國外光學遙感成像系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展綜述與思考

孫偉健 林 軍 阮寧娟 鮑云飛

(1中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京100094)

(2北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

光學遙感成像系統(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。一般來說,傳感器、衛(wèi)星平臺、深空環(huán)境、大氣傳輸與觀測地物之間的關(guān)系非常復雜,不能由簡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成像過程中的每一個環(huán)節(jié)。需要認真分析成像環(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)品的精度和使用價值,獲取科學的觀測數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗,反饋到遙感器的優(yōu)化設(shè)計中。因此,對整個空間鏈路成像過程進行仿真是十分必要的[1]。

將整個成像過程劃分為多個相互聯(lián)系的模塊,從數(shù)學和物理2方面進行仿真分析,力求精準地反映真實的成像過程:一方面,通過精確刻畫全鏈路成像過程中數(shù)據(jù)獲取的全過程,可優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法和質(zhì)量改進算法,顯著提高遙感圖像產(chǎn)品品質(zhì);另一方面,達到不同遙感器在沒有完全掌握外界環(huán)境條件、擾動因素等先驗知識的條件下進行成像仿真,反饋到衛(wèi)星遙感器的優(yōu)化設(shè)計中,解決以往只能單向設(shè)計評估的缺點,可節(jié)省大量的資源,提高工作效率和工程可靠性。同時通過仿真可以提高對于數(shù)據(jù)生成和信息生成過程的理解,為數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā)、科學理論的研究、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 國外光學遙感系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展概況

20世紀中期,計算機技術(shù)相對落后,物理仿真是當時主要的仿真技術(shù)。通過在實驗室布置人造光源和靶標,模擬衛(wèi)星在軌飛行獲取的圖像,進而驗證相機的設(shè)計參數(shù)和成像品質(zhì)。美國亞利桑那大學光學中心建立了世界上第一個航空航天遙感器物理仿真系統(tǒng)。

20世紀60～90年代,美國發(fā)射了多顆對地觀測衛(wèi)星,獲得了大量的陸地、大氣和海洋遙感數(shù)據(jù)。國內(nèi)外許多科學家利用這些數(shù)據(jù)來建立相關(guān)的地物模型,開展大量的從圖像到圖像的遙感成像仿真研究。

20世紀90年代以來,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NASA公布PATCOD集成設(shè)計軟件平臺,將多種通用軟件結(jié)合在一起,用于航天器仿真設(shè)計和分析過程[2]。1999年,柯達公司公布其針對膠片型遙感像機開發(fā)的仿真軟件Physique。2001年,德國宇航中心開發(fā)針對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)項目。2002年,美國NASA開發(fā)傳感器仿真的相應(yīng)算法和軟件產(chǎn)品ART來模擬的多光譜圖像,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,法國圖盧茲試驗室開發(fā)基于“三維體”的輻射傳輸模型DART,通過構(gòu)造三維地表場景,結(jié)合地物模型,成功地模擬出場景在不同大氣條件、傳感器響應(yīng)條件下的圖像[3-5]。德國Multigen-Paradigm公司推出的Vega系列仿真模塊,可實現(xiàn)對整個遙感成像過程進行動態(tài)、可視化仿真。美國Raytheon公司研制的全鏈路仿真工具RIMS,已成功應(yīng)用于美國國家極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)工程(National Polarorbiting Operational Environment Satellite System,NPOESS)的可見光、紅外輻射儀(Visible Infrared Imager Radiometer Suite,VIIRS)的研制仿真項目。法國OKTAL公司開發(fā)商業(yè)仿真軟件SE-workbench,可以全方位仿真三維場景的輻射特性,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,柯達公司發(fā)布了針對膠片成像遙感器仿真開發(fā)的軟件Physique,該軟件從1979年開始應(yīng)用,經(jīng)過了超過20 000幅(次)影像的驗證,最后通過評價圖像信息量作為優(yōu)化系統(tǒng)的重要依據(jù)。Physique將整個成像過程可劃分為15個模塊(圖1),具體模塊考慮的成像因素有:1)目標特征:目標類型、方向、高度和反射率等。2)成像幾何關(guān)系:太陽、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、孔徑和大氣能見度等因素。6)大氣模型:大氣散射、大氣吸收、目標輻亮度和天空輻亮度。7)曝光量計算:計算曝光量的均值和方差。8)MTF模型:計算成像系統(tǒng)光學MTF、電學MTF,傳感器系統(tǒng)總MTF。9)光子和系統(tǒng)噪聲:計算信號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:計算量化噪聲、誤碼率等。11)硬拷貝影響模型:制成硬拷貝帶來的所有影響。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:評價成像品質(zhì)。

2.2 高光譜仿真軟件SENSOR

2001年,德國宇航中心(DLR)開發(fā)出新一代光學遙感仿真軟件SENSOR。該軟件是一個多模塊集成的軟件平臺,首次實現(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、電學成像模型(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項目的設(shè)計制造階段,進行設(shè)計參數(shù)優(yōu)化和可行性論證[8]。

SENSOR的模擬功能由3個模塊串聯(lián)實現(xiàn):一是光線追蹤模塊,通過光線追蹤的方法完成觀測地物、太陽和傳感器之間的幾何建模,構(gòu)建某一成像時刻像元與觀測地物對應(yīng)的幾何關(guān)系,解求地球橢球表面的交會點,查找觀測地物的輻射屬性;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算,模擬大氣輻射傳輸過程,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,由光學系統(tǒng)和電學系統(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)化評價模塊如圖3所示,輸入不同的系統(tǒng)參數(shù),根據(jù)不同指標特性所產(chǎn)生的影響進行仿真分析,為評價系統(tǒng)設(shè)計指標是否符合用戶需求、優(yōu)化參數(shù)和成像觀測條件、測試地面系統(tǒng)的處理性能、數(shù)據(jù)產(chǎn)品的品質(zhì)評價和工程成本效益的評估提供必備的保證[9]。

圖3 SENSOR優(yōu)化流程圖

SENSOR將整個空間全鏈路的成像過程和地面處理算法聯(lián)系起來,形成一個完整的系統(tǒng),對設(shè)計指標進行分析并反饋到實際的工程制造中。目前,為了達到對多種遙感器,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80年代,羅徹斯特理工學院開發(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現(xiàn)虛擬相機位置的任意設(shè)定和光的遮影和反射的計算。在這種思路下設(shè)計了輻射傳輸引擎,由光譜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算輻射亮度,使用相機的光譜響應(yīng)函數(shù),模擬計算到達相機的輻射度。增加全光學波段模塊,由長波熱輻射波段擴展到太陽短波輻射波段(0.28～20μ m),計算大氣對短波輻射的透過和散射。90年代中期,DIRSIG軟件又增加了高光譜模擬模塊,用來模擬圖像光譜立方體數(shù)據(jù)。開發(fā)了空間和光譜方面的光譜混合算法來實現(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,但中國大陸無法申購。[10-12]

DIRSIG已經(jīng)應(yīng)用于NASA許多項目中,例如:OrbView-4商業(yè)衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星(EO-1)、MISI多光譜成像儀等遙感數(shù)據(jù)的模擬;為應(yīng)用模型的開發(fā)提供數(shù)據(jù)源,如機載野火檢測項目(WASP)、森林火災(zāi)監(jiān)測試驗系統(tǒng)(FIRES)、有害氣體監(jiān)測項目等;另外,DIRSIG作為三大核心模塊之一,嵌入NASA虛擬產(chǎn)品實驗室軟件(VPL)完成高精度場景模擬。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)在對地表場景輻射的模擬。硬方法是基于光電技術(shù)的物理仿真,需要通過物理硬件實現(xiàn),軟方法通過計算機軟件開發(fā)實現(xiàn)。按照數(shù)據(jù)源分類包括圖-圖模擬和庫-圖模擬:1)圖-圖模擬方法。由已知的機載/星載高空間分辨率、光譜分辨率、時相數(shù)據(jù),加入輻射傳輸計算后,模擬指定傳感器的圖像。2)庫-圖模擬方法,利用實驗場地對典型地物的測量波譜、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)提供的先驗知識,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。利用已有的圖像進行圖像變換后,得到模擬的圖像。2)基于數(shù)學方法的成像模擬。利用Monte Carlo等數(shù)學方法直接模擬整個成像過程。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)提供的先驗知識,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)實技術(shù)、光線追蹤技術(shù)和紋理映射技術(shù)。如DIRSIG和SE通過建立三維實體的幾何模型,給定實體的紋理和材質(zhì),通過映射給出實體的組分溫度、發(fā)射率,根據(jù)給定的觀測角度進行光線追蹤,并利用熱傳導等物理方程求出實體的熱輻射。

3 發(fā)展趨勢和思考

隨著對地觀測事業(yè)的蓬勃發(fā)展,和最近10年來遙感衛(wèi)星的商業(yè)化,光學遙感成像系統(tǒng)全鏈路仿真技術(shù)已經(jīng)得到人們的普遍認可,人們已經(jīng)開始重視仿真技術(shù)在設(shè)計、制造、組裝、集成和整個系統(tǒng)的運行和維護中的作用。在提高遙感產(chǎn)品品質(zhì)、分析成像的各個環(huán)節(jié)對數(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)研究的熱點之一。

仿真技術(shù)發(fā)展的趨勢,大致可以分為以下2個方面:

1)從技術(shù)發(fā)展角度來看,20世紀60年代,仿真技術(shù)首次用于遙感制造,物理仿真是當時仿真技術(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)復用性小,很大一部分造成了資源的浪費。20世紀70、80年代,多顆對地觀測衛(wèi)星按計劃發(fā)射,獲得了大量的陸地、大氣和海洋遙感數(shù)據(jù)。國內(nèi)外許多專家利用這些數(shù)據(jù)來建立相關(guān)的地物模型,開展了從圖像到圖像的遙感成像仿真研究(圖-圖模擬)。這種模擬相對于20世紀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一步提升才能滿足飛速發(fā)展的對地觀測的需求。隨著一系列地物光譜學與形態(tài)學研究的深入,基于模型的遙感圖像仿真模擬研究有了新的進展。20世紀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,利用實驗場地對典型地物的測量波譜、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)驗知識,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的模型,符合整個成像過程和能量傳輸,模擬精度大大提高。最近幾年,通過建立三維實體的幾何模型,給定實體的紋理和材質(zhì),通過映射給出實體的組分溫度、發(fā)射率,根據(jù)給定的觀測角度進行光線追蹤,并利用熱傳導等物理方程求出實體的熱輻射,這種模擬方法可以模擬出種類豐富并且近似真實的地物。同時傳感器平臺、光學系統(tǒng)、探測器、電子學系統(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成像過程。

2)從應(yīng)用推廣的角度來看,對地觀測事業(yè)是一個巨大的綜合產(chǎn)業(yè)鏈,涉及國防、軍事、國土資源、環(huán)境監(jiān)測與保護、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃等各個領(lǐng)域,是一個國家綜合國力的體現(xiàn),各國都大力推動其對地觀測事業(yè)的發(fā)展。對地觀測的價值最終體現(xiàn)在應(yīng)用上,所以仿真技術(shù)應(yīng)該以推動應(yīng)用技術(shù)為導向,通過模擬新型遙感器的圖像,預(yù)先建立應(yīng)用模型,來探索新的應(yīng)用領(lǐng)域,進行新型遙感器應(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)定性而開展的,構(gòu)建實驗室、鋪設(shè)物理靶標都是為了模擬衛(wèi)星在軌是否能夠穩(wěn)定有效地成像。而后來逐步開展的“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,評估了其應(yīng)用的使用價值,但定量評估方面還有所欠缺,需進一步加強提高。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,還可以分析評估其像質(zhì)特性,噪聲誤差的干擾,定義故障環(huán)節(jié),通過提高建模精度和測量數(shù)據(jù)的精度,提高對地觀測數(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)用價值和潛力。

相對于國外已經(jīng)成型的商用模擬軟件,國內(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,中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、北京空間機電研究所、中科院遙感所、北京師范大學、安微光機所等研究機構(gòu)對于傳感器仿真均作了相應(yīng)的研究和工程實現(xiàn),但能夠達到國外現(xiàn)階段仿真軟件水平的少之又少,所以只有通過國內(nèi)各家單位取長補短、整合資源的方式,才能完成光學遙感成像系統(tǒng)全鏈路數(shù)據(jù)仿真工作,填補國內(nèi)空白,追趕國外先進水平。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)星在軌運行階段均發(fā)揮重著大作用:一方面,通過模擬在軌運行衛(wèi)星數(shù)據(jù)與在軌成像數(shù)據(jù)對比,達到驗證、提高模擬精度,完善模擬算法的目的;另一方面,通過模擬即將發(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,驗證優(yōu)化精度。追蹤國外先進模擬技術(shù),遵循嚴格成像物理過程進行模擬,開發(fā)出一套高精度、高性能、高可擴展性的軟件平臺,完成全鏈路對地觀測仿真技術(shù)在我國的工程實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

縱觀仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢,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,仿真成像越來越接近真實成像過程;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,同時仿真為算法的開發(fā)、科學理論的研究、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。

[1]Miller S W,Bergen W R.End-to-end Simulation for Support of Remote Sensing Systems Design[J].SPIE,2004(5548):229-240.

[2]Amundsen RM,FeldhausW S.Integration of Design,Structural,Thermal and Optical Analysis under User's Guide for Structural-to-Optical Translator(PATCOD)[M].NASA technical memorandum 110153,1995.

[3]Kerekes J P,Landgrebe D A.Modeling,Simulation and Analysis of Optical Remote Sensing Systems[D].School of Electrical Engineering,Purdue University,1989.

[4]Gastellu Etchegorry J P,Martin E.DART:a 3D Model for Simulating Satellite Images and Studying Surface Radiation Budget[J].Remote Sensing,2004(25):73-96.

[5]Wout Verhoef,Heike Bach.Simulation ofHyperspectral andDirectional Radiance Images Using Coupled Biophysical andAtmospheric Radiative Transfer Models[J].Remote Sensing of Enviroment,2003(87):23-41.

[6]Schott J R,BrownS D.Advanced Synthetic Image GenerationModelsand their Application to Multi/HyperspectralAlgorithmDevelopment[J].SPIE,1999(3584):211-220.

[7]Gregory G G,Freniere E R.End-to-end Electro-Optical Modeling Software[J].SPIE,1999(3780):23-32.

[8]Anko B?rner,Lorenz Wiest Keller Peter,et al.SENSOR:A Tool for the Simulationof Hyperspectral Remote Sensing Systems[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2001 55(5-6):299-312.

[9]Anko B?rner,Lorenz Wiest.The Simulation of APEX Data:the SENSOR Approach[J].SPIE,1999(52):99-109.

[10]Sanders J S,Brown S D.Utilization of DIRSIG in Support of Real-time Infrared Scene Generation[J].SPIE,2000(4029):278-285.

[11]Arnold P S,Brown S D,Schot J R.Hyperspecral Simulation of Chemical Weapon Dispersal Paterns Using DIRSIG[J].SPIE,2000(4029):288-298.

[12]Gasser J,Ryan R.NASA's Virtual Product Laboratory:AnOverview[J].Proceedings of the International Symposium on SpectralSensing Research,1999,(9):152-169.