徐文 龍小祥 李慶鵬 崔林 鐘慧敏

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

“高分四號(hào)”衛(wèi)星影像輻射與幾何精度評(píng)價(jià)

徐文 龍小祥 李慶鵬 崔林 鐘慧敏

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

“高分四號(hào)”（GF-4）衛(wèi)星是中國(guó)首顆高分辨率靜止軌道面陣凝視光學(xué)遙感衛(wèi)星，載荷首次采用面陣CMOS探測(cè)器在36 000km高軌成像、基于面陣成像構(gòu)建在軌相對(duì)輻射校正模型、面陣相機(jī)光學(xué)畸變?cè)谲墮z校。文章首先分析了影響GF-4衛(wèi)星影像輻射質(zhì)量（quality，以下同）與幾何精度的關(guān)鍵因素，然后介紹了高軌面陣成像處理模型的構(gòu)建技術(shù)，最后分析評(píng)價(jià)了GF-4衛(wèi)星影像的輻射質(zhì)量、幾何質(zhì)量和處理精度。結(jié)果表明：GF-4號(hào)衛(wèi)星全色多光譜影像的平均行標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差和廣義噪聲等相對(duì)輻射精度指標(biāo)均優(yōu)于3%，典型地物信噪比平均優(yōu)于40dB。影像內(nèi)部畸變?cè)诖管壓脱剀壏较蚓鶅?yōu)于0.8個(gè)像素。

相對(duì)輻射校正 幾何精度分析 面陣相機(jī)在軌幾何檢校 “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

“高分四號(hào)”（GF-4）衛(wèi)星是我國(guó)首顆高分辨率靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星搭載一臺(tái)凝視相機(jī)，該相機(jī)同時(shí)具有可見光近紅外（VNIR）成像通道和中波紅外成像通道。VNIR影像幅寬優(yōu)于500km，IRS影像幅寬優(yōu)于400km，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率和高地面像元分辨率相結(jié)合，具有凝視成像、機(jī)動(dòng)巡查、區(qū)域成像等多個(gè)模式，能夠滿足減災(zāi)、氣象、地震、林業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的不同需求。

遙感衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量（quality，全文同）主要包括影像輻射質(zhì)量和幾何質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面，其中影像的輻射質(zhì)量是圖像質(zhì)量的先決條件，其不僅決定了影像色彩響應(yīng)均衡一致性，也影響后續(xù)用戶定量反演、影像融合等應(yīng)用；影像的幾何質(zhì)量是圖像質(zhì)量最重要的因素，它不僅決定了影像的內(nèi)部幾何精度和外部定位精度，也影響后續(xù)用戶區(qū)域網(wǎng)平差、變化檢測(cè)等應(yīng)用。

GF-4衛(wèi)星首次采用面陣CMOS探測(cè)器在36 000km高軌成像，而面陣成像的在軌相對(duì)輻射校正模型構(gòu)建、面陣相機(jī)光學(xué)畸變檢校均尚屬首次，GF-4衛(wèi)星影像產(chǎn)品處理后輻射質(zhì)量和幾何質(zhì)量能否滿足用戶需求是亟待解決的問題，所以必須開展GF-4衛(wèi)星影像輻射與幾何精度評(píng)價(jià)分析工作。

1 影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

1.1 影像輻射質(zhì)量影響關(guān)鍵因素

衛(wèi)星發(fā)射前后，由于發(fā)射過(guò)程和在軌空間環(huán)境的影響，相機(jī)各波段的底電平輸出、響應(yīng)特性都可能發(fā)生變化，使得根據(jù)地面整星定標(biāo)數(shù)據(jù)獲得的定標(biāo)系數(shù)與相機(jī)真實(shí)響應(yīng)曲線之間存在誤差。從而導(dǎo)致在軌圖像數(shù)據(jù)經(jīng)地面相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行輻射校正后，存在影像響應(yīng)不一致現(xiàn)象。對(duì)影像的輻射質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)可以在一定程度上反映衛(wèi)星成像質(zhì)量，有助于確定衛(wèi)星影像在各應(yīng)用領(lǐng)域中的處理方法和方案[1-2]。為了準(zhǔn)確分析GF-4衛(wèi)星影像輻射特性，結(jié)合GF-4衛(wèi)星傳感器特點(diǎn)，本文從相對(duì)定標(biāo)精度和信噪比兩個(gè)方面對(duì)影像輻射質(zhì)量的主要影響因素進(jìn)行闡述。

1）相對(duì)定標(biāo)精度。相對(duì)輻射定標(biāo)是確定場(chǎng)景中各像元之間、各探測(cè)器之間、各波段之間以及不同時(shí)間測(cè)得的輻射量的相對(duì)值，從而消除由于探測(cè)器在空間上的響應(yīng)不一致、在時(shí)間上的不穩(wěn)定性，以及電路噪聲所引起的非均勻性輻射失真[3-4]。

2）信噪比。信噪比通常定義為圖像中的有用信息與噪聲信號(hào)的比值。在復(fù)雜地物區(qū)域，由于信號(hào)的復(fù)雜性，通常難以可靠地區(qū)分有用信息與噪聲，因此常選用均勻地物區(qū)域進(jìn)行信噪比測(cè)試。圖像信噪比越大，說(shuō)明混在圖像信息中的噪聲越少，有效信息抗噪能力越強(qiáng)，圖像質(zhì)量越好[5]。

1.2 基于面陣相機(jī)的在軌相對(duì)輻射校正與處理模型構(gòu)建

目前，線陣推掃 CCD相機(jī)一般采用基于實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)概率密度統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)構(gòu)建相對(duì)輻射校正模型[6-7]。

而對(duì)于面陣成像，在軌成像過(guò)程中無(wú)法獲取具有統(tǒng)計(jì)意義的探測(cè)數(shù)據(jù)。在軌如何優(yōu)化從而構(gòu)建精確的輻射校正模型，成為影響GF-4衛(wèi)星圖像相對(duì)輻射校正精度和外場(chǎng)絕對(duì)定標(biāo)精度的關(guān)鍵。

本文采用基于不同衛(wèi)星同步過(guò)境、模擬不同衛(wèi)星成像幾何進(jìn)行交叉定標(biāo)，同步進(jìn)行幾何定標(biāo)和相對(duì)輻射模型定標(biāo)的技術(shù)方法。該方法采用“高分一號(hào)”（GF-1）衛(wèi)星與GF-4衛(wèi)星同步過(guò)境同時(shí)成像時(shí)，以GF-1衛(wèi)星16mWFV相機(jī)的幾何模型為參考，構(gòu)建GF-4衛(wèi)星同步過(guò)境時(shí)刻的內(nèi)外方位元素檢校模型，然后以此時(shí)刻的嚴(yán)格幾何模型為基準(zhǔn)，構(gòu)建GF-1與GF-4衛(wèi)星的幾何關(guān)系；根據(jù)幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)GF-1衛(wèi)星影像在GF-4衛(wèi)星焦平面的成像模擬，從而構(gòu)建GF-4衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射校正模型?？傮w技術(shù)流程如圖1所示。

1.3 輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1.3.1 相對(duì)輻射校正精度評(píng)價(jià)方法

相對(duì)定標(biāo)精度反映了各探元的響應(yīng)特性。相對(duì)定標(biāo)精度越差，說(shuō)明相機(jī)各探元的輻射差異越大。本文主要從平均行標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差和廣義噪聲三個(gè)方面對(duì)相對(duì)定標(biāo)精度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。具體步驟為：1）選擇數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生產(chǎn)的沙漠、深海、山地、平原、農(nóng)田等均勻地物的GF-4衛(wèi)星1級(jí)圖像。2）選擇均勻樣板區(qū)，測(cè)量圖像相對(duì)定標(biāo)精度。均勻樣板區(qū)域的選擇在目測(cè)均勻的前提下選擇的列應(yīng)盡可能大。3）對(duì)以上選擇的圖像分別采用平均行標(biāo)準(zhǔn)差法、平均標(biāo)準(zhǔn)差法和廣義噪聲法評(píng)價(jià)相對(duì)輻射校正精度[8-9]。

圖1 GF-4衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射校正與處理技術(shù)流程Fig.1 The in-orbit relative radiometric correction and processing technical flow of GF-4 satellite

（1）平均行標(biāo)準(zhǔn)差法

首先，計(jì)算相對(duì)輻射校正后圖像每列的平均值，得到一個(gè)平均行，然后，計(jì)算該行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，再除以整幅圖像的平均值，即為通過(guò)該圖像計(jì)算得到的相對(duì)定標(biāo)精度。即

式中 ε為相對(duì)定標(biāo)精度；nv為CMOS器件垂軌方向探元個(gè)數(shù)；DN(j)為圖像上第j探元的DN值；DN為整幅圖像DN值的均值。

（2）平均標(biāo)準(zhǔn)差法

首先，對(duì)相對(duì)輻射校正后圖像的各行計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，然后，除以該行的平均值，得到各行的校正精度，取其平均值即為該圖像計(jì)算得到的相對(duì)定標(biāo)精度。即

式中 εi為圖像第i行的相對(duì)定標(biāo)精度；DNi為圖像第i行DN均值；na為CMOS器件沿軌方向探元個(gè)數(shù)；DN(i,j)為圖像第i行j列探元的DN值。

（3）廣義噪聲法

相對(duì)定標(biāo)精度的計(jì)算公式為

1.3.2 信噪比評(píng)價(jià)方法

圖像噪聲評(píng)價(jià)主要包括能量分配和輻射精度的評(píng)價(jià)，反映各波段整體的明暗和針對(duì)不同輻亮度的地物的能量分配以及數(shù)字圖像對(duì)微小細(xì)節(jié)反差的表達(dá)能力[10]。

信噪比是圖像中的有用信息與噪聲信號(hào)的比值。圖像的信噪比越大，說(shuō)明圖像中有效信息相對(duì)于噪聲干擾越強(qiáng)，即遙感圖像反映的地物信息更好，圖像像質(zhì)好。信噪比近似決定了圖像有效信號(hào)的比例，采用方差法：選擇圖像中的一塊均勻區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域響應(yīng)值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比[11]。具體測(cè)試方法如下：

1）對(duì)于具有不同反射率的地物，成像系統(tǒng)的噪聲對(duì)于圖像的影響程度有所不同。為了全面測(cè)試成像系統(tǒng)的噪聲特性，按照反射率對(duì)地物進(jìn)行分類，對(duì)于獲取的遙感圖像來(lái)說(shuō)，即按照?qǐng)D像的表觀DN值將其分為三類：高反射率地物、中反射率地物和低反射率地物。

2）針對(duì)以上三種類型地物，選取圖像中具有大范圍、均勻、高、中、低反射率地物區(qū)域，分別計(jì)算信噪比。高、中、低反射率地物區(qū)域選取原則為：高反射率地物區(qū)域的平均DN值與圖像均值的絕對(duì)值差大于一倍標(biāo)準(zhǔn)差；中反射率地物區(qū)域的均值與圖像均值差的絕對(duì)值小于一倍標(biāo)準(zhǔn)差；低反射率地物區(qū)域的均值與圖像均值的絕對(duì)值差大于一倍標(biāo)準(zhǔn)差。

2 影像幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

2.1 影像幾何質(zhì)量影響關(guān)鍵因素

GF-4衛(wèi)星是國(guó)內(nèi)第一顆面陣凝視成像衛(wèi)星，由于高軌環(huán)境復(fù)雜，傳感器內(nèi)部溫差變化劇烈，其幾何模型不同于傳統(tǒng)的 CCD線陣推掃式衛(wèi)星，也不同于航空面陣傳感器幾何模型。需結(jié)合成像條件及太空環(huán)境特點(diǎn)分析影響影像幾何質(zhì)量的因素，本文從安裝角誤差和相機(jī)光學(xué)畸變兩個(gè)方面對(duì) GF-4衛(wèi)星影像幾何質(zhì)量的主要影響因素進(jìn)行了闡述。

圖2 相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系示意Fig.2 The diagram of camera coordinate system and satellite coordinate system

（1）安裝角誤差

GF-4號(hào)衛(wèi)星在軌成像時(shí)，由于星敏、陀螺等姿態(tài)測(cè)量?jī)x器獲取的是衛(wèi)星本體坐標(biāo)系在慣性空間坐標(biāo)系下的姿態(tài)角，因此，理想情況下，將相機(jī)安裝在衛(wèi)星上時(shí)，相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系三軸方向應(yīng)該嚴(yán)格一致，兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣應(yīng)為單位矩陣，三軸夾角均為 0°。然而，在實(shí)際裝調(diào)過(guò)程中兩個(gè)坐標(biāo)系三軸間總存在著角度差，這稱為相機(jī)安裝角誤差。如圖2所示，Oc-XcYcZc和OB-XBYBZB分別為相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系。在衛(wèi)星發(fā)射前，即使采用實(shí)驗(yàn)室檢校的方法對(duì)相機(jī)安裝角進(jìn)行了標(biāo)定，在衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中，由于應(yīng)力釋放、材料出氣、空間環(huán)境變化等各種因素的影響，相機(jī)安裝角會(huì)發(fā)生改變?？紤]到衛(wèi)星高軌成像，角度誤差對(duì)定位精度影響很大，因此，必須通過(guò)在軌幾何定標(biāo)對(duì)相機(jī)安裝角誤差進(jìn)行檢校，即確定嚴(yán)格幾何成像模型中的相機(jī)坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣[12-13]。

（2）相機(jī)光學(xué)畸變

由于高軌空間環(huán)境復(fù)雜，成像時(shí)間段內(nèi)溫度變化劇烈以及發(fā)射過(guò)程中應(yīng)力釋放等因素的影響，導(dǎo)致相機(jī)成像參數(shù)（主點(diǎn)、主距、光學(xué)畸變等）與地面實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定差異巨大，必須定期通過(guò)在軌幾何定標(biāo)重新標(biāo)校，否則，衛(wèi)星影像產(chǎn)品的幾何質(zhì)量將由于內(nèi)部幾何畸變的存在，受到嚴(yán)重的影響。相機(jī)面陣CCD畸變?nèi)鐖D3所示。圖3中O-XcYcZc為像空間坐標(biāo)系；曲面dc即為面陣相機(jī)的畸變曲面[14-15]。

圖3 面陣CCD畸變曲面示意Fig.3 The diagram of array CCD sensor distortion curve

2.2 基于面陣相機(jī)的在軌幾何檢校與處理模型構(gòu)建

描述相機(jī)內(nèi)部畸變的數(shù)學(xué)模型主要有物理畸變模型與綜合模型。物理畸變模型是根據(jù)相機(jī)成像時(shí)存在的各種畸變的物理特性建立的數(shù)學(xué)模型；典型的光學(xué)相機(jī)物理畸變模型如布朗模型。該模型的特點(diǎn)在于每個(gè)參數(shù)都有具體的物理意義，但往往由于待解參數(shù)眾多導(dǎo)致過(guò)度參數(shù)化的問題，難以獲得穩(wěn)定、高精度的解。綜合模型則不考慮各幾何畸變具體的物理意義，而采用一種數(shù)學(xué)意義上的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途C合描述各種幾何畸變的影響，實(shí)質(zhì)是對(duì)幾何畸變曲面（面陣相機(jī)）的一種擬合[16]。

GF-4衛(wèi)星采用面陣CMOS探測(cè)器成像，其視場(chǎng)角較小，焦距較長(zhǎng)，因此其幾何畸變曲線相對(duì)簡(jiǎn)單，主要反映為低階畸變（如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、主距變化、低階徑向畸變等），高階畸變很小，基本可以忽略不計(jì)；另外，高軌窄視場(chǎng)角的成像特性使得相機(jī)內(nèi)部各參數(shù)之間，以及相機(jī)內(nèi)部參數(shù)與外方位元素之間都具有很強(qiáng)的相關(guān)性[17-18]?；谝陨峡紤]，本文采用基于二維三次多項(xiàng)式曲面探元指向角模型擬合CMOS每個(gè)探元光軸指向角，計(jì)算公式為

式中 ψv(l, s)、ψa(l, s)分別為垂軌方向和沿軌方向上的光軸指向角；a0～a9，b0～b9為內(nèi)檢校參數(shù)；l、s表示影像上像點(diǎn)坐標(biāo)的行、列號(hào)。此外，考慮到溫度對(duì)于影像的定位精度存在一定的影響，外定標(biāo)模型改進(jìn)為隨溫度變化的相機(jī)安裝角模型，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同地區(qū)、不同太陽(yáng)高度角條件下相機(jī)安裝角隨溫度變化關(guān)系，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模和求解，從而獲取相機(jī)安裝角誤差補(bǔ)償模型[19]。

根據(jù)共線方程，構(gòu)建衛(wèi)星在軌幾何檢校模型為

在該模型下，要檢校包括a0～a9，b0～b9的20個(gè)系數(shù)、3個(gè)安裝角（r，p，κ），以及安裝角隨溫度變化關(guān)系（Δr，Δp，Δκ）?？蓪⑦@些參數(shù)劃分為內(nèi)外檢校參數(shù)，其中內(nèi)檢校參數(shù)（a0～a9，b0～b9）用于確定相機(jī)內(nèi)部CMOS各探元在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；外檢校參數(shù)r、p、κ，Δr、Δp、Δκ用于恢復(fù)相機(jī)坐標(biāo)系在空間中的位置和姿態(tài)。將內(nèi)外檢校參數(shù)分步處理，即利用分步檢校方法解算內(nèi)外檢校參數(shù)，其原理為：首先解算外檢校參數(shù)，恢復(fù)相機(jī)坐標(biāo)系在空間中的姿態(tài)；然后在此基礎(chǔ)上解算內(nèi)檢校參數(shù)，確定CMOS各探元在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，迭代解算直至結(jié)果收斂[20]。其技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 面陣相機(jī)在軌幾何檢校與處理模型構(gòu)建技術(shù)流程Fig.4 Array camera in-orbit calibration and processing model construction technical flow

2.3 幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

光學(xué)遙感影像的幾何質(zhì)量主要體現(xiàn)在影像的內(nèi)部幾何精度與平面定位精度兩個(gè)方面，其中平面定位精度表征影像上給定點(diǎn)的地理位置與其真實(shí)位置間的誤差，內(nèi)部幾何精度表征影像的變形程度。

2.3.1 內(nèi)部幾何精度評(píng)價(jià)方法

具體方法如下：

1）對(duì)待檢影像覆蓋范圍內(nèi)的控制點(diǎn)進(jìn)行人工刺點(diǎn)，假設(shè)控制點(diǎn)物方坐標(biāo)為（B，L，H），人工量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)為（s，l）；

2）將控制點(diǎn)物方坐標(biāo)（B，L，H）代入該景影像的 rpc文件中反算得到像點(diǎn)坐標(biāo)(s', l')，此時(shí)像方殘差(vs, vl)即為該景影像rpc文件的幾何定向精度，

3）統(tǒng)計(jì)所有檢查點(diǎn)像方殘差(vs, vl)的均值(MEANvs,MEANvl)和中誤差(RMSEvs,RMSEvl)，當(dāng)檢查點(diǎn)滿足一定數(shù)量要求（一般為 7×7或 9×9均勻格網(wǎng)分布），且在影像范圍內(nèi)均勻分布時(shí)，均值(MEANvs,MEANvl)反映了該景影像外部系統(tǒng)漂移誤差，即無(wú)控定位誤差，而單位權(quán)中誤差(RMSEvs,RMSEvl)則能夠定量表征該景影像內(nèi)部幾何精度，計(jì)算公式為：

式中 vsi，vli分別表示第i個(gè)控制點(diǎn)在列方向和行方向的像方殘差；m為控制點(diǎn)數(shù)量。

2.3.2 平面定位精度評(píng)價(jià)方法

首先，在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)幾何校正的圖像上，利用數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)軟件自動(dòng)選取待評(píng)圖像和參考圖像的控制點(diǎn)(GCP)，然后計(jì)算出GCP在待評(píng)圖像和參考圖像的實(shí)際地理坐標(biāo)差值，最后，統(tǒng)計(jì)多景圖像的GCP位置誤差值的平均誤差和均方差作為圖像的定位誤差。

測(cè)試具體流程為：

1）選取多景清晰、成像質(zhì)量良好的圖像作為測(cè)試圖像。

2）對(duì)選取圖像進(jìn)行2級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)。

3）查找參考圖像，并對(duì)參考圖像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、鑲嵌等處理。

4）對(duì)每幅圖像自動(dòng)選點(diǎn)，計(jì)算出GCP的圖像坐標(biāo)。

5）對(duì)GCP點(diǎn)進(jìn)行篩選，獲得均勻分布的36個(gè)控制點(diǎn)。

6）計(jì)算 GCP在待評(píng)圖像和參考圖像的實(shí)際地理坐標(biāo)差值，，其中，ΔX=X圖像-X真實(shí)，為GCP在待評(píng)測(cè)圖像和參考圖像上WGS84坐標(biāo)系下的東西向和南北向平面投影坐標(biāo)。

7）計(jì)算二級(jí)圖像產(chǎn)品上所有GCP地理坐標(biāo)差值的均值E，即為該景影像的外部定位精度。均值計(jì)算公式為：，其中，m為GCP點(diǎn)的數(shù)量，Di為第i個(gè)GCP在待評(píng)圖像和參考圖像的實(shí)際地理坐標(biāo)差值。

8）分別計(jì)算每個(gè)傳感器全部產(chǎn)品定位精度的平均誤差和均方差，即得到每個(gè)傳感器總的二級(jí)圖像產(chǎn)品幾何定位精度。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

本文選取覆蓋沙漠、海洋、農(nóng)田、山地以及平原的5景GF-4衛(wèi)星VNIR影像進(jìn)行影像輻射質(zhì)量評(píng)價(jià)分析；選取8景不同時(shí)相、不同區(qū)域的VNIR影像進(jìn)行內(nèi)部幾何精度評(píng)價(jià)分析；選取20景不同時(shí)相、不同區(qū)域的影像來(lái)驗(yàn)證其平面定位精度，其中，內(nèi)部幾何精度評(píng)價(jià)和平面定位精度評(píng)價(jià)所用參考 DOM影像分辨率16m、精度優(yōu)于16m，參考DSM影像分辨率30m、精度優(yōu)于20m。

3.1 影像輻射質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

3.1.1 相對(duì)輻射校正精度測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)選取系統(tǒng)生產(chǎn)的天氣晴好、能見度高、無(wú)云的5景GF-4衛(wèi)星1級(jí)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)輻射校正精度評(píng)價(jià)，成像區(qū)域主要為沙漠、海洋、農(nóng)田等地物，各波段評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明可見光波段的相對(duì)輻射校正精度評(píng)價(jià)中平均行標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差和廣義噪聲等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于3%，滿足研制總要求。

3.1.2 信噪比測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)系統(tǒng)生產(chǎn)的天氣晴好、能見度高、無(wú)云的另5景GF-4衛(wèi)星1級(jí)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比測(cè)試，成像區(qū)域主要為海洋、沙漠等均勻地物，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 各波段相對(duì)輻射校正精度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.1 The result of accuracy evaluation and analyzes of relative radiometric correction among spectral bands

表2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)信噪比評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 The evaluation result of signal-to-noise ratio for the camera of GF-4 satellite

測(cè)試結(jié)果表明GF-4衛(wèi)星VNIR影像典型地物信噪比平均優(yōu)于40dB，滿足研制總要求。

3.2 影像幾何質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

3.2.1 影像內(nèi)部幾何精度測(cè)試結(jié)果

選取8景不同時(shí)相、不同區(qū)域的VNIR影像進(jìn)行內(nèi)部幾何精度評(píng)價(jià)分析，內(nèi)部幾何精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 GF-4衛(wèi)星VNIR影像內(nèi)部幾何精度測(cè)試結(jié)果Tab.3 The test result of internal geometric accuracy for the VNIR image of GF-4 satellite

根據(jù)表3的測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算出VNIR影像的內(nèi)部畸變?cè)诖管壏较蛳穹綒埐罹禐?.66個(gè)像素，方差為0.22個(gè)像素；沿軌方向?yàn)?.78個(gè)像素，方差為0.19個(gè)像素。表明在軌幾何檢校后內(nèi)部畸變?cè)谘剀壓痛管壏较蚓玫搅擞行аa(bǔ)償。

3.2.2 影像平面定位精度測(cè)試結(jié)果

VNIR影像平面定位精度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 GF-4衛(wèi)星VNIR影像平面定位精度測(cè)試結(jié)果Tab.4 The test result of plane accuracy for the VNIR image of GF-4 satellite

根據(jù)表4可知，VNIR影像平面定位精度均值為2 629.11m，標(biāo)準(zhǔn)差為3 971.20m，滿足研制總要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)影響 GF-4衛(wèi)星影像輻射質(zhì)量與幾何精度的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，然后介紹了高軌面陣成像處理模型的構(gòu)建技術(shù)，最后對(duì) GF-4衛(wèi)星影像的輻射質(zhì)量、幾何質(zhì)量和處理精度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GF-4號(hào)衛(wèi)星VNIR影像的平均行標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差和廣義噪聲等相對(duì)輻射精度指標(biāo)均優(yōu)于3%，典型地物信噪比平均優(yōu)于40dB。影像內(nèi)部畸變?cè)诖管壓脱剀壏较蚓鶅?yōu)于0.8個(gè)像素，表明在軌幾何檢校后內(nèi)部畸變?cè)谘剀壓痛管壏较蚓玫搅擞行аa(bǔ)償。

References)

[1] CRESPI M, COLOSIMO G, DE VENDICTIS L, et al. GeoEye-1: Analysis of Radiometric and Geometric Capability[C]// SITHAMPARANATHAN K, MARCHESE M, RUGGIERI M, et al. Personal Satellite Services: Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering. Rome, Italy: Springer Berlin Heidelberg, 2010, 43: 354-360.

[2] 李德仁, 鄭肇葆. 解析攝影測(cè)量[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 1992.

LI Deren, ZHENG Zhaobao. Analytical Photogrammetry[M]. Beijing: Surveying and Mapping Press, 1992. (in Chinese)

[3] 潘志強(qiáng), 顧行發(fā), 劉國(guó)棟, 等. 基于探元直方圖匹配的CBERS-01星CCD數(shù)據(jù)相對(duì)輻射校正方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2005(10): 925-927.

PAN Zhiqiang, GU Xingfa, LIU Guodong, et al. Relative Radiometric Correction of CBERS-01 CCD Data Based on Detector Histogram Matching[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2005(10): 925-927. (in Chinese)

[4] 王小燕. 遙感衛(wèi)星光學(xué)相機(jī)底電平與相對(duì)輻射校正的研究[D]. 北京: 中國(guó)空間技術(shù)研究院, 2005.

WANG Xiaoyan. A Research of Remote Sensing Satellite Optical Camera Bottom Electric Potential and Relative Radiometric Correction[D]. Beijing: China Academy of Space Technology, 2005. (in Chinese)

[5] 曾涌, 張宇烽, 徐建艷, 等. 中巴資源一號(hào)衛(wèi)星 02星 CCD相機(jī)實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)算法分析[J]. 航天返回與遙感, 2005, 26(2): 41-45.

ZENG Yong, ZHANG Yufeng, XU Jianyan, et al. Analysis of Laboratory Radiometric Calibration Algorithm of CBERS-02 CCD camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2005, 26(2): 41-45. (in Chinese)

[6] LEBEGUE L, KUBIK PH, GRESLOU D, et al. Using Exotic Guidance for Pleiades-HR Image Quality Calibration[C]//The International Archiver of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Beijing: Chinese Society for Surveying, Mapping and Geoinformation, 2008.

[7] TAO C V, HU Y. Updating Solutions of the Rational Function Model Using Additional Control Points for Enhanced Photogrammetric Processing[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2001, 68(7): 715-724.

[8] TAO C V, HU Y. Investigation of the Rational Function Model[C]//Proceedings of ASPRS Annual Conference. Washington D C: American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2000.

[9] TONOLO F G, POLI D. Georeferencing of EROS-A1 High Resolutionimages with Rigorous and Rational Function Model[C]//High Resolution Mapping from Space 2003. Hannover, Germany: ISPRS Workshop, 2003.

[10] GRODECKI J. IKONOS Stereo Feature Extraction—RPC Approach[C]//Proceedings of ASPRS 2001 Conference. St. Louis, 2001.

[11] WESER T, ROTTENSTEINER F, WILLNEFF J, et al. An Improved Pushbroom Scanner Model for Precise Georeferencing of ALOS PRISM Imagery[C]//ISPRS XXth Congress Proceedings. Beijing: The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2008.

[12] 雷蓉. 星載線陣傳感器在軌幾何定標(biāo)的理論與算法研究[D]. 鄭州: 解放軍信息工程大學(xué), 2011.

LEI Rong. Study on Theory and Algorithm of the In-flight Geometric Calibration of Spaceborne Linear Array Sensor[D]. Zhengzhou: The PLA Information Engineering University, 2011. (in Chinese)

[13] 楊俊峰, 胡莘. 三線陣CCD相機(jī)的動(dòng)態(tài)檢定[J]. 解放軍測(cè)繪研究所學(xué)報(bào), 1999, 19(2): 17-22.

YANG Junfeng, HU Xin. Dynamic Calibration of Three Line Array CCD Camera[J]. Journal of PLA Institute of Surveying and Mapping, 1999, l9(2): 17-22. (in Chinese)

[14] JACOBSEN K. Geometric Aspects of High Resolution Satellite Sensors for Mapping[C]//Proceedings of the ACSM/ASPRS Annual Convention. 1997, 3: 473-482.

[15] FRASER C S, HANLEY H B, YAMAKAWA T. High Precision Geopositioning from Ikonos Satellite Imagery[EB/CD]. Proceedings of ASPRS 2002 Conference. Washington D C, 2002.

[16] BALTSAVIAS E, ZHANG L, EISENBEISS H. DSM Genereation and Interior Orientation of IKONOS Images Using a Testfield in Switzerland[J]. Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 2006, 60(1): 41-54.

[17] BüYüKSALIH G, JACOBSEN K. Geometric Aspects of MOMS-2P Three-Line Imagery for Mapping Applications[C]. Annual Meeting of the Remote Sensing Society, RSS2000. Leicester, UK, 2000.

[18] CURRY S, BAUMRIND S, ANDERSON J M. Calibration of an Array Camera[J]. Photogrammertric Engineering and Remote Sensing, 1986, 52(5): 627-636.

[19] 祝小勇, 張過(guò), 唐新明, 等. 資源一號(hào)02B衛(wèi)星影像幾何外檢校研究及應(yīng)用[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2009, 25(3): 16-18.

ZHU Xiaoyong, ZHANG Guo, TANG Xinming, et al. Research and Application of CBRS02B Image Geometric Exterior Calibration[J]. Geography and Geo-Information Science, 2009, 25(3): 16-18. (in Chinese)

[20] 王慧, 吳云東, 張永生. 面陣 CCD 數(shù)字航測(cè)相機(jī)影像幾何拼接誤差模型與分析[J]. 測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 20(4): 257-262．

WANG Hui, WU Yundong, ZHANG Yongsheng. Modeling and Analyzing of Geometric Joint Error for CCD Matrix Images of Digital Aerial Camera[J]. Journal of Institute of Surveying and Mapping, 2003, 20(4): 257-262. (in Chinese)

Image Radiometric and Geometric Accuracy Evaluation of GF-4 Satellite

XU Wen LONG Xiaoxiang LI Qingpeng CUI Lin ZHONG Huimin

（China Centre For Resource Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）

GF-4 is the China’s first array staring-imaging optical remote-sensing satellite with high resolution. The payload of GF-4 satellite firstly uses array CMOS sensors and images in the 36 000km high orbit. It is first time to apply in-orbit relative radiometric correction model, and to make in-orbit calibration and geometric correction of array camera optical distortion based on array imaging. This paper firstly analyzes the critical factors in GF-4 satellite image’s radiance quality and geometric accuracy, then introduces a technological method of building the processing model of high-orbit array imaging, and finally analyzes and evaluates the radiance quality, geometric quality and processing accuracy of GF-4 images. The experimental results show that the indexes of radiance accuracy of GF-4 PMS images, are all better than 3%, including average line standard deviation, mean standard deviation and generalized noise, and the signal-to-noise ratio of typical surface features is better than 40dB; and the internal geometric distortions in vertical orbit and along orbit directions are better than 0.8 pixel.

relative radiometric correction; geometric accuracy analysis; in-orbit geometric calibration of array camera; GF-4 satellite

TP391.41

: A

: 1009-8518(2016)04-0016-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.003

徐文，男，1963年生，博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)，研究員。國(guó)家陸地觀測(cè)衛(wèi)星地面系統(tǒng)總師，主要從事遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)和國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣研究。E-mail: xuwen@spacechina.com。

（編輯：夏淑密）

2016-04-21

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程