HJ1A与Landsat8卫星多光谱数据的交互对比_赵子辉.pdf

8HJ1A 与 Landsat8 卫星多光谱数据的交互对比赵子辉1，2张改英3刘肖兵4（1.河北师范大学，河北 石家庄 050000；2.北华航天工业学院 遥感信息工程学院，河北 廊坊065000；3.北京天恒昕业科技发展有限公司，北京 100000；4.信息工程大学，河南 郑州 450001）摘要：为定量分析H J 与L a n d s a t 8 卫星多光谱数据之间的可比性，基于河北和新疆H J 1 A 与L a n d s a t 8-O L I 同步影像，对两种传感器之间的表观反射率一致性进行交互对比。结果显示，H J 1 A-C C D 与L a n d s a t 8-O L I 数据之间有一定的可比性，发现在蓝、绿波段H J 1 A 信号强度小于L a n d s a t 8，而红、近红外波段H J 1 A 信号强度强于L a n d s a t 8。通过本文模型方程可以实现H J 1 A 向L a n d s a t 8-O L I 的较好转换，各波段的精度表现依次为：绿波段 蓝波段 红波段 近红外波段。本文转换模型提高了H J 1 A 的数据质量，也提升了数据的应用价值。关键词：多光谱数据，H J 1 A，L a n d s a t 8，表观反射率，交互对比中图分类号：P 2 3 7 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3-7 9 3 8（2 0 2 3）0 1-0 0 0 8-0 30 引 言Landsat系列卫星数据自1972 年首次发射至今，一直在对地观测的应用中扮演着重要的角色，在国内外拥有最庞大的用户群体。随着美国对中国科技竞争手段的不断升级，Landsat8 在中国禁用的风险日益提升，因此合适的替代国产遥感影像已成为我们现阶段一个重要的研究问题。国内外学者已经对多源遥感数据之间的交互对比进行了相关研究，国产卫星数据与Landsat数据之间的对比研究也已经开展，但由于Landsat8 数据的特性，以往研究的国产卫星数据在观测尺幅上难与其匹配，难以达到Landsat8 的观测效果。环境一号卫星是中国于2008 年发射的环境与灾害监测预报的小卫星星座，HJ-1A搭载的两台CCD的相机设计相同，设有红、蓝、绿、近红外四个波段，地面分辨率30m，幅宽360km，每96h对全球覆盖一次，波段设置与Landsat8 重合且空间分辨率相同，幅宽大于Landsat8 的185km，重访周期短于Landsat8 的16d。针对当前HJ数据与Landsat系列数据之间的对比尚少。本文将HJ1A-CCD多光谱数据与Landsat8 进行交互对比，研究二者表观反射率之间的差异，并推导出转换模型。1 研究数据特征HJ1A-CCD数据与Landsat8 有相似之处，但在波段设置、波长范围和覆盖面积等方面均存在差异。2 研究方法2.1 数据源和研究区本文研究区为中国河北省北部、内蒙古部分地区和新疆青海毗邻地区。由于研究区常年云雨天气较少、湿度小、受大气影响小，因此表面光学均匀性好、反射比变化小1，2。通过同步卫星影像的交互比较，不仅可以保证数据质量，还可以保障数据精度可靠性。由于河北省地区具有丰富的地表覆盖类型且分布均匀，可以很好地增加模型的鲁棒性，因此本文以河北省区域数据进行建模，新疆区域数据验证。2.2 辐射定标辐射定标是将不同图像灰度值（DN值）转换为表观反射率，本文选取的影像数据时间间隔小，基本可以忽略大气影响。本文采用日照差异校正模型（Illumination Correction Model，ICM）进行表观反射率计算，模型先将灰度值转成传感器处的辐射值，公式见式（1）、（2）3-4：收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 4第一作者简介：赵子辉（1 9 8 9-），女，硕士，讲师，河北邢台人。主要研究方向为遥感与时空数据分析。第 33 卷第 1 期2023 年 02 月北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace EngineeringVol.33 No.1Feb.20239 （1）（2）式中，代表的是传感器处的辐亮度；为传感器处的表观反射率；Gain代表的是传感器定标的增益值；Offset代表的是传感器定标的偏移值。D代表的是日-地天文单位距离；ESUN 是大气层顶部太阳辐射的平均值；s是影像成像对应的太阳天顶角。计算参数可以从影像头文件中获得。2.3 采样区的选择虽然HJ1A和Landsat8 空间分辨率相同，但在实际操作中两种数据之间几何误差较大。首先采用多项式方法对图像几何校正，精度要求为误差小于0.5 像元；其次随机选取试验区180 个ROI样区进行建模，包含低、中、高不同亮度的样区及部分水体阴影并进行样本面积的光谱平均值比较。样本区域选取需要面积适当、地形地势平缓、波长覆盖范围广，样本区像元数在几个到上百个之间。3 结果与分析通 过180 个 样 区 建 立 模 型，进 行HJ1A和Landsat8 传感器的交叉对比。本文利用R2和RMSE来衡量不同传感器之间的偏差程度5，两种数据的模型和结果对比分别见图1 和表1。图 1 H J 1 A和 L a n d s a t 8表观反射率模型表 1 H J 1 A和 L a n d s a t 8数据对比波段表观反射率均值RMSEHJ1ALandsat 8蓝光0.09060.12480.0035绿光0.09130.12670.0054红光0.23680.15700.0079近红外0.31480.23000.0114分析结果四个波段的模型R2均大于0.95，表明各波段之间具有很强的相关性，相关性强度b2b1b3b4。对比RMSE发现可见光波段均小于0.01，近红外波段较高，说明两种传感器在近红外波段不确定性最大，近红外模型R2最大也验证了此结论。HJ1A蓝、绿波段信号强度较小，回归线处于1：1 线的上方，而红光和近红外波段信号强度较大，回归线处于1：1 线的下方。图 2 H J 1 A和 L a n d s a t 8光谱响应函数从图2 可以看出，HJ1A和Landsat的光谱响应函数曲线和光谱范围不同，特别是近红外波段。很明显，Landsat8 的近红外波段明显比HJ1A窄，可以有效消除红光波段和大气中水汽的影响6，降低了HJ1A和Landsat8 在近红外波段的一致性。图 3 H J 1 A和 L a n d s a t 8模型验证结果 对HJ1A和Landsat8 转换模型进行检验，如图4 所示，发现检验结果的精度与建模的精度具有一致性，各波段的精度表现为：b2b1b3b4。模型精度R2均超过0.82，最高可达0.917，证明了模型具有较高的精度和可靠性。4 结 语本文通过对HJ1A和Landsat8 的交互对比，研赵子辉等：HJ1A与Landsat8卫星多光谱数据的交互对比第 1 期2023 年 02 月10究了两种传感器之间表观反射率的一致性。结论有：（1）HJ1A和Landsat8 之间在可见光和近红外之间存在一定的偏差。信号转换精度从高到低为：绿波段蓝波段红波段近红外波段。其中在蓝、绿波段HJ1A信号强度小于Landsat8，红、近红外波段HJ1A信号强度强于Landsat8。建议国产传感器在蓝、绿波段提高信号强度，近红外波段收窄光谱范围减少红光和水汽影响从而提高数据质量。（2）通过准同步的数据得到了HJ1A和Landsat8 多光谱数据之间的转换模型，并在不同地区得到了验证。结果表明转换模型精度较高且可以有效缩小HJ1A和Landsat8 多光谱数据之间的差异。参考文献：1 杨红艳，李家国，朱利，等.基于历史数据的 HJ 1B/IRS热红外通道定标与分析J.红外与激光工程，2016，45（3）：55 59.2 傅俏燕，闵祥军，李杏朝，沙崇漠，李小英，马国强，潘志强，郭毅，李启明，刘国栋.敦煌场地C4ERS-02 CCD传感器在轨绝对辐射定标研究J.遥感学报，2006（04）：433-439.3 徐涵秋.基于影像的LandsatTM/ETM+数据正规化技术J.武汉大学学报 信息科学版，2007，32（1）：62 66.4 Teillet P M，Barker J L，Markham B L，et al.Radiometric Cross-Calibration of the Landsat-7 ETM+and Landsat-5 TM Sensors Based on Tandem Data SetsJ.Remote Sensing of Environment，2001，78：29-54.5 薛利红，曹卫星，罗卫红，王绍华.光谱植被指数与水稻叶面积指数相关性的研究J.植物生态学报，2004（01）：47-52.6 徐涵秋，唐菲.新一代 Landsat系列卫星：Landsat8遥感影像新增特征及其生态环境意义J.生态学报，2013，33（11）：3249 3257.Cross comparison of HJ1A and Landsat8 Satellite Multispectral DataZhao Zihui1，2Zhang Gaiying3Liu Xiaobing4（1.Hebei Normal University，Shijiazhuang 050000，China；2.School of Remote Sensing and Information Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China；3.Beijing Tianheng Xinye Technology Development Co.，Ltd.，100000，Beijing；4.Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China）Abstract:Based on the synchronized images of HJ1A and Landsat8-OLI in Hebei and Xinjiang，the consistency of the apparent reflectance between the two sensors was interactively compared in order to quantitatively analyze the comparability between the multispectral data of HJ satellite and Landsat8 satellite.The results show that there is a certain degree of comparability between HJ1A-CCD data and Landsat8-OLI data.It is found that the signal strength of HJ1A in the blue and green bands is less than that of Landsat8，while the signal strength of HJ1A in the red and near-infrared bands is stronger than that of Landsat8.The HJ1A data can be converted into Landsat8-OLI data through the model equations in this study.The accuracy of each band is as follows:green bandblue bandred bandnear infrared band.Through this conversion model，the data quality of HJ1A i