基于天气模型的国产卫星影像获取能力分析

耿 晴，曾 浩

（1.湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉 430071）

随着我国卫星技术的成熟和不断发展，国产卫星的种类和数量日益增多，包括高分系列和资源系列等。多类型国产遥感卫星能及时快速地对地观测，为地表研究提供高精度的地物要素信息。然而，在卫星遥感数据中，云层是一种常见的污染物，使光学遥感影像的可用性受到了不同程度的影响[1]。目前，除合成孔径雷达（SAR）数据能不受天气影响避免云覆盖问题外[2]，其他波谱范围的光学影像在云层遮挡地区均存在部分或全部地物信息的缺失。现阶段，我国对遥感影像的需求已应用到地球资源探测、自然灾害救灾预测、海洋环境污染监测等自然资源监测的方方面面[3]。为提升遥感影像的质量、增强国产卫星遥感数据的地理国情监测能力，针对基于天气模型的国产卫星影像获取能力进行分析很有必要。

1 研究对象基本情况

本文选取的研究对象为国产卫星，原始数据由国家自然资源部国土卫星遥感应用中心通过自然资源卫星影像云服务平台实时推送，湖北省级节点接收并选取。本文选用高分一号（GF-1）、高分二号（GF-2）和资源三号（ZY-3）3种[4-6]国产卫星数据，区域为湖北省境内，其中2012年、2013年只有ZY-3号卫星数据[7]，2014年、2015年数据缺失，2016年、2017年3种卫星数据齐全，2018年只有GF-1号、ZY-3号卫星数据。

2 研究方法

在天气因素对遥感影像质量的影响中，云层遮挡是对遥感图像质量干扰较严重的因素。本文中的天气模型主要是基于云层因素，分析云覆盖对国产卫星遥感影像获取的影响。为避免云覆盖对卫星影像后续使用带来的负面影响，通过云影检测提取云和云阴影在卫星影像中的准确位置，过滤掉因云覆盖产生的无效像元。此外，可通过云覆盖量对影像质量进行评估，剔除低质的影像数据，确保云检测处理后的遥感数据能反映大部分的真实地表信息[8]；然后利用多源国产卫星影像云检测软件对原始影像数据进行处理，处理后的影像元数据xml文件包含每景影像的含云量，矢量云掩膜文件中包含每景数据各地理单位的云覆盖情况，其中mask字段值为1代表该地区没有云层覆盖。

为分析基于天气模型的国产卫星影像获取能力，本文选取了云量、覆盖率、覆盖频次3个指标，其中云量是天气模型的重要表现形式，能直接反映卫星影像中云层遮挡范围的大小；覆盖率即卫星对湖北省的覆盖情况，直接反映其影像范围，由于本文主要基于天气模型，因此覆盖率是指去除云层遮挡后的有效覆盖率；覆盖频次即卫星对湖北省各地市的覆盖频率，反映了影像的更新速度，是获取能力的一种重要体现，同样的，本文的覆盖频次是指去除云层遮挡后的有效覆盖频次。

根据上述3个指标，本文对云检测软件处理后的数据进行处理，得到各卫星对湖北省各地市的覆盖率和覆盖频次，进一步分析云层对有效覆盖率和有效覆盖频次造成的影响。数据处理流程如图1所示。

图1 数据处理流程图

3 影像获取能力分析

3.1 云量分析

本文对各年份每景卫星影像的云量信息进行单景分析，并统计各卫星含云量为0的景数占总景数的比例。无云覆盖影像占比如图2所示，可以看出，3种卫星中GF-2号卫星拍摄的遥感影像中无云影像占比最大，2016年和2017年均有半数以上影像没有云层遮挡；2016—2018年GF-1号卫星拍摄的遥感影像中，无云影像占比均在20%～30%之间，云量相对稳定；ZY-3号卫星不同年份无云影像占比相差较大，2018年有近半数影像没有云层遮挡，但2016年无云影像占比仅为23.3%。

图2 无云覆盖影像占比

以地市为单位，本文对各卫星拍摄影像的含云量进行分析。含云量比例为云覆盖区域面积与各地市总面积之比。各地市含云量比例如图3所示，图中含云量是指所有年份各卫星对各地市拍摄影像含云量的平均值，可以看出，恩施市、神农架和宜昌市的含云量远高于平均值；天门市和潜江市的含云量很小，均低于1%；GF-1号卫星拍摄的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、黄冈市、荆州市、荆门市和咸宁市；GF-2号卫星拍摄的影像中含云量高于平均值的地市包括鄂州市、恩施市、神农架、襄阳市和宜昌市；ZY-3号卫星拍摄的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、荆州市、神农架和宜昌市。

图3 各地市含云量比例

3.2 有效覆盖率分析

本文去掉云检测处理后的含云区域得到有效覆盖图层，再通过计算得到各卫星对湖北省各地市的有效覆盖率，并对其进行整体和行政区划分析。

经过整体分析发现，GF-1号和ZY-3号卫星对湖北省的有效覆盖率相对较高，GF-1号卫星的有效覆盖率均在90%以上，ZY-3号卫星除2012年覆盖率为73.31%以外，其余年份的覆盖率也在90%以上；而GF-2号卫星对湖北省的有效覆盖率相对较低，2016年和2017年其有效覆盖率在50%～60%之间；从整体覆盖率来看，GF-1号和ZY-3号卫星的影像获取能力高于GF-2号卫星。

通过行政区划分析发现，所有年份卫星对湖北省的平均覆盖率为84.67%；恩施市、黄石市、神农架和咸宁市的有效覆盖率低于平均值；天门市、孝感市、仙桃市和随州市的有效覆盖率均高于90%。各地市有效覆盖率情况如图4所示。

图4 湖北省各地市有效覆盖率统计

3.3 有效覆盖频次分析

2016—2018年GF-1号卫星对湖北省的有效覆盖频次分别为3.48次、3.6次和2.57次，平均值为3.22次，2016年与2017年的有效覆盖频次相差不大，2018年出现下降趋势；2016年、2017年GF-2号卫星对湖北省的有效覆盖频次分别为0.78次和1.01次，整体覆盖频次小于GF-1号和YZ-3号卫星。综合5 a的数据可知，YZ-3号卫星对湖北省的平均有效覆盖频次为3.45次，不同年份的有效覆盖频次相差较大，2017年和2018年的有效覆盖频次均超过了4次，而2012年的有效覆盖频次仅为1.23次。各卫星对湖北省的有效覆盖频次如图5所示。

图5 各卫星对湖北省的有效覆盖频次统计

分析所有年份3种卫星对湖北省各地市的有效覆盖频次可知，3种卫星对湖北省各地市的有效覆盖频次相差较大，且各地市的有效覆盖频次也有较大差异，GF-1号卫星的平均有效覆盖频次为3.22次，GF-2号卫星的平均有效覆盖频次为0.9次，ZY-3号卫星的平均有效覆盖频次为3.45次。

4 天气模型带来的覆盖影响分析

本文统计了各卫星对湖北省的覆盖数据以及去云后的有效覆盖数据，得到3种卫星拍摄影像的有效比例数据。GF-1号卫星拍摄的有效覆盖比例为98.73%，GF-2号卫星为96.73%，ZY-3号卫星为96.93%，因此就湖北省整体而言，天气模型对GF-1号卫星获取的影像质量影响最小。各卫星在湖北省各地市的有效覆盖比例如图6～8所示。

由图6可知，恩施市、荆州市和咸宁市受云层遮盖的影响较大，黄石市、随州市、武汉市、潜江市、仙桃市和孝感市基本不受天气模型影响，有效覆盖比例均在99.5%以上。

图6 GF-1号卫星有效覆盖比例

相较于GF-1号卫星，GF-2号卫星的有效覆盖比例受云层遮盖的影响较大，其中恩施市、神农架和宜昌市的有效覆盖比例均约为在90%，云层覆盖比例较大；荆门市、随州市和孝感市受影响较小，有效覆盖比例均在99%以上。

图7 GF-2号卫星有效覆盖比例

ZY-3号卫星的有效覆盖比例受云层遮盖的影响也较大，且不同地市间差异明显，其中神农架受云层遮盖的影响较大，去云后的有效覆盖比例仅为86.37%；恩施市的有效覆盖比例也较低，约为90%；而鄂州市、黄冈市、天门市、武汉市、仙桃市和孝感市受影响较小，有效覆盖比例均在98%以上。

图8 ZY-3号卫星有效覆盖比例

5 结语

本文主要分析了云覆盖给3种国产卫星影像获取能力带来的影响，以及将云层覆盖视为无效覆盖后各卫星影像对湖北省各地市的有效覆盖范围。由云覆盖对3种卫星影像获取能力的影响来看，GF-1号卫星受云覆盖的影响相对较小，GF-2号和ZY-3号卫星受云覆盖的影响相对较大。综合各年3种卫星的有效覆盖数据发现，2016—2018年卫星影像的有效获取受云覆盖的干扰程度差异不大；恩施市、神农架和宜昌市的卫星影像受云覆盖影响最大。

基于天气模型的国产卫星影像获取能力分析为我国困难地区影像获取方法的研究提供了丰富的实践统计数据，特别是云雾带来的遮盖问题；为单景和多景影像的云雾校正方法和影像修复技术等提供了数据支持；也为自然资源的地理国情监测工作提供了影像数据优化选取的依据，具有良好的技术研究价值和生产实践意义。