资源一号02C卫星海岸带影像二级产品质量评价*

王霄鹏, 张 杰, 马 毅*, 任广波

(1. 国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.青岛大学，山东 青岛 266071)



资源一号02C卫星海岸带影像二级产品质量评价*

王霄鹏1,2, 张 杰1, 马 毅1*, 任广波1

(1. 国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

为分析资源一号02C卫星在海岸带地区的应用潜力，对其遥感数据成像质量进行评价。采用主观评价和客观评价相结合的评价方法，对资源一号02C卫星P/MS影像二级产品进行质量评价，并与应用广泛且波段设置、空间分辨率相近的SPOT-5影像数据进行对比，分析其在海岸带遥感应用方面的潜力。结果表明：采用目视解译的主观评价显示，资源一号02C全色、多光谱以及融合影像在海岸带典型地物表现能力方面接近SPOT-5影像，而SPOT-5影像颜色过渡更自然，影像纹理和细节信息更丰富。采用统计分析量的客观评价显示，资源一号02C与SPOT-5影像的各统计参数互有高低。就全色影像而言，资源一号02C的信息量较高，而SOPT-5的亮度、灰度离散程度和空间分辨率较高；就多光谱影像而言，SPOT-5的灰度离散程度较高，其他指标无明显规律，不易比较；就融合影像而言，SOPT-5的空间分辨率较高，而资源一号02C的信息量、灰度离散程度和波段间独立性较高。因此，资源一号02C影像数据在一定程度上可以替代SPOT-5影像，在海岸带遥感研究与应用领域具有相当潜力。

资源一号02C；SPOT-5；海岸带；遥感影像；质量评价

资源一号02C卫星(简称ZY-1 02C)发射于2011-12，该卫星可获取高分辨率的全色和多光谱影像数据，是我国新近发射的一颗填补国内高分辨率遥感数据空白的卫星。该卫星的发射，有助于提高我国高空间分辨率遥感数据的自给率，打破国外该类型遥感数据的垄断地位，降低遥感应用领域日常业务中的数据成本。该卫星数据可广泛应用于生态环境保护、防灾减灾、农林水利、国土资源监测调查以及国家重大工程管理监管等各个方面，在海岸带遥感研究与应用领域具有巨大的应用推广潜力。

卫星遥感影像质量评价指标可分为主观评价和客观评价两种。主观评价是以人为观察者，通过目视判断来评价影像的表现能力[1]，该方法易于理解、直观高效，但受到观察者的经验水平等因素影响具有一定的片面性、主观性和不确定性；客观评价是通过计算影像各波段灰度统计参数(如均值、方差、信息熵等)和波段间的相关系数(如协方差和相关系数)来反映图像特征[2-4]，该方法具有客观性、确定性的优势，但不直观，难于理解。主观评价与客观评价相结合的方法是现阶段研究者常用的影像评价方法[5-6]。

由于ZY-1 02C数据较新，目前针对该数据的研究工作还比较少。马利刚等采用ZY-1 02C数据进行土地利用分类，并对该数据的分类能力进行了分析评价[7]。刘刚等利用ZY-1 02C数据开展了土地利用变化信息提取方法研究，并对不同方法的提取结果进行了比较评价[8]。周亦等使用ZY-1 02C数据对几种土地利用变化信息自动发现方法进行实验，并对这些方法的实验结果进行了评价[9]。王建步等开展了ZY-1 02C数据二级产品影像定位精度评价工作[10]。文雄飞等采用定量分析的方法对ZY-1 02C数据的影像质量进行了客观评价，并与ETM+数据进行对比，分析该数据在水利行业中的应用潜力[11]。综上所述，以上研究多采用基于定量分析的客观评价方法对ZY-1 02C数据进行分析，目前采用主观评价和客观评价相结合的方法对ZY-1 02C数据进行质量评价，并采用同数量级空间分辨率的影像数据进行比较分析的研究工作还比较少。

本文采用主观评价和客观评价相结合的评价方法对资源一号02C卫星影像二级产品的全色影像、多光谱影像以及融合影像分别进行影像质量评价，并基于相同区域范围、相同季节的SPOT-5数据进行比较分析，评价过程中，对两种影像的全色数据、多光谱数据和融合数据分别进行比较，最后分析其在海岸带遥感研究方面的应用潜力。

1 影像数据

ZY-1 02C搭载一台全色/多光谱传感器(P/MS)和两台高分辨率全色传感器(HRC)*中国资源卫星应用中心.资源一号02C卫星用户指南.北京，2012.，P/MS传感器空间分辨率分别为5和10 m，幅宽为60 km，多光谱波段为绿、红、近红外三个波段，具体参数见表1；HRC传感器空间分辨率为2.36 m，两台拼接的幅宽为54 km。

SPOT-5卫星是2002年法国发射的高分辨率遥感成像卫星，星上载有一台高分辨率立体成像装置(HRS)、两台高分辨率几何成像装置(HRG)和一台宽视域植被探测仪(VGT)[12]。其全色影像空间分辨率为2.5和5 m，多光谱影像空间分辨率为10 m，波段包括绿、红、近红外、短波红外四个波段，幅宽为60 km。SPOT-5卫星影像的利用技术相对成熟，其影像质量得到了遥感应用领域及相关行业广泛认可。

由表1所示，两颗卫星所获取的影像空间分辨率相当，波段范围基本重合，因此，利用SPOT-5卫星影像对ZY-1 02C卫星影像进行比较评价，可以有效、客观地反映后者的成像质量和数据特点。

表1 ZY-1 02C P/MS传感器与SPOT-5传感器参数比较Table 1 Specifications of ZY-1 02C P/MS and SPOT-5

本研究所选取的两景影像成像范围为黄河三角洲北侧沿海区域，该区域既具备湿地又具备海岸带的特征，区域内包括农田、林地、道路、草地、工业用地、城镇建筑、水库、海域及海岸线等典型地物类型，具有较好的代表性。选取的ZY-1 02C影像成像时间为2013-05-27，传感器为P/MS传感器，全色影像分辨率为5 m，多光谱影像分辨率为10 m；选取的SPOT-5影像的成像时间为2010-05-10，全色影像空间分辨率为2.5 m，多光谱影像分辨率为10 m。两景影像季节相同，且没有云雾遮挡，成像清晰，层次丰富，已经过几何校正。如图1所示，矩形框范围内为两景影像的公共区域。

图1 ZY-1 02C影像与SPOT-5影像整景对比图

2 实验区域及影像融合

选取山东省东营市河口区仙河镇附近的城乡结合区域作为客观分析的实验区域，计算各波段灰度值的典型统计参数作为客观评价的依据。该区域地物类型丰富，包含楼房、道路、植被、水体等多种地物；由于时间接近，两景影像中的地物类型几乎没有变化，具有较好的代表性。

两种卫星数据在实验区域的全色影像、多光谱影像及融合影像如图2所示，其中融合影像采用主成分分析法(Principal Component Analysis，简称PCA)生成，PCA影像融合算法的处理过程为：

1) 对低空间分辨率的多光谱影像进行PCA变换；

2) 采用高空间分辨率的全色影像替换PCA变换的第一分量影像；

3) 对替换后的分量影像进行PCA逆变换，生成具有高空间分辨率的多波段融合影像。

3 影像质量评价

本文采用主观评价与客观评价相结合的方式，综合运用目视判别和统计指标定量分析两种方法，对两种影像的成像质量进行比较评价。主观评价主要通过目视判别方法，由多名经验丰富的专业人员根据经验知识对影像质量进行评价，并将评价结果进行汇总分析；客观评价主要应用7种典型的数理统计参量，对影像质量进行定量分析评价，其中多光谱影像针对两种影像数据的3个共有波段(绿、红和近红外)进行比较。

3.1 主观评价

3.1.1 全色影像

对比ZY-1 02C全色影像(空间分辨率5 m)与SPOT-5全色影像(空间分辨率2.5 m)如图2所示。可以发现，从整体看，SPOT-5全色影像的亮度更高，道路、堤坝等大型地物的边界更清晰，而ZY-1 02C全色影像对比度更高，影像中的陆地与水体的反差更大，影像层次更分明；从细节看，SPOT-5全色影像所反映的细节信息更加丰富，其空间分辨率更高，因此影像中地物的纹理、边界更加清晰。

图2 实验区域ZY-1 02C影像与SPOT-5影像对比图

3.1.2 多光谱影像

对比ZY-1 02C多光谱影像(空间分辨率10 m)与SPOT-5多光谱影像(空间分辨率10 m)可以发现，从整体看，SPOT-5多光谱影像颜色更柔和，过渡更自然，而ZY-1 02C多光谱影像的亮度更高，颜色更鲜艳；从细节看，SPOT-5多光谱影像的颜色更丰富，影像中部分地物(如植被)的颜色梯度更大，纹理更明显，而ZY-1 02C多光谱影像对比度更高，影像中地物边界更加清晰，地物的轮廓更容易识别。

3.1.3 融合影像

对比ZY-1 02C融合影像与SPOT-5融合影像可以发现，从整体看，SPOT-5融合影像颜色更柔和，过渡更自然，道路及大型地物的边界更清晰，而ZY-1 02C融合影像亮度更高，颜色更鲜艳；从细节看，SPOT-5融合影像由于具有更高的空间分辨率，因此影像所反映的细节信息更加丰富，且影像中地物的颜色梯度更大，地物内部的纹理更清晰。

进一步对两景融合影像的细节信息进行对比分析，选取研究区域内的典型海岸带地物类型，包括芦苇、滩涂、浅海水域、盐田、养殖池塘、堤坝、道路、建筑用地和工业用地，如表2所示。

基于表2中的地物细节信息对比，可以发现，ZY-1 02C影像在海岸带各种典型地物的细节表现方面其能力接近于SPOT-5影像：ZY-1 02C影像在亮度、对比度等方面表现更好，影像颜色更加鲜艳，地物之间的对比更强烈，边界更明显；SPOT-5影像空间分辨率、颜色过渡和地物纹理等方面表现更好，影像更加细腻，细节信息更丰富。

表2 ZY-1 02C融合影像与SPOT-5融合影像地物对比表Table 2 Comparison of objects in ZY-1 02C and SPOT-5 fusion images

3.2 客观评价

采用的具体客观评价指标包括最小灰度值、最大灰度值、灰度均值、标准差、信息熵、协方差和相关系数七种统计参数[13]，通过ENVI 5.0的图像统计功能[14]计算得出。

计算图2中6景影像的7种统计参数，作为ZY-1 02C与SPOT-5卫星遥感影像的客观评价指标，分别对全色影像、多光谱影像和融合影像进行两两对比，如表3和表4所示。

根据表3和表4中的统计指标，客观评价如下：

1)就灰度均值而言，在全色影像、多光谱影像的红光波段和融合影像的红光波段中，SPOT-5影像的灰度均值高于ZY-1 02C影像，这表明SPOT-5影像的全色波段以及红光波段亮度较高；在多光谱影像和融合影像的近红外波段和绿光波段中，ZY-1 02C影像的灰度均值高于SPOT-5影像，这表明ZY-1 02C影像的近红外和绿光波段亮度较高。

2)就标准差而言，在全色影像和多光谱影像的各波段中，均表现为SPOT-5影像的标准差略高于ZY-1 02C影像，这表明SPOT-5全色和多光谱影像的灰度级分布更分散，地物间的反差大，可分性高；在融合影像的各波段中，表现为ZY-1 02C影像的标准差高于SPOT-5影像，这表明ZY-1 02C融合影像的灰度级分布更分散，影像的反差大，地物间的可分性高。

3)就信息熵而言，在全色影像、多光谱影像的大部分波段(近红外波段除外)以及和融合影像的所有波段中，均表现为ZY-1 02C影像的信息熵略高于SPOT-5影像，这表明ZY-1 02C影像承载的信息量略大于SPOT-5，但二者比较接近。

4)就协方差而言，在多光谱影像的各波段中，均表现为SPOT-5影像的协方差高于ZY-1 02C影像，这表明SPOT-5多光谱影像中各波段间的独立性更高；在融合影像的各波段中，均表现为ZY-1 02C影像的协方差高于SPOT-5影像，这表明ZY-1 02C融合影像中各波段间的独立性更高。

5)就相关系数而言，在多光谱影像的各波段中，指标数值各有高低，无明显规律；在融合影像的各波段中，表现为SPOT-5影像的波段相关系数高于ZY-1 02C影像，这表明ZY-1 02C融合影像的波段间独立性更高。

表3 ZY-1 02C与SPOT-5遥感影像信息评价对比表Table 3 Comparison of image information between ZY-1 02C and SPOT-5

表4 ZY-1 02C与SPOT-5遥感影像协方差与相关系数对比表Table 4 Covariance and correlation coefficient comparison between ZY-1 02C and SPOT-5 images

4 结 论

采用主观分析和客观分析相结合的方法，以在海岸带遥感领域应用较为广泛的SPOT-5影像为参照，对ZY-1 02C二级产品P/MS影像的全色数据、多光谱影像数据及融合数据的数据特点和成像质量进行比较评价。具体结论如下：

1)ZY-1 02C卫星作为我国自主研发的光学遥感卫星，其所获取的遥感影像具有较高的成像质量，在一定程度上可以替代SPOT-5影像；

2)主观评价显示，ZY-1 02C二级产品P/MS影像数据在海岸带区域典型地物类型的表现能力方面基本相近于SPOT-5影像，在空间分辨率和地物细节信息方面略逊于SPOT-5影像；

3)客观评价显示，ZY-1 02C二级产品P/MS影像的7种统计参数与SPOT-5影像均比较接近且各有高低，其中就全色影像而言，ZY-1 02C影像的信息量更高，而SOPT-5影像的亮度、灰度离散程度和空间分辨率更高；就多光谱影像而言，SPOT-5影像的灰度离散程度更高，其它指标无明显规律，不易比较；就融合影像而言，SOPT-5影像的空间分辨率更高，而ZY-1 02C影像的信息量、灰度离散程度和波段间独立性更高。

由于本文用于比较的ZY-1 02C影像与SPOT-5影像同月不同年，时相上并不完全同步，且采用的ZY-1 02C全色影像来自于P/MS传感器，其空间分辨率为5 m，低于SPOT-5全色影像的2.5 m空间分辨率，因此可能对地物比较的精度产生一定影响。此外，本文在进行影像融合工作时仅尝试了主成分分析方法，对于其他融合方法的融合效果还有待于进一步研究。

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Received: March 16th, 2015

Image Quality Evaluation for ZY-1 02C Satellite in Coastal Zone Area

WANG Xiao-peng1,2, ZHANG Jie1, MA Yi1, REN Guang-bo1

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.QingdaoUniversity, Qingdao 266071, China)

The ZY-1 02C satellite is a wide-breadth remote sensing satellite with high spatial resolution developed in China. To analyze the application potential of the satellite in coastal zone area, the imaging quality evaluating research on the remote sensing data is necessary. The combined method of subjective evaluation and objective evaluation is used in this research, to evaluate the imagery captured by ZY-1 02C P/MS sensor, and then compared with SPOT-5 imagery data, which is widely used and with similar bands and spatial resolution. The subjective evaluation results of visual interpretation suggests, the performance ability of the multi spectral, panchromatic, and fusion images of ZY-1 02C satellite is close to SPOT-5 image in typical coastal ground object, while the color transition, texture and detail information of the SPOT-5 image are better. The objective evaluation results of statistical analysis suggests, the statistical parameters of ZY-1 02C and SPOT-5 images of the cross level. Therefore, the ZY-1 02C image data can replace the SPOT-5 image to a certain extent, and with considerable potential in the coastal zone remote sensing research and application fields.

ZY-1 02C; SPOT-5; coastal zone; remote sensing image; quality evaluation

2015-03-16

国家自然科学青年基金项目——海岸带遥感影像半监督学习自动化分类方法研究——以黄河三角洲滨海湿地分类为例(41206172)；国家科技支撑计划项目——海礁探测与礁盘测量关键技术(2012BAB16B01-02)

王霄鹏(1981-)，男，山东枣庄人，实验师，博士，主要从事遥感图像处理、数据挖掘方面研究.E-mail：qduwxp@163.com*

马 毅(1973-)，男，内蒙古锡林郭勒盟人，研究员，博士，主要从事海岸带遥感方面研究. E-mail：mayimail@fio.org.cn

(王 燕 编辑)

TP751.1

A

1671-6647(2016)01-0129-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.013