海南島高分一號衛星遙感深加工數據集

海南島高分一號衛星遙感深加工數據集
作者：江威　何國金　程博　龍騰飛　冷宛春　尹然宇
2019年5月21日

本作品收錄於《中國科學數據》

江威, 何國金, 程博, 等. 海南島高分一號衛星遙感深加工數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(2). (2019-04-25). DOI: 10.11922/csdata.2018.0074.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：海南島是我國第二大島嶼，也是海上絲綢之路的重要戰略支點。高質量的衛星遙感深加工產品集對於海南省資源環境動態調查和社會經濟協調發展具有重要意義。本數據選用了2015–2016年共67景雲量較低的高分一號衛星遙感數據，覆蓋海南全島，通過衛星遙感深加工服務系統，對高分一號進行深加工處理，主要包括數據選擇，正射校正，影像融合和影像鑲嵌等流程，最後研製出海南島高分一號深加工產品。本產品雲量少，定位精度高，色彩均衡，能夠作為海南島基礎底圖，並已公開共享和提供下載，可應用於海南島基礎設施建設規劃、生態環境保護和可持續發展等領域。

關鍵詞：高分一號；海南島；深加工產品；幾何校正；遙感服務

Abstract & Keywords

Abstract: As China’s second largest island, Hainan Island is a strategic node of the maritime silk road. High-quality value-added satellite products are of great significance for dynamic investigations of the resources and environment of Hainan Province. This study collects Gaofen-1(GF-1) satellite images of Hainan Island with less cloud cover from 2015 to 2016. All collected GF-1 images were processed automatically by using the satellite remote sensing deep processing system. Major steps included image registration, Ground Control Points (GCP) collection, adjustment, ortho-correction, image fusion and image mosaicking, through which the value-added product for Hainan Island was completed. With less cloud, higher positioning accuracy and balanced color, this product provides basic data for infrastructure planning, ecological environmental protection and sustainable development of Hainan island.

Keywords: GF-1 satellite; Hainan Island; value-added products; geometric correction; remote sensing service

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	海南島高分一號衛星遙感深加工數據集
數據作者	江威、何國金、程博、龍騰飛、冷宛春、尹然宇
數據通信作者	何國金（hegj@radi.ac.cn）
數據時間範圍	2015–2016年
地理區域	海南全島（地理範圍包括北緯18°7′–20°7′，東經108°30′–111°10′）
空間分辨率	2 m
數據量	105.2 GB
數據格式	*.tif ( GeoTIFF, 8bit float )
數據服務系統網址	ftp://124.16.184.141/GF1_hainan/ftp://10.7.2.2/GF1_hainan/ http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/679
基金項目	海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2016021）；國家重點研發計劃全球變化及應對專項課題項目（2016YFA0600302）；中國科學院Ａ類戰略性先導科技專項課題（XDA190090300）；國家發展和改革委員會促進大數據發展重大工程（2016-999999-65-01-000696-01）。
數據庫（集）組成	本數據集主要由以下五個部分組成：第一部分是海南島高分一號衛星遙感鑲嵌產品，格式為GeoTIFF，第二部分是海南島高分一號衛星遙感鑲嵌產品縮略圖，第三部分是海南島高分一號衛星遙感鑲嵌分幅產品，第四部分是海南島高分一號衛星遙感鑲嵌分幅產品索引圖，第五部分是海南島高分一號深加工原始影像列表。此外，提供了一份樣例數據，包含正射校正、影像融合和影像鑲嵌數據。

Dataset Profile

Title	Value-added Gaofen-1 image data of Hainan Island
Data corresponding author	He Guojin (hegj@radi.ac.cn)
Data authors	Jiang Wei, He Guojin, Cheng Bo, Long Tengfei, Leng Wanchun,Yin Ranyu
Time range	From 2015 to 2016
Geographical scope	Hainan island (18°7′–20°7′N, 108°30′–111°10′E)
Spatial resolution	2 m
Data volume	105.2 GB
Data format	*.tif ( GeoTIFF, 8bit float )
Data service system	ftp://124.16.184.141/GF1_hainan/ ftp://10.7.2.2/GF1_hainan/ http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/679
Sources of funding	Major Science and Technology Program of Hainan Province (ZDKJ2016021); National Key Research and Development Program of China (2016YFA0600302); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA190090300); Major Program for Big Data Development of the National Development and Reform Commission (2016-999999-65-01-000696-01).
Dataset composition	This dataset covers six parts of data, including Hainan Island mosaic product in GeoTIFF format, thumbnail of Hainan island mosaic product in JPEG format, Hainan Island mosaic segmentation product, Hainan Island mosaic segmentation product index map, images list in XLS format. In addition, a sample data is provided to show the orthorectification, image fusion, and image mosaic data.

引 言

海南島是21世紀海上絲綢之路戰略的重要支點，也是我國面積最大的經濟特區，具有特殊的區位優勢和戰略地位^[1]。新時期海南自由貿易試驗區的建設過程中，及時掌握資源環境動態信息對於海南島資源環境和社會經濟可持續發展具有重要意義。

衛星遙感技術對於開展大尺度資源環境調查具有獨特優勢，這類調查必須依靠高質量的衛星遙感基礎數據^[2]。何國金等人首次提出了即得即用（Ready To Use，RTU）衛星遙感產品理念^[3][4]，該理念是將衛星遙感數據加工成用戶能夠直接使用的級別，免去用戶在使用過程中繁瑣的預處理過程，目前已經發布了基於Landsat系列數據研製的中國區域RTU系列產品，包括正射校正產品、地表反射率產品、地表溫度產品、鑲嵌產品和標準分幅產品。隨着國產衛星的發射，江威等人進一步利用國產高分衛星研製了全國16 m分辨率的衛星遙感RTU產品，進一步豐富了原有RTU數據類型^[5]。儘管這些產品包含了海南島範圍，但數據的空間分辨率較粗，需要研製覆蓋海南島更高分辨率的衛星遙感深加工產品，以期滿足海南島資源環境精細調查的需求。

本數據集選用2015–2016年的國產高分一號2 m分辨率衛星遙感數據，是較早針對海南島研製的高分衛星遙感深加工產品。本數據集特點是雲量少、定位精度高和色彩均衡，能夠直接下載使用。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據源

高分一號衛星於2013年4月發射，目前在軌5年多，2018年3年又成功發射了高分一號系統星的02、03、04星，目前已經組網形成星座。高分一號搭載了2台2 m分辨率全色8 m分辨率多光譜相機，4台16 m分辨率多光譜相機，其中2 m分辨率衛星參數如表1^[5]。

表1 GF-1衛星2 m分辨率傳感器主要載荷技術指標

譜段號	譜段範圍（μm）	空間分辨率（m）	幅寬（km）	重訪時間（天）
1	0.45–0.90	2	60	4
2	0.45–0.52	8
3	0.52–0.59	8
4	0.63–0.69	8
5	0.77–0.89	8

本數據採用的高分一號2 m分辨率衛星數據來源於海南省高分數據與應用中心，下載的數據產品為1A級，尚未進行正射校正，數據文件中包含了縮略圖、有理函數係數（Rational Polynomial Coefficients，RPC）文件、原始數據以及影像元數據等文件，全色影像和多光譜影像分為2個TIFF格式存儲^[6]。選擇2015–2016年高質量的高分一號2 m分辨率衛星數據，影像的雲量在10%以下，優選夏季影像，下載後檢查影像，確保沒有缺失、條帶和異常像元等情況。根據以上要求，共選取覆蓋海島67景高分一號2 m分辨率衛星影像。

除了影像數據外，還收集了海南島30 m 數字高程模型（DEM）數據和Landsat 8 全色15 m分辨率參考影像，如圖1所示，DEM高程數據來源於地理空間數據云^[7]，Landsat 8影像來源於中國遙感衛星地面站^[8]。

圖片(a)

圖片 (b)

圖1 輔助數據(a) DEM數據； (b) Landsat 8 全色數據

1.2 數據處理

針對多源衛星遙感數據，需要對衛星遙感數據開展數據預處理，主要包含影像配准、平差、幾何校正、影像融合和影像鑲嵌，流程如圖2。以下主要對影像配准、控制點採集、平差、正射校正、影像融合和勻色鑲嵌等關鍵步驟進行說明。

圖片

圖2 高分一號影像數據處理流程

1.2.1 影像配准

在影像成像過程中，多種誤差會造成全色和多光譜位置存在錯位現象，需要首先對影像進行配准，以高分辨率全色影像為參考，將多光譜數據進行配准，配准後影像偏差要求不超過1個像元。

1.2.2 控制點採集

利用高分一號影像自帶的RPC係數校正影像，影像定位精度較低，需要藉助參考影像採集高精度控制點，優化影像自帶的RPC係數，從而實現高精度正射校正^[9]。傳統的地面控制點都是人工選擇，主要是道路交叉點等不易變動的位置，本次控制點選取採用頻域相位相關匹配法，該方法匹配精度高，而且速度較快，能夠識別特徵不明顯的控制點^[5]。地面控制點（GCP）採集搜索範圍為100像素×100像素，每景影像控制點數閾值設置為100，通過網格控制，使控制點在空間上分布均勻，在特定缺少GCP區域，進行手動增加。

1.2.3 平差

高分一號影像之間重疊較大，需要對影像採集連接點進行平差，以保證影像具有較高的接邊精度^[5]。通過對影像進行連接點採集，進一步優化每景影像的RPC係數，連接點採集的算法也為頻率域相位相關，連接點搜索半徑設置為50像素×50像素。

1.2.4 正射校正

衛星在採集過程受諸多成像因素影像，影像會發生一定的幾何畸變，正射校正的目的是消除這種畸變，使得採集的影像能夠準確代表地面實際位置。有理函數模型是目前高分影像校正通用的方法，模型將像元坐標表示以相應地面點空間坐標為自變量的有理多項式的比值^[9]，通過引入大量的參數，能夠實現較高的定位精度，該模型表達式如下^[10]：

圖片圖片 （1）

式中（Tn ，Sn ）和（Xn ，Yn ，Zn ）分別為像素坐標（T，S）和地面坐標（X，Y，Z）經平移和縮放後的正則化坐標，進一步地，該方程形式可以展開為：

圖片 （2）

圖片 （3）

圖片 （4）

圖片 （5）

ai , bi , ci , di (i=0,1…19)即為RPC參數，其中b0 和d0 的值為1。

由於高分一號影像自帶的RPC係數精度不夠高，通過前面步驟採集的控制點和連接點可對RPC係數進行優化，並利用DEM高程數據進一步提高複雜地形區域影像定位精度。針對單景影像，首先利用有優化的理函數模型對全色影像進行校正，然後將多光譜影像與已經糾正好的全色影像進行配准，這樣能夠同時保證全色和多光譜影像定位精度。

1.2.5 影像融合

高分辨率遙感數據的全色圖像具有較高的空間分辨率，而多光譜圖像具有豐富的光譜特徵，對全色和多光譜影像進行融合可獲取高空間分辨率的多光譜影像。目前遙感商業軟件提供了多種影像融合方法，如Brovey、Gram-Schmidt、HSV、PCA和Pansharp。江威等人從目視效果和定量指數的角度評價了這5種方法用於高分二號影像融合的效果，結果表明Pansharp 法在圖像信息、細節以及光譜都具有較好的保持效果^[11]。本次產品是採用Pansharp方法進行影像融合。

1.2.6 勻色鑲嵌

由於影像成像條件不一致，融合後的影像會有較大的色差，需要對影像進行勻色，使其整體上色調能夠保持一致。本次勻色鑲嵌採用的是捆綁勻色方法，該方法首先在每個影像及其重疊影像間使用「束捆綁」來計算每個影像的均值和西格瑪全局調整，通過該調整使影像之間的色調更加均衡；其次，系統會自動採集一系列特徵點，在影像對之間進行小範圍的局部調整。該方法的優勢是不考慮影像疊加次序，對影像是全局到局部精細化調整。另外，由於部分影像存在少許雲量覆蓋，可以通過人工編輯鑲嵌線編輯，用無雲影像替代有雲影像，最後生成雲量較少的影像產品^[5]。

2 數據樣本描述

本數據集為海南島高分一號深加工產品，為全島鑲嵌影像產品，能夠直觀展示海南全島資源環境空間分布。影像空間分辨率為2 m，GeoTIFF格式，格式為阿爾伯斯圓錐等面積投影，坐標係為WGS1984，海南全島鑲嵌圖如圖3所示。

圖片

圖3 海南島高分一號影像鑲嵌圖

3 數據質量控制和評估

3.1 正射校正精度

影像採集的控制點和連接點精度如表2。全區域共採集控制點4079個，平均每景控制點61個，控制點的均方根誤差（RMS）為1.35個像元，每影像影像採集的控制點個數及其均方根誤差如圖4。此外，全區共採集了連接點數量為27685個（圖5），連接點水平均方根誤差為0.18個像元，分別選取上下和左右鄰接影像展示接邊精度（圖6），發現影像的接邊精度很高，道路和河流線狀地物接邊精度較高。

表2 影像採集的控制點和連接點精度

點類型	每景點平均數量	RMS/像素	RMS X/像素	RMS Y/像素
控制點	61	1.35	0.88	0.84
連接點	413	0.18	0.63	0.16

圖片(a)

圖片(b)

圖4 單景影像控制點數量和控制點均方根誤差(a) 控制點數量 ；(b) 控制點均方根誤差

圖片

圖5 影像連接點分布圖

圖片(a)

圖片(b)

圖6 影像接邊圖(a) 左右鄰接影像； (b) 上下鄰接影像

3.2 影像融合質量

影像融合後會得到分辨率較高的多光譜影像，圖7顯示了融合前後的影像效果，從圖中可以看出，融合後的影像相比融合前的多光譜影像，對於地物細節信息有較大的提升，同時對於地物的色彩也保持得較好，說明本文採用的融合方法能夠取得較高的影像融合質量。

圖片(a)

圖片(b)

圖片(c)

圖7 影像融合前後效果對比(a) 正射後多光譜影像；(b) 正射後全色影像；(c) 融合影像

3.3 影像的勻色效果

影像的勻色鑲嵌效果是對於不同色度的影像進行顏色調整，從而在全區範圍優化，使得鑲嵌後的影像在接邊處顏色過度自然。圖8顯示了鑲嵌前後影像的效果，可以看出鑲嵌後的影像在影像接邊過度上有較好的處理效果，影像的色調基本均勻。

圖片(a)

圖片 (b)

圖8 影像勻色鑲嵌前後效果對比(a) 鑲嵌前影像； (b) 鑲嵌後影像

4 數據價值

高質量的遙感衛星數據產品對於海南島資源環境動態信息監測極為重要。本研究收集了國產高分一號2 m分辨率衛星遙感數據，採用衛星遙感數據深加工流程技術，研製覆蓋海南全島的衛星遙感深加工產品。本產品雲量少，定位精度高且色彩均衡，使用者可直接進行遙感應用。本數據集包含全島鑲嵌影像、鑲嵌產品縮略圖、鑲嵌影像分幅產品和鑲嵌分幅產品索引圖等，可方便不同用戶下載使用。

海南省既是國家生態文明試驗區，也將建設成為自由貿易試驗區。本數據集可作為海南島基礎數據，將在島內重大工程選址、城市發展規劃、農田保護和海岸帶監測等領域發揮重要作用。

5 數據使用方法和建議

海南島高分一號2m分辨率衛星遙感深加工數據集保存為GeoTIFF格式，包含4個波段，能夠在ENVI、PCI、ArcGIS和QGIS等遙感和GIS主流軟件中讀取和操作。為便於下載使用，對鑲嵌影像進行分塊處理，並提供了影像的分塊邊界（圖9），可以快速查詢獲取局部數據。與此同時，在樣例數據中提供了海南省全島60 m分辨率鑲嵌產品，便於快速查看全島數據。所採用的單景高分一號數據列表命名為海南島高分一號深加工數據列表，格式為XLS。使用過程中，建議採用影像3（R）4（G）1（B）波段組合，能夠直觀反映植被和城市等信息。

圖片

圖9 海南島鑲嵌影像分塊示意圖

致 謝

感謝高分辨率對地觀測系統海南數據與應用中心提供高分影像數據。

參考文獻

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數據引用格式

江威, 何國金, 程博, 等. 海南島高分一號衛星遙感深加工數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2019-02-18). DOI: 10.11922/sciencedb.679.