文強(qiáng) 嚴(yán)明, 楊秉新 王智勇 伍菲 賀少帥 童慶禧

（1二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096）

（2中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101）

（3北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

“實(shí)踐九號(hào)”A/B衛(wèi)星作為中國(guó)民用新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列的首發(fā)星，主要用于衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠、高精度高性能、國(guó)產(chǎn)核心元器件和衛(wèi)星編隊(duì)及星間測(cè)量與鏈路等試驗(yàn)?！皩?shí)踐九號(hào)”A（SJ-9A）衛(wèi)星搭載的輕型高性能光學(xué)小相機(jī)，在645km的太陽(yáng)同步軌道上獲取30km幅寬的2.5m分辨率全色和10m分辨率藍(lán)、綠、紅、近紅外4波段多光譜高分辨率遙感圖像。表1為高性能光學(xué)小相機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 SJ-9A衛(wèi)星高性能光學(xué)小相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specification of high performance optical small camera of SJ-9A

高性能光學(xué)小相機(jī)作為SJ-9A衛(wèi)星的主要載荷，相機(jī)研制和地面處理單位聯(lián)合開(kāi)展了對(duì)其為期半年的在軌成像質(zhì)量（Quality）評(píng)價(jià)，優(yōu)化相機(jī)成像設(shè)置和地面預(yù)處理參數(shù)，提升圖像產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)揮SJ-9A高分辨率遙感圖像的應(yīng)用潛力。本文從高性能光學(xué)小相機(jī)遙感圖像的輻射精度、波段配準(zhǔn)、MTF復(fù)原、圖像幾何畸變4個(gè)環(huán)節(jié)，綜合評(píng)價(jià)SJ-9A衛(wèi)星高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量，驗(yàn)證光學(xué)小相機(jī)的遙感應(yīng)用能力。

2 輻射精度評(píng)價(jià)

2.1 CCD拼接色調(diào)差異與探元響應(yīng)差異

CCD拼接是將像元數(shù)較少的多片CCD拼接排列成一條直線，獲得像元數(shù)較多的等效CCD線陣[1]。SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)采用反射鏡光學(xué)拼接方式實(shí)現(xiàn)了TDICCD長(zhǎng)線陣拼接，其成像參數(shù)如表2。

表2 高性能光學(xué)小相機(jī)TDICCD成像參數(shù)Tab.2 Parameters of TDICCD

理想狀態(tài)下，TDICCD各探元在相同的輻亮度輸入條件下具有完全相同的輸出響應(yīng)；但實(shí)際上，由于光學(xué)系統(tǒng)、不同視場(chǎng)及視場(chǎng)拼接、TDICCD各片、各抽頭、各探元的響應(yīng)不一致以及電路差異等因素的影響，不同探元有其不同程度的響應(yīng)差異，導(dǎo)致原始遙感圖像存在奇偶條帶、色差、暗像元等噪聲問(wèn)題[2]。圖1顯示了SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)原始全色和多光譜圖像存在TDICCD拼接縫暗條帶和抽頭間的色調(diào)差異現(xiàn)象。

圖1 原始圖像的拼接暗條帶和色差Fig.1 Dark stripes and color aberration of raw multispectral and panchromatic images

統(tǒng)計(jì)圖1沙漠區(qū)域多光譜藍(lán)波段和全色原始圖像列像元DN（Digital Number）均值（如圖2），SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)原始圖像存在兩片 TDICCD拼接暗條帶、CCD響應(yīng)非線性、抽頭間色調(diào)差異和暗像元。拼接縫最暗像元DN值比平均灰度值下降了400～500個(gè)DN值。

圖2 原始圖像列像元DN均值直方圖Fig.2 Histogram of mean DN value of raw multispectral and panchromatic column images

2.2 輻射校正與精度評(píng)價(jià)

為了校正原始圖像中的輻射畸變，需對(duì)相機(jī)各探元輸出的DN值進(jìn)行輻射歸一化處理。通過(guò)對(duì)多時(shí)相的沙漠和海面均一地物原始圖像列像元DN均值統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)TDICCD各探元存在正常線性響應(yīng)區(qū)和接近飽和的弱線性響應(yīng)區(qū)，線性響應(yīng)度的拐點(diǎn)在DN值850～950區(qū)間。圖3以藍(lán)、綠、紅、近紅外波段TDICCD的第100和第200個(gè)探元為例，反映10bit動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)探元線性響應(yīng)度的差異。

圖3 TDICCD探元線性響應(yīng)度差異Fig.3 Response discrepancy of individual TDICCD detector

針對(duì)SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)TDICCD探元的響應(yīng)特點(diǎn)，采取分段輻射校正的方法消除原始圖像中的輻射畸變。在每個(gè)動(dòng)態(tài)分段區(qū)間內(nèi)，使用式（1）進(jìn)行逐列像元灰度值輻射校正。

式中 DNi′為第i列像元校正后的DN值；DNi為第i列原始像元DN值；Gi為第i列像元的增益系數(shù)；Bi為第i列像元的偏置系數(shù)。

通過(guò)對(duì)不同亮度均勻地物原始圖像的DN均值和方差統(tǒng)計(jì)分析，采用最小二乘擬合，計(jì)算得到每個(gè)動(dòng)態(tài)分段區(qū)間內(nèi)每個(gè)探元的增益和偏置系數(shù)。對(duì)圖1輻射校正后的圖像如圖4所示：

圖4 輻射校正多光譜和全色圖像Fig.4 Radiometricly corrected multispectral and panchromatic image

目視效果上，輻射校正消除了原始圖像中TDICCD拼接暗條帶、分抽頭色調(diào)差異和暗像元；在定量化評(píng)價(jià)上，使用廣義噪聲法評(píng)價(jià)輻射校正的精度。廣義噪聲法是在輻射校正后的圖像上選取一塊M行N列的均勻地物圖像，計(jì)算每列圖像的均值和該區(qū)域圖像的均值以及兩者差值絕對(duì)值的平均值（Err），然后求該絕對(duì)均值與區(qū)域均值的比值[3]。該比值的百分?jǐn)?shù)即為廣義噪聲值（Generalized Noise，GN）。

式中 N為圖像的列數(shù)；M為圖像的行數(shù)； D Ni,j為第i列第j行像元的DN值；為整幅圖像的DN均值。輻射校正后多光譜各波段和全色圖像（圖4所示）的廣義噪聲計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 輻射校正圖像廣義噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Generalized noise of radiometricly corrected image

3 波段配準(zhǔn)精度評(píng)價(jià)

由于線陣CCD焦平面裝配的微小誤差和各CCD探元大小不一致等因素，多光譜原始圖像各波段間會(huì)存在明顯的配準(zhǔn)誤差，且各波段間的配準(zhǔn)誤差呈非線性關(guān)系[4]。在遙感圖像地面預(yù)處理中，需校正各波段間的配準(zhǔn)誤差，生產(chǎn)亞像元配準(zhǔn)精度的多光譜圖像產(chǎn)品。

在 SJ-9A多光譜圖像配準(zhǔn)處理中，使用線陣 CCD間各探元相對(duì)位置偏差模型，實(shí)現(xiàn)多波段圖像的亞像元自動(dòng)配準(zhǔn)[5]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析不同時(shí)相、不同側(cè)擺角的多景多光譜圖像配準(zhǔn)誤差，以綠波段圖像為參考波段，計(jì)算藍(lán)、紅和近紅外波段CCD線陣上每個(gè)探元圖像相對(duì)于參考波段沿線陣CCD掃描方向和衛(wèi)星飛行方向上的位置偏移量Δx和Δy，再通過(guò)最小二乘擬合得到各波段圖像間逐像元的波段配準(zhǔn)誤差模型，實(shí)現(xiàn)多波段圖像的配準(zhǔn)。具體步驟如下：

1）在參考圖像和待匹配圖像上通過(guò)灰度交叉相關(guān)和二次曲面擬合自動(dòng)采集同名參考點(diǎn)；

2）計(jì)算各參考點(diǎn)在圖像行（X）和列（Y）方向上的像元偏移量；

3）使用最小二乘擬合內(nèi)插得到每個(gè)CCD探元對(duì)應(yīng)像元在圖像X和Y方向上的位置偏移量；

4）利用多景圖像求平均偏移量，計(jì)算圖像逐像元在X和Y方向上的位置偏移校正系數(shù)Δx和Δy，得出式（4）所示的多波段配準(zhǔn)模型。

式中 DN(,)x y' 為配準(zhǔn)后圖像的 DN值。波段配準(zhǔn)處理時(shí)，利用式（4）對(duì)待配準(zhǔn)波段圖像進(jìn)行逐像元偏移誤差校正，并使用三次卷積灰度重采樣得到配準(zhǔn)后圖像。圖5顯示了SJ-9A多光譜藍(lán)、綠、紅波段配準(zhǔn)前后的對(duì)比圖像。

為了定量評(píng)價(jià)多光譜圖像的配準(zhǔn)精度，計(jì)算配準(zhǔn)后各波段圖像同名檢查點(diǎn)在X方向和Y方向上像元匹配誤差的均方根誤差。計(jì)算公式為：

圖5 多光譜波段配準(zhǔn)圖像Fig.5 Band registration image

表4 多光譜配準(zhǔn)精度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Precision of multispectral registration image

4 MTF檢測(cè)與圖像復(fù)原

調(diào)制傳遞函數(shù) MTF是光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，能反映成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物成像過(guò)程中信號(hào)的擴(kuò)散與衰減程度。衛(wèi)星發(fā)射前，光學(xué)相機(jī)的 MTF可以在實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)量。當(dāng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于受到發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)、從地面到空間失重環(huán)境的應(yīng)力釋放、大氣衰減和相機(jī)運(yùn)動(dòng)成像的影響，相比實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)量結(jié)果，相機(jī)在軌MTF會(huì)發(fā)生衰減。MTF在軌檢測(cè)與評(píng)價(jià)對(duì)高分辨率遙感圖像質(zhì)量提升具有重要作用。

目前，常用的在軌MTF測(cè)量方法有：高分辨率圖像法、點(diǎn)源法、刃邊地物法及線性地物測(cè)量法[6]。本文利用地面靶標(biāo)場(chǎng)圖像，采用刃邊地物法測(cè)量SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)的在軌MTF值。刃邊地物法是通過(guò)圖像上與衛(wèi)星軌道方向呈微小角度且具有一定長(zhǎng)度的平直地物邊緣來(lái)測(cè)量跨軌和沿軌方向圖像刃邊邊緣擴(kuò)展函數(shù)（Edge Spread Function，ESF），對(duì)ESF差分得到線擴(kuò)展函數(shù)（Line Spread Function，LSF），再對(duì)LSF進(jìn)行傅里葉變換得到MTF。

使用2013年4月15日拍攝的內(nèi)蒙古靶標(biāo)場(chǎng)圖像（如圖6所示）測(cè)量全色波段的跨軌 MTF值，來(lái)評(píng)價(jià)高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量。經(jīng)測(cè)試，該圖像跨軌Nyquist頻率處MTF值為0.115，說(shuō)明SJ-9A全色圖像具有較高的動(dòng)態(tài)MTF值。

圖6 MTF靶標(biāo)場(chǎng)圖像Fig.6 MTF target image

為了進(jìn)一步提升SJ-9A全色圖像的清晰度，在SJ-9A遙感圖像地面處理中采用維納濾波復(fù)原法對(duì)全色圖像進(jìn)行 MTF補(bǔ)償清晰化處理。利用內(nèi)蒙古靶標(biāo)場(chǎng)計(jì)算的MTF值對(duì)全色圖像進(jìn)行MTF復(fù)原處理，得到清晰度補(bǔ)償?shù)娜珗D像。復(fù)原前后的全色圖像如圖7，復(fù)原后圖像的跨軌Nyquist頻率處MTF值達(dá)到0.305，說(shuō)明MTF復(fù)原處理極大地提升了全色圖像的清晰度。復(fù)原處理后全色圖像的地物邊緣更為清晰，細(xì)節(jié)更為豐富。

圖7 全色MTF復(fù)原圖像Fig.7 MTF restored panchromatic image

5 圖像幾何畸變建模與評(píng)價(jià)

相機(jī)的光學(xué)畸變和 CCD的裝配誤差，是造成光學(xué)遙感圖像幾何畸變的根本原因。對(duì)于推掃式TDICCD相機(jī)，可使用一對(duì)三次多項(xiàng)式對(duì)圖像幾何畸變建模，通過(guò)畸變系數(shù)在軌檢校和地面處理來(lái)改善圖像的圖像幾何畸變[7-8]，提高幾何定位精度。圖像幾何畸變校正模型如式（7）。

進(jìn)行高分辨率相機(jī)在軌內(nèi)方位幾何畸變?cè)u(píng)價(jià)，首先需要獲取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)密集的差分GPS測(cè)量點(diǎn)或者其它高定位精度的高分辨率正射圖像（如航空正射影像、1∶2 000數(shù)字地形圖），作為幾何畸變?cè)u(píng)價(jià)的基準(zhǔn)[9]。本文使用經(jīng)幾何畸變校正后的“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星下視圖像作為參考，初步評(píng)價(jià)SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)全色圖像幾何畸變。

圖8 SJ-9A原始全色圖像Fig.8 Raw panchromatic image of SJ-9A

圖9 幾何畸變校正后的ZY-3全色圖像Fig.9 Distortion corrected panchromatic image of ZY-3

SJ-9A待評(píng)價(jià)圖像和ZY-3參考圖像分別如圖8和圖9所示，為北京城區(qū)北部的平坦區(qū)域。SJ-9A全色圖像成像時(shí)間為2013年3月10日，圖像大小為12 208像元（列）×4 000像元（行），空間分辨率為2.5m；ZY-3下視圖像成像時(shí)間為2013年4月6日，圖像大小為14 324像元（列）×4 798像元（行），空間分辨率為2.1m。

以ZY-3圖像為參考，采用影像相關(guān)匹配法[5]密集采集SJ-9A全色圖像與ZY-3參考圖像間的同名控制點(diǎn)，共采集匹配控制點(diǎn)2 336個(gè)（如圖10），匹配誤差為0.24個(gè)像元。

圖10 匹配同名點(diǎn)分布Fig.10 Distribution of matched tie points

計(jì)算每個(gè)同名點(diǎn)在圖像行和列方向的像元偏差，使用最小二乘擬合，模擬得到每個(gè) CCD探元在行掃描和衛(wèi)星飛行方向的圖像幾何畸變誤差（如圖11）（圖中實(shí)線為垂直于衛(wèi)星飛行方向），并擬合計(jì)算得到8個(gè)內(nèi)方位定標(biāo)參數(shù)（如表5）。

圖11 SJ-9A全色圖像幾何畸變曲線Fig.11 Geometric distortion curve of SJ-9A panchromatic image

表5 全色圖像幾何畸變校正系數(shù)Tab.5 Geometric distortion calibration coefficients of panchromatic image

由圖像幾何畸變曲線可知，垂直衛(wèi)星飛行方向的圖像幾何畸變明顯大于衛(wèi)星飛行方向的幾何畸變，離CCD線陣中心越遠(yuǎn)的探元，其幾何畸變?cè)酱?。但這種畸變具有相對(duì)的穩(wěn)定性，可通過(guò)定期的圖像幾何畸變?cè)谲墮z校和建模，予以消除或改善。

6 結(jié)束語(yǔ)

高性能光學(xué)小相機(jī)作為SJ-9A衛(wèi)星上的主要載荷，其在軌成像質(zhì)量和地面處理精度決定了SJ-9A衛(wèi)星2.5m全色和10m多光譜圖像遙感應(yīng)用的深度和廣度。通過(guò)對(duì)高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量和地面處理精度的評(píng)價(jià)，相機(jī)的全色和多光譜圖像的輻射校正、波段配準(zhǔn)、復(fù)原清晰度、圖像幾何畸變校正等核心圖像質(zhì)量精度符合當(dāng)前高分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用需求，可以廣泛應(yīng)用于我國(guó)土地資源監(jiān)察、農(nóng)作物種植面積監(jiān)測(cè)、林業(yè)普查、城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等遙感應(yīng)用領(lǐng)域。

高性能光學(xué)小相機(jī)作為應(yīng)用載荷，必須持續(xù)定期評(píng)價(jià)其在軌輻射和波段配準(zhǔn)精度，更新 MTF和內(nèi)方位參數(shù)，以提供質(zhì)量穩(wěn)定的SJ-9A高分辨光學(xué)遙感圖像產(chǎn)品。

References)

[1]徐彭梅, 楊樺, 伏瑞敏, 等. CBERS-1衛(wèi)星CCD相機(jī)的光學(xué)拼接、配準(zhǔn)和定焦[J]. 航天返回與遙感, 2001, 22(3): 12-15.XU Pengmei, YANG Hua, FU Ruimin, et al. Optical Butting, Registration and Focus-fixing of CCD Camera for CBERS-1 Satellite [J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2001, 22(3): 12-15. (in Chinese)

[2]何紅艷, 王小勇, 宗云花. CBERS-02B衛(wèi)星TDICCD相機(jī)的相對(duì)輻射定標(biāo)方法及結(jié)果[J]. 航天返回與遙感, 2010, 31(4):38-44.HE Hongyan, WANG Xiaoyong, ZONG Yunhua. Relative Radiant Calibration Method and Result of TDICCD Camera of CBERS-02B Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2010, 31(4): 38-44. (in Chinese)

[3]徐文, 葛曙樂(lè), 龍小祥, 等. “資源三號(hào)”衛(wèi)星三線陣相機(jī)輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(3): 65-74.XU Wen, GE Shule, LONG Xiaoxiang, et al. Radiometric Image Quality Assessment of ZY-3 TLC Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(3): 65-74. (in Chinese)

[4]Torbj?rn Westin. Geometric Calibration of UK-DMC2 Imagery [D]. Document ID: SM-UK-DMC2-CAL, 2009.

[5]嚴(yán)明, 王智勇, 伍菲, 等. CCD幾何偏差模型的多波段遙感影像配準(zhǔn)[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2012, 16(6): 1145-1156.YAN M ing, WANG Zhiyong, WU Fei, et al. Multi-spectral Image Registration Method Based on CCD Geometric Bias Model[J]. Journal of Remote Sensing, 2012, 16(6): 1145-1156. (in Chinese)

[6] 顧行發(fā), 李小英, 閔祥軍, 等. CBERS-02衛(wèi)星CCD相機(jī)MTF在軌測(cè)量及圖像MTF補(bǔ)償[J]. 中國(guó)科學(xué)E輯信息科學(xué),2005, 35(1): 26-40.

[7]Chunsun Zhang, Fraser C S. Interior Orientation Error Modeling and Correction for Precise Geo-referencing of Satellite Imagery[C], International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2012, Volume XXXIX-B1, 285-290.

[8]李德仁, 王密.“資源三號(hào)”衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)及精度評(píng)估[J], 航天返回與遙感, 2012, 33(3): 1-6.LI Deren, WANG M i. On-orbit Geometric Calibration and Accuracy Assessment of ZY-3[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(3): 1-6. (in Chinese)

[9]Arm in Gruen, Sultan Kocaman. Optical Sensors High Resolution:Geometry Validation Methodology [D]. 2008, Institute of Geodesy and Photogrammetry.