn)波谷值，其條帶如圖3（a）和3（b）所示。同時(shí)，在基于同樣信噪比計(jì)算方法，Spark 高光譜數(shù)據(jù)的信噪比范圍為0—50（吳興 等，2018），表明，珠海高光譜數(shù)據(jù)和GF-5 高光譜數(shù)據(jù)與Spark高光譜數(shù)據(jù)具有相同水平的信噪比。

圖5 OHS和GF-5信噪比Fig.5 Signal to noise ratio of OHS and GF-5

信息熵計(jì)算如圖6 所示，在400—1000 nm 譜段，珠海高光譜數(shù)據(jù)和GF-5 數(shù)據(jù)信息熵都在6 以上，且基本上都保持穩(wěn)定，在6—10，即所有譜段的信息量基本上都保持一致，同時(shí)，珠海高光譜數(shù)據(jù)的信息熵約為GF-5 數(shù)據(jù)信息熵的91.5%。在440—760 nm譜段，GF-5數(shù)據(jù)的信息熵高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，與其均值和方差表現(xiàn)一致，表明GF-5數(shù)據(jù)的信息量高于珠海高光譜數(shù)據(jù)。同樣，由于GF-5數(shù)據(jù)第88（762.487 nm）和128（933.604 nm）波段的條帶問題，造成其信息熵出現(xiàn)波谷。同時(shí)，EO-1 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)的Shannon信息熵（周雨霽和田慶久，2008）在5—12，HJ1B數(shù)據(jù)Shannon信息熵則在1—2（魏宏偉和田慶久，2012），SPARK高光譜數(shù)據(jù)Shannon 信息熵則在3—7（吳興 等，2018），由此可見，珠海高光譜數(shù)據(jù)和GF-5 數(shù)據(jù)具有較高信息熵，且與EO-1 Hyperion 高光譜數(shù)據(jù)信息熵基本保持一致。

圖6 OHS和GF-5信息熵Fig.6 Shannon entropy of OHS and GF-5

4.2 綜合評(píng)價(jià)分析

為了綜合反映OHS 數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量的總體趨勢，結(jié)合珠海高光譜數(shù)據(jù)和GF-5 數(shù)據(jù)波范圍，將440—1000 nm 譜段劃分為藍(lán)（440—520 nm）、綠（520—617 nm）、紅（617—740 nm）和近紅外（740—1000 nm）4 組，分別計(jì)算各個(gè)組指標(biāo)的最大值、平均值和最小值。

輻射精度綜合評(píng)價(jià)如圖7所示。在藍(lán)、綠、紅和近紅外4 個(gè)分組中，GF-5 數(shù)據(jù)的灰度值和方差的平均值均大于珠海高光譜數(shù)據(jù)，OHS-2C 和OHS-3B 數(shù)據(jù)則基本保持一致，表明GF-5 數(shù)據(jù)所包含的信息量要大于珠海高光譜數(shù)據(jù)，珠海高光譜數(shù)據(jù)的光譜分辨率和量化級(jí)數(shù)是其輻射精度較低的主要原因；針對(duì)偏度指標(biāo)，GF-5 數(shù)據(jù)在±0.3之間，而珠海高光譜數(shù)據(jù)在-3—1；針對(duì)陡度指標(biāo)，GF-5 數(shù)據(jù)都小于珠海數(shù)據(jù)，說明珠海數(shù)據(jù)灰度的值集中在均值附近，變化范圍較小，與其方差變化相吻合；GF-5 和珠海高光譜數(shù)據(jù)的邊緣輻射畸變值基本在0—1，增益輻射畸變值在0—10，說明影像的列間差異更大，即推掃式成像過程中，在掃描線方向的輻射形變較大，可能存在探元在響應(yīng)不一致的情況。

圖7 OHS和GF-5輻射精度對(duì)比Fig.7 Comparison of radiation accuracy between OHS and GF-5

清晰度綜合評(píng)價(jià)如圖8 所示，GF-5 數(shù)據(jù)的清晰度高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，表明雖然珠海高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率較高，由于其光譜分辨率和傳感器探元響應(yīng)造成其灰度值和變化范圍小于GF-5數(shù)據(jù)，地物的可區(qū)分程度低于GF-5數(shù)據(jù)。OHS-2C和OHS-3B 數(shù)據(jù)的清晰度穩(wěn)定在6 附近，由于其具有相同光譜分辨率和傳感器設(shè)置，因此，其成像數(shù)據(jù)的清晰度基本保持一致；同時(shí)由于OHS-2C的運(yùn)行時(shí)間大于OHS-3B，由于傳感器衰減等因素，造成OHS-2C 數(shù)據(jù)清晰度隨著波長增加而微弱減少，而OHS-3B數(shù)據(jù)的清晰度基本保持不變。

圖8 OHS和GF-5清晰度對(duì)比Fig.8 Comparison of image definition between OHS and GF-5

信噪比綜合評(píng)價(jià)如圖9所示，顯而易見，GF-5數(shù)據(jù)的信噪比高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，表明GF-5 數(shù)據(jù)所包含的信息量高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，這與其灰度值和方差所反映的一致。對(duì)于GF-5 數(shù)據(jù)，信噪比隨著波長的增加明顯降低，近紅外波段信噪比最小；而OHS-2C 與OHS-3B 數(shù)據(jù)的信噪比基本一致，可能與其傳感器的響應(yīng)有關(guān)。

圖9 OHS和GF-5信噪比對(duì)比Fig.9 Comparison of SNR between OHS and GF-5

信息熵綜合評(píng)價(jià)如圖10 所示，GF-5 和珠海高光譜數(shù)據(jù)的信息熵均值都在6—10，十分接近。這可能是由于其光譜分辨率和空間分辨率共同作用的結(jié)果：高光譜分辨率使其波段較窄，接受到能量的能力較低，但是高空間分辨率使其信息量增加，所以其信息含量與GF-5 數(shù)據(jù)基本一致。具體而言，GF-5 數(shù)據(jù)的信息熵稍高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，而OHS-2C 和OHS-3B 數(shù)據(jù)的信息熵則基本一致，說明光譜分辨率是地物信息量的主導(dǎo)因素。

圖10 OHS和GF-5信息熵對(duì)比Fig.10 Comparison of shannon entropy between OHS and GF-5

以上分析表明，雖然珠海高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率優(yōu)于GF-5 數(shù)據(jù)，但整體而言，GF-5 數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量明顯優(yōu)于珠海高光譜數(shù)據(jù)，但是其信息熵能力相當(dāng)，保持在同一數(shù)量級(jí)。OHS-2C 和OHS-3B 數(shù)據(jù)由于其相同的傳感器和光譜分辨率，其數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量基本保持一致。

5 結(jié)論

本文針對(duì)OHS 影像數(shù)據(jù)，利用輻射精度、清晰度、信噪比和信息熵四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)OHS-2C、OHS-3B 影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)，并與同類高光譜衛(wèi)星GF-5 數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）在400—760 nm 譜段，GF-5 數(shù)據(jù)的信息量高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，輻射精度明顯高于珠海高光譜數(shù)據(jù)，但是需要注意GF-5數(shù)據(jù)在762.487 nm和933.604 nm譜段的條帶問題。

（2）與GF-5 數(shù)據(jù)相比，珠海高光譜數(shù)據(jù)的量化級(jí)數(shù)較低，且珠海高光譜衛(wèi)星的光譜分辨率更高，每個(gè)通道接受到的光譜信息量更低，導(dǎo)致珠海高光譜數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量低于GF-5 數(shù)據(jù)，其清晰度約為GF-5 數(shù)據(jù)清晰度的54%左右；由于光譜分辨率、空間分辨率和傳感器設(shè)置相同，OHS-2C 和OHS-3B數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量基本一致。

（3）與GF-5 數(shù)據(jù)相比，珠海高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率更高，其信息熵平均值在6—10，約為GF-5 數(shù)據(jù)信息熵的91.5%，與GF-5 數(shù)據(jù)相當(dāng)，同時(shí)珠海高光譜數(shù)據(jù)信噪比約為GF-5 數(shù)據(jù)的86.5%左右。因此，在土地利用分類、變化檢測、目標(biāo)識(shí)別等方面，可以與GF-5數(shù)據(jù)補(bǔ)充使用。

總體而言，由于光譜分辨率的制約，珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)輻射質(zhì)量低于GF-5數(shù)據(jù)，并且GF-5數(shù)據(jù)的信噪比和清晰度明顯優(yōu)于珠海高光譜數(shù)據(jù)，但其信息熵相當(dāng)（信息熵位于6—10），同時(shí)由于珠海高光譜衛(wèi)星研制成本低，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)、高光譜數(shù)據(jù)的高重訪周期（單星6天，4星組網(wǎng)2天）和高空間分辨率（10 m）等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲取更多區(qū)域更多時(shí)相的高光譜衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，為高光譜衛(wèi)星的深入應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，特別是在農(nóng)業(yè)遙感方面具有廣闊的應(yīng)用前景。后續(xù)將針對(duì)定量遙感及水質(zhì)監(jiān)測等方面，展開珠海一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)光譜質(zhì)量、大氣糾正等方面的研究。