歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用研究

歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用研究

楊冀紅1，黃鵬2，馬廣彬2，史良樹(shù)1，戰(zhàn)鷹1，王志信2

(1.中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院，北京 100035；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094)

摘要：本文從建立遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型的角度出發(fā)，研究了歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用，提出了歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用模型，并以風(fēng)云氣象衛(wèi)星歷史云量資料作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明將歷史云量數(shù)據(jù)引入遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中加以應(yīng)用，能夠使規(guī)劃區(qū)域化采集方案時(shí)偏向選擇歷史平均云量較小的成像條帶，為提高光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集效率提供一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；采集模型；云量數(shù)據(jù)

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.013

中圖分類(lèi)號(hào)：P237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of History Cloud Data in Regional Remote Sensing

Satellite Data Acquisition Model

YANG Ji-hong1，HUANG Peng2，MA Guang-bin2，SHI Liang-shu1，ZHAN Ying1，WANG Zhi-xin2

(1.ChinaLandSurveyingandPlanning，Beijing100035；

2.InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，ChineseAcademyofSciences，Beijing100094)

Abstract：Based on the study of the application of history cloud data，this paper set up an application model (the history cloud data programme method) for the regional remote sensing satellite data acquisition model.Test was designed based on the history cloud data of Fengyun meteorological satellite，and the experimental results illustrate that the regional remote sensing satellite data acquisition model would select the images of low history cloud in the case of using the history cloud data.The history cloud data programme method provides an effective way for improving the efficiency of optical remote sensing satellite data collection.

Key words：remote sensing satellite；acquisition model；cloud data

1引言

充分發(fā)揮遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，努力推進(jìn)遙感技術(shù)的應(yīng)用是強(qiáng)化現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)支撐的重要內(nèi)容[1]。隨著國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加和傳感器性能的不斷提高，遙感衛(wèi)星由于其在大面積區(qū)域化數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢(shì)，使得遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在國(guó)土資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等業(yè)務(wù)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為這些業(yè)務(wù)領(lǐng)域最為重要的數(shù)據(jù)來(lái)源。以國(guó)土資源調(diào)查為例，中國(guó)的資源一號(hào)02C、資源三號(hào)、法國(guó)的SPOT、美國(guó)的GeoEye、WorldView、QuickBird等衛(wèi)星的數(shù)據(jù)都得到了大量的使用。但即便如此，現(xiàn)有的衛(wèi)星資源依然不能滿(mǎn)足遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的需要。因此如何提高遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集效率、合理調(diào)度衛(wèi)星資源，已經(jīng)成為當(dāng)前衛(wèi)星資源擁有者和衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用者共同面對(duì)的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文主要從建立遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型的角度出發(fā)，對(duì)歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用加以研究說(shuō)明，為提高遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集效率提供一種有效的方法。

2遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型

影響遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集結(jié)果的要素很多，包括衛(wèi)星軌道特性、衛(wèi)星傳感器能力、目標(biāo)區(qū)域大小、采集時(shí)間、云量等，必須通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型對(duì)各要素的約束條件進(jìn)行綜合分析處理，得出滿(mǎn)足要求的區(qū)域化采集方案。

遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型的基本處理流程如圖1所示。

圖1　遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型基本處理流程圖

(1)條件輸入：衛(wèi)星、傳感器、目標(biāo)區(qū)域、采集時(shí)間等基本信息。

(2)衛(wèi)星成像可用條帶計(jì)算：根據(jù)輸入的基本信息結(jié)合衛(wèi)星軌道參數(shù)(瞬時(shí)根數(shù)或兩行根數(shù))與衛(wèi)星傳感器參數(shù)(如傳感器視場(chǎng)角、感器側(cè)擺角、側(cè)擺步距等)計(jì)算在指定時(shí)間范圍內(nèi)可以訪(fǎng)問(wèn)到目標(biāo)區(qū)域的所有衛(wèi)星成像條帶進(jìn)行計(jì)算。

(3)衛(wèi)星成像條帶編碼：對(duì)計(jì)算獲得的所有成像條帶進(jìn)行唯一性編碼，唯一性編碼可以通過(guò)對(duì)衛(wèi)星、傳感器(成像模式)、過(guò)境軌道、成像條帶等分別編碼后組合而成。

(4)基于智能規(guī)劃算法進(jìn)行成像覆蓋方案求解：這一步是整個(gè)遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型的核心，需要通過(guò)智能規(guī)劃算法(常用的算法如遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等)，從所有的所有成像條帶中選擇得出優(yōu)化、可行的成像覆蓋方案。要求得出的成像覆蓋方案既要符合衛(wèi)星的實(shí)際成像能力，包括單條軌道最多成像條帶數(shù)及條帶長(zhǎng)度、單次連續(xù)成像最大長(zhǎng)度、多次連續(xù)成像時(shí)間間隔，又要滿(mǎn)足區(qū)域化采集的基本業(yè)務(wù)規(guī)則，如太陽(yáng)高度角應(yīng)大于0°、地勢(shì)起伏較大區(qū)域的傳感器側(cè)擺角應(yīng)滿(mǎn)足一定范圍要求、數(shù)據(jù)區(qū)域重疊等，而且還應(yīng)考慮其采集效率，包括對(duì)衛(wèi)星資源、采集時(shí)間周期的合理利用，特別是對(duì)光學(xué)衛(wèi)星采集效率影響最大的云量問(wèn)題。

(5)形成并輸出滿(mǎn)足要求的、優(yōu)化的區(qū)域化采集方案。

3歷史云量數(shù)據(jù)在模型中的應(yīng)用

在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中，對(duì)于光學(xué)成像衛(wèi)星，其成像效果直接受大氣層中云量的影響[2]。對(duì)于以光學(xué)衛(wèi)星為主的區(qū)域化采集，需要對(duì)未來(lái)較遠(yuǎn)且較長(zhǎng)的一段時(shí)間范圍內(nèi)的云量進(jìn)行預(yù)測(cè)，但目前常規(guī)的天氣預(yù)報(bào)只能提供未來(lái)7天左右的預(yù)報(bào)，無(wú)法滿(mǎn)足遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型的應(yīng)用要求。本文以歷史云量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算地面目標(biāo)區(qū)域的歷史平均云量在采集方案制定過(guò)程中盡量選擇歷史云量值相對(duì)較低的月份安排成像，以提高光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集效率、改善采集結(jié)果。需要說(shuō)明的是，云量預(yù)測(cè)是一個(gè)非常復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，其預(yù)測(cè)結(jié)果具有很大的不確定性。地面目標(biāo)區(qū)域的歷史平均云量并不能夠真實(shí)反映該區(qū)域未來(lái)的云量情況，但是可以在一定程度作為未來(lái)云量值的一個(gè)有效的參考。因此，本文在制定遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集方案時(shí)，在滿(mǎn)足相關(guān)約束條件的前提下，將歷史平均云量作為數(shù)據(jù)采集模型選擇成像條帶的一個(gè)參考，使規(guī)劃區(qū)域化采集方案時(shí)偏向選擇歷史平均云量較小的成像條帶，對(duì)于提高光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集效率具有一定的參考意義。歷史云量數(shù)據(jù)應(yīng)用方案如下：

(1)選擇歷史云量資料

①?lài)?guó)際衛(wèi)星云氣候研究計(jì)劃(ISCCP)云量資料

國(guó)際衛(wèi)星云氣候研究計(jì)劃(ISCCP)成立于1982年，主要通過(guò)收集和分析氣象衛(wèi)星輻射測(cè)量值來(lái)研究全球云分布、屬性的變化[3-4]。ISCCP-D2月平均云量資料時(shí)間跨度從1984年到2009年，其網(wǎng)格的水平分辨率為280km×280km。

②風(fēng)云氣象衛(wèi)星云量資料

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星(FY-2)是我國(guó)自行研制的第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星[5-6]。使用風(fēng)云二號(hào)系列氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)加工整理與分析，得到了中國(guó)及周邊區(qū)域風(fēng)云氣象衛(wèi)星云量資料。風(fēng)云氣象衛(wèi)星云量資料包含了月平均云量和旬平均云量，時(shí)間跨度從2004年至2013年，將會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)更新，其網(wǎng)格的最高水平分辨率可達(dá)25km×25km。

(2)對(duì)地面目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分

按照所選歷史云量資料的網(wǎng)格對(duì)地面目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(3)網(wǎng)格歷史平均云量計(jì)算

根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)采集時(shí)間要求，從歷史云量資料中選取對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的歷史云量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的歷史平均云量。如數(shù)據(jù)采集時(shí)間要求為2014年8月～2015年2月，則需要選取歷史云量資料中所有8月～12月和1月～2月內(nèi)的歷史云量數(shù)據(jù)。考慮到云量預(yù)測(cè)的不確定性，建議選取月或旬為單位計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格歷史平均云量。網(wǎng)格歷史平均云量(Vi)的計(jì)算公式如下：

Vi=(V1+V2+…+Vn)/n

(1)

其中，Vn為時(shí)間單位內(nèi)網(wǎng)格的歷史云量值。

(4)成像條帶平均云量值計(jì)算

衛(wèi)星一條成像條帶對(duì)應(yīng)的地面區(qū)域可能會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格，需要根據(jù)每個(gè)目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格的平均云量值及其在成像條帶對(duì)應(yīng)的地面區(qū)域中所占面積進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算成像條帶的平均云量值。成像條帶平均云量值(MCT)的計(jì)算公式如下：

(2)

其中，Si為成像條帶對(duì)應(yīng)的各個(gè)網(wǎng)格與成像條帶及地面目標(biāo)區(qū)域之間交集的面積，Sroi條帶覆蓋地面目標(biāo)區(qū)域的面積，Vi格歷史平均云量。

(5)成像條帶云量系數(shù)計(jì)算

根據(jù)成像條帶的平均云量值計(jì)算每個(gè)成像條帶的云量系數(shù)，以便于智能規(guī)劃算法進(jìn)行成像條帶選擇時(shí)參照成像條帶云量系數(shù)進(jìn)行成像覆蓋方案的優(yōu)選。成像條帶云量系數(shù)(MC)的計(jì)算公式如下：

MC=1-MCT

(3)

由于成像條帶平均云量值(MCT)的取值范圍為0～1，因此，成像條帶云量系數(shù)(MC)的取值范圍為0～1。成像條帶云量系數(shù)值越大，說(shuō)明成像條帶平均云量值越低；反之，則成像條帶平均云量值越高。智能規(guī)劃算法在進(jìn)行成像覆蓋方案優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇云量系數(shù)值較大的成像條帶。

4實(shí)驗(yàn)分析

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

①設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間范圍：2013年1月1日至2013年6月30日。

②設(shè)定數(shù)據(jù)采集目標(biāo)區(qū)域：120°E～125°E，45.25°N～50.25°N。

③設(shè)定承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)的衛(wèi)星及傳感器：法國(guó)SPOT-5衛(wèi)星HRG傳感器。SPOT-5的HRG傳感器具有左右正負(fù)27°的側(cè)擺能力，其數(shù)據(jù)成像幅寬為60km，分辨率最高為2.5m。

④設(shè)定數(shù)據(jù)采集目標(biāo)：使用較少的條帶對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)覆蓋，覆蓋率要求大于99%。

(2)實(shí)驗(yàn)使用云量數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)使用云量數(shù)據(jù)為風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星(FY-2)月平均云量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2009年1月1日至2012年12月30日，數(shù)據(jù)水平分辨率為25km×25km網(wǎng)格。具體數(shù)據(jù)值如表1所示。

表1　FY-2歷史云量數(shù)據(jù)

(3)實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別在不使用云量數(shù)據(jù)和使用云量數(shù)據(jù)兩種不同的條件下通過(guò)遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型計(jì)算求解，得到滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的優(yōu)化的區(qū)域化采集方案，以目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的歷史平均云量值為參考，對(duì)兩個(gè)區(qū)域化采集方案進(jìn)行分析比較，評(píng)估歷史云量數(shù)據(jù)在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用效果。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)一：不使用云量數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型計(jì)算求解得到區(qū)域化采集方案。方案如表2所示。實(shí)驗(yàn)二：使用云量數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型計(jì)算求解得到區(qū)域化采集方案。方案如表3所示。

表2　不使用云量數(shù)據(jù)的采集方案

表3　使用云量數(shù)據(jù)的采集方案

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的區(qū)域化采集方案都滿(mǎn)足設(shè)定的數(shù)據(jù)采集目標(biāo)。但由于條帶的成像位置和成像時(shí)間不同，兩個(gè)方案各條帶的歷史平均云量值也各不相同。方案一和方案二各條帶的歷史平均云量值如表4所示。

其中方案的規(guī)劃結(jié)果平均云量為各成像條帶面積與地面任務(wù)區(qū)域面積比值的加權(quán)平均，計(jì)算公式如下：

(4)

其中，V為規(guī)劃結(jié)果平均云量值，Si為第i個(gè)成像條帶的面積，S為地面任務(wù)區(qū)域的面積，Vi為第i個(gè)成像條帶的平均云量值。

設(shè)定的數(shù)據(jù)采集目標(biāo)區(qū)域2009年至2012年1月～6月份歷史平均云量值統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表4　兩種采集方案的歷史平均云量值對(duì)比

表5　數(shù)據(jù)采集區(qū)域歷史平均云量

由上表可知，數(shù)據(jù)采集目標(biāo)區(qū)域的1月～4月歷史平均云量值較5、6月歷史平均云量相對(duì)略高。對(duì)比實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二兩個(gè)方案的規(guī)劃結(jié)果，方案一各條帶的成像時(shí)間在1月～6月間相對(duì)比較平均，而方案二各條帶的成像時(shí)間全部集中在5、6月，所以方案二規(guī)劃結(jié)果的平均云量要低于方案一，其數(shù)據(jù)采集效率更高，方案更為優(yōu)化。

5結(jié)束語(yǔ)

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)區(qū)域化采集過(guò)程中，云量對(duì)于光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量具有重要影響。本文研究了歷史云量資料在遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中的應(yīng)用方案，通過(guò)將歷史云量數(shù)據(jù)引入遙感衛(wèi)星區(qū)域化采集模型中加以應(yīng)用，使得規(guī)劃區(qū)域化采集方案時(shí)可以偏向選擇歷史平均云量較小的成像條帶，為提高光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集效率提供一種有效的方法。

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