孫偉健 林 軍 阮寧娟 鮑云飛

(1中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京100094)

(2北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

光學(xué)遙感成像系統(tǒng)仿真技術(shù)在遙感器的全生命周期內(nèi),發(fā)揮著十分重要的作用。一般來(lái)說(shuō),傳感器、衛(wèi)星平臺(tái)、深空環(huán)境、大氣傳輸與觀測(cè)地物之間的關(guān)系非常復(fù)雜,不能由簡(jiǎn)單的輸入輸出模型統(tǒng)一描述,遙感數(shù)據(jù)的反演依賴于精確建模整個(gè)成像過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。需要認(rèn)真分析成像環(huán)節(jié)中的外界影響因素和自身誤差定位及硬件設(shè)計(jì)和軟件算法的理論分析,以便提高遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度和使用價(jià)值,獲取科學(xué)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗(yàn),反饋到遙感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。因此,對(duì)整個(gè)空間鏈路成像過(guò)程進(jìn)行仿真是十分必要的[1]。

將整個(gè)成像過(guò)程劃分為多個(gè)相互聯(lián)系的模塊,從數(shù)學(xué)和物理2方面進(jìn)行仿真分析,力求精準(zhǔn)地反映真實(shí)的成像過(guò)程:一方面,通過(guò)精確刻畫(huà)全鏈路成像過(guò)程中數(shù)據(jù)獲取的全過(guò)程,可優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法和質(zhì)量改進(jìn)算法,顯著提高遙感圖像產(chǎn)品品質(zhì);另一方面,達(dá)到不同遙感器在沒(méi)有完全掌握外界環(huán)境條件、擾動(dòng)因素等先驗(yàn)知識(shí)的條件下進(jìn)行成像仿真,反饋到衛(wèi)星遙感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,解決以往只能單向設(shè)計(jì)評(píng)估的缺點(diǎn),可節(jié)省大量的資源,提高工作效率和工程可靠性。同時(shí)通過(guò)仿真可以提高對(duì)于數(shù)據(jù)生成和信息生成過(guò)程的理解,為數(shù)據(jù)處理算法的開(kāi)發(fā)、科學(xué)理論的研究、遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)的提升和應(yīng)用潛力的挖掘起到重要的支撐作用。

2 國(guó)外光學(xué)遙感系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展概況

20世紀(jì)中期,計(jì)算機(jī)技術(shù)相對(duì)落后,物理仿真是當(dāng)時(shí)主要的仿真技術(shù)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室布置人造光源和靶標(biāo),模擬衛(wèi)星在軌飛行獲取的圖像,進(jìn)而驗(yàn)證相機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和成像品質(zhì)。美國(guó)亞利桑那大學(xué)光學(xué)中心建立了世界上第一個(gè)航空航天遙感器物理仿真系統(tǒng)。

20世紀(jì)60～90年代,美國(guó)發(fā)射了多顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,獲得了大量的陸地、大氣和海洋遙感數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家利用這些數(shù)據(jù)來(lái)建立相關(guān)的地物模型,開(kāi)展大量的從圖像到圖像的遙感成像仿真研究。

20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,逐漸出現(xiàn)了成熟的仿真遙感系統(tǒng)的方法和商業(yè)軟件。1995年,美國(guó)NASA公布PATCOD集成設(shè)計(jì)軟件平臺(tái),將多種通用軟件結(jié)合在一起,用于航天器仿真設(shè)計(jì)和分析過(guò)程[2]。1999年,柯達(dá)公司公布其針對(duì)膠片型遙感像機(jī)開(kāi)發(fā)的仿真軟件Physique。2001年,德國(guó)宇航中心開(kāi)發(fā)針對(duì)高光譜成像儀的仿真軟件SENSOR,并且成功應(yīng)用于歐空局(ESA)的APEX(Airbrone Imaging Spectrometer)項(xiàng)目。2002年,美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)傳感器仿真的相應(yīng)算法和軟件產(chǎn)品ART來(lái)模擬的多光譜圖像,并提出基于蒙特卡洛的三維輻射傳輸方程的高光譜遙感仿真系統(tǒng)。2003年,法國(guó)圖盧茲試驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基于“三維體”的輻射傳輸模型DART,通過(guò)構(gòu)造三維地表場(chǎng)景,結(jié)合地物模型,成功地模擬出場(chǎng)景在不同大氣條件、傳感器響應(yīng)條件下的圖像[3-5]。德國(guó)Multigen-Paradigm公司推出的Vega系列仿真模塊,可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)遙感成像過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)、可視化仿真。美國(guó)Raytheon公司研制的全鏈路仿真工具RIMS,已成功應(yīng)用于美國(guó)國(guó)家極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)工程(National Polarorbiting Operational Environment Satellite System,NPOESS)的可見(jiàn)光、紅外輻射儀(Visible Infrared Imager Radiometer Suite,VIIRS)的研制仿真項(xiàng)目。法國(guó)OKTAL公司開(kāi)發(fā)商業(yè)仿真軟件SE-workbench,可以全方位仿真三維場(chǎng)景的輻射特性,基于傳感器參數(shù)設(shè)置,得到精度較高的仿真圖像[6-7]。

2.1 Physique膠片式仿真成像軟件

圖1 Physique的技術(shù)流程圖

1999年,柯達(dá)公司發(fā)布了針對(duì)膠片成像遙感器仿真開(kāi)發(fā)的軟件Physique,該軟件從1979年開(kāi)始應(yīng)用,經(jīng)過(guò)了超過(guò)20 000幅(次)影像的驗(yàn)證,最后通過(guò)評(píng)價(jià)圖像信息量作為優(yōu)化系統(tǒng)的重要依據(jù)。Physique將整個(gè)成像過(guò)程可劃分為15個(gè)模塊(圖1),具體模塊考慮的成像因素有:1)目標(biāo)特征:目標(biāo)類型、方向、高度和反射率等。2)成像幾何關(guān)系:太陽(yáng)、傳感器高度角和方位角等。3)三維景物模型:不同照射條件,景物照射能量百分比。4)光源類型:垂直日光、水平日光、水平陰影、垂直前照陰影、垂直背照陰影。5)成像系統(tǒng)參數(shù):衛(wèi)星軌道高度、視角、焦距、孔徑和大氣能見(jiàn)度等因素。6)大氣模型:大氣散射、大氣吸收、目標(biāo)輻亮度和天空輻亮度。7)曝光量計(jì)算:計(jì)算曝光量的均值和方差。8)MTF模型:計(jì)算成像系統(tǒng)光學(xué)MTF、電學(xué)MTF,傳感器系統(tǒng)總MTF。9)光子和系統(tǒng)噪聲:計(jì)算信號(hào)中的光子噪聲和系統(tǒng)中的各種噪聲。10)量化及其他噪聲和數(shù)據(jù)傳輸模型:計(jì)算量化噪聲、誤碼率等。11)硬拷貝影響模型:制成硬拷貝帶來(lái)的所有影響。12)膠片MTF:膠片MTF參數(shù)。13)膠片平均密度:與不同照射類型有關(guān)。14)膠片噪聲:膠片顆粒度影響。15)信息預(yù)測(cè):評(píng)價(jià)成像品質(zhì)。

2.2 高光譜仿真軟件SENSOR

2001年,德國(guó)宇航中心(DLR)開(kāi)發(fā)出新一代光學(xué)遙感仿真軟件SENSOR。該軟件是一個(gè)多模塊集成的軟件平臺(tái),首次實(shí)現(xiàn)了全鏈路的模擬流程。從幾何和輻射兩方面,精確模擬鏈路中每一成像環(huán)節(jié),系統(tǒng)地仿真光學(xué)、電學(xué)成像模型(諸如鏡頭畸變、暗電流噪聲特性等),并且成功應(yīng)用于歐空局APEX項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制造階段,進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化和可行性論證[8]。

SENSOR的模擬功能由3個(gè)模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn):一是光線追蹤模塊,通過(guò)光線追蹤的方法完成觀測(cè)地物、太陽(yáng)和傳感器之間的幾何建模,構(gòu)建某一成像時(shí)刻像元與觀測(cè)地物對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系,解求地球橢球表面的交會(huì)點(diǎn),查找觀測(cè)地物的輻射屬性;二是成像系統(tǒng)特性模塊,調(diào)用預(yù)先生成的大氣查找表參與計(jì)算,模擬大氣輻射傳輸過(guò)程,生成傳感器入瞳處的輻亮度圖像;三是傳感器特性模擬模塊,由光學(xué)系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)模擬相結(jié)合,建立相應(yīng)的噪聲模型,模擬出接近真實(shí)的傳感器圖像。SENSOR模擬流程如圖2所示。

圖2 SENSOR的模擬流程圖

SENSOR優(yōu)化評(píng)價(jià)模塊如圖3所示,輸入不同的系統(tǒng)參數(shù),根據(jù)不同指標(biāo)特性所產(chǎn)生的影響進(jìn)行仿真分析,為評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)是否符合用戶需求、優(yōu)化參數(shù)和成像觀測(cè)條件、測(cè)試地面系統(tǒng)的處理性能、數(shù)據(jù)產(chǎn)品的品質(zhì)評(píng)價(jià)和工程成本效益的評(píng)估提供必備的保證[9]。

圖3 SENSOR優(yōu)化流程圖

SENSOR將整個(gè)空間全鏈路的成像過(guò)程和地面處理算法聯(lián)系起來(lái),形成一個(gè)完整的系統(tǒng),對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析并反饋到實(shí)際的工程制造中。目前,為了達(dá)到對(duì)多種遙感器,不同環(huán)境條件下的遙感成像仿真SEN-SOR還在不斷地完善中。

2.3 遙感成像仿真軟件DIRSIG

20世紀(jì)80年代,羅徹斯特理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了遙感成像仿真軟件DIRSIG。90年代早期,增加了三維幾何建模,并采用光線追蹤算法實(shí)現(xiàn)虛擬相機(jī)位置的任意設(shè)定和光的遮影和反射的計(jì)算。在這種思路下設(shè)計(jì)了輻射傳輸引擎,由光譜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算輻射亮度,使用相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù),模擬計(jì)算到達(dá)相機(jī)的輻射度。增加全光學(xué)波段模塊,由長(zhǎng)波熱輻射波段擴(kuò)展到太陽(yáng)短波輻射波段(0.28～20μ m),計(jì)算大氣對(duì)短波輻射的透過(guò)和散射。90年代中期,DIRSIG軟件又增加了高光譜模擬模塊,用來(lái)模擬圖像光譜立方體數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)了空間和光譜方面的光譜混合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形的紋理。增加成像幾何模擬模塊,模擬出由于成像系統(tǒng)的掃描方式(如推掃/擺掃)造成的圖形扭曲;光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)效應(yīng)模塊。2000年,DIRSIG完成工程化改造,目前已推出4.2.2版,但中國(guó)大陸無(wú)法申購(gòu)。[10-12]

DIRSIG已經(jīng)應(yīng)用于NASA許多項(xiàng)目中,例如:OrbView-4商業(yè)衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星(EO-1)、MISI多光譜成像儀等遙感數(shù)據(jù)的模擬;為應(yīng)用模型的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)源,如機(jī)載野火檢測(cè)項(xiàng)目(WASP)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)(FIRES)、有害氣體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目等;另外,DIRSIG作為三大核心模塊之一,嵌入NASA虛擬產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室軟件(VPL)完成高精度場(chǎng)景模擬。DIRSIG模型應(yīng)用如圖4所示。

圖4 DIRSIG模型的應(yīng)用示例

綜上所述,光學(xué)成像仿真主要分為硬和軟兩種方法,主要區(qū)別體現(xiàn)在對(duì)地表場(chǎng)景輻射的模擬。硬方法是基于光電技術(shù)的物理仿真,需要通過(guò)物理硬件實(shí)現(xiàn),軟方法通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。按照數(shù)據(jù)源分類包括圖-圖模擬和庫(kù)-圖模擬:1)圖-圖模擬方法。由已知的機(jī)載/星載高空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)相數(shù)據(jù),加入輻射傳輸計(jì)算后,模擬指定傳感器的圖像。2)庫(kù)-圖模擬方法,利用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)典型地物的測(cè)量波譜、地表分類信息、地形地貌信息等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)和遙感物理模型的正向成像模擬,利用已有數(shù)據(jù)提供的先驗(yàn)知識(shí),再結(jié)合相關(guān)遙感物理模型模擬出遙感圖像。

軟方法按照數(shù)據(jù)模擬的技術(shù)思路分類,大致可歸納為:1)圖像合成法,圖像到圖像的模擬。利用已有的圖像進(jìn)行圖像變換后,得到模擬的圖像。2)基于數(shù)學(xué)方法的成像模擬。利用Monte Carlo等數(shù)學(xué)方法直接模擬整個(gè)成像過(guò)程。3)利用相關(guān)輔助數(shù)據(jù)和遙感物理模型的正向成像模擬。利用已有數(shù)據(jù)提供的先驗(yàn)知識(shí),在結(jié)合相關(guān)遙感物理模型模擬出遙感圖像,如SENSOR和RIMS。4)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、光線追蹤技術(shù)和紋理映射技術(shù)。如DIRSIG和SE通過(guò)建立三維實(shí)體的幾何模型,給定實(shí)體的紋理和材質(zhì),通過(guò)映射給出實(shí)體的組分溫度、發(fā)射率,根據(jù)給定的觀測(cè)角度進(jìn)行光線追蹤,并利用熱傳導(dǎo)等物理方程求出實(shí)體的熱輻射。

3 發(fā)展趨勢(shì)和思考

隨著對(duì)地觀測(cè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展,和最近10年來(lái)遙感衛(wèi)星的商業(yè)化,光學(xué)遙感成像系統(tǒng)全鏈路仿真技術(shù)已經(jīng)得到人們的普遍認(rèn)可,人們已經(jīng)開(kāi)始重視仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)、制造、組裝、集成和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)中的作用。在提高遙感產(chǎn)品品質(zhì)、分析成像的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)獲取的影響方面,仿真技術(shù)起著至關(guān)重要的技術(shù)支撐。光學(xué)遙感成像系統(tǒng)全鏈路仿真已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。

仿真技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),大致可以分為以下2個(gè)方面:

1)從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)看,20世紀(jì)60年代,仿真技術(shù)首次用于遙感制造,物理仿真是當(dāng)時(shí)仿真技術(shù)的主流。這種仿真技術(shù)需要建造的工程量大,并且系統(tǒng)復(fù)用性小,很大一部分造成了資源的浪費(fèi)。20世紀(jì)70、80年代,多顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星按計(jì)劃發(fā)射,獲得了大量的陸地、大氣和海洋遙感數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外許多專家利用這些數(shù)據(jù)來(lái)建立相關(guān)的地物模型,開(kāi)展了從圖像到圖像的遙感成像仿真研究(圖-圖模擬)。這種模擬相對(duì)于20世紀(jì)60年代純物理上的仿真技術(shù)在資源上要節(jié)約很多,工程量也不是很大,但其依賴于高分辨率遙感圖像,并且模擬模型的精度需要進(jìn)一步提升才能滿足飛速發(fā)展的對(duì)地觀測(cè)的需求。隨著一系列地物光譜學(xué)與形態(tài)學(xué)研究的深入,基于模型的遙感圖像仿真模擬研究有了新的進(jìn)展。20世紀(jì)90年代后期,逐漸出現(xiàn)了模擬遙感系統(tǒng)新的方法和軟件,利用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)典型地物的測(cè)量波譜、地表分類信息、地形地貌信息等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)和遙感物理模型的正向成像模擬;利用已有數(shù)據(jù)提供的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),結(jié)合相關(guān)遙感物理模型模擬出遙感圖像。這種方法可以建立精細(xì)的模型,符合整個(gè)成像過(guò)程和能量傳輸,模擬精度大大提高。最近幾年,通過(guò)建立三維實(shí)體的幾何模型,給定實(shí)體的紋理和材質(zhì),通過(guò)映射給出實(shí)體的組分溫度、發(fā)射率,根據(jù)給定的觀測(cè)角度進(jìn)行光線追蹤,并利用熱傳導(dǎo)等物理方程求出實(shí)體的熱輻射,這種模擬方法可以模擬出種類豐富并且近似真實(shí)的地物。同時(shí)傳感器平臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)的建模精度不斷提高,結(jié)合大氣傳輸?shù)某尚屠碚摵蛙浖?更加精確地構(gòu)建出傳感器獲取圖像的整個(gè)成像過(guò)程。

2)從應(yīng)用推廣的角度來(lái)看,對(duì)地觀測(cè)事業(yè)是一個(gè)巨大的綜合產(chǎn)業(yè)鏈,涉及國(guó)防、軍事、國(guó)土資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃等各個(gè)領(lǐng)域,是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn),各國(guó)都大力推動(dòng)其對(duì)地觀測(cè)事業(yè)的發(fā)展。對(duì)地觀測(cè)的價(jià)值最終體現(xiàn)在應(yīng)用上,所以仿真技術(shù)應(yīng)該以推動(dòng)應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向,通過(guò)模擬新型遙感器的圖像,預(yù)先建立應(yīng)用模型,來(lái)探索新的應(yīng)用領(lǐng)域,進(jìn)行新型遙感器應(yīng)用技術(shù)的預(yù)先研究等。最初的模擬工作是圍繞衛(wèi)星成像的穩(wěn)定性而開(kāi)展的,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室、鋪設(shè)物理靶標(biāo)都是為了模擬衛(wèi)星在軌是否能夠穩(wěn)定有效地成像。而后來(lái)逐步開(kāi)展的“圖-圖模擬”工作,從定性和定量的角度分析了遙感器的成像特性,評(píng)估了其應(yīng)用的使用價(jià)值,但定量評(píng)估方面還有所欠缺,需進(jìn)一步加強(qiáng)提高。而現(xiàn)在的空間全鏈路仿真不僅僅可以仿真衛(wèi)星在軌成像的穩(wěn)定性,還可以分析評(píng)估其像質(zhì)特性,噪聲誤差的干擾,定義故障環(huán)節(jié),通過(guò)提高建模精度和測(cè)量數(shù)據(jù)的精度,提高對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)仿真的精度,建立新型遙感器應(yīng)用模型,挖掘數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

相對(duì)于國(guó)外已經(jīng)成型的商用模擬軟件,國(guó)內(nèi)全鏈路仿真工作剛剛起步,并且各研制單位的側(cè)重及技術(shù)積累各不相同,中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、北京空間機(jī)電研究所、中科院遙感所、北京師范大學(xué)、安微光機(jī)所等研究機(jī)構(gòu)對(duì)于傳感器仿真均作了相應(yīng)的研究和工程實(shí)現(xiàn),但能夠達(dá)到國(guó)外現(xiàn)階段仿真軟件水平的少之又少,所以只有通過(guò)國(guó)內(nèi)各家單位取長(zhǎng)補(bǔ)短、整合資源的方式,才能完成光學(xué)遙感成像系統(tǒng)全鏈路數(shù)據(jù)仿真工作,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,追趕國(guó)外先進(jìn)水平。仿真軟件建設(shè)思路應(yīng)兼顧科研性和工程性,在衛(wèi)星立項(xiàng)論證階段、衛(wèi)星研制階段、地面系統(tǒng)研制階段、衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段均發(fā)揮重著大作用:一方面,通過(guò)模擬在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)與在軌成像數(shù)據(jù)對(duì)比,達(dá)到驗(yàn)證、提高模擬精度,完善模擬算法的目的;另一方面,通過(guò)模擬即將發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)據(jù),優(yōu)化其傳感器參數(shù),完善優(yōu)化流程,驗(yàn)證優(yōu)化精度。追蹤國(guó)外先進(jìn)模擬技術(shù),遵循嚴(yán)格成像物理過(guò)程進(jìn)行模擬,開(kāi)發(fā)出一套高精度、高性能、高可擴(kuò)展性的軟件平臺(tái),完成全鏈路對(duì)地觀測(cè)仿真技術(shù)在我國(guó)的工程實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

縱觀仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),技術(shù)層面上,由硬件物理仿真發(fā)展到軟件仿真,使數(shù)據(jù)模擬的工作量大大降低,由單一環(huán)節(jié)的模擬逐步發(fā)展為空間全鏈路的模擬,仿真成像越來(lái)越接近真實(shí)成像過(guò)程;應(yīng)用層面上,仿真模擬向高精度建模的方向發(fā)展,提高了數(shù)據(jù)仿真精度,同時(shí)仿真為算法的開(kāi)發(fā)、科學(xué)理論的研究、遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和應(yīng)用潛力的挖掘起到重要的支撐作用。

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