2018年30米分辨率全球一張圖

2018年30米分辨率全球一張圖
作者：尹然宇　何國金　王桂周　龍騰飛
2019年12月24日

本作品收錄於《中國科學數據》

尹然宇, 何國金, 王桂周, 龍騰飛. 2018年30米分辨率全球一張圖[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(4). (2019-09-05). DOI: 10.11922/csdata.2019.0048.zh

摘要&關鍵詞

摘要：在海量Landsat高精度正射影像的基礎上，經過半自動的數據挑選、快速自動化鑲嵌和勻色等關鍵技術，製作色彩一致性較高的2018年30米分辨率全球一張圖（簡稱一張圖）。數據使用GeoTiff格式保存，投影為WGS 84經緯度。為方便用戶使用，已進行分塊，並內建金字塔。本數據包含全球60°S到80°N所有陸地區域影像（除格陵蘭島），每個Path/Row選擇2018年生長季雲量最少的一景，在雲量較多的區域使用年度中值合成影像。本數據集幾何精度高、色彩一致性好，可為遙感應用、虛擬現實等提供基礎底圖。

關鍵詞：全球一張圖；2018年；鑲嵌；勻色；海量數據；陸地衛星

Abstract & Keywords

Abstract: Based on massive ortho-rectified Landsat images, the 30 m Global Mosaic Map (One-Map) of 2018 with consistent color is made by several key techniques like semi-automatic data selection, automatic mosaic, color balancing, etc. The data is projected as WGS84 latitude/longitude projection and saved in GeoTiff format. For the convenience of users, the data is also re-tiled and has inner pyramids pre-built. The valid area of One-Map covers all land from 60°S to 80°N except Greenland, and the candidate scene of each Path/Row is the one with lowest cloud cover in growing period or the composed of all scenes in 2018 using the median value. This dataset can serve as a base map since its high geometry precision and great color consistency for applications in Remote Sensing, Virtual Reality, etc.

Keywords: global map; 2018; mosaic; color balance; massive data; Landsat

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2018年30米分辨率全球一張圖
數據作者	尹然宇、何國金、王桂周、龍騰飛
數據通信作者	何國金（hegj@aircas.ac.cn）
數據時間範圍	2018年
地理區域	60°S–80°N，−180°W–180°E，除格陵蘭島外的所有陸地區域。
空間分辨率	30 m
數據量	1.04 TB
數據格式	*.TIF
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/865 ftp://bigrs-info.com/2018GlobalMap/
基金項目	中國科學院A類先導專項（XDA19090300）
數據庫（集）組成	數據集共包括354個數據文件，每個文件為一個影像塊，以左上角點起始坐標命名。

Dataset Profile

Title	30-meters Global Mosaic Map of 2018
Data corresponding author	Guojin He (hegj@aircas.ac.cn)
Data authors	Yin Ranyu, He Guojin, Wang Guizhou, Long Tengfei
Time range	2018
Geographical scope	All land except Greenland from 60°S to 80°N
Spatial resolution	30 m
Data volume	1.04 TB
Data format	*.TIF
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/865> <ftp://bigrs-info.com/2018GlobalMap/>
Source of funding	Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19090300)
Dataset composition	The dataset consists of 354 data files in total. Each file is an image block which is named after the latitude and longitude in the upper left corner.

引 言

目前，Landsat系列衛星可以提供長時序30米分辨率全球數據，已在農林地礦調查、生態環境監測、能源與資源管理、城市管理規劃、災害監測與恢復等領域取得廣泛應用^[1]。大範圍的遙感數據，其數據預處理工作具有一定的技術門檻，同時也要求一定的計算資源。特別是對於非遙感圖像處理專業領域的科研工作者，需要耗費大量的時間和精力來完成。此外，現勢性強的30米分辨率全球遙感影像，在落實《2030年可持續發展議程》、應對氣候變化以及森林、水資源的可持續管理以及虛擬現實等方面都有廣泛的用途，需求迫切。研究製作公開共享的高質量的大範圍影像底圖，可以讓地學等領域的科研工作者從繁瑣的數據處理工作中解放出來，投入更多的時間和精力到科研主線，具有較為重要的現實意義。

本文提供2018年30米分辨率全球一張圖數據集，給出了全球陸地區域Landsat影像一張圖製作的技術流程：首先挑選出覆蓋全球陸地範圍的最優影像，隨後經過拉伸、重投影、勻色、鑲嵌處理生成2018年全球一張圖，範圍覆蓋60°S–80°N所有陸地區域（除格陵蘭島）。為方便用戶使用，已進行分塊，並內建金字塔。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據採集方法

一張圖主要基於Landsat 8衛星OLI傳感器數據製作而成。按照該衛星的運行計劃，可以覆蓋60°S–80°N的所有陸地區域^[2]。其中製作一張圖時排除了格陵蘭島，總體數據覆蓋示意如圖1所示，圖中每個多邊形代表一個Path/Row（簡稱PR），也可稱一景數據，每個PR每年獲取約24景影像，製作一張圖的數據涉及9595個PR。然而，製作一張圖需要使用儘可能無雲的影像，由於受雲、冰雪的影響，僅有少量的影像可用於一張圖的製作。

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圖1 Landsat影像覆蓋示意圖

對於每個PR，儘可能挑選無雲或少雲的生長季影像，保證了大尺度製圖時色彩一致性。對於某些難以找到符合條件影像的特殊地區，在重點區域使用Google Earth Engine^[3]（簡稱GEE）製作的年度合成影像來替代。其中，覆蓋中國及周邊地區的影像來主要自於中國遙感衛星地面站接收的數據，世界其他地區的影像來自於美國地質調查局網站（USGS）和GEE。

1.2 數據處理方法

一張圖製作的數據處理技術路線如圖2所示，主要分為色彩預處理、投影轉換、勻色鑲嵌三個數據處理步驟。對於無法找到滿足質量需求的PR，使用GEE合成年度中值影像來替代。

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圖2 數據處理技術路線

1.2.1 色彩預處理

Landsat 8衛星OLI傳感器的數據數字量化（DN）值範圍是0–65535，而影像製圖需要的像元值範圍是0–255，因此需要對原始的像元值進行變換，將其數據範圍映射到0–255，本文中採用線性拉伸的方法來變換DN值值域。由於不同景影像之間的DN值量化參數不同，所以無法使用一致的最大值/最小值對影像進行拉伸。為了保證全球所有的影像具有較一致的拉伸效果，先將原始數據處理為星上反射率，再使用最小值0、最大值0.6對全球所有的數據進行線性拉伸，紅綠藍（RGB）通道分別使用OLI傳感器的短波紅外1（SWIR1）、近紅外（NIR）、紅（RED）三個波段。

1.2.2 投影變換與勻色鑲嵌

Landsat 8原始數據的投影為UTM分帶投影，該投影並不適用全球範圍的製圖。製作一張圖使用WGS 84經緯度投影，分辨率為0.00025度，使用三次立方卷積進行重採樣。投影變換處理使用PCI GXL高性能處理平台中的空間數據轉換模塊。

由於不同影像之間拍攝時間不一，且大氣條件不同，相鄰影像之間仍然會有少許色差，鑲嵌時需要勻色處理。勻色過程使用捆綁算法。該算法首先使用每個重疊圖像之間的「塊約束」方法來全局調整每個圖像的均值和標準差；隨後在圖像對之間自動計算閃避點並進行局部調整。過渡自然的鑲嵌影像依賴於高質量的鑲嵌線，本文使用最小平方差方法來確定鑲嵌接邊線。該方法在相鄰影像的重疊區域之間計算所有波段的像元值平方差，通過使平方差最小來確定鑲嵌線。

最後對最終鑲嵌輸出結果進行分塊，分塊及命名規則詳見下一節。

2 數據樣本描述

為方便用戶使用，一張圖數據集使用GeoTiff格式保存，以10°×10°（40000×40000）分塊，包含三個波段，分別對應OLI傳感器的SWIR1、NIR、RED，分辨率為0.00025。為便於用戶瀏覽影像，已在TIF文件中內建了金字塔。

文件命名規則如圖3所示。

圖3 文件命名規則示意圖

N	5	0	E	1	1	0	.tif
圖像塊左上角緯度，其中N表示北緯；S表示南緯。			圖像塊左上角經度，其中E表示東經，W表示西經。				擴展名

3 數據質量控制和評估

製作一張圖所使用的數據有66.95%為L1TP級別產品，3.23%為L1GT級別產品，29.82%為GEE中值合成產品，其分布如圖4所示。據USGS報告描述，截至2019年2月28日，在所有存檔的衛星數據中，92.2％的L1TP產品的RMSE小於等於12米^[4]。GEE中值合成產品在空間細節上會有一定的丟失，定位精度接近L1TP產品。經過勻色後的一張圖色彩一致性較好，整體概覽如圖5所示。

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圖4 產品級別分布圖

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圖5 2018年全球一張圖概覽

4 數據價值

本文率先推出2018年30米分辨率全球一張圖，幾何精度高、色彩一致性好，可為遙感應用、虛擬現實等提供基礎底圖，對於農林地礦調查、生態環境監測、能源與資源管理、城市管理規劃、災害監測與恢復、全球變化研究、一帶一路倡議的落實以及《2030年可持續發展議程》的行動具有重要的應用價值。

致 謝

感謝貢成娟、郭燕滔、何海鵬、何陳臨秋、黃莉婷、冷宛春、李墨瑄、蒲東川、孫嘉悅、鄭覃在數據挑選方法探索時鼎力相助。

參考文獻

1. 姜高珍, 韓冰, 高應波等. Landsat系列衛星對地觀測40年回顧及LDCM前瞻[J]. 遙感學報, 2013(5): 1033-1048.
2. WULDER M A, WHITE J C, LOVELAND T R, et al. The global Landsat archive: Status, consolidation, and direction[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 185: 271-283.
3. GORELICK N, HANCHER M, DIXON M, et al. Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone[J]. Remote Sensing of Environment, 2017, 202: 18-27.
4. Landsat Levels of Processing[EB/OL]. [2019-08-18]. https://www.usgs.gov/land-resources/nli/landsat/landsat-levels-processing.

數據引用格式

尹然宇, 何國金, 王桂周, 龍騰飛. 2018年30米分辨率全球一張圖[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-29). DOI: 10.11922/sciencedb.865.