景物和成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響

陳世平

(中國空間技術(shù)研究院,北京100081)

1 引言

遙感的任務(wù)是獲取遙感信息,是由遙感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。遙感系統(tǒng)由遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)共同組成。遙感數(shù)據(jù)是遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的輸出,即遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的產(chǎn)品,也是遙感系統(tǒng)的中間產(chǎn)品。遙感系統(tǒng)的輸出是遙感信息,遙感系統(tǒng)的性能表現(xiàn)為獲取遙感信息的能力。遙感系統(tǒng)獲取信息的能力與遙感數(shù)據(jù)的品質(zhì)密切相關(guān),同時(shí)也與從遙感數(shù)據(jù)中提取信息的能力密切相關(guān)。對(duì)于成像遙感系統(tǒng),遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)即為成像系統(tǒng),其輸出的遙感數(shù)據(jù)即為遙感圖像。圖1示出了成像遙感系統(tǒng)由遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(成像系統(tǒng))和遙感數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)的組成,表示了從遙感信息源,包括景物、成像條件(照明源、大氣),經(jīng)過遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(成像系統(tǒng)),輸出遙感數(shù)據(jù)(圖像),形成的成像鏈(紅框所示部分)。遙感圖像的品質(zhì)表現(xiàn)為遙感圖像在完成遙感任務(wù)中的應(yīng)用價(jià)值,或者說表現(xiàn)為可從中提取信息的潛在能力[1]。

圖1 成像遙感系統(tǒng)的組成

遙感圖像是經(jīng)過整個(gè)成像鏈生成的,成像鏈決定了遙感圖像的品質(zhì)。成像鏈包含了景物、成像條件和成像系統(tǒng)的所有組成部分。因此,遙感圖像品質(zhì)與景物、成像條件和成像系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。

景物是遙感的對(duì)象,是不受遙感系統(tǒng)控制的。景物包括陸地、海洋、山川、平原、河流、湖泊、裸地、植被等自然目標(biāo),以及城鎮(zhèn)、建筑物和其它各種人工目標(biāo)。景物是實(shí)體,包含的信息無限豐富,對(duì)于景物的特性可以從不同層面、不同方面表征。一般表征景物特性的有幾何特性、物理特性和化學(xué)特性等,這些特性之間又是有關(guān)聯(lián)的。其中景物的光譜反射率是最重要的表征量:一方面,景物光譜反射率在很大程度上反映了地物的特性;另一方面,景物特性的其它表征量,如目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)、紋理、對(duì)比度、地物輻亮度方差和地物平均空間細(xì)節(jié)等,也都是由景物光譜反射率決定的。同時(shí),需要注意的是景物特性還與四季變化和溫度變化等環(huán)境條件有關(guān)。

成像條件是指在成像系統(tǒng)成像時(shí)刻照明源和媒質(zhì)的狀態(tài),以及成像系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。成像條件對(duì)于對(duì)地觀測光學(xué)遙感,特別是對(duì)于可見光、近紅外和短波紅外譜段遙感而言,太陽是主要的照明源,大氣是光線傳播的媒質(zhì)。太陽作為照明源的狀態(tài),主要是指它的光譜輻射特性和它與景物之間的幾何位置關(guān)系。大氣作為媒質(zhì)的狀態(tài),主要是指它的散射、吸收和擾動(dòng)等特性。成像系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是指遙感器對(duì)于景物的幾何關(guān)系和運(yùn)行參數(shù)設(shè)置等。對(duì)于相同的大氣狀態(tài),由于太陽與景物及遙感器之間的幾何位置關(guān)系的不同,大氣對(duì)成像過程的影響是不同的。因此,成像條件對(duì)成像過程,從而對(duì)圖像品質(zhì)的影響是照明源和媒質(zhì)以及成像系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)共同綜合作用的結(jié)果。實(shí)際上,對(duì)于同一景物,由于不同的成像條件,對(duì)圖像品質(zhì)的影響是不同的;對(duì)于相同的成像條件和不同的景物,對(duì)圖像品質(zhì)的影響也是不同的。

本文介紹光學(xué)遙感情況下,景物和成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響,包括景物特性和成像條件的表征,及其對(duì)遙感圖像品質(zhì)影響的分析。同時(shí),指出了針對(duì)景物和成像條件,在成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行等方面需注意的問題。

2 遙感圖像品質(zhì)的表征

遙感圖像的品質(zhì)表現(xiàn)為遙感圖像在完成遙感任務(wù)中的應(yīng)用價(jià)值,或者說表現(xiàn)為可從中提取信息的潛在能力。表征遙感圖像品質(zhì)的方法主要包括面向任務(wù)的表征、基于成像系統(tǒng)性能的表征和基于圖像統(tǒng)計(jì)特性的表征等[2]。

面向任務(wù)的圖像品質(zhì)表征直接反映了遙感圖像的應(yīng)用價(jià)值。美國的國家圖像解譯度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(National Imagery Interpretability Rating Scales,NIIRS)是這種表征方法的典型代表。墨爾本大學(xué)于2006年為測繪和制圖業(yè)用戶制定的正射圖像分辨率和品質(zhì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)[3]也是面向任務(wù)的圖像品質(zhì)表征方法。此外,如目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、識(shí)別和確認(rèn)概率、分類精度、以及測繪制圖的比例尺等都屬于面向任務(wù)的圖像品質(zhì)表征。采用面向任務(wù)的表征方法對(duì)圖像品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),主要是通過圖像工作者對(duì)圖像完成應(yīng)用任務(wù)效果的判讀實(shí)現(xiàn)的。

基于成像系統(tǒng)性能的圖像品質(zhì)表征是應(yīng)用成像系統(tǒng)的性能間接表征圖像品質(zhì)的方法,一般包括在規(guī)定工作譜段范圍內(nèi)的圖像輻射品質(zhì)(如動(dòng)態(tài)范圍、信噪比SNR、噪聲等效反射率差NE△ρ、絕對(duì)定標(biāo)精度和相對(duì)定標(biāo)精度等)、幾何品質(zhì)(如幾何畸變、幾何相關(guān)性、譜段配準(zhǔn)精度、平面和高程定位精度等)和分辨率(如地面采樣距離GSD和地面分辨距離GRD)等。由于分辨率取決于系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和信噪比,因此與輻射品質(zhì)和幾何品質(zhì)是相關(guān)聯(lián)的。采用基于成像系統(tǒng)性能的表征方法對(duì)圖像品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),主要是通過現(xiàn)場測試,如衛(wèi)星在軌測試實(shí)現(xiàn)的。

基于圖像統(tǒng)計(jì)特性的圖像品質(zhì)表征是應(yīng)用二維圖像矩陣各元素的數(shù)字量值(DN)作統(tǒng)計(jì)運(yùn)算得出的統(tǒng)計(jì)量表征圖像品質(zhì)的方法。這些統(tǒng)計(jì)量主要有列信噪比、廣義噪聲、灰度均值、灰度方差、信息熵、角二階矩、對(duì)比度、邊緣能量、圖像品質(zhì)度量(Image Quality Measure,IQM)和圖像信息密度(Information Density,ID)等。這些統(tǒng)計(jì)量值的大小可以表示圖像品質(zhì)的相對(duì)優(yōu)劣,但這些量值與圖像應(yīng)用價(jià)值之間的定量關(guān)系并不是完全確定的。采用基于圖像統(tǒng)計(jì)特性的表征方法對(duì)圖像品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),是通過統(tǒng)計(jì)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。

遙感圖像品質(zhì)不同表征量之間是有聯(lián)系的。如NIIRS和成像系統(tǒng)性能參數(shù)之間有通用圖像品質(zhì)方程(General Image Quality Equation,GIQE)相聯(lián)系[4],NIIRS和IQM之間也有確定的關(guān)系相聯(lián)系[5]。遙感圖像品質(zhì)不同表征量之間的定量聯(lián)系有助于遙感圖像品質(zhì)的預(yù)測,也有助于遙感圖像品質(zhì)不同評(píng)價(jià)方法之間的互相驗(yàn)證。本文介紹景物和成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響,主要采用SNR、GSD、MTF、信息熵、圖像信息密度、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、識(shí)別和確認(rèn)概率等圖像品質(zhì)表征量。

3 景物特性

景物是遙感的對(duì)象,是實(shí)體,包含的信息無限豐富,遙感圖像僅是對(duì)景物的一種表現(xiàn)形式。對(duì)于對(duì)地觀測遙感,遙感圖像所表示的景物是某一區(qū)域特定地理環(huán)境的統(tǒng)一體,是這一區(qū)域內(nèi)地球表面大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈以及社會(huì)生態(tài)環(huán)境的綜合反映,也是地質(zhì)、地貌、水文、土壤、植被、人工目標(biāo)和社會(huì)生態(tài)等的綜合反映,又是不同空間分辨率、譜分辨率和時(shí)間分辨率下景物信息的綜合反映[6]。各種地物的不同組合形成了不同的景物,如山地和植被等形成了山區(qū)景物,房屋和道路等形成了城鎮(zhèn)景物,跑道、機(jī)庫和飛機(jī)等形成了機(jī)場景物?？梢哉f,遙感圖像所表現(xiàn)的景物(地理環(huán)境)是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng),是多層次、多要素且運(yùn)動(dòng)變化的。因此,要全面認(rèn)識(shí)景物,不僅要了解其各組成部分本身的屬性,還要了解它們之間的相關(guān)性。

景物的特性難以全面地表征。根據(jù)景物專題特征提取的要求,景物特性的表征可以分為3個(gè)層次:首先是地物的狀態(tài),如地物分類、構(gòu)造格局等;其次是相關(guān)物理量,如地物表面譜反射率、輻射率和地面的高程數(shù)據(jù)等;再次是特定的指標(biāo),如土地覆蓋指數(shù)、植被指數(shù)和河流渾濁指數(shù)等。更宏觀地,也可以用幾何特性(如形狀和大小等)、物理特性(如反射、散射、輻射和吸收性質(zhì)等)和化學(xué)特性(如各種化學(xué)成分等)表征景物特性。這些特性之間又是有關(guān)聯(lián)的,如景物的反射和散射性質(zhì)與其化學(xué)成分有關(guān),又與景物的表面粗糙度有關(guān)。

從遙感成像過程出發(fā),遙感圖像就是成像系統(tǒng)的輸入信號(hào)與系統(tǒng)響應(yīng)(點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))的卷積[7]。輸入信號(hào)主要是由景物的光譜反射率決定的,光學(xué)遙感圖像主要反映了景物光譜反射率的空間分布。事實(shí)上,光譜反射率在很大程度上反映了地物的特性,如不同植物(包括在不同生長期)、土壤、巖石、水體等都有各自的光譜反射率,即波譜特性[8]。因此,盡管對(duì)于景物特性有許多不同的表征方法和表征量,光譜反射率總被作為景物特性的重要表征量,在光學(xué)遙感成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,景物的光譜反射率是重要的輸入?yún)?shù)之一。

從遙感圖像中獲取景物細(xì)節(jié)的能力在很大程度上依賴于景物本身。在影響細(xì)節(jié)觀測的諸多因素中,對(duì)比度是一項(xiàng)關(guān)鍵因素,也是景物特性的重要表征量[9]。對(duì)比度表示目標(biāo)和背景間亮度的差異,可以定義為目標(biāo)與背景亮度之比。在其它因素不變的情況下,高對(duì)比度有利于獲得精細(xì)的空間細(xì)節(jié),低對(duì)比度獲得的是較粗的細(xì)節(jié)。顯然,在黑柏油路面上的黑色汽車比白色汽車難以觀察到。作為景物特性的景物對(duì)比度和圖像對(duì)比度之間有密切關(guān)系,但并非必然是正比關(guān)系。同時(shí),還要注意到景物對(duì)比度是一個(gè)動(dòng)態(tài)量,是隨時(shí)間、照明強(qiáng)度和角度而變化的。顯然,景物對(duì)比度是由景物光譜反射率的分布決定的。

從遙感圖像目視解譯出發(fā),目視解譯關(guān)心的是目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、圖案、組合關(guān)聯(lián)和位置等[6]。影響這些解譯標(biāo)志或解譯要素辨認(rèn)的與景物中目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)、陰影等自然有關(guān)。因此,景物中目標(biāo)的這些特點(diǎn)也是景物特性的表示。

從遙感圖像中能夠提取的信息量與景物所含的信息量密切相關(guān)。景物所含信息量取決于景物的內(nèi)容。根據(jù)F.O.Huck建議的地物模型[10],地物輻亮度分布?xì)w一化自相關(guān)函數(shù)如式(1)所示。

式中 σo為地物輻亮度的方差;μ為地物的平均空間細(xì)節(jié)(Mean Spatial Detail,MSD)。地物的功率譜密度PSD如式(2),

式中 u和ν分別是x方向和y方向的空間頻率。顯然,σo和μ都與景物光譜反射率的空間分布有關(guān)。

綜上所述,作為遙感對(duì)象的景物,其特性可以從不同層面、不同方面表征。而景物的光譜反射率是最重要的表征量。一方面,景物光譜反射率在很大程度上反映了地物的特性,另一方面,景物特性的其它表征量,如目標(biāo)的形狀、大小、色調(diào)、紋理、對(duì)比度、地物輻亮度方差和地物平均空間細(xì)節(jié)等,也都是由景物光譜反射率決定的。

景物表面對(duì)于電磁輻射的反射包括鏡面反射、漫反射和方向性反射幾種,后兩種又稱為散射。景物表面的反射特性與表面幾何形態(tài)即粗糙度有關(guān)。當(dāng)入射波長遠(yuǎn)大于表面粗糙度時(shí),即是鏡面反射狀態(tài);反之,則是散射狀態(tài)。漫反射是服從朗伯余弦定律的反射,即在位于表面法線平面內(nèi)的反射強(qiáng)度與反射方向相對(duì)于法線角度的關(guān)系服從余弦定律,而在垂直于表面法線所有方向的反射是均勻的。產(chǎn)生這種漫反射的表面稱為朗伯表面,實(shí)際上是一種理想化表面。事實(shí)上,自然界大多數(shù)地表既不完全是粗糙的朗伯表面,也不完全是光滑的“鏡面”,而是介于兩者間的非朗伯表面,其反射并非各向同性,而具有明顯的方向性,即方向反射。鏡面反射可以認(rèn)為是方向反射的一個(gè)特例。

可以用二向性反射率分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)表征景物表面的方向反射特性。BRDF是入射輻射天頂角和方位角、反射輻射天頂角和方位角、以及波長的函數(shù)。認(rèn)識(shí)景物表面的二向性反射特性對(duì)于認(rèn)識(shí)遙感的正演和反演過程、建立相應(yīng)的模型及定量遙感至關(guān)重要。為此,近年來國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了一系列BRDF模型[11]。

4 成像條件

成像條件是指在成像系統(tǒng)成像時(shí)刻照明源和媒質(zhì)的狀態(tài),以及成像系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。成像條件對(duì)于對(duì)地觀測光學(xué)遙感,特別是對(duì)于可見光、近紅外和短波紅外譜段遙感而言,太陽是主要的照明源,大氣是光線傳播的媒質(zhì)。

太陽作為照明源的狀態(tài),主要是指它的光譜輻射特性和它與景物及遙感器之間的幾何位置關(guān)系。地球大氣層外的太陽輻射強(qiáng)度通常用太陽常數(shù)描述,是指在日-地平均距離處,地球大氣層上界垂直于太陽光線的單位面積所接收到的太陽輻射功率。1981年世界氣象組織儀器和觀測方法委員會(huì)建議的太陽常數(shù)為1 367W/m2,由于太陽表面黑子和耀斑的影響,其變化值約為±0.07W/m2。太陽輻射通過大氣會(huì)引起衰減。為了描述衰減程度與穿過大氣路程之間的關(guān)系,引入了大氣質(zhì)量的概念。大氣質(zhì)量定義為:太陽光線穿過大氣的路程d與天頂方向入射時(shí)的路程D之比,用AM表示,有(3)式的關(guān)系。

式中 θ是太陽對(duì)于遙感景物區(qū)域的天頂角。在大氣層上界,d為0,即AM為0,大氣質(zhì)量稱為AM0,該狀態(tài)下太陽輻照度隨波長的變化曲線接近于6 000K黑體的變化曲線;當(dāng)太陽從天頂方向入射時(shí),即θ為0,d等于D,此時(shí)AM為1,大氣質(zhì)量稱為AM1,該狀態(tài)下太陽輻照度隨波長的變化曲線與AM0曲線有很大不同,在許多特定波長處,太陽輻射有很大衰減,這主要是由于大氣中的O3、O2、CO2和H2O等產(chǎn)生的吸收衰減所致;不同的 θ值對(duì)應(yīng)不同的AM,如 θ為48.2°對(duì)應(yīng)AM1.5,θ為60°對(duì)應(yīng)AM2,不同的AM 有不同的曲線。在有關(guān)的文獻(xiàn)中,可以找到不同AM值的曲線,如文獻(xiàn)[12]。

太陽與景物之間的幾何位置關(guān)系,主要指太陽相對(duì)于景物的天頂角和方位角。這兩個(gè)角度值與衛(wèi)星軌道和觀測時(shí)間(包括季節(jié)和日時(shí)間)密切相關(guān),影響著進(jìn)入遙感器光學(xué)系統(tǒng)的能量。影響進(jìn)入遙感器光學(xué)系統(tǒng)能量的還有遙感器與景物之間的幾何位置關(guān)系,這主要是指遙感器光學(xué)系統(tǒng)光軸對(duì)于景物的天頂角和方位角。這兩個(gè)角度值不僅與衛(wèi)星軌道和觀測時(shí)間相關(guān),還與遙感器光軸指向相關(guān)。遙感器與景物之間的幾何位置關(guān)系反映的是成像系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

大氣作為媒質(zhì)的狀態(tài),主要是指它的散射、吸收和擾動(dòng)等特性。

大氣散射是太陽輻射受大氣中微粒的影響改變傳播方向的現(xiàn)象。大氣散射包括散射強(qiáng)度與波長有關(guān)的選擇性散射,以及與波長無關(guān)的無選擇性散射。選擇性散射主要指瑞利散射和米氏散射。引起瑞利散射的微粒直徑遠(yuǎn)小于入射波的波長。對(duì)于瑞利散射,波長越短,散射越強(qiáng),且前向散射與后向散射強(qiáng)度相同。引起米氏散射的微粒直徑約等于入射波的波長。米氏散射往往影響到比瑞利散射更長的波段,其前向散射大于后向散射。引起無選擇性散射的微粒直徑遠(yuǎn)大于入射波的波長。

大氣吸收是由于大氣分子受電磁輻射激發(fā)到較高能級(jí)產(chǎn)生的。其中O3、CO2和H2O(水汽)的吸收最強(qiáng),形成了吸收譜帶,主要位于紫外、中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域。

由于大氣吸收和散射產(chǎn)生的大氣對(duì)輻射的衰減作用,可以用衰減系數(shù)k(λ,h)表示,k與波長和高度有關(guān)。太陽輻射經(jīng)過大氣的路徑 x與k的乘積稱為光學(xué)厚度,用以表示大氣衰減的程度。

大氣擾動(dòng)表現(xiàn)為湍流,是一種小尺度快速變化的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。湍流大氣中的溫度、壓力和濕度是隨機(jī)變化的,導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)起伏,可以用湍流強(qiáng)度和湍流相干尺度表示湍流的狀態(tài)。已有研究成果建立了大氣湍流模型[13-15]。

成像系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)除了遙感器對(duì)于景物的幾何關(guān)系外,還包括運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。

5 景物和成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響

關(guān)于景物光譜反射率、大氣條件、太陽與景物及遙感器之間的幾何位置等與進(jìn)入遙感器入瞳輻亮度的關(guān)系表達(dá)式,以及應(yīng)用成像系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)一步分析計(jì)算遙感圖像品質(zhì)表征量GSD、SNR、MTF等的方法,在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)介紹。本文僅定性概括地說明景物和成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響。

首先,僅考慮景物對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響。這種情況下,其影響主要包括以下幾個(gè)方面:

1)景物的平均譜反射率高,則圖像的平均SNR高。一般要求遙感圖像的SNR高于90[16]。高的景物平均譜反射率往往會(huì)對(duì)應(yīng)高品質(zhì)的遙感圖像。當(dāng)然,成像系統(tǒng)必需具有滿足要求的動(dòng)態(tài)范圍,以防止過高的景物反射率引起圖像飽和。

2)景物的輻亮度方差大,則圖像的信息熵值大,圖像的信息密度高,反映出遙感圖像含有的信息量大[17]。因此,相應(yīng)的遙感圖像品質(zhì)高。

3)景物中目標(biāo)相對(duì)于背景的對(duì)比度高,則在遙感圖像中發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)目標(biāo)的概率大[9]。同時(shí),背景的狀況也影響到目標(biāo)的識(shí)別。如空曠地、沙地和落葉地上的車輛識(shí)別概率是不同的[4]。背景的均勻性也影響到細(xì)節(jié)的獲取[9]。一般地,均勻背景比雜亂背景中的目標(biāo)易于識(shí)別[4]。

4)景物中目標(biāo)的形狀影響目標(biāo)的識(shí)別?？梢杂瞄L寬比表示形狀,通常,細(xì)長的目標(biāo)像鐵路、公路和河流等容易觀察到。甚至目標(biāo)的寬度遠(yuǎn)小于GSD時(shí),也能觀察到目標(biāo),只要目標(biāo)相對(duì)于背景有適當(dāng)?shù)膶?duì)比度。規(guī)則的形狀也有利于獲得細(xì)節(jié),如種植農(nóng)作物的農(nóng)場比復(fù)雜形狀的目標(biāo)容易獲得細(xì)節(jié)[9]。

5)景物的平均空間細(xì)節(jié) μ與成像系統(tǒng)GSD之間的比例關(guān)系對(duì)成像系統(tǒng)獲取遙感圖像的信息密度有顯著影響。只有在景物平均空間細(xì)節(jié) μ接近成像系統(tǒng)GSD時(shí),才能獲得最大的遙感圖像信息密度[17]。這是因?yàn)?雖然 μ遠(yuǎn)小于GSD時(shí),景物的高頻成分很多,信息量大,但成像系統(tǒng)受GSD限制,無法獲取這些高頻成分;當(dāng)μ遠(yuǎn)大于GSD時(shí),景物的低頻成分為主,雖然成像系統(tǒng)易于獲取這些成分,但本身信息量小。這一點(diǎn)說明成像系統(tǒng)(指標(biāo))的選擇與應(yīng)用目標(biāo)即任務(wù)使命是密切相關(guān)的。

下面討論成像條件對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響,主要考慮大氣狀態(tài)、太陽與景物及遙感器之間的幾何位置關(guān)系對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響。圖2示出了太陽與景物及遙感器之間的位置關(guān)系以及大氣的影響。進(jìn)入遙感器光學(xué)入瞳來自太陽的輻射分為3部分:第一部分,即目標(biāo)光LT,是太陽入射輻射經(jīng)過目標(biāo)表面散射進(jìn)入入瞳的輻射,其太陽入射輻射包括直接投射到目標(biāo)上的輻射和經(jīng)背景散射再經(jīng)大氣散射到目標(biāo)上的輻射;另一部分是太陽輻射經(jīng)過背景散射進(jìn)入入瞳的輻射,即背景光LB;第三部分是未投射到目標(biāo)和背景上而直接經(jīng)過大氣散射進(jìn)入入瞳的太陽輻射,即天空光LS。進(jìn)入入瞳的第一部分輻射載有目標(biāo)的信息,是遙感系統(tǒng)需要獲取的。其它兩部分不載有目標(biāo)的信息,對(duì)于遙感系統(tǒng)是一種噪聲和干擾。大氣對(duì)于遙感圖像品質(zhì)的影響可以概括為:

1)衰減了目標(biāo)光,降低了SNR,使遙感圖像品質(zhì)下降。

2)引入了背景光和天空光,抬高了成像的信號(hào)底電平,相對(duì)于降低了系統(tǒng)的MTF,使圖像有霧狀感,清晰度下降,不利于目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)與識(shí)別,使遙感圖像品質(zhì)下降。

3)改變了太陽光投射到地面的輻射光譜分布和空間分布,引入了遙感圖像降質(zhì)因素,使遙感圖像應(yīng)用的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別概率、分類精度等下降。

4)大氣湍流對(duì)于遙感系統(tǒng)空間分辨率的影響與湍流強(qiáng)度和大氣相干長度等有關(guān)。一般情況下,即使對(duì)于高分辨率成像系統(tǒng)所獲遙感圖像品質(zhì)的影響也可以忽略。但在強(qiáng)湍流和小的大氣湍流相干長度情況下,對(duì)于甚高分辨率成像系統(tǒng)遙感圖像品質(zhì)的影響必需予以考慮。對(duì)于影響程度的具體分析可見參考文獻(xiàn)[13-15]。

圖2 成像條件影響示意圖

景物特性、大氣狀態(tài)、太陽與景物及遙感器之間的位置關(guān)系等對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響是綜合性的。采用MODTRAN(Moderate Resolution Transfer Code)或6S(the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)等模型[11]分析計(jì)算遙感器入瞳輻亮度的過程考慮了以上的綜合因素。以下應(yīng)用6S模型做算例說明這些影響。選衛(wèi)星軌道高度500km,不同太陽高度角,不同遙感器視角,不同大氣能見度,以及不同目標(biāo)反射率,計(jì)算各種組合情況下衛(wèi)星遙感器入瞳處的視在反射率,以及目標(biāo)光、背景光和天空光反射率等分量。

圖3示出了不同太陽高度角條件下衛(wèi)星遙感器入瞳處的視在反射率。其遙感器視軸為天底方向,取23km和10km兩種大氣能見度,用v表示,0.6和0.3兩種目標(biāo)反射率,用r表示,背景反射率均取為0.1。遙感器入瞳處的視在反射率表示太陽入射能量經(jīng)過大氣、目標(biāo)和背景的綜合作用,進(jìn)入遙感器入瞳的能量與入射能量之比。顯然,視在反射率遠(yuǎn)小于目標(biāo)的實(shí)際反射率。表1和表2列出了視在反射率的數(shù)值,及其目標(biāo)光反射率、背景光反射率和天空光反射率等分量的數(shù)值以及比例。由圖3和表1及表2可見:即使在大氣能見度23km情況下,對(duì)于0.6目標(biāo)反射率,太陽高度角10°時(shí),其視在反射率僅占59%,太陽高度角70°時(shí),其視在反射率約占82%;對(duì)于0.3目標(biāo)反射率,太陽高度角10°時(shí),其視在反射率占74%,太陽高度角70°時(shí),其視在反射率約占87%,然而目標(biāo)光反射率所占比例卻大為下降,天空光反射率的比例大為增加,突顯了天空光的影響。

圖3 不同太陽高度角條件下衛(wèi)星遙感器入瞳處的視在反射率

表1 不同太陽高度角條件下幾種反射率分量的關(guān)系(r=0.6)

表2 不同太陽高度角條件下幾種反射率分量的關(guān)系(r=0.3)

圖4示出了在遙感器不同側(cè)擺角條件下衛(wèi)星遙感器入瞳處的視在反射率。其太陽高度角為60°,與遙感器方位相反,仍取23km和10km兩種大氣能見度,0.6和0.3兩種目標(biāo)反射率,背景反射率均取為0.1。由圖4和表3及表4可見:隨著側(cè)擺角增加其視在反射率呈下降趨勢;即使在大氣能見度23km情況下,對(duì)于0.6目標(biāo)反射率,在相機(jī)45°側(cè)擺角時(shí),其視在反射率比例下降到74.5%,目標(biāo)光反射率比例下降到79%,天空光反射率比例增加到8.9%;對(duì)于0.3目標(biāo)反射率,在相機(jī)45°側(cè)擺角時(shí),雖然其視在反射率下降到81.7%,但目標(biāo)光反射率比例大為下降到71%,天空光反射率猛增加到16.3%,突顯了大側(cè)擺角時(shí)天空光的影響。

圖4 相機(jī)不同側(cè)擺角時(shí)衛(wèi)星遙感器入瞳處的視在反射率

表3 相機(jī)不同側(cè)擺角時(shí)幾種反射率分量的關(guān)系(r=0.6)

表4 相機(jī)不同側(cè)擺角時(shí)幾種反射率分量的關(guān)系(r=0.3)

由以上算例可以看到背景和成像條件對(duì)于進(jìn)入衛(wèi)星遙感器入瞳能量的復(fù)雜影響,包括來自目標(biāo)光、背景光和天空光能量成分間的關(guān)系。衛(wèi)星遙感關(guān)注的是來自目標(biāo)光的能量及包含的信息。來自背景光和天空光的能量實(shí)際上是一種干擾,降低了遙感圖像的品質(zhì),影響了目標(biāo)識(shí)別、分類和應(yīng)用。

6 討論

根據(jù)上面介紹的景物特性和成像條件的表征,及其對(duì)遙感圖像品質(zhì)影響的分析,本節(jié)對(duì)以下問題開展進(jìn)一步討論,也作為作者的若干建議。

(1)在衛(wèi)星成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,必須十分關(guān)注景物和成像條件的影響

應(yīng)用某些模型,如6S軟件計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳能量時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量全面地考慮可能遇到的各種不同景物狀態(tài)和不同成像條件,包括不同的目標(biāo)尺寸和反射率、朗伯表面或非朗伯表面、不同的背景反射率、不同的大氣狀態(tài)、不同成像區(qū)域的不同大氣模型和氣溶膠模型,以及太陽、景物和遙感器之間的不同位置關(guān)系。不僅要計(jì)算進(jìn)入遙感器入瞳的總能量,還要計(jì)算來自目標(biāo)光、背景光和天空光的分量。在分析成像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍時(shí),必須考慮總能量的影響,在分析有用信號(hào)信噪比時(shí),應(yīng)當(dāng)采用來自目標(biāo)的能量,而不應(yīng)采用總能量。

在設(shè)計(jì)中,需要針對(duì)成像系統(tǒng)的指標(biāo)要求和應(yīng)用特點(diǎn)確定影響因素的考慮范圍,如對(duì)于甚高空間分辨率系統(tǒng)需要考慮大氣湍流影響。作為成像條件內(nèi)容的運(yùn)行參數(shù),如積分時(shí)間、積分級(jí)數(shù)和增益等,應(yīng)當(dāng)和其它成像條件相配合,盡量做到優(yōu)化組合。

(2)在遙感衛(wèi)星運(yùn)行中,同樣必須關(guān)注背景和成像條件的影響

需要結(jié)合實(shí)際任務(wù),針對(duì)預(yù)期的景物狀態(tài)和成像條件,進(jìn)行必要的遙感圖像仿真,為制定運(yùn)行計(jì)劃提供重要的依據(jù)。需要對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適時(shí)的合理調(diào)整,以確保所獲遙感圖像的品質(zhì)。對(duì)于不利于正常成像的情況應(yīng)主動(dòng)予以規(guī)避。對(duì)于完全覆蓋的植被,既存在后向反射峰值,同時(shí)也存在鏡向反射峰值;水體因?yàn)槠浔砻骖愃歧R面,在前向散射方向存在很強(qiáng)峰值;無論是強(qiáng)前向散射或者是強(qiáng)后向散射的峰值都出現(xiàn)在太陽主平面內(nèi),因此,推掃成像探測器陣列方向和擺掃成像方向應(yīng)當(dāng)盡量避開太陽主平面[18]。

(3)需要積極開展大氣精確校正研究和應(yīng)用

大氣校正是為了消除大氣對(duì)于遙感圖像的影響所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理,是輻射校正的主要內(nèi)容。為了提高遙感圖像品質(zhì)、獲得地表真實(shí)反射率,必須進(jìn)行大氣校正。由于太陽輻射是在與大氣、景物的相互作用中傳輸?shù)?因此大氣校正不僅與大氣有關(guān),還與景物有關(guān),其精確校正是相當(dāng)復(fù)雜的。盡管許多學(xué)者致力于大氣校正的研究,提出了許多校正方法,但精度還遠(yuǎn)不夠。特別是,陸地上的大氣校正問題尚未真正解決[11]。因此,有關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和專家應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)合作、積極探索、努力開展大氣校正的理論、模型和方法研究,不斷提高大氣精確校正的理論和實(shí)際應(yīng)用水平。

(4)需要加強(qiáng)定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)工作

為了提高遙感圖像品質(zhì),獲取真實(shí)的有關(guān)信息,需要加強(qiáng)定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)工作。應(yīng)當(dāng)建設(shè)多種高品質(zhì)的定標(biāo)試驗(yàn)場,努力開展高水平的真實(shí)性檢驗(yàn)和定標(biāo)方法研究,結(jié)合大氣校正工作,提高實(shí)際應(yīng)用水平。

[1]陳世平.關(guān)于遙感圖像品質(zhì)的若干問題[J].航天返回與遙感,2009,30(2):10-17.

[2]陳世平,時(shí)紅偉.提高衛(wèi)星遙感圖像質(zhì)量技術(shù)發(fā)展研究[R],北京:中國空間技術(shù)研究院,2009.

[3]Joanne Poon,et al.Orthoimage Resolution and Quality Standards[EB/OL].http://www.crsci.com.cn.

[4][美]利齊坎納爾(Leachtenauer J C),德里格斯(Driggers R G).監(jiān)視與偵察成像系統(tǒng)(模型與性能預(yù)測)[M].陳世平,馬文坡,周峰,等譯.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[5]Nill N B,Bouzas BH.Objective Image Quality Measure Derived From Digital Image Power Spectra[J].Optical Engineering,1992,31(4):813-825.

[6]王橋,楊一鵬,黃家柱,等.環(huán)境遙感[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[7]Robert A.Schowengerdt.Remote Sensing Models and Methods for Image Processing[M].Third Edition,San Diego:Elsevier,2007.

[8]童慶禧,等.中國典型地物波譜及其特征分析[M].北京:科學(xué)出版社,1990.

[9]Campbell J B.Introduction to Remote Sensing[M].Third Edition,New York:The Guilford Press,2002.

[10]Huck F O,Fales C L,Rahman Z.An Information Theory of Visual Communication[J],Philos.Trans.R.Soc.London,Ser.A354,1996:2193-2248.

[11]趙英時(shí),等.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[12][澳]馬丁格林.太陽電池工作原理、工藝和系統(tǒng)應(yīng)用[M].李秀文,等譯,北京:電子工業(yè)出版社,1987.

[13]閻吉祥,俞信.大氣湍流對(duì)遙感系統(tǒng)分辨力的影響[J].光學(xué)技術(shù),2004,(1):68-69.

[14]王仁禮,郝振純,陳波,等.大氣湍流對(duì)天基遙感系統(tǒng)地面分辨力的影響[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2009,(2):114-117.

[15]Zhang Xiao fang,Yu Xin,Yan Ji xiang.Influencesof Atmospheric Turbulence on Image Resolution of Airborne andSpace-Borne Optical Remote Sensing System[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2006,15(4):457-461.

[16]陸春玲.衛(wèi)星可見光遙感成像信噪比特性及對(duì)圖像質(zhì)量影響的研究[D].北京:中國空間技術(shù)研究院,2008.

[17]時(shí)紅偉.可見光數(shù)字遙感圖像質(zhì)量研究[D].北京:中國空間技術(shù)研究院,2005.

[18]彭妮娜,王琨,李濤,等.地表雙向反射特性對(duì)遙感圖像的影響研究[C]//中國空間技術(shù)研究院科技委有效載荷第二專業(yè)組學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,福州,2009.