基于天氣模型的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力分析

耿 晴，曾 浩

（1.湖北省測(cè)繪成果檔案館，湖北 武漢 430071）

隨著我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的成熟和不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的種類和數(shù)量日益增多，包括高分系列和資源系列等。多類型國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星能及時(shí)快速地對(duì)地觀測(cè)，為地表研究提供高精度的地物要素信息。然而，在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中，云層是一種常見的污染物，使光學(xué)遙感影像的可用性受到了不同程度的影響[1]。目前，除合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)能不受天氣影響避免云覆蓋問題外[2]，其他波譜范圍的光學(xué)影像在云層遮擋地區(qū)均存在部分或全部地物信息的缺失。現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)遙感影像的需求已應(yīng)用到地球資源探測(cè)、自然災(zāi)害救災(zāi)預(yù)測(cè)、海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等自然資源監(jiān)測(cè)的方方面面[3]。為提升遙感影像的質(zhì)量、增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)能力，針對(duì)基于天氣模型的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力進(jìn)行分析很有必要。

1 研究對(duì)象基本情況

本文選取的研究對(duì)象為國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星，原始數(shù)據(jù)由國(guó)家自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心通過自然資源衛(wèi)星影像云服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)推送，湖北省級(jí)節(jié)點(diǎn)接收并選取。本文選用高分一號(hào)（GF-1）、高分二號(hào)（GF-2）和資源三號(hào)（ZY-3）3種[4-6]國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，區(qū)域?yàn)楹笔【硟?nèi)，其中2012年、2013年只有ZY-3號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)[7]，2014年、2015年數(shù)據(jù)缺失，2016年、2017年3種衛(wèi)星數(shù)據(jù)齊全，2018年只有GF-1號(hào)、ZY-3號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2 研究方法

在天氣因素對(duì)遙感影像質(zhì)量的影響中，云層遮擋是對(duì)遙感圖像質(zhì)量干擾較嚴(yán)重的因素。本文中的天氣模型主要是基于云層因素，分析云覆蓋對(duì)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像獲取的影響。為避免云覆蓋對(duì)衛(wèi)星影像后續(xù)使用帶來的負(fù)面影響，通過云影檢測(cè)提取云和云陰影在衛(wèi)星影像中的準(zhǔn)確位置，過濾掉因云覆蓋產(chǎn)生的無(wú)效像元。此外，可通過云覆蓋量對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，剔除低質(zhì)的影像數(shù)據(jù)，確保云檢測(cè)處理后的遙感數(shù)據(jù)能反映大部分的真實(shí)地表信息[8]；然后利用多源國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像云檢測(cè)軟件對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的影像元數(shù)據(jù)xml文件包含每景影像的含云量，矢量云掩膜文件中包含每景數(shù)據(jù)各地理單位的云覆蓋情況，其中mask字段值為1代表該地區(qū)沒有云層覆蓋。

為分析基于天氣模型的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力，本文選取了云量、覆蓋率、覆蓋頻次3個(gè)指標(biāo)，其中云量是天氣模型的重要表現(xiàn)形式，能直接反映衛(wèi)星影像中云層遮擋范圍的大小；覆蓋率即衛(wèi)星對(duì)湖北省的覆蓋情況，直接反映其影像范圍，由于本文主要基于天氣模型，因此覆蓋率是指去除云層遮擋后的有效覆蓋率；覆蓋頻次即衛(wèi)星對(duì)湖北省各地市的覆蓋頻率，反映了影像的更新速度，是獲取能力的一種重要體現(xiàn)，同樣的，本文的覆蓋頻次是指去除云層遮擋后的有效覆蓋頻次。

根據(jù)上述3個(gè)指標(biāo)，本文對(duì)云檢測(cè)軟件處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各衛(wèi)星對(duì)湖北省各地市的覆蓋率和覆蓋頻次，進(jìn)一步分析云層對(duì)有效覆蓋率和有效覆蓋頻次造成的影響。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 影像獲取能力分析

3.1 云量分析

本文對(duì)各年份每景衛(wèi)星影像的云量信息進(jìn)行單景分析，并統(tǒng)計(jì)各衛(wèi)星含云量為0的景數(shù)占總景數(shù)的比例。無(wú)云覆蓋影像占比如圖2所示，可以看出，3種衛(wèi)星中GF-2號(hào)衛(wèi)星拍攝的遙感影像中無(wú)云影像占比最大，2016年和2017年均有半數(shù)以上影像沒有云層遮擋；2016—2018年GF-1號(hào)衛(wèi)星拍攝的遙感影像中，無(wú)云影像占比均在20%～30%之間，云量相對(duì)穩(wěn)定；ZY-3號(hào)衛(wèi)星不同年份無(wú)云影像占比相差較大，2018年有近半數(shù)影像沒有云層遮擋，但2016年無(wú)云影像占比僅為23.3%。

圖2 無(wú)云覆蓋影像占比

以地市為單位，本文對(duì)各衛(wèi)星拍攝影像的含云量進(jìn)行分析。含云量比例為云覆蓋區(qū)域面積與各地市總面積之比。各地市含云量比例如圖3所示，圖中含云量是指所有年份各衛(wèi)星對(duì)各地市拍攝影像含云量的平均值，可以看出，恩施市、神農(nóng)架和宜昌市的含云量遠(yuǎn)高于平均值；天門市和潛江市的含云量很小，均低于1%；GF-1號(hào)衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、黃岡市、荊州市、荊門市和咸寧市；GF-2號(hào)衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括鄂州市、恩施市、神農(nóng)架、襄陽(yáng)市和宜昌市；ZY-3號(hào)衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、荊州市、神農(nóng)架和宜昌市。

圖3 各地市含云量比例

3.2 有效覆蓋率分析

本文去掉云檢測(cè)處理后的含云區(qū)域得到有效覆蓋圖層，再通過計(jì)算得到各衛(wèi)星對(duì)湖北省各地市的有效覆蓋率，并對(duì)其進(jìn)行整體和行政區(qū)劃分析。

經(jīng)過整體分析發(fā)現(xiàn)，GF-1號(hào)和ZY-3號(hào)衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋率相對(duì)較高，GF-1號(hào)衛(wèi)星的有效覆蓋率均在90%以上，ZY-3號(hào)衛(wèi)星除2012年覆蓋率為73.31%以外，其余年份的覆蓋率也在90%以上；而GF-2號(hào)衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋率相對(duì)較低，2016年和2017年其有效覆蓋率在50%～60%之間；從整體覆蓋率來看，GF-1號(hào)和ZY-3號(hào)衛(wèi)星的影像獲取能力高于GF-2號(hào)衛(wèi)星。

通過行政區(qū)劃分析發(fā)現(xiàn)，所有年份衛(wèi)星對(duì)湖北省的平均覆蓋率為84.67%；恩施市、黃石市、神農(nóng)架和咸寧市的有效覆蓋率低于平均值；天門市、孝感市、仙桃市和隨州市的有效覆蓋率均高于90%。各地市有效覆蓋率情況如圖4所示。

圖4 湖北省各地市有效覆蓋率統(tǒng)計(jì)

3.3 有效覆蓋頻次分析

2016—2018年GF-1號(hào)衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋頻次分別為3.48次、3.6次和2.57次，平均值為3.22次，2016年與2017年的有效覆蓋頻次相差不大，2018年出現(xiàn)下降趨勢(shì)；2016年、2017年GF-2號(hào)衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋頻次分別為0.78次和1.01次，整體覆蓋頻次小于GF-1號(hào)和YZ-3號(hào)衛(wèi)星。綜合5 a的數(shù)據(jù)可知，YZ-3號(hào)衛(wèi)星對(duì)湖北省的平均有效覆蓋頻次為3.45次，不同年份的有效覆蓋頻次相差較大，2017年和2018年的有效覆蓋頻次均超過了4次，而2012年的有效覆蓋頻次僅為1.23次。各衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋頻次如圖5所示。

圖5 各衛(wèi)星對(duì)湖北省的有效覆蓋頻次統(tǒng)計(jì)

分析所有年份3種衛(wèi)星對(duì)湖北省各地市的有效覆蓋頻次可知，3種衛(wèi)星對(duì)湖北省各地市的有效覆蓋頻次相差較大，且各地市的有效覆蓋頻次也有較大差異，GF-1號(hào)衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為3.22次，GF-2號(hào)衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為0.9次，ZY-3號(hào)衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為3.45次。

4 天氣模型帶來的覆蓋影響分析

本文統(tǒng)計(jì)了各衛(wèi)星對(duì)湖北省的覆蓋數(shù)據(jù)以及去云后的有效覆蓋數(shù)據(jù)，得到3種衛(wèi)星拍攝影像的有效比例數(shù)據(jù)。GF-1號(hào)衛(wèi)星拍攝的有效覆蓋比例為98.73%，GF-2號(hào)衛(wèi)星為96.73%，ZY-3號(hào)衛(wèi)星為96.93%，因此就湖北省整體而言，天氣模型對(duì)GF-1號(hào)衛(wèi)星獲取的影像質(zhì)量影響最小。各衛(wèi)星在湖北省各地市的有效覆蓋比例如圖6～8所示。

由圖6可知，恩施市、荊州市和咸寧市受云層遮蓋的影響較大，黃石市、隨州市、武漢市、潛江市、仙桃市和孝感市基本不受天氣模型影響，有效覆蓋比例均在99.5%以上。

圖6 GF-1號(hào)衛(wèi)星有效覆蓋比例

相較于GF-1號(hào)衛(wèi)星，GF-2號(hào)衛(wèi)星的有效覆蓋比例受云層遮蓋的影響較大，其中恩施市、神農(nóng)架和宜昌市的有效覆蓋比例均約為在90%，云層覆蓋比例較大；荊門市、隨州市和孝感市受影響較小，有效覆蓋比例均在99%以上。

圖7 GF-2號(hào)衛(wèi)星有效覆蓋比例

ZY-3號(hào)衛(wèi)星的有效覆蓋比例受云層遮蓋的影響也較大，且不同地市間差異明顯，其中神農(nóng)架受云層遮蓋的影響較大，去云后的有效覆蓋比例僅為86.37%；恩施市的有效覆蓋比例也較低，約為90%；而鄂州市、黃岡市、天門市、武漢市、仙桃市和孝感市受影響較小，有效覆蓋比例均在98%以上。

圖8 ZY-3號(hào)衛(wèi)星有效覆蓋比例

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了云覆蓋給3種國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力帶來的影響，以及將云層覆蓋視為無(wú)效覆蓋后各衛(wèi)星影像對(duì)湖北省各地市的有效覆蓋范圍。由云覆蓋對(duì)3種衛(wèi)星影像獲取能力的影響來看，GF-1號(hào)衛(wèi)星受云覆蓋的影響相對(duì)較小，GF-2號(hào)和ZY-3號(hào)衛(wèi)星受云覆蓋的影響相對(duì)較大。綜合各年3種衛(wèi)星的有效覆蓋數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2016—2018年衛(wèi)星影像的有效獲取受云覆蓋的干擾程度差異不大；恩施市、神農(nóng)架和宜昌市的衛(wèi)星影像受云覆蓋影響最大。

基于天氣模型的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取能力分析為我國(guó)困難地區(qū)影像獲取方法的研究提供了豐富的實(shí)踐統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，特別是云霧帶來的遮蓋問題；為單景和多景影像的云霧校正方法和影像修復(fù)技術(shù)等提供了數(shù)據(jù)支持；也為自然資源的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作提供了影像數(shù)據(jù)優(yōu)化選取的依據(jù)，具有良好的技術(shù)研究?jī)r(jià)值和生產(chǎn)實(shí)踐意義。