基于重叠区匹配技术的DVB-SMOD IS影像异常数据处理方法

钟洪麟,施润和,刘朝顺,高 炜,3

(1.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200062;2.华东师范大学—中国科学院对地观测与数字地球科学中心环境遥感与数据同化联合实验室,上海 200062;3.美国科罗拉多州立大学,FortCo llinsCO 80523)

基于重叠区匹配技术的DVB-SMOD IS影像异常数据处理方法

钟洪麟1,2,施润和1,2,刘朝顺1,2,高 炜1,2,3

(1.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200062;2.华东师范大学—中国科学院对地观测与数字地球科学中心环境遥感与数据同化联合实验室,上海 200062;3.美国科罗拉多州立大学,FortCo llinsCO 80523)

DVB-S(数字视频广播系统)是一种符合工业化标准的数字卫星广播新技术,中国气象局利用该技术建立起成本低廉、应用广泛的我国卫星遥感数据共享接收平台,可准实时获取美国 EOS、NOAA和我国 FY等系列遥感卫星数据。在使用该接收系统的过程中发现,由于信号干扰等原因,接收到的部分MOD IS条带影像中存在异常数据,影响使用。鉴于DVB-S共享接收系统具有多站接收的特点,且各地面站的接收范围存在较大重叠,有针对性地提出了一种利用多站重叠区内的同名像元,对含有异常点的MOD IS 1B级条带影像进行修正的方法 (包括影像选择、重叠区匹配、异常点替换等),并通过 V isualC++编程实现了自动化。

DVB-S系统;MOD IS;数据异常;重叠区

0 引言

中分辨率成像光谱仪 (MOD IS)是地球观测系统(EOS)计划中重要的传感器之一,具有时效性高、覆盖范围广、光谱信息丰富等特点,能够为对地实时监测和预报提供全面、丰富、及时的信息,并在突发性自然、环境灾害中有广泛的应用[1-3]。

作为我国对地观测系统MOD IS共享平台的重要组成部分,DVB-S(数字视频广播系统)能够为我国研究人员提供准实时的MOD IS数据,促进了我国相关领域的科学研究。但由于信号干扰等原因,用户通过 DVB-S系统接收到的数据中,个别影像存在较多的异常数据,主要为影像 DN值及地理定位数据的异常。

以往对于遥感影像中异常值的修正,主要利用空间或时间上相邻像元的自相关性,采用一定的时间或空间插值方法对影像中的异常数据进行填补[4,5]。但对于MOD IS遥感影像而言,单个像元覆盖的地表面积较大,易受云等多变大气要素影响,降低了其时空自相关性。而且上述方法获得的数据均为经插值运算后的计算值,与真实值会存在一定差异,难以对集中分布的大量异常点或条带进行高精度修正[5]。

本文通过对DVB-S系统所有接收站点分布的分析,发现各站点接收范围之间都存在较大的重叠,因此可以通过查找影像间重叠区域内的同名像元,用正常像元数据替代异常数据,从而实现大量异常数据的快速、准确修正。

1 MOD IS共享平台及 DVB-S系统

为了提高我国遥感数据的共享水平,在科技部科学数据共享工程的支持下,国家卫星气象中心利用 DVB-S建立了MOD IS共享平台,通过国家卫星气象中心下属的北京、广州和乌鲁木齐地面站,以及国家海洋局下属的三亚、西藏和海洋局共 6个地面站接收遥感卫星数据,将所有的数据汇总到国家卫星气象中心,生成 1A/1B级数据;最后通过 DVBS系统,采用数字视频的方式将所有的数据统一打包上传至通讯卫星,并向国内用户广播。国内用户只需简单的视频接收设备,即可以低廉的价格使用这些卫星遥感数据。DVB-S系统的建立极大地提高了我国遥感数据的共享水平[6]。

2 算法原理和技术流程

本算法通过影像中重叠区域同名像元的匹配技术来实现数据修正。DVB-S系统部分地面站的位置分布及各自的接收范围如图 1所示。

图 1 DVB-S系统部分地面站接收范围示意图[6]Fig.1 Receiving range of some DVB-S ground stations[6]

从图 1中可以看到,4个地面站点分别为国家气象局位于北京、乌鲁木齐和广州的站点和国家海洋局位于西藏的站点,各自的接收范围之间存在大量重叠区域。加上图中未标出的国家海洋局三亚站和北京站,全部重叠区域可覆盖我国全境,为本文算法的推广应用提供了条件。

本文以待修正的影像为基础,按一定算法找到其他地面站接收到的匹配影像,并提取出影像间的重叠区域。随后对重叠区域中的异常像元用与之匹配的同名像元的正常数据进行修正。技术流程如图2所示。

图 2 技术流程Fig.2 The work flow of the method

3 关键技术

3.1 匹配影像选择与判断

由于 Terra/Aqua卫星重访同纬度区域的时间间隔大约为 1 h 30m in,且MOD IS覆盖范围广,1 d之中会产生多幅覆盖局部区域的影像,要对某一时刻的MOD IS影像进行异常数据的修正,应先找出同一时刻不同地面接收站接收到的匹配影像,即影像间存在完全相同的重叠区域。通过分析发现,在同一轨道中,所有能够接收到 MOD IS数据站点中,接收同一颗卫星数据的起始时间间隔均小于 30m in,因而将成像时间间隔小于 30m in的影像划分为一组进行处理。

考虑到MOD IS 1B影像分辨率有 250m、500m和 1 km三种,因此必须对影像的空间分辨率进行判别,只有空间分辨率相同的 2幅影像之间才有匹配的同名像元。

通过DVB-S系统接收到的MOD IS影像文件都是按照一定的规则命名的,因而可从影像的文件名中提取部分影像信息,如 AQUA_2008_06_04_05_48_GZ.MOD 021KM.hdf,表示该影像数据来自于Aqua卫星,成像时间为 2008年 6月 4日 5时 48分,由广州站接收,是空间分辨率为 1 km的 2级产品。因此,可直接利用文件名进行空间分辨率的判断,计算出 2幅影像成像时间的间隔,从而找出相互匹配的影像。

3.2 重叠区域查找

由于 Aqua卫星白天过境时为升轨,因此在经过我国境内时扫描带的纬度是递增的,可直接利用纬度信息快速查找出同一轨上相邻影像的重叠区域。因MOD IS影像边缘存在“Bow tie效应”(即相邻扫描条带间的影像和纬度数据会存在规律性重叠[7]),而星下点的纬度数据是单调递增的,且重叠区域的纬度数据是相同的,因而可通过直接比对星下点附近列方向上的纬度数据进行重叠区域的快速查找。

经过对大量 DVB-S系统获得的MOD IS影像进行分析后发现,影像中异常条带所对应的纬度数据往往也会存在不同程度异常甚至完全缺失(如本文示例数据中,异常点的数值均为 -999),从而导致基于纬度数据的快速匹配算法失效。此时就要综合利用影像扫描带的 DN值及相应的纬度数据,查找时间上相邻影像的重叠区域。

根据成像时间和卫星的升降轨,可确定重叠区域的起始和终止扫描行的位置。以 Aqua卫星为例(图 3),此时卫星为升轨,图 3(右)成像时间更晚,因而其第一个扫描行是重叠区域的起始位置 (Terra卫星反之)。从图 3(右)重叠区起始行开始,找到第一个数据正常的扫描行 (DN值的正常范围是 0～32 767,纬度数据的正常范围是 -90～90);然后从图 3(左)重叠区的终止位置开始,依次将所有的扫描行的 DN值和纬度数据与图 3(右)的数据正常扫描行进行严格的一致性检验,依次比对扫描行中的所有像元的DN值和纬度值,找出完全相同的扫描行,并通过记录的行、列号最终确定重叠区域的位置。

图 3 Aqua/MOD IS重叠区示意图Fig.3 The over lapped area of Aqua/M OD IS

4 算法实现和应用效果

基于以上算法,本文在 V isual C++6.0环境下实现了相应的模块,可直接读取不同分辨率MOD IS 1B级数据的 HDF文件,并能对其进行海量数据的批处理。以 2008年 6月 4日广州、北京和乌鲁木齐卫星地面站接收到空间分辨率为 1 km的 Aqua/MOD IS数据为例。北京地面站接收的MOD IS数据,数据缺失最为严重;广州站接收的数据在影像底部有 2处异常条带,该数据不仅在影像上下两侧有若干异常条带,在其中部也有大块数据缺失。利用上述 3幅影像中正常的数据进行影像间的相互修正,修正前后的影像如图 4所示。

图 4 修正前 (左)后 (右)影像的对比Fig.4 Comparison between the data before(left)and after(righ t)correction

从图 4可以看出,上述影像之间重叠区域的数据异常均得到了修正,且修正后像元值均为MOD IS在该处的真实探测值。整个计算过程在普通 PC机(奔腾 IV,CPU 3.06 GHz,内存 1G,Windows XP系统)上仅耗时 5 s,执行效率高。

5 结论

(1)DVB-S系统作为我国遥感卫星数据的重要共享平台,已在各领域拥有大量用户。

(2)针对 DVB-S系统接收的MOD IS数据中存在的异常数据问题,结合 DVB-S系统多站接收的特点,提出并实现了基于重叠区匹配和替换思想的异常数据修正算法。该算法通过重叠区域的快速匹配修正异常数据,相对于利用时间或空间插值方法,算法简单,执行效率高,能实现重叠区域的精确匹配,且修正后的像元值均为MOD IS在该处的真实探测值。

(3)由于该算法基于 DVB-S系统接收站点间的重叠区域,对于重叠区无法覆盖的区域 (如我国东北部分区域),该算法无法解决MOD IS影像异常数据修正问题。

[1] Qu J J,Gao W,Kafatos M,et al.地球卫星遥感[M].北京:清华大学出版社,2006:363-365.

[2] Jepsen JU,Hagen SB,Hogda K A,et al.Monitoring the Spatiotemporal Dynamics of Geometrid Moth Outbreaks in Birch Forest Using MOD IS-NDVI Data[J].Remote Sensing of Environment,2009,113(9):1939-1947.

[3] Chand TR K,Badarinath K V S,Murthy MSR,et al.Active Forest Fire Monitoring in Ttaranchal State,India Using Multi-temporal DMSP-OLS and MOD IS Data[J].International Journal of Remote Sensing,2007,28(10):2123-2132.

[4]Fang H L,Liang SL,Townshend JR,et al.Spatially and Temporally Continuous LAI Data Sets Based on an Integrated Filtering Method:Examples from North America[J].Remote Sensing of Environment,2008,112(1):75-93.

[5] 陈 姚,王金亮,李石华.遥感图像中云层遮挡影响消除方法研究述评[J].国土资源遥感,2006(1):61-65.

[6] DVB-S遥感卫星利用站系统[EB/OL].[2010-05-31]http://www.shinetek.com.cn/p roduct/dvbs.aspx.

[7] 刘良明,文雄飞,余 凡,等.MOD IS数据 Bow tie效应快速消除算法研究[J].国土资源遥感,2007(2):10-15.

(责任编辑:刘心季)

The Modification of the Abnormal Remote Sen sing Data from the DVB-S System Based on MOD IS

ZHONG Hong-lin1,2,SHI Run-he1,2,LIU Chao-shun1,2,GAO Wei1,2,3
(1.Key Laboratory of Geographic Information Science,Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai200062,China;2.Joint Laboratory for Environmental Remote Sensing and Data Assimilation,ECNU&CEODE,CAS,Shanghai200062,China;3.Colorado State University,Fort Collins CO 80523,USA)

The DVB-S is a new digital satellite broadcasting technology which meets the industrial standard.Based on this technology,China Meteorological Administration built up a low-cost,wildly-applied satellite remote sensing data sharing platform.The users can acquire the near-real-time satellite remote sensing data from US EOS,NOAA and Chinese FY satellite series.Due to the signal disturbance and other reasons,some

data have lots of abnormal data,which influence their utilization.Considering the multiple receiving stations in the DVB-S system,there would be lots of overlapped areas in their receiving range.A method for modifying the abnormal data in the MOD IS 1B swath image by using the correspondent pixels in the overlapped area is introduced in this paper.Its key step s include image selection,overlapped are a matching,abnormal data replacement etc.,and the automatic data processing code is realized by using Visual C++.

DVB-S system;MOD IS;Abnormal data;Overlapped area

施润和 (1979-),男,博士,主要从事遥感信息模型研究。联系电话:021-62232120,E-m ail:rhshi@geo.ecnu.edu.cn。

TP 751.1

A

1001-070X(2011)01-0073-04

2010-04-07;

2010-06-02

国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号:2010CB951603)、上海市科技支撑计划世博科技专项 (编号:10DZ0581600)和中央高校基本科研业务费专项共同资助。

钟洪麟 (1984-),男,硕士,主要从事“3S”集成方面的研究。