耿 晴，曾 浩

（1.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430071）

隨著我國衛(wèi)星技術的成熟和不斷發(fā)展，國產衛(wèi)星的種類和數量日益增多，包括高分系列和資源系列等。多類型國產遙感衛(wèi)星能及時快速地對地觀測，為地表研究提供高精度的地物要素信息。然而，在衛(wèi)星遙感數據中，云層是一種常見的污染物，使光學遙感影像的可用性受到了不同程度的影響[1]。目前，除合成孔徑雷達（SAR）數據能不受天氣影響避免云覆蓋問題外[2]，其他波譜范圍的光學影像在云層遮擋地區(qū)均存在部分或全部地物信息的缺失?，F階段，我國對遙感影像的需求已應用到地球資源探測、自然災害救災預測、海洋環(huán)境污染監(jiān)測等自然資源監(jiān)測的方方面面[3]。為提升遙感影像的質量、增強國產衛(wèi)星遙感數據的地理國情監(jiān)測能力，針對基于天氣模型的國產衛(wèi)星影像獲取能力進行分析很有必要。

1 研究對象基本情況

本文選取的研究對象為國產衛(wèi)星，原始數據由國家自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心通過自然資源衛(wèi)星影像云服務平臺實時推送，湖北省級節(jié)點接收并選取。本文選用高分一號（GF-1）、高分二號（GF-2）和資源三號（ZY-3）3種[4-6]國產衛(wèi)星數據，區(qū)域為湖北省境內，其中2012年、2013年只有ZY-3號衛(wèi)星數據[7]，2014年、2015年數據缺失，2016年、2017年3種衛(wèi)星數據齊全，2018年只有GF-1號、ZY-3號衛(wèi)星數據。

2 研究方法

在天氣因素對遙感影像質量的影響中，云層遮擋是對遙感圖像質量干擾較嚴重的因素。本文中的天氣模型主要是基于云層因素，分析云覆蓋對國產衛(wèi)星遙感影像獲取的影響。為避免云覆蓋對衛(wèi)星影像后續(xù)使用帶來的負面影響，通過云影檢測提取云和云陰影在衛(wèi)星影像中的準確位置，過濾掉因云覆蓋產生的無效像元。此外，可通過云覆蓋量對影像質量進行評估，剔除低質的影像數據，確保云檢測處理后的遙感數據能反映大部分的真實地表信息[8]；然后利用多源國產衛(wèi)星影像云檢測軟件對原始影像數據進行處理，處理后的影像元數據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數據各地理單位的云覆蓋情況，其中mask字段值為1代表該地區(qū)沒有云層覆蓋。

為分析基于天氣模型的國產衛(wèi)星影像獲取能力，本文選取了云量、覆蓋率、覆蓋頻次3個指標，其中云量是天氣模型的重要表現形式，能直接反映衛(wèi)星影像中云層遮擋范圍的大?。桓采w率即衛(wèi)星對湖北省的覆蓋情況，直接反映其影像范圍，由于本文主要基于天氣模型，因此覆蓋率是指去除云層遮擋后的有效覆蓋率；覆蓋頻次即衛(wèi)星對湖北省各地市的覆蓋頻率，反映了影像的更新速度，是獲取能力的一種重要體現，同樣的，本文的覆蓋頻次是指去除云層遮擋后的有效覆蓋頻次。

根據上述3個指標，本文對云檢測軟件處理后的數據進行處理，得到各衛(wèi)星對湖北省各地市的覆蓋率和覆蓋頻次，進一步分析云層對有效覆蓋率和有效覆蓋頻次造成的影響。數據處理流程如圖1所示。

圖1 數據處理流程圖

3 影像獲取能力分析

3.1 云量分析

本文對各年份每景衛(wèi)星影像的云量信息進行單景分析，并統(tǒng)計各衛(wèi)星含云量為0的景數占總景數的比例。無云覆蓋影像占比如圖2所示，可以看出，3種衛(wèi)星中GF-2號衛(wèi)星拍攝的遙感影像中無云影像占比最大，2016年和2017年均有半數以上影像沒有云層遮擋；2016—2018年GF-1號衛(wèi)星拍攝的遙感影像中，無云影像占比均在20%～30%之間，云量相對穩(wěn)定；ZY-3號衛(wèi)星不同年份無云影像占比相差較大，2018年有近半數影像沒有云層遮擋，但2016年無云影像占比僅為23.3%。

圖2 無云覆蓋影像占比

以地市為單位，本文對各衛(wèi)星拍攝影像的含云量進行分析。含云量比例為云覆蓋區(qū)域面積與各地市總面積之比。各地市含云量比例如圖3所示，圖中含云量是指所有年份各衛(wèi)星對各地市拍攝影像含云量的平均值，可以看出，恩施市、神農架和宜昌市的含云量遠高于平均值；天門市和潛江市的含云量很小，均低于1%；GF-1號衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、黃岡市、荊州市、荊門市和咸寧市；GF-2號衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括鄂州市、恩施市、神農架、襄陽市和宜昌市；ZY-3號衛(wèi)星拍攝的影像中含云量高于平均值的地市包括恩施市、荊州市、神農架和宜昌市。

圖3 各地市含云量比例

3.2 有效覆蓋率分析

本文去掉云檢測處理后的含云區(qū)域得到有效覆蓋圖層，再通過計算得到各衛(wèi)星對湖北省各地市的有效覆蓋率，并對其進行整體和行政區(qū)劃分析。

經過整體分析發(fā)現，GF-1號和ZY-3號衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋率相對較高，GF-1號衛(wèi)星的有效覆蓋率均在90%以上，ZY-3號衛(wèi)星除2012年覆蓋率為73.31%以外，其余年份的覆蓋率也在90%以上；而GF-2號衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋率相對較低，2016年和2017年其有效覆蓋率在50%～60%之間；從整體覆蓋率來看，GF-1號和ZY-3號衛(wèi)星的影像獲取能力高于GF-2號衛(wèi)星。

通過行政區(qū)劃分析發(fā)現，所有年份衛(wèi)星對湖北省的平均覆蓋率為84.67%；恩施市、黃石市、神農架和咸寧市的有效覆蓋率低于平均值；天門市、孝感市、仙桃市和隨州市的有效覆蓋率均高于90%。各地市有效覆蓋率情況如圖4所示。

圖4 湖北省各地市有效覆蓋率統(tǒng)計

3.3 有效覆蓋頻次分析

2016—2018年GF-1號衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋頻次分別為3.48次、3.6次和2.57次，平均值為3.22次，2016年與2017年的有效覆蓋頻次相差不大，2018年出現下降趨勢；2016年、2017年GF-2號衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋頻次分別為0.78次和1.01次，整體覆蓋頻次小于GF-1號和YZ-3號衛(wèi)星。綜合5 a的數據可知，YZ-3號衛(wèi)星對湖北省的平均有效覆蓋頻次為3.45次，不同年份的有效覆蓋頻次相差較大，2017年和2018年的有效覆蓋頻次均超過了4次，而2012年的有效覆蓋頻次僅為1.23次。各衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋頻次如圖5所示。

圖5 各衛(wèi)星對湖北省的有效覆蓋頻次統(tǒng)計

分析所有年份3種衛(wèi)星對湖北省各地市的有效覆蓋頻次可知，3種衛(wèi)星對湖北省各地市的有效覆蓋頻次相差較大，且各地市的有效覆蓋頻次也有較大差異，GF-1號衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為3.22次，GF-2號衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為0.9次，ZY-3號衛(wèi)星的平均有效覆蓋頻次為3.45次。

4 天氣模型帶來的覆蓋影響分析

本文統(tǒng)計了各衛(wèi)星對湖北省的覆蓋數據以及去云后的有效覆蓋數據，得到3種衛(wèi)星拍攝影像的有效比例數據。GF-1號衛(wèi)星拍攝的有效覆蓋比例為98.73%，GF-2號衛(wèi)星為96.73%，ZY-3號衛(wèi)星為96.93%，因此就湖北省整體而言，天氣模型對GF-1號衛(wèi)星獲取的影像質量影響最小。各衛(wèi)星在湖北省各地市的有效覆蓋比例如圖6～8所示。

由圖6可知，恩施市、荊州市和咸寧市受云層遮蓋的影響較大，黃石市、隨州市、武漢市、潛江市、仙桃市和孝感市基本不受天氣模型影響，有效覆蓋比例均在99.5%以上。

圖6 GF-1號衛(wèi)星有效覆蓋比例

相較于GF-1號衛(wèi)星，GF-2號衛(wèi)星的有效覆蓋比例受云層遮蓋的影響較大，其中恩施市、神農架和宜昌市的有效覆蓋比例均約為在90%，云層覆蓋比例較大；荊門市、隨州市和孝感市受影響較小，有效覆蓋比例均在99%以上。

圖7 GF-2號衛(wèi)星有效覆蓋比例

ZY-3號衛(wèi)星的有效覆蓋比例受云層遮蓋的影響也較大，且不同地市間差異明顯，其中神農架受云層遮蓋的影響較大，去云后的有效覆蓋比例僅為86.37%；恩施市的有效覆蓋比例也較低，約為90%；而鄂州市、黃岡市、天門市、武漢市、仙桃市和孝感市受影響較小，有效覆蓋比例均在98%以上。

圖8 ZY-3號衛(wèi)星有效覆蓋比例

5 結語

本文主要分析了云覆蓋給3種國產衛(wèi)星影像獲取能力帶來的影響，以及將云層覆蓋視為無效覆蓋后各衛(wèi)星影像對湖北省各地市的有效覆蓋范圍。由云覆蓋對3種衛(wèi)星影像獲取能力的影響來看，GF-1號衛(wèi)星受云覆蓋的影響相對較小，GF-2號和ZY-3號衛(wèi)星受云覆蓋的影響相對較大。綜合各年3種衛(wèi)星的有效覆蓋數據發(fā)現，2016—2018年衛(wèi)星影像的有效獲取受云覆蓋的干擾程度差異不大；恩施市、神農架和宜昌市的衛(wèi)星影像受云覆蓋影響最大。

基于天氣模型的國產衛(wèi)星影像獲取能力分析為我國困難地區(qū)影像獲取方法的研究提供了豐富的實踐統(tǒng)計數據，特別是云霧帶來的遮蓋問題；為單景和多景影像的云霧校正方法和影像修復技術等提供了數據支持；也為自然資源的地理國情監(jiān)測工作提供了影像數據優(yōu)化選取的依據，具有良好的技術研究價值和生產實踐意義。