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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (3): 106-112    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.03.15
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高分一号卫星影像谐波模型模拟方法研究
廖戬1,2, 顾行发1, 占玉林1(), 张雅洲1,2, 任芯雨1,2, 师帅一1,2
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100094
2. 中国科学院大学,北京 100049
A method based on harmonic model for generating synthetic GF-1 images
Jian LIAO1,2, Xingfa GU1, Yulin ZHAN1(), Yazhou ZHANG1,2, Xinyu REN1,2, Shuaiyi SHI1,2
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth Chinese Academy of Science, Beijing 100094, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
全文: PDF(6670 KB)   HTML  
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摘要 

随着遥感技术的发展,遥感应用的广度和深度得到了大幅度提升,遥感用户对遥感数据的空间分辨率及时间分辨率的需求也越来越高。遥感影像空间分辨率与时间分辨率之间的矛盾难以调和,再加上云、雾、雪和云阴影等因素的影响,限制了高时空分辨率干净遥感影像的获取,为此尝试研发一种影像模拟方法,以便拓展高空间分辨率遥感影像的时间分辨率。利用无云、雾、雪和云阴影的高分一号(GF-1)卫星时间序列影像为每个波段每个像元构建以日期为参数的谐波模型,进而建立基于谐波模型的影像模拟方法,实现指定日期GF-1卫星影像的模拟。基于谐波模型的影像模拟方法生成的模拟影像与真实影像在视觉上十分接近,在定量评估方面也取得了较好的效果,两者之间各波段大多数像元差值处于-0.03~0.03间,均方根误差保持在0.02~0.05间,表明基于谐波模型的影像模拟方法具有较高的精度与稳定性,可有效提升GF-1卫星影像的时间分辨率,具有一定的实用价值。

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廖戬
顾行发
占玉林
张雅洲
任芯雨
师帅一
关键词 高分一号(GF-1)影像模拟谐波模型模拟    
Abstract

Remote sensing technology has been applied more widely and deeply with its development and, meanwhile, it has been asked for obtaining higher and higher spatial and temporal resolution. However, it is very difficult to overcome the contradiction between spatial resolution and temporal resolution of remote sensing images. Considering the influence of cloud, frog, snow and shadow, obtaining clear image with high spatial and high temporal resolution is impractical. To solve this problem, the authors proposed a method based on harmonic model for generating synthetic GF-1 images, which can take advantage of all available clear history images of GF-1 satellites to simulate the surface reflectance data at any specified date, so that obtaining time serial satellite images at any temporal frequency theoretically and overcoming the limits of methods based on fusion models for synthesizing satellite images become possible. Synthetic GF-1 images generated based on the harmonic model which will firstly establish a model parameterized by Julia date for every pixel of every band using all clear GF-1 time serial images since GF-1 satellite was launched and then the synthetic image at the specified day with the models would be generated. Finally, to illustrate the availability of harmonic model based method, the authors applied visual assessment and quantitative assessment. The synthetic images generated by this method were very visually similar to the real images and provide good result in quantitative assessment. Most difference of pixel values between synthetic image and real image ranged -0.03~0.03, and the root mean square error (RMSE) between synthetic image and real image ranged 0.02~0.05. The method based on harmonic model showed relatively high accuracy and stability, and effectively improved the temporal resolution of GF-1 images and could be applied in real production environment.

Key wordsGF-1 satellite    image synthesizing    harmonic model    synthesize
收稿日期: 2017-01-13      出版日期: 2018-09-10
:  TP751.1  
基金资助:高分重大专项课题“地球表层系统科学研究应用示范系统(一期)”(Y4D00100GF);民用航天预先研究项目“天地一体化卫星应用评价技术”(Y7K00100KJ);国家自然科学基金项目“基于时序植被指数纹理特征的多源数据植被分类研究”(41371416)
通讯作者: 占玉林
作者简介: 廖 戬(1991-),男,硕士研究生,主要研究方向为遥感影像时空综合。Email: liaoj@radi.ac.cn。
引用本文:   
廖戬, 顾行发, 占玉林, 张雅洲, 任芯雨, 师帅一. 高分一号卫星影像谐波模型模拟方法研究[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(3): 106-112.
Jian LIAO, Xingfa GU, Yulin ZHAN, Yazhou ZHANG, Xinyu REN, Shuaiyi SHI. A method based on harmonic model for generating synthetic GF-1 images. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(3): 106-112.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.03.15      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I3/106
Fig.1  简单、高级、完全3种模型拟合
观测数 模型
0 置为背景值
1 置为该观测值
2~11 加权平均
12~17 简单模型
18~23 高级模型
≥24 完全模型
Tab.1  观测数与模型选择
模型 输入影像 目标影像 验证影像
谐波模型 2013年4月26日—2016年4月1日间42景干净影像 20150130
20150518
20150815
20151101
20150130
20150518
20150815
20151101
线性模型 20150106,20150225
20150309,20150525
20150602,20150820
20151008,20151204
Tab.2  实验一的输入与精度验证影像参数设置
小实验编号 输入影像 模型
A 2015年内13景干净影像 简单模型
B 2014—2015年间26景干净影像 完全模型
C 2013—2016年间42景干净影像 简单模型
D 2013—2016年间42景干净影像 高级模型
E 2013—2016年间42景干净影像 完全模型
Tab.3  实验二的输入设置与模型选择
Fig.2  基于谐波模型、线性插值模型生成的模拟影像与真实影像(B4(R),B3(G),B2(B)假彩色合成影像)
Fig.3  2015年1月30日模拟影像与真实影像
Fig.4  模拟影像与真实影像波段1差值影像直方图
波段 模型 最小值 最大值 平均值 标准差 RMSE

波段1
谐波模型 -0.574 1 0.452 4 0.002 4 0.018 4 0.019 0
线性插值模型 -0.507 6 0.604 1 -0.009 3 0.018 7 0.019 4

波段2
谐波模型 -0.531 9 0.317 7 -0.015 1 0.021 3 0.027 5
线性插值模型 -0.703 0 0.575 5 -0.063 9 0.027 2 0.069 5

波段3
谐波模型 -0.491 0 0.401 4 -0.037 3 0.026 4 0.051 0
线性插值模型 -0.747 3 0.492 2 -0.079 4 0.030 6 0.085 1

波段4
谐波模型 -0.374 1 0.547 3 -0.003 0 0.020 5 0.022 9
线性插值模型 -0.589 7 0.578 8 -0.063 6 0.022 4 0.067 4
Tab.4  模拟影像与真实影像之间差值影像统计
波段 A B C D E
波段1 0.021 3 0.087 5 0.033 2 0.048 7 0.019 0
波段2 0.029 5 0.032 2 0.030 1 0.027 6 0.027 5
波段3 0.043 4 0.040 9 0.035 6 0.040 4 0.051 0
波段4 0.028 9 0.034 8 0.060 5 0.031 5 0.022 9
Tab.5  2015年1月30日模拟影像与真实影像之间的RMSE
波段 A B C D E
波段1 0.020 5 0.021 5 0.023 5 0.020 4 0.018 4
波段2 0.028 9 0.031 8 0.028 1 0.027 0 0.021 3
波段3 0.033 2 0.036 1 0.034 0 0.034 4 0.026 4
波段4 0.025 7 0.028 4 0.026 6 0.027 8 0.020 5
Tab.6  2015年1月30日模拟影像与真实影像差值标准差
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