肖鵬，李景山

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

0 引言

遙感衛(wèi)星地面接收站接收的遙感衛(wèi)星下行的遙感原始數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的碼流數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)無(wú)法直接應(yīng)用于社會(huì)各領(lǐng)域，必須先進(jìn)行幀同步、解擾、譯碼、去格式、解壓縮、相對(duì)輻射校正、系統(tǒng)幾何校正等處理，將所獲取的二進(jìn)制碼流數(shù)據(jù)處理生成用于歸檔的0級(jí)數(shù)據(jù)或初級(jí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，這個(gè)階段就是遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程[1-2]。數(shù)據(jù)預(yù)處理是將遙感原始數(shù)據(jù)加工生成初步產(chǎn)品的過(guò)程，是遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)從原始碼流到能實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。遙感衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，給社會(huì)各領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)由于在軌運(yùn)行的衛(wèi)星遙感器種類的不斷增長(zhǎng)，也給遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理功能的集成與擴(kuò)展帶來(lái)了難題。以高分系列衛(wèi)星為例，從2013年至今就已發(fā)射了7顆，這7顆高分衛(wèi)星所獲取和下傳的遙感原始數(shù)據(jù)格式和預(yù)處理方式各不相同。例如高分一號(hào)與高分四號(hào)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，前者為線陣電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)圖像傳感器成像，而后者為面陣CCD圖像傳感器成像，因此二者原始數(shù)據(jù)中圖像數(shù)據(jù)和衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)的排列格式互不相同；同時(shí)高分一號(hào)衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)中的圖像數(shù)據(jù)在下傳之前經(jīng)過(guò)了壓縮處理，而高分一號(hào)衛(wèi)星的圖像數(shù)據(jù)則未經(jīng)過(guò)壓縮處理，所以預(yù)處理過(guò)程中，前者包含解壓縮操作，而后者無(wú)需解壓縮操作。由此可見(jiàn)，如何建立一個(gè)通用的、多衛(wèi)星適用的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理框架模型，以實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)預(yù)處理功能擴(kuò)展是遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必須解決的一個(gè)技術(shù)難題。

針對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理難點(diǎn)的研究，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)此提出來(lái)一些探討和設(shè)計(jì)。比較有代表性的比如，陳元偉[3]提出基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法以及工廠模式的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通用多衛(wèi)星地面預(yù)處理系統(tǒng)中功能模塊的框架，該框架可以在不改變模塊結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)新衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理功能的添加，以此實(shí)現(xiàn)多衛(wèi)星的功能擴(kuò)展性。李傳榮等[4]提出了通用遙感數(shù)據(jù)并行處理框架，該框架集成了遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理并行任務(wù)調(diào)度、消息和數(shù)據(jù)交換、故障管理等公共功能，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單易用的插件接口規(guī)范，以支持多載荷、多種遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理功能的擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)并行處理，具有較好的通用性和功能擴(kuò)展性。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究眾多，但在實(shí)現(xiàn)模型的多衛(wèi)星適用性時(shí)，采取的主流設(shè)計(jì)方法都是基于簡(jiǎn)單工廠方法的設(shè)計(jì)模式。在具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，為每一顆特定的衛(wèi)星設(shè)計(jì)一個(gè)特定的處理方法，這樣在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)特定的衛(wèi)星型號(hào)，調(diào)用與之對(duì)應(yīng)的處理方法，以此實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)對(duì)于多衛(wèi)星、多載荷的適用性。簡(jiǎn)而言之，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理模型可擴(kuò)展性的方法，其本質(zhì)只是多個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理類方法的疊加。對(duì)于一個(gè)新的衛(wèi)星，傳統(tǒng)的模型要實(shí)現(xiàn)對(duì)這顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，就需要在算法層面增加新衛(wèi)星的處理類方法代碼，工作量大且操作復(fù)雜。

針對(duì)上述中傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理模型在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性時(shí)存在的缺點(diǎn)，本文通過(guò)分析不同光學(xué)成像遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本原理，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)模型化，提出了一種適用于多顆光學(xué)成像遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型。通過(guò)對(duì)主要業(yè)務(wù)流程模塊化，建立各業(yè)務(wù)流程模塊的子模型，使得只需在該功能擴(kuò)展模型中添加新衛(wèi)星在各個(gè)子模型中的配置文件，無(wú)需增加新的處理程序代碼，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。

1 模型的建立

由于我國(guó)目前的主流衛(wèi)星都采用高級(jí)在軌系統(tǒng)協(xié)議(advanced orbiting systems，AOS)標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)傳系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組織格式，所以本文提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型適用于遵循AOS格式標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)預(yù)處理的具體流程來(lái)說(shuō)，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括幀同步、解擾、譯碼、去格式、解壓縮等處理生成0級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，或者再進(jìn)行相對(duì)輻射校正、系統(tǒng)幾何校正等處理生成初級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔[5]。后續(xù)產(chǎn)品處理基于0級(jí)數(shù)據(jù)或者初級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其主要流程如圖1所示。

圖1 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

本文提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型旨在利用若干個(gè)模塊步驟，將上述流程都包含在各個(gè)模塊之中，并對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)模型化，以此確立整個(gè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理流程的標(biāo)準(zhǔn)模型。

1.1 模型的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理所完成的基本功能，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求，本文提出的功能擴(kuò)展模型將預(yù)處理流程分為通道數(shù)據(jù)分離、條帶數(shù)據(jù)形成、分景、相對(duì)輻射校正和系統(tǒng)幾何校正5個(gè)流程模塊，對(duì)每個(gè)流程模塊都建立相應(yīng)的子模型，每個(gè)子模型主要包括各自的輸入文件、模塊執(zhí)行程序、模塊配置文件以及輸出文件。功能擴(kuò)展模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 功能擴(kuò)展模型結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，本文提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型由5個(gè)子模型構(gòu)成，每個(gè)子模型都由輸入文件、執(zhí)行程序、配置文件和輸出文件4個(gè)部分組成。圖中的通道數(shù)據(jù)表示衛(wèi)星的有效載荷數(shù)據(jù)，例如高分五號(hào)衛(wèi)星的可見(jiàn)光短波紅外高光譜數(shù)據(jù)，稱為一組通道數(shù)據(jù)，它又是由4片并列的面陣CCD探測(cè)器所得到的信號(hào)數(shù)據(jù)所組成，文中將一片CCD所探測(cè)并下傳的數(shù)據(jù)稱為一個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)。通道數(shù)據(jù)分離模塊所完成的工作為將所輸入的原始碼流數(shù)據(jù)，根據(jù)該衛(wèi)星的AOS幀數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行相應(yīng)的幀同步、解交織、解擾等操作。再根據(jù)解擾之后的數(shù)據(jù)中特定的虛擬信道標(biāo)識(shí)位，將屬于同一通道的若干個(gè)虛擬信道的有效數(shù)據(jù)從中提取出來(lái)，形成對(duì)應(yīng)的各通道數(shù)據(jù)。

條帶數(shù)據(jù)形成模塊則是從通道數(shù)據(jù)中包含的各虛擬信道數(shù)據(jù)中將衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)分離出來(lái)，根據(jù)虛擬信道之間的關(guān)系將其圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的該通道的條帶數(shù)據(jù)。分景模塊所完成的工作為從條帶數(shù)據(jù)解析出以景為單位的TIFF影像。相對(duì)輻射校正模塊所完成的工作主要為消除每景影像的CCD成像拼接處的條帶黑色拼縫以及影像的系統(tǒng)椒鹽噪聲。系統(tǒng)幾何校正模塊所完成的工作為根據(jù)相應(yīng)的嚴(yán)格成像模型，對(duì)輸入的影像進(jìn)行系統(tǒng)幾何校正，以輸出具有地理坐標(biāo)信息的二級(jí)影像。

在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于添加新衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，首先配置該衛(wèi)星在模型中各模塊子模型的配置文件，模型各模塊程序通過(guò)讀取各自的配置文件，獲得該衛(wèi)星的基本參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。本文所提出的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型由5個(gè)子模型組成，所以本文模型的主要研究重點(diǎn)，就是對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行模型化，建立各模塊對(duì)應(yīng)的子模型，確定各個(gè)子模型中輸入文件和輸出文件的標(biāo)準(zhǔn)格式、模塊執(zhí)行程序的主要功能以及模塊配置文件的內(nèi)容信息。

1.2 子模型的建立

整個(gè)功能擴(kuò)展模型中各個(gè)子模型的建立是本文的主要內(nèi)容，整體的研究思路就是分析各個(gè)模塊中所涉及的衛(wèi)星參數(shù)，并參照這些衛(wèi)星參數(shù)在不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)中格式的異同，總結(jié)出衛(wèi)星參數(shù)的所有格式情況，以配置文件的形式，在配置文件中統(tǒng)一表示出模塊所需的所有衛(wèi)星基本信息。同時(shí)定義各個(gè)模塊子模型輸入文件以及輸出文件的標(biāo)準(zhǔn)格式，為各個(gè)模塊子模型執(zhí)行程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，每個(gè)子模型都是由特定的輸入文件、配置文件、執(zhí)行程序和輸出文件4個(gè)部分構(gòu)成。以下將就功能擴(kuò)展模型中5個(gè)子模型的建立和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述。

1)通道數(shù)據(jù)分離。通道數(shù)據(jù)分離模塊的輸入文件為衛(wèi)星的原始碼流數(shù)據(jù)，輸出文件為由若干個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)組成的通道數(shù)據(jù)。其主要工作包括幀同步、解交織、解擾、解格式，再將屬于同一通道的若干個(gè)虛擬信道的數(shù)據(jù)組合成對(duì)應(yīng)的各通道數(shù)據(jù)。對(duì)于不同的衛(wèi)星，此時(shí)得到的通道數(shù)據(jù)一般都采用了不同的壓縮算法進(jìn)行過(guò)壓縮，或者未經(jīng)過(guò)壓縮。所以在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于通道數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在得到了各通道數(shù)據(jù)之后，一般還需第三方軟件進(jìn)行解壓縮，進(jìn)一步輸出解壓縮后的各個(gè)通道數(shù)據(jù)。通道數(shù)據(jù)分離模塊所涉及的衛(wèi)星基本信息主要為從衛(wèi)星原始碼流中提取的AOS幀格式信息，以高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為例，其原始碼流數(shù)據(jù)的AOS幀格式如表1所示。

盡管不同的衛(wèi)星所采用的AOS幀格式在具體細(xì)節(jié)上各不相同，但在整體內(nèi)容上基本一致。通道數(shù)據(jù)分離主要包括幀同步、IQ解交織、解擾、解格式等操作，其中涉及的具體衛(wèi)星信息參數(shù)除AOS幀格式外，主要還包括IQ交織信息、加擾信息等。所以只要能夠在配置文件中包含這些衛(wèi)星基本信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)通道數(shù)據(jù)分離模型對(duì)所有衛(wèi)星的適用性。由此定義通道數(shù)據(jù)分離模塊的子模型如圖3所示。

表1 高分四號(hào)衛(wèi)星AOS幀數(shù)據(jù)格式表

圖3 通道數(shù)據(jù)分離模塊子模型圖

其中，配置文件的主要內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)格式如下。

<通道信息>

<通道1>

……

……

2)條帶數(shù)據(jù)形成。條帶數(shù)據(jù)形成模塊的輸入文件是上一模塊所輸出的通道數(shù)據(jù)，輸出文件為該通道長(zhǎng)條帶狀的影像二進(jìn)制文件和對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)文件等。對(duì)于高分四號(hào)這種面陣CCD成像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其條帶數(shù)據(jù)定義為一軌中所有景影像按成像時(shí)間順序所排列組合成的長(zhǎng)條帶狀的影像二進(jìn)制文件。

每組通道數(shù)據(jù)都有若干個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)，其中包含衛(wèi)星遙感影像的輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。在條帶數(shù)據(jù)形成時(shí)，必須根據(jù)虛擬信道數(shù)據(jù)中特定的編排格式將其中的輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后再重組成條帶數(shù)據(jù)。

這一模塊所涉及的衛(wèi)星參數(shù)主要為虛擬信道數(shù)據(jù)中輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的編排方式。具體來(lái)說(shuō)：一是輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)在每一幀數(shù)據(jù)中所處的位置；二是輔助數(shù)據(jù)區(qū)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)自身內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式。以高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)說(shuō)明，圖4為8 m虛擬信道中的輔助數(shù)據(jù)及圖像數(shù)據(jù)編排格式。

圖4 高分一號(hào)衛(wèi)星虛擬信道數(shù)據(jù)格式圖

不同衛(wèi)星的虛擬信道中每幀數(shù)據(jù)雖然格式上各不相同，內(nèi)容上都包含圖像數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)2種。輔助數(shù)據(jù)排列方式雖然各不一樣，但都包含軌道6根數(shù)、時(shí)間、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度、衛(wèi)星姿態(tài)角、星敏四元數(shù)這些參數(shù)中的若干個(gè)。

綜上確定條帶數(shù)據(jù)形成模型配置文件的基本信息包括：通道內(nèi)各虛擬信道數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，以及虛擬信道數(shù)據(jù)中的輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的編排格式。前者包括虛擬信道數(shù)據(jù)的拼接順序、重疊像素量等，后者包括虛擬信道中每一幀的數(shù)據(jù)格式以及該虛擬信道對(duì)應(yīng)的成像CCD的基本信息。由此定義條帶數(shù)據(jù)形成模型如圖5所示。

圖5 條帶數(shù)據(jù)形成模塊子模型圖

圖6 條帶數(shù)據(jù)形成模塊子模型附圖

其中，配置文件的主要內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)格式如下。

<虛擬信道信息>

…

<輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)相互關(guān)系信息>

…

<輔助數(shù)據(jù)排列信息>

…

<圖像數(shù)據(jù)排列信息>

…

3)分景。分景模塊的輸入文件為上一模塊輸出的各條帶的影像二進(jìn)制文件，輸出文件為條帶數(shù)據(jù)所包含的各景影像的TIFF文件。約定條帶數(shù)據(jù)采用BIL的存儲(chǔ)方式，所以該模塊涉及的信息僅包括該衛(wèi)星不同通道單景影像的波段數(shù)、影像行列數(shù)以及相鄰影像之間重疊的行數(shù)。對(duì)于面陣CCD成像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其配置文件中重疊行數(shù)嚴(yán)格為0，影像行數(shù)應(yīng)嚴(yán)格等于面陣CCD的實(shí)際行數(shù)，否則會(huì)導(dǎo)致分離出單景影像內(nèi)地物不連續(xù)；對(duì)于線陣CCD成像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，默認(rèn)其配置文件中重疊行數(shù)為單景影像的15%，單景影像行數(shù)一般設(shè)置為與列數(shù)相等，但不做強(qiáng)制要求。由此定義分景模塊的模型如圖7所示。

圖7 分景模塊子模型圖

其中，配置文件主要內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)格式如下。

<影像信息>

<通道1>

<通道2>

……

……

4)相對(duì)輻射校正。相對(duì)輻射校正模塊的輸入為分景模塊中輸出的某景的TIFF影像，輸出文件為經(jīng)過(guò)相對(duì)輻射校正的TIFF影像。在本文中，相對(duì)輻射校正主要為對(duì)影像CCD成像拼接處的條帶黑色拼縫的消除，采用基于矩匹配的條帶去除模型[6-7]。此外，采用統(tǒng)計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)出影像上系統(tǒng)椒鹽噪聲點(diǎn)的像素坐標(biāo)信息，并將其寫入衛(wèi)星載荷的相對(duì)輻射定標(biāo)文件中，后續(xù)用均值濾波的方法進(jìn)行噪聲點(diǎn)去除。

經(jīng)過(guò)前3個(gè)模塊的處理，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在這一模塊已不存在較大格式上的差異，由此定義相對(duì)輻射校正模塊的子模型如圖8所示。

圖8 相對(duì)輻射校正模塊子模型圖

其中配置文件的內(nèi)容為對(duì)應(yīng)相對(duì)遙感器輻射定標(biāo)文件的路徑。

5)系統(tǒng)幾何校正。系統(tǒng)幾何校正模塊的輸入文件為相對(duì)輻射校正輸出的TIFF影像以及影像對(duì)應(yīng)的輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)文件，輸出文件為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)幾何校正具備地理信息的TIFF影像。不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在這一模塊主要表現(xiàn)為輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)文件的格式與內(nèi)容各不相同。例如高分一號(hào)衛(wèi)星為線陣CCD成像，其影像每一行都有對(duì)應(yīng)不同的衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)，包含衛(wèi)星GPS位置、衛(wèi)星速度、衛(wèi)星姿態(tài)角、星敏四元數(shù)等；而高分四號(hào)衛(wèi)星為面陣CCD成像，其一幅影像只有一組輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星軌道6根數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)角、星敏四元數(shù)等。

根據(jù)輸入的輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)的格式不同，系統(tǒng)幾何校正采用的校正模型又分為2種[8-9]。當(dāng)輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)為衛(wèi)星姿態(tài)角時(shí)，采用地心地固坐標(biāo)系(earth-centered earth-fixed，ECEF)下嚴(yán)格成像模型，該模型的計(jì)算需要經(jīng)過(guò)4次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，成像如式(1)所示。

(1)

當(dāng)輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)為星敏四元數(shù)時(shí)，采用地心慣性坐標(biāo)系(earth centered inertial，ECI)下的嚴(yán)格成像模型。其原理與前者基本相同，不同點(diǎn)在于該模型下本體坐標(biāo)會(huì)轉(zhuǎn)換到地心慣性坐標(biāo)系下，因此本文需要將地心慣性系轉(zhuǎn)換到地心地固系，其成像如式(2)所示。

(2)

綜上定義系統(tǒng)幾何校正模型如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)幾何校正模塊子模型圖

配置文件主要內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)格式如下所示，其中傳感器幾何定標(biāo)文件內(nèi)容為對(duì)應(yīng)衛(wèi)星載荷的內(nèi)外方位元素。

<幾何校正信息>

<輔助數(shù)據(jù)信息>

2 模型的算法實(shí)現(xiàn)

本文提出的功能擴(kuò)展模型的5個(gè)模塊子模型都是由輸入文件、執(zhí)行程序、配置文件和輸出文件4部分組成，其中配置文件的規(guī)范化、模型化是該模型具有多衛(wèi)星適用性的前提，而執(zhí)行程序則是模型能夠?qū)嶋H應(yīng)用的前提。所以，本節(jié)內(nèi)容將詳細(xì)講述各個(gè)模塊在建立子模型之后，如何在算法層面實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序的實(shí)際設(shè)計(jì)。

2.1 通道數(shù)據(jù)分離

通道數(shù)據(jù)分離模塊的執(zhí)行程序在算法層面主要包含AOS格式幀同步、IQ解交織、解擾和解格式4個(gè)功能函數(shù)。其算法結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 通道數(shù)據(jù)分離程序算法結(jié)構(gòu)圖

其中，Synchronize()函數(shù)通過(guò)讀取衛(wèi)星的基本配置文件，獲取同步字、加擾信息、虛擬信道信息等衛(wèi)星基本信息，匹配到每一幀數(shù)據(jù)的幀頭位置，輸出幀同步之后的數(shù)據(jù)。Deinterlever()函數(shù)將輸出的幀同步數(shù)據(jù)進(jìn)行IQ解交織，在算法實(shí)現(xiàn)層面上，即每一次讀取2倍幀長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，將其中的奇數(shù)位bit數(shù)據(jù)和偶數(shù)位bit數(shù)據(jù)分離，形成新的2幀數(shù)據(jù)。Descramble()函數(shù)則將上述輸出的數(shù)據(jù)根據(jù)特定的擾碼序列，對(duì)每一幀數(shù)據(jù)中的加擾區(qū)域進(jìn)行解擾。最后的Interpretate()函數(shù)則根據(jù)解擾后的幀數(shù)據(jù)，從中提取出各通道包含的各個(gè)虛擬信道的數(shù)據(jù)。

2.2 條帶數(shù)據(jù)形成

條帶數(shù)據(jù)形成模塊的執(zhí)行程序在算法層面主要包含虛擬信道數(shù)據(jù)幀同步、輔助數(shù)據(jù)解析和圖像數(shù)據(jù)解析3個(gè)功能函數(shù)。其算法結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 條帶數(shù)據(jù)形成程序算法結(jié)構(gòu)圖

其中的Synchronize()函數(shù)為將虛擬信道的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步操作，基本原理和通道數(shù)據(jù)分離模塊中的AOS格式幀同步一致。PosDataDeal()函數(shù)通過(guò)讀取模塊配置文件中的衛(wèi)星參數(shù)信息，確定虛擬信道數(shù)據(jù)中衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)的位置，并對(duì)各個(gè)屬性值進(jìn)行解析，主要包括衛(wèi)星3個(gè)姿態(tài)角、星敏四元數(shù)、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度等信息的解析。ImgDataDeal()函數(shù)先確定圖像數(shù)據(jù)的位置及排列方式，對(duì)影像灰度值進(jìn)行解析。再形成影像條帶數(shù)據(jù)二進(jìn)制文件，統(tǒng)一約定采用2個(gè)字節(jié)表示單個(gè)像素的排列方式，其中第一字節(jié)為低bit位，第二字節(jié)為高bit位，存儲(chǔ)方式為BIL方式。

2.3 分景

分景模塊的執(zhí)行程序在算法層面主要包含影像行信息計(jì)算、星上切機(jī)判斷和影像成圖3個(gè)功能函數(shù)。其算法結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 分景程序算法結(jié)構(gòu)圖

其中，ComputeLineInfo()函數(shù)通過(guò)讀取模塊配置文件，獲取影像的行列數(shù)以及相鄰影像的重疊行數(shù)，以此計(jì)算當(dāng)前該景影像在該軌條帶數(shù)據(jù)中的起始行和末尾行，并從條帶數(shù)據(jù)中讀取對(duì)應(yīng)的影像灰度值信息。假設(shè)某衛(wèi)星在分景模塊的配置文件中，該衛(wèi)星數(shù)據(jù)的第n景影像的起始行和末尾行分別記作startline和endline。那么startline和endline的計(jì)算如式(3)、式(4)所示。

startline=(i-k)*(n-1)

(3)

endline=(i-k)*(n-1)+i-1

(4)

式中：?jiǎn)尉坝跋裥袛?shù)為i；相鄰影像重疊行數(shù)為k。

對(duì)于線陣CCD推掃式成像的衛(wèi)星，經(jīng)常出現(xiàn)星上切機(jī)的情況，這時(shí)就不能夠簡(jiǎn)單地通過(guò)配置文件信息來(lái)判斷當(dāng)前景的起始行和末尾行。IsMoveCamra()函數(shù)讀取模塊配置文件，當(dāng)相鄰影像重疊行數(shù)為0時(shí)，判斷該衛(wèi)星為面陣CCD成像衛(wèi)星，不存在星上切機(jī)，函數(shù)返回值為false，影像始末行信息不變；否則為線陣CCD成像衛(wèi)星，進(jìn)行是否星上切機(jī)判定。通過(guò)分析其行時(shí)文件的連續(xù)性，當(dāng)檢測(cè)到行時(shí)文件中計(jì)時(shí)器值出現(xiàn)跳變或倒轉(zhuǎn)時(shí)，則判定出現(xiàn)星上切機(jī)情況。此時(shí)，設(shè)置該景影像的末尾行為切機(jī)的前一行。

CreatImgTif()函數(shù)為影像生成函數(shù)，主要為影像灰度值的解析和借助GDAL庫(kù)生成影像TIFF文件。

2.4 相對(duì)輻射校正

相對(duì)輻射校正模塊的執(zhí)行程序主要包括條帶拼縫去除和系統(tǒng)椒鹽噪聲去除2個(gè)功能函數(shù)，其算法結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 相對(duì)輻射校正程序算法結(jié)構(gòu)圖

其中,PieceFit()為條帶黑色拼縫去除函數(shù)，本文涉及采用矩匹配的去除模型，模型計(jì)算如式(5)所示。

(5)

式中：X，Y分別為第i列影像像素校正前后的灰度值；σr，μr為理想狀況下的參考列灰度值的標(biāo)準(zhǔn)方差、均值；σi，μi為待校正列的影像灰度值的方差、均值。

SpNoiseFit()函數(shù)為系統(tǒng)椒鹽噪聲點(diǎn)的去除，通過(guò)去讀取相對(duì)輻射校正定標(biāo)文件中噪聲點(diǎn)的像素坐標(biāo)，采用均值濾波進(jìn)行平滑處理。CreatTif()函數(shù)為影像生成函數(shù)。

2.5 系統(tǒng)幾何校正

由于系統(tǒng)幾何校正采用的嚴(yán)格成像模型分為2種，所以在該模塊執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)中，在算法層面采用工廠設(shè)計(jì)模式，添加了CtsSensorModel類方法和CisSensorModel類方法，分別應(yīng)用于ECEF坐標(biāo)系下的嚴(yán)格成像模型和ECI坐標(biāo)系下的嚴(yán)格成像模型。其中基類AbstrCorrect中主要包括旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算、像素坐標(biāo)到經(jīng)緯度的計(jì)算、經(jīng)緯度到像素坐標(biāo)的計(jì)算、影像灰度值重采樣成圖這4個(gè)功能函數(shù)。程序算法結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)幾何校正程序算法結(jié)構(gòu)圖

其中,ImgimgRay()函數(shù)主要為旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算，2種不同類方法包括2種不同的計(jì)算方法。LineSampleToWorld()函數(shù)是基于嚴(yán)格成像模型公式的影像像素坐標(biāo)到經(jīng)緯度坐標(biāo)的計(jì)算函數(shù)，WorldToLineSample()函數(shù)分別為經(jīng)緯度坐標(biāo)到影像像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，其計(jì)算主要依據(jù)LineSampleToWorld()函數(shù)的反酸迭代。CorrectTiff()函數(shù)根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算出的影像像素坐標(biāo)，在原影像上利用雙線性插值的方法進(jìn)行灰度值重采樣，生成校正過(guò)后的影像TIFF文件，并寫入地理信息。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本文以高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分四號(hào)、高分五號(hào)以及高分六號(hào)的原始碼流數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并借助第三方軟件對(duì)高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分五號(hào)、高分六號(hào)所輸出的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮處理。各個(gè)模塊程序運(yùn)行在有5臺(tái)機(jī)器組成的機(jī)群服務(wù)器上，每臺(tái)服務(wù)器配置2顆4核的Intel Xeon E5620處理器和24 GB內(nèi)存；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器內(nèi)部署的LUSTRE并行文件系統(tǒng)之上。以下將詳細(xì)描述本文提出的功能擴(kuò)展模型中各個(gè)子模型應(yīng)用于高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)適用性實(shí)驗(yàn)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通道數(shù)據(jù)分離模型程序的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)為高分四號(hào)衛(wèi)星原始碼流數(shù)據(jù)文件，得到可見(jiàn)光近紅外通道數(shù)據(jù)(包括5個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù))和中紅外通道數(shù)據(jù)(包括1個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù))。

條帶數(shù)據(jù)形成模型程序的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)為高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分四號(hào)和高分五號(hào)的通道數(shù)據(jù)，輸出文件為該通道的條帶數(shù)據(jù)、輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)以及行時(shí)數(shù)據(jù)文件。

用ENVI軟件依次打開(kāi)各顆衛(wèi)星條帶數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，其中從左往右依次為高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分四號(hào)、高分五號(hào)衛(wèi)星，顯示行數(shù)都為10 000行。

圖15 高分系列衛(wèi)星條帶數(shù)據(jù)圖

分景模型程序的測(cè)試輸入文件為上文中5顆衛(wèi)星的條帶數(shù)據(jù)，輸出文件為該條帶所包含的所有景影像TIFF文件，為高分五號(hào)衛(wèi)星的分景輸出數(shù)據(jù)(圖16)。

圖16 高分五號(hào)分景數(shù)據(jù)輸出文件圖

相對(duì)輻射校正程序的測(cè)試輸入文件為各衛(wèi)星的原始TIFF影像，輸出文件為去除了條帶拼縫和系統(tǒng)椒鹽噪聲點(diǎn)的TIFF影像。圖17顯示了高分二號(hào)衛(wèi)星影像相對(duì)輻射校正前后對(duì)比圖，選取校正后影像的均勻地物，利用平均標(biāo)準(zhǔn)差法測(cè)得相對(duì)輻射精度為2.1%[10]，滿足基本需求。

圖17 高分二號(hào)影像相對(duì)輻射校正前后對(duì)比圖

系統(tǒng)幾何校正程序的測(cè)試輸入文件為各衛(wèi)星經(jīng)相對(duì)輻射校正后的TIFF影像，輸出文件為具備地理信息的TIFF影像。圖18為高分一號(hào)衛(wèi)星影像系統(tǒng)幾何校正前后對(duì)比圖。通過(guò)在天地圖上選取影像同名控制點(diǎn)，測(cè)得校正后影像的幾何定位精度約為120 m。后期經(jīng)過(guò)分析影像內(nèi)同名點(diǎn)的誤差，方向大小基本一致。將影像上的地物與地理控制點(diǎn)信息庫(kù)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，根據(jù)匹配得到的地理位置偏差，將影像再進(jìn)行仿射變換，可達(dá)到2～3個(gè)像素的精度。對(duì)比資源衛(wèi)星同一影像，其幾何定位精度為30～40 m，經(jīng)過(guò)仿射變換達(dá)到的1～2個(gè)像素的精度。結(jié)合二者的精度對(duì)比，可知本文模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，滿足基本需求。

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明，本文研究的功能擴(kuò)展模型具備高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分四號(hào)、高分五號(hào)和高分六號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，可通過(guò)添加配置文件的方式添加功能擴(kuò)展模型對(duì)于目前已有的高分系列光學(xué)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。

圖18 高分一號(hào)影像系統(tǒng)幾何校正前后對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理功能難以擴(kuò)展的問(wèn)題，通過(guò)分析不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本原理，提出并實(shí)現(xiàn)了一種適用于多衛(wèi)星的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型。文章以高分系列衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式為參考標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了已有的各種光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的格式。從數(shù)據(jù)的編排格式，到成像CCD的種類，再到衛(wèi)星輔助姿態(tài)數(shù)據(jù)的格式，在配置文件中統(tǒng)一規(guī)范地表示了目前已知的衛(wèi)星格式參數(shù)信息，以此實(shí)現(xiàn)了只須添加新衛(wèi)星在各個(gè)子模型中的配置文件，就能添加對(duì)該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能擴(kuò)展模型。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的功能擴(kuò)展模型對(duì)于高分系列光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有良好的適用性，各個(gè)模塊的配置文件都能統(tǒng)一體現(xiàn)出目前已有的高分系列衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式特點(diǎn)。但隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的格式也可能出現(xiàn)新的樣式，各模塊的配置文件也需要與時(shí)俱進(jìn)的更新。后續(xù)有待于對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，采用配置文件的方式描述盡可能多系列的衛(wèi)星數(shù)據(jù)格式，進(jìn)一步提高模型的適應(yīng)性。此外，本文提出的模型只適用于光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，對(duì)于高分三號(hào)這種雷達(dá)遙感衛(wèi)星卻并不適用。如何用配置文件的方式描述出非光學(xué)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式特點(diǎn)，將是本文模型更深一步的研究方向。