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高分六号卫星数据云检测算法研究及应用分析.rar

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    金币
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    高分 六号 卫星 数据 检测 算法 研究 应用 分析
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    山 东 科 技 大 学学 士 学 位 论 文高 分 六 号 卫 星 数 据 云 检 测 算 法 研 究 及 应用 分 析学 生 姓 名 : 曾 海 涛指 导 教 师 : 孙 林专 业 名 称 : 遥 感 科 学 与 技 术二 〇 一 七 年 六 月Shandong University of Science and TechnologyBachelor Degree PaperResearch and Application Analysis of CloudDetection Algorithm for GF-6 Satellite DataGrade: 2013Candidate: Haitao ZengSpecialty: Remote Sensing Science and TechnologySupervisor: Sun LinJune, 2017目 录1. 引 言 .............................................................................................31.1 研 究 意 义 及 背 景 ....................................................................................................31.2 云 检 测 方 法 国 内 外 研 究 现 状 ................................................................................51.3 研 究 内 容 ................................................................................................................82. 像 元 库 建 立 ................................................................................. 102 .1 云 像 元 库 实 例 ..................................................................................................... 1 02 .2 晴 空 像 元 库 实 例 ................................................................................................. 1 33. 数 据 模 拟 ......................................................................................154. 云 检 测 算 法 的 生 成 .....................................................................164 .1 云 检 测 算 法 自 动 生 成 技 术 ................................................................................. 1 74 .2 云 检 测 算 法 生 成 ................................................................................................. 2 14 .3 加 权 合 成 ............................................................................................................. 2 35. 高 分 六 号 云 检 测 结 果 .................................................................255 .2 高 分 六 号 云 检 测 结 果 ......................................................................................... 2 55 .2 缺 点 和 不 足 ......................................................................................................... 2 96 结 论 与 讨 论 ....................................................................................30参 考 文 献 ............................................................................................32致 谢 词 ................................................................................................35附 录 ..................................................................................................36山东科技大学本科毕业论文1摘 要高 分 六 号 卫 星 是 中 国 即 将 发 射 的 主 要 用 于 农 情 监 测 与 预 警 、 灾 害 评 价与 分 析 等 应 用 的 高 空 间 分 辨 率 卫 星 。 为 了 提 高 该 卫 星 数 据 的 应 用 效 率 , 本文 研 究 了 高 分 六 号 卫 星 数 据 的 高 精 度 、 自 动 化 云 检 测 方 法 。 为 保 证 云 监 测算 法 的 稳 定 性 和 空 间 适 应 性 , 本 文 使 用 CDAG 云 检 测 算 法 生 成 的 思 想 , 以现 有 的 高 质 量 AVIRIS 数 据 为 支 持 , 生 成 了 高 分 六 号 卫 星 数 据 的 云 检 测 算 法 。主 要 工 作 有 以 下 几 个 方 面 :1) 从 AVIRIS 数 据 上 人 工 选 取 不 同 特 征 的 云 和 各 种 地 表 覆 盖 类 型 的 像元 , 建 立 云 像 元 库 和 晴 空 像 元 库 。 云 像 元 库 包 括 薄 云 、 厚 云 、 碎 云 等 不 同的 云 类 型 , 晴 空 像 元 库 包 括 植 被 、 水 体 、 岩 石 、 人 工 地 表 等 不 同 的 土 地 覆盖 类 型 ; 2) 基 于 建 立 的 高 光 谱 数 据 像 元 库 和 传 感 器 的 光 谱 相 应 函 数 等 参 数模 拟 出 高 分 六 号 多 光 谱 数 据 的 像 元 库 ; 3) 通 过 波 段 运 算 、 统 计 分 析 等 过 程 ,以 云 像 元 和 晴 空 像 元 的 光 谱 差 异 性 为 基 础 生 成 云 检 测 算 法 , 其 中 阈 值 是 根据 模 拟 的 像 元 库 数 据 自 动 确 定 , 并 根 据 算 法 正 确 率 对 云 检 测 算 法 进 行 加 权得 到 最 终 的 云 检 测 结 果 。基 于 生 成 的 云 检 测 算 法 , 使 用 模 拟 的 高 分 六 号 卫 星 数 据 , 开 展 了 云 检测 的 应 用 试 验 , 分 析 了 在 不 同 地 表 背 景 条 件 下 , 针 对 不 同 特 征 的 云 像 元 的识 别 效 果 , 结 果 表 明 , 构 建 的 高 分 六 号 卫 星 云 检 测 算 法 可 以 实 现 在 多 类 型背 景 区 域 有 云 像 元 的 高 精 度 检 测 。关 键 字 : 云 检 测 ; 高 分 六 号 ; AVIRIS 数 据 ; 数 据 模 拟山东科技大学本科毕业论文2ABSTRACTGf-6 satellite is China's upcoming high-resolution satellite for the use ofagricultural monitoring and early warning, disaster assessment and analysisapplications. In order to improve the application efficiency of the satellite data,this paper studies the high precision and automated cloud detection method ofgf-6 satellite data. In order to ensure the stability and spatial adaptability of thecloud monitoring algorithm, this paper uses the idea of ​ ​ CDAG clouddetection algorithm to generate the cloud detection algorithm with high score VIsatellite data with the support of the existing high quality AVIRIS data. Themain work has the following aspects:1) from the AVIRIS data on the artificial selection of differentcharacteristics of the cloud and a variety of surface coverage type of pixels, theestablishment of cloud pixel library and clear sky library. Cloud library,including cloud, cloud, broken clouds and other different types of clouds, clearsky library, including vegetation, water, rock, artificial surface, such as differenttypes of land cover; 2) based on the establishment of hyperspectral data libraryAnd the spectral corresponding function of the sensor and other parameters tosimulate the high score six multi-spectral data of the pixel library; 3) through theband operation, statistical analysis and other processes to cloud pixels and clearsky pixels based on spectral differences generated cloud detection Algorithm,where the threshold is automatically determined according to the simulated pixeldatabase data, and the cloud detection algorithm is weighted according to thealgorithm correctness to obtain the final cloud test result.Based on the generated cloud detection algorithm, the simulated Gf-6satellite data is used to carry out the application test of cloud detection. Therecognition effect of cloud pixels with different characteristics under differentbackground conditions is analyzed. The results show that the constructed Gf-6satellite cloud detection algorithm can achieve high-precision detection of cloudpixels in multi-type background area.K eywords: cloud detection, GF-6,AVIRIS data, data simulation images,山东科技大学本科毕业论文31. 引 言1.1 研 究 意 义 及 背 景云 覆 盖 是 遥 感 图 像 处 理 中 最 常 遇 到 的 噪 声 。 云 覆 盖 的 存 在 不 仅 给 图 像处 理 带 来 许 多 困 难 ,而 且 使 后 续 的 图 像 识 别 ,分 类 难 以 保 证 精 度 ,有 时 甚 至 无法 进 行 。 因 此 ,前 人 在 研 究 过 程 中 多 偏 向 于 选 择 晴 空 无 云 时 的 感 图 像 进 行 研究 。 然 而 ,随 着 研 究 的 不 断 深 入 , 对 于 图 像 的 要 求 不 断 增 加 , 使 得 云 覆 盖 问题 不 可 避 免 的 出 在 人 们 面 前 。 云 覆 盖 了 全 球 50%以 上 的 地 表 , 在 辐 射 收 支平 衡 重 扮 演 着 重 要 的 角 色 。 根 据 国 际 卫 星 云 气 候 项 目 通 量 数 据 ( ISCCP-FD)的 估 算 , 全 球 年 均 云 面 积 约 为 66% 。 云 覆 盖 阻 止 光 学 卫 星 获 得 地 球 表 面 的清 晰 视 野 , 而 云 层 的 影 响 影 响 有 用 的 卫 星 数 据 的 可 用 性 。 一 方 面 , 由 于 云是 重 要 的 气 象 和 气 候 要 素 之 一 , 通 过 云 的 分 布 不 但 可 以 帮 助 发 现 危 险 的 气候 现 象 , 如 暴 雨 、 飓 风 以 及 龙 卷 风 , 而 且 还 可 以 跟 踪 气 象 条 件 的 变 化 , 因此 自 气 象 卫 星 问 世 以 来 , 云 检 测 和 分 类 方 法 的 研 究 就 引 起 了 各 国 学 者 的 关注 和 兴 趣 。 另 一 方 面 , 由 于 光 学 遥 感 数 据 中 大 量 云 的 存 在 , 影 响 了 遥 感 图像 的 质 量 , 从 而 降 低 了 图 像 的 数 据 利 用 率 , 因 此 云 检 测 和 云 剔 除 已 成 为 光学 遥 感 图 像 处 理 过 程 中 需 首 要 解 决 的 问 题 之 一 。 云 彩 投 射 的 云 影 也 是 影 像的 污 染 物 , 云 影 的 黑 暗 影 响 导 致 云 影 部 分 或 完 全 丧 失 的 图 像 的 光 谱 信 息 。图 像 中 的 云 和 云 阴 影 影 响 图 像 的 处 理 , 不 适 用 的 分 类 , 分 割 , 特 征 牵 引 等 。一 些 云 清 除 和 图 像 恢 复 方 法 可 以 有 效 地 进 行 复 制 , 但 不 提 供 自 动 提 取 云 的特 定 方 式 。 从 云 彩 污 染 的 图 像 中 准 确 提 取 云 和 云 影 可 以 帮 助 减 少 云 覆 盖 所带 来 的 负 面 影 响 图 像 的 应 用 。 因 此 , 云 和 云 影 在 光 学 图 像 检 测 中 具 有 重 要意 义 。 云 通 过 遮 挡 太 阳 和 地 表 辐 射 来 改 变 能 力 传 输 的 过 程 , 影 响 着 太 阳 和山东科技大学本科毕业论文4地 表 间 的 辐 射 能 力 传 输 。 同 时 云 覆 盖 的 存 在 , 使 得 遥 感 影 像 上 区 域 内 的 信息 丢 失 或 变 得 模 糊 , 降 低 了 数 据 的 利 用 率 , 严 重 影 响 到 地 表 和 大 气 各 种 参数 反 演 的 准 确 性 和 可 靠 性 , 使 得 影 像 识 别 、 分 类 难 以 保 证 精 度 , 有 时 甚 至无 法 进 行 , 这 对 不 同 遥 感 影 像 融 合 以 及 精 确 地 表 参 数 的 定 量 反 演 等 过 程 都有 很 大 的 影 响 。 对 多 时 相 大 范 围 的 研 究 , 需 要 大 量 的 影 像 , 云 的 存 在 会 影响 影 像 的 选 取 , 自 动 获 取 无 云 影 像 是 非 常 重 要 的 。 然 而 , 由 于 气 候 原 因 以及 遥 感 影 像 的 观 测 范 围 大 , 很 难 获 取 完 全 无 云 的 影 像 。 目 前 , 在 利 用 航 天遥 感 手 段 获 取 地 球 空 间 信 息 的 过 程 中 , 除 部 分 微 波 传 感 器 能 穿 透 云 层 地 表信 息 , 其 他 传 感 器 均 未 能 彻 底 解 决 影 像 数 据 的 云 覆 盖 问 题 。 利 用 卫 星 遥 感数 据 进 行 云 检 测 在 国 内 外 引 起 了 越 来 越 多 有 关 专 家 的 兴 趣 和 重 视 。 因 此 ,采 用 快 速 有 效 的 云 检 测 方 法 剔 除 图 像 中 云 覆 盖 区 域 是 遥 感 数 据 处 理 过 程 中首 要 解 决 的 问 题 之 一 。在 气 象 卫 星 资 料 的 应 用 研 究 中 , 云 检 测 是 最 基 本 的 工 作 之 一 , 只 有 识别 出 有 云 像 元 和 无 云 像 元 , 才 能 进 一 步 从 卫 星 数 据 中 提 取 云 参 数 , 或 者 计算 大 气 遥 感 产 品 和 地 表 遥 感 产 品 。 其 中 阈 值 法 是 一 种 易 于 实 现 、 相 对 成 熟的 方 法 , 主 要 依 据 是 云 雾 的 反 照 率 要 明 显 高 于 植 被 、 土 壤 及 水 体 等 下 垫 面背 景 的 反 照 率 , 云 顶 亮 温 低 于 下 垫 面 背 景 亮 温 。 将 分 析 像 元 不 同 通 道 观 测到 的 亮 温 、 亮 温 差 、 反 射 率 和 反 射 率 比 值 等 与 设 定 的 阈 值 进 行 比 较 , 即 可判 断 该 像 元 是 否 有 云 , 因 此 阈 值 的 确 定 是 阈 值 法 的 关 键 。 确 定 阈 值 有 2 种方 法 : 一 种 是 以 区 域 先 验 气 候 值 、 辐 射 统 计 值 为 依 据 确 定 阈 值 , 该 方 法 需要 大 量 的 历 史 数 据 , 在 进 行 小 范 围 云 检 测 时 可 提 供 较 好 的 云 检 测 结 果 , 但当 处 理 的 范 围 很 大 或 卫 星 的 时 间 序 列 较 长 时 , 不 同 地 域 、 不 同 时 间 的 阈 值是 不 同 的 , 操 作 起 来 比 较 困 难 , 且 易 受 人 为 因 素 的 影 响 。高 分 专 项 系 列 卫 星 数 据 已 为 国 土 土 地 利 用 调 查 , 矿 产 资 源 开 发 现 状 调查 与 监 测 , 环 保 大 气 环 境 和 水 环 境 监 测 , 农 业 作 物 估 产 和 长 势 监 测 , 水 利洪 涝 灾 害 监 测 及 水 利 设 施 监 测 , 统 计 农 业 生 产 监 测 , 地 震 灾 害 监 测 等 行 业部 门 应 用 , 以 及 北 京 、 河 北 、 新 疆 等 城 市 精 细 化 管 理 , 中 小 城 镇 开 发 现 状山东科技大学本科毕业论文5监 测 , 区 域 经 济 作 物 监 测 等 区 域 应 用 发 挥 了 重 要 作 用 。 高 分 专 项 系 列 推 动高 分 辨 率 卫 星 数 据 应 用 , 为 土 地 利 用 动 态 监 测 、 矿 产 资 源 调 查 、 城 乡 规 划监 测 评 价 、 交 通 路 网 规 划 、 森 林 资 源 调 查 、 荒 漠 化 监 测 等 行 业 和 首 都 圈 等区 域 应 用 提 供 服 务 支 撑 。1.2 云 检 测 方 法 国 内 外 研 究 现 状目 前 遥 感 图 像 云 检 测 方 法 众 多 , 其 中 应 用 最 多 的 方 法 为 物 理 阈 值 法 , 如Saunders(1987) 提 出 的 云 检 测 方 法 , 它 选 用 一 组 物 理 阈 值 对 AVHRR 数 据进 行 云 检 测 。 Ackerman(1998) 提 出 的 云 检 测 方 法 应 用 于 MODIS 数 据 , 它综 合 考 虑 了 几 种 光 谱 谱 段 进 行 阈 值 检 测 的 结 果 , 最 后 再 判 断 某 个 给 定 像 素是 否 是 云 。 该 方 法 相 对 于 以 前 的 物 理 阈 值 法 检 测 更 为 精 确 , 但 是 在 某 些 特定 的 条 件 下 , 如 夜 间 时 候 下 垫 面 为 沙 漠 区 域 时 , 以 及 下 垫 面 为 海 岸 线 、 河流 和 内 陆 湖 泊 时 , 由 于 云 和 下 垫 面 的 反 射 率 相 近 , 难 以 进 行 正 确 的 辨 别 ,因 而 有 时 会 检 测 出 错 误 的 云 。 物 理 阈 值 法 因 为 依 据 的 是 某 些 光 谱 谱 段 的 数据 进 行 检 测 , 所 以 一 般 仅 局 限 于 特 定 的 遥 感 器 数 据 , 普 适 性 较 差 。 还 有 一些 云 检 测 方 法 仅 作 用 于 局 部 的 地 理 区 域 或 背 景 区 域 , 如 Ebert (1987), Key(1989)和 Welch(1992) , 他 们 提 出 的 云 检 测 方 法 关 心 的 是 极 地 地 区 云 和 地 表的 区 分 ;Garand(1987)提 出 的 云 模 式 自 动 分 类 方 法 , 它 基 于 高 度 、 反 照 率 、形 状 、 云 的 分 层 特 征 以 及 图 像 的 二 维 功 率 谱 特 征 , 但 仅 适 用 于 在 海 洋 背 景上 的 情 况 。 另 一 类 较 复 杂 的 遥 感 图 像 云 检 测 技 术 是 人 工 智 能 技 术 发 展 的 结果 , 但 它 们 中 的 大 部 分 需 要 依 赖 于 辅 助 数 据 来 设 置 阈 值 。 如 Merchant(2005)的 全 概 率 贝 叶 斯 法 , 使 用 气 候 学 和 数 字 天 气 预 报 的 预 报 数 据 来 建 立 先 验 知识 , Baum(1997)提 出 的 模 糊 逻 辑 分 类 方 法 , 它 基 于 气 团 的 类 型 来 区 分 晴 空和 云 。多 年 以 来 , 针 对 云 开 发 出 了 多 种 云 检 测 方 法 , 大 体 可 以 分 为 3 类 : 阈 值山东科技大学本科毕业论文6法 、 辐 射 传 输 算 法 和 统 计 学 方 法 。 其 中 , 阈 值 法 云 检 测 因 其 算 法 简 单 、 运算 速 度 快 、 检 测 精 度 高 而 得 到 了 广 泛 应 用 , 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 云 检 测 方法 。 目 前 大 多 数 的 云 检 测 算 法 都 用 来 研 究 AVHRR、 MODIS 等 中 分 辨 率 传感 器 。 常 见 的 阈 值 法 有 ISCCP 算 法 、 APOLLO 算 法 、 CLAVR 算 法 , 这 些方 法 主 要 是 根 据 经 验 设 定 阈 值 进 行 云 检 测 。 ISCCP 方 法 假 定 观 测 辐 射 只 来自 晴 空 和 云 两 种 大 气 状 况 , 以 可 见 光 0.6μm 和 红 外 窗 区 11μm 波 段 数 据 为特 征 量 , 采 用 阈 值 法 进 行 云 检 测 。 CLAVR 方 法 则 采 用 了 2*2 的 像 素 进 行 判别 , 并 根 据 下 垫 面 性 质 和 观 测 时 间 的 不 同 , 将 算 法 分 为 白 天 海 洋 、 白 天 陆地 、 夜 间 海 洋 和 夜 间 陆 地 四 类 。 APPOLLO 方 法 用 AVHRR 五 个 全 分 辨 率 探测 通 道 资 料 , 根 据 目 标 物 特 征 在 每 个 通 道 设 定 阈 值 实 现 云 像 元 识 别 。 还 有在 这 些 云 检 测 算 法 基 础 上 发 展 起 来 的 同 态 滤 波 去 云 法 、 多 光 谱 综 合 法 、 亮温 差 值 法 、 指 数 法 、 基 于 波 谱 标 准 差 异 常 的 动 态 阈 值 云 检 测 算 法 等 。ISCCP 方 法 假 定 观 测 辐 射 只 来 自 晴 空 和 云 两 种 大 气 状 况 , 与 这 两 者 大 气状 况 相 联 系 的 辐 射 值 其 变 化 范 围 并 不 互 相 重 叠 [12]。 使 用 0.6um 可 见 光 波 段和 11um 红 外 窗 区 波 段 的 资 料 , 将 像 元 和 晴 空 的 观 测 辐 射 值 进 行 比 较 , 当 像元 与 晴 空 辐 射 值 的 差 值 明 显 大 于 晴 空 辐 射 值 本 身 的 变 化 时 , 该 像 元 被 判 别为 云 点 。 这 种 方 法 使 云 检 测 的 误 差 最 小 。 但 算 法 依 赖 于 阈 值 , 当 像 元 只 有部 分 云 覆 盖 时 则 会 发 生 误 判 现 象 [10,11,12]。CLAVR方 法 可 在 全 球 范 围 内 进 行 云 检 测 , 算 法 采 用 了 2*2的 像 元 矩 阵 作为 判 识 单 位 .当 2*2像 元 矩 阵 中 4个 像 元 全 未 通 过 有 云 判 识 检 验 时 , 则 认 为 像元 矩 阵 无 云 ; 4个 像 元 全 通 过 有 云 判 识 检 验 时 , 则 认 为 像 元 矩 阵 完 全 云 覆 盖; 当 只 有 1~3个 像 元 通 过 云 判 识 时 , 像 元 矩 阵 为 混 合 型 。 被 判 识 为 云 或 混 合型 像 元 矩 阵 中 的 4个 像 元 , 只 有 满 足 冰 /雪 , 海 洋 镜 面 反 射 或 者 亮 的 沙 漠 背 景这 三 类 晴 空 检 测 条 件 时 , 像 元 矩 阵 被 重 新 判 识 为 晴 空 像 元 。 根 据 下 垫 面 和时 间 的 不 同 , 算 法 对 白 天 海 洋 、 白 天 陆 地 、 夜 间 海 洋 和 夜 间 陆 地 四 种 下 垫面 进 行 云 检 测 。APOLLO 方 法 利 用 了 AVHRR 五 个 全 分 辨 率 探 测 通 道 资 料 .在 五 个 通 道
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