GF-1B、C、D星數據質量在軌測試評價研究

□ 浙江省自然資源調查登記中心 敖為赳 陳文志 童英良

2018年3月31日，我國在太原衛星發射中心用長征四號丙運載火箭，以“一箭三星”方式成功將GF-1B、C、D星送入預定軌道。GF-1B、C、D星是國家民用空間基礎設施規劃的首批業務化應用衛星。3星組網并投入運行后，可實現同一地區2天重訪，15天以內對全球覆蓋一遍，獲取規模化的1∶2.5萬-1∶5萬自然資源調查、監測以及應急等專題應用產品，大幅度提高山、水、林、田、湖、草等自然資源全要素、全覆蓋調查監測能力，實時掌控自然資源數量、質量、生態動態變化，為國家自然資源資產管理和自然生態監管提供精準信息保障。要用好GF-1B、C、D星數據，使其在自然資源調查與監測中發揮重要作用，就需要對GF-1B、C、D星的數據質量開展綜合評價，系統評價GF-1B、C、D星全色、多光譜載荷標準影像產品數據質量、數據精度等。

一、數據來源與測試方法

（一）數據源

本文采用GF-1B、C、D星數據，每顆衛星裝載2臺2米/8米相機，地面幅寬優于60公里，具有高質量、高效能成像的優勢，可實現快速地獲取全球2米全色、8米多光譜影像。

▲ 圖1 數據測試方法研究

（二） 測試流程與方法

1. 測試流程

數據測試流程主要分為資料收集、數據質量評價和制圖測試評價、成果評價與分析4個階段。收集研究數據包括GF1-A、B、C、D星，其他光學衛星和土地專題數據；數據質量評價從輻射特性和信息量兩方面進行研究；制圖測試評價從幾何畸變、成圖比例尺和制圖效率方面研究；完成上述工作后進行成果評價與分析。見圖1。

2. 測試方法

本次測試評價主要通過對數據基本質量、制圖測試、制圖效率等三個方面，定性、定量地評價影像質量，并與穩定運行的GF-1A星數據進行橫向比較。

（1）數據基本質量評價

采用主、客觀相結合的方法，對GF-1B、C、D星多光譜載荷標準1A級影像數據基本質量進行評價，包括輻射特性、信息量等。輻射特性方面，從圖像數據的灰度特征、紋理特征、能量特征等方面，其中包括信噪比、灰度動態范圍等開展定量和定性評價。信息量方面，從圖像數據的信息熵、清晰度等方面開展定量與定性評價。

表1 GF-1B、C、D衛星影像灰度特征對比表

（2）制圖測試評價

采用GF-1B、C、D星影像2A級產品，及歷年土地利用遙感影像圖/土地利用數據，依據行業應用規范規定的技術流程和方法，開展土地利用遙感影像圖制圖相關的幾何畸變、成果比例尺等評價。

（3）制圖效率評價

主要從以下幾方面進行評價。

①首先進行波段配準，控制點從10開始逐漸遞增，分別記錄GF-1B、C、D星2A級產品與基礎底圖數據波段匹配結果滿足1∶5萬影像圖制圖規范時所需的控制點數，同時對不同控制點規模下波段匹配精度進行分析。

② 在完成波段配準后，通過參考影像匹配或控制點庫匹配的方式，分別對GF-1B、C、D星和國內外其它高分衛星數據獲取一系列校正控制點，使用逐漸遞增的控制點規模，結合DEM數據，開展正射校正，分別記錄正射校正后影像滿足1∶5萬制圖規范時，所對應的控制點數。

③GF-1B、C、D星數據處理工作時間效率的統計評價。

二、測試結果與分析

（一）數據基本質量評價

選用GF-1B、C、D星標準1級產品多光譜影像，從幾何畸變、灰度特征、紋理特征、能量特征等幾個方面，定性或定量地對GF-1B、C、D星標準1級產品影像進行質量評價。并與GF-1A數據進行比較。

1.影像灰度特征

影像灰度特征包括影像灰度值（DN值）的統計分析參數，包括：灰度動態范圍、均值、標準差、偏斜度、清晰度。見表1。

2.影像紋理特征

文主要采用對比度、均質性、角二階矩、熵等指標對高分一號A、B、C、D星進行影像紋理特征計算，計算結果如表2所示。

表2 影像紋理特征對比表

表3 影像能量特征統計表

3.影像能量特征

采用二維影像多尺度小波變換，從細節能量、邊緣能量兩個方面，對影像的能量進行分析。Mallat 算法在小波分析理論中地位頗高，是根據多分辨率分析理論所提出，該算法使得小波分析理論得到了突破性發展，并使其得到了廣泛應用。本項目在matlab中利用Mallat算法計算影像能量特征值。見表3。

4.數據基本質量評價結果分析

針對本次試驗數據，輻射特性方面，整體噪聲水平低，部分影像內建設用地地塊存在高亮問題，但單個高亮圖斑面積不大，對實際地類的目視判讀影響有限。在灰度動態范圍上，B、C、D星數據是高分一號的4倍，能表現的層次更豐富，色彩空間更廣。但是從灰度均值分布上看，B、C、D星不及高分一號，尤其B星數據灰度均值明顯低于中值，存在整體偏暗的問題。偏斜度方面，高分一號B、C、D星數據基本呈正態分布，且偏斜度更低，普遍低于高分一號數據2個數量級以上，質量更優。清晰度方面，高分一號B星數據與高分一號數據基本持平，C星數據各波段高出高分一號35%-128%，D星數據各波段均高出高分一號1倍以上，清晰度更好，細節地物表現能力更強。紋理特征方面，B、C、D星數據在2、3、4波段的對比度低于高分一號，其中D星數據略優于B、C星。在均質度和角二階矩這兩項指標上B、C、D星數據高于高分一號，而在熵這項指標上低于高分一號，表明B、C、D星數據在紋理特征上稍弱于高分一號。影像能量特征方面，B、C、D星數據影像能量均勻，99.99%集中在細節能量，信息量較好。

表4 GF-1B、C、D衛星數據成圖比例尺計算表

表5 制圖效率統計表

（二）制圖測試評價

利用2A級影像對基于GF-1B、C、D星數據的土地利用遙感影像圖制圖相關的幾何畸變、成圖比例尺等進行評價。

1.幾何畸變

應用PCI GXL軟件自動選取控制點功能，以研究區第二次土地調查成果影像為底圖，分別對GF-1A、B、C、D星選取控制點。A星選取了33個，B星選取了38個，C星選取了32個，D星選取了43個。根據計算結果比較它們的幾何畸變程度，以象元為統計單位。由測試結果可知，GF-1B、C、D星影像畸變程度小，驗證點的平均殘差均較小，可控制在1.2個像元左右，且均低于GF-1A數據。糾正后影像與二調影像在同一窗口打開，逐屏檢查影像后，沒有明顯抖動或錯位、沒有明顯畸變，線狀地物連貫，A、B、C、D四星影像數據校正效果都好。

2.成圖比例尺評價

以控制點庫數據作為真值，分別求出正射校正后的GF-1A、GF-1B、GF-1C、GF-1D四星影像的定位誤差，并確定成圖比例尺。

根據成圖比例尺公式確定各星成圖比例尺。成圖比例尺公式：

式中，M 為成圖比例尺的分母，R是衛星遙感影像空間分辨率（單位：米），C為影像幾何校正系數，即：經幾何校正以后的像元位置均方根差RMSE，以像元為單位；e為人眼的分辨率，通常在0.1-0.3毫米。見表4。

綜合各星成圖比例尺來看，GF-1B、C、D衛星數據無法滿足1∶10000成圖比例尺的要求，最佳成圖比例為1∶25000。

（三）制圖效率評價

評價利用GF-1B、C、D衛星數據進行土地應用影像圖制圖工作中，有關波段配準以及幾何精校正的工作效率。見表5。

對GF-1A、B、C、D四星進行波段配準及正射校正，將控制點數從10開始逐漸遞增，開展正射校正，記錄表示正射校正后影像滿足1∶5萬制圖規范時所對應的最少控制點數。其結果如上表所示。本次測試選用影像處理軟件自動選點，平均19秒左右即可完成幾何校正，且最多16個控制點即可達到制圖規范要求，制圖效率高，便于大范圍應用。

總體來說，GF-1B、C、D星制圖效率高，進行波段配準及幾何精校正所需的處理時間少，僅16個控制點即可達到制圖規范要求，利于制圖工作的快速開展。

三、結論與展望

通過對GF-1B、C、D星數據測試分析認為，GF-1B、C、D星綜合評價數據質量較GF-1A星清晰度更好，細節地物表現能力更強，信息量更為豐富。GF-1B、C、D星數據基本質量良好，幾何畸變小，能滿足1∶25000成圖比例尺要求，制圖效率較高。GF-1B、C、D衛星幅寬大，約為67公里，單顆星單景數據覆蓋面積約為4500平方公里，是GF-1A星單景數據的近4倍面積。GF-1B、C、D星幅寬大且多星組網運行，極大地提升了我國2米級分辨率光學衛星的數據獲取能力。特別是對于浙江地區多山、地形復雜多樣，有利于光學衛星拍攝的晴好無云天氣有限、衛星數據獲取困難的情況下，GF-1B、C、D衛星的發射，能夠為浙江省山水林田湖草自然資源調查監測監管的有效衛星數據獲取提供有力保障。