“資源三號”衛(wèi)星三線陣相機(jī)輻射質(zhì)量評價(jià)

徐文 葛曙樂 龍小祥 王小燕 李俊杰

（中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）

1 引言

“資源三號”（ZY-3）衛(wèi)星搭載4臺成像載荷：一臺分辨率為2.1m的正視全色相機(jī)和兩臺分辨率為3.6m的前視、后視全色相機(jī)，三者構(gòu)成三線陣相機(jī)（Three Line Array CCD Camera），進(jìn)行立體測繪成像；此外，還有一臺分辨率為5.8m的多光譜相機(jī)，包括藍(lán)、綠、紅和近紅外4個(gè)波段。為了推動ZY-3衛(wèi)星影像早日投入應(yīng)用，發(fā)揮功效，本文對ZY-3三線陣相機(jī)圖像質(zhì)量（qualtiy，以下同）進(jìn)行分析評價(jià)。

對于衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)，國內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。何中翔等開展了遙感圖像客觀質(zhì)量評價(jià)方法的研究[1]，熊興華等使用灰度預(yù)測誤差統(tǒng)計(jì)進(jìn)行影像質(zhì)量評價(jià)[2]，劉慧等研究增強(qiáng)算法去除噪聲后圖像的質(zhì)量評價(jià)[3]，王舟等總結(jié)了當(dāng)前基于結(jié)構(gòu)相似性圖像質(zhì)量評價(jià)方法的進(jìn)展[4]。由于圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的多樣性和遙感成像過程的復(fù)雜性，當(dāng)前尚未形成成熟完善評價(jià)方法，相關(guān)研究仍是圖像工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容。目前，國內(nèi)外對于三線陣相機(jī)所開展圖像質(zhì)量分析工作較少，本文探索性地采用客觀評價(jià)與主觀評價(jià)相結(jié)合的方法，對ZY-3三線陣相機(jī)的1級圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)。將ZY-3衛(wèi)星圖像與國內(nèi)外載荷參數(shù)相近衛(wèi)星的圖像進(jìn)行了質(zhì)量對比分析，結(jié)果表明ZY-3衛(wèi)星三線陣相機(jī)影像質(zhì)量良好，與國際上數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛的先進(jìn)衛(wèi)星圖像質(zhì)量水平相當(dāng)，將對各個(gè)領(lǐng)域遙感應(yīng)用數(shù)據(jù)國產(chǎn)化起到促進(jìn)作用。

2 三線陣相機(jī)輻射精度評價(jià)

ZY-3三線陣相機(jī)的成像器件為延時(shí)積分CCD（Time delayed and Integration Charge Coupled Device，TDI-CCD），由于CCD像元的響應(yīng)特性、噪聲水平、量子效率不同等因素，以及采樣和處理電路的各種噪聲因素，導(dǎo)致在相同光照條件下相機(jī)輸出圖像的像元DN（Digital Number）值有所不同，在圖像中顯示為沿線陣推掃方向的條帶現(xiàn)象，被稱為條帶噪聲。將遙感數(shù)據(jù)從0級原始影像處理為1級輻射校正產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定參數(shù)建立模型，去除條帶噪聲。通常使用列信噪比和廣義噪聲衡量條帶噪聲的去除效果。廣義噪聲定義為：選取盡可能大的均勻區(qū)域，計(jì)算出每列（飛行方向）影像的均值和該區(qū)域均值，計(jì)算兩者的誤差，并求出誤差與區(qū)域均值的比值，該項(xiàng)誤差即為廣義噪聲。

本文選擇4個(gè)亮度等級的均勻地物，按照以下步驟計(jì)算三線陣相機(jī)的列信噪比和廣義噪聲：

1）選取經(jīng)過輻射校正的若干包含均勻地物的1級產(chǎn)品圖像；

2）在若干亮度類型的圖像中選取300行300列的均勻子圖像；

3）對所選取的第k塊圖像，分別計(jì)算該圖像的均值A(chǔ)k、列像元DN值的絕對誤差Ek及相對誤差（Ek）R，公式如下；

其中 i為行索引量；j為列索引量；m為行數(shù)（本文中此處為300）；n為列數(shù)（本文中此處為300）。

4）計(jì)算所有子圖所在像元的廣義噪聲E。

式中 N為子塊圖像的數(shù)目。

ZY-3衛(wèi)星三線陣相機(jī)廣義噪聲測試結(jié)果見表1。

ZY-3衛(wèi)星研制總要求中相對輻射精度設(shè)定的指標(biāo)為廣義噪聲小于3%，由表1可見，前視、正視和后視相機(jī)的廣義噪聲均值分別為0.24%、0.22%、0.14%，滿足要求。除了亮度等級為1的地物外（測試選取深海區(qū)域），3個(gè)相機(jī)的廣義噪聲均小于0.26，達(dá)到較高水平，ZY-3三線陣相機(jī)輻射噪聲性能良好，輻射校正方法有效地處理了條帶噪聲。

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3 三線陣相機(jī)典型地物圖像輻射質(zhì)量評價(jià)

全色遙感圖像的灰度分布一方面受到成像光學(xué)系統(tǒng)性能、大氣狀況和太陽高度角等外在因素的影響，另一方面也取決于地物自身的輻射反射特性差異。為了全面評價(jià)三線陣相機(jī)圖像的品質(zhì)，選擇農(nóng)田、城市、山地3類典型地物進(jìn)行分析（典型地物圖像品質(zhì)評價(jià)所使用的圖像數(shù)據(jù)見表2）。計(jì)算典型地物圖像塊的灰度、灰度共生矩陣和紋理3方面的參數(shù)，進(jìn)行量化分析。圖像灰度的指標(biāo)參數(shù)包括圖像均值、灰度方差和陡度。圖像灰度共生矩陣指標(biāo)參數(shù)包括角二階矩、對比度和信息熵。圖像紋理的指標(biāo)參數(shù)包括細(xì)節(jié)信號能量、邊緣信號能量和清晰度。農(nóng)田、城市和山地3類典型地物的客觀指標(biāo)評價(jià)結(jié)果如表3所示。

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ZY-3三線陣相機(jī)的幅寬為52km，單景圖像中包含地物種類多樣，可從中選取典型地物圖像塊進(jìn)行分析。以晴朗無云天氣的影像為測試圖像，在農(nóng)田、城市和山地3類地物影像中各取兩景。根據(jù)正視相機(jī)和前后視相機(jī)的分辨率比，前后視相機(jī)圖像塊大小為1 600行1 600列，正視相機(jī)圖像塊大小為2 700行2 700列，確保圖像塊對應(yīng)地物區(qū)域基本一致。

由表3可知，灰度指標(biāo)參數(shù)中3種地物圖像的均值大致相當(dāng)，城市圖像的方差大于農(nóng)田圖像和山地圖像；城市圖像的陡度總體上大于農(nóng)田圖像，農(nóng)田圖像的陡度大于山地圖像?；叶裙采仃囍笜?biāo)參數(shù)中，城市圖像的角二階矩小于山地圖像和農(nóng)田圖像；3種地物的信息熵大致相當(dāng)，城市圖像的信息熵總體稍大于山地圖像和農(nóng)田圖像；城市圖像的對比度最高，大約是農(nóng)田圖像對比度的7倍，山地圖像的對比度大約是農(nóng)田圖像對比度的1.5倍。紋理指標(biāo)參數(shù)中，城市圖像的細(xì)節(jié)能量信號和邊緣能量信號最大，大約是農(nóng)田圖像對應(yīng)指標(biāo)的2.8倍，山地圖像的細(xì)節(jié)能量信號和邊緣能量信號總體大于農(nóng)田圖像；城市圖像的清晰度最高，山地圖像的清晰度居中，農(nóng)田圖像的清晰度最低，僅為城市圖像清晰度的三分之一。

ZY-3衛(wèi)星的前視和后視相機(jī)與正視相機(jī)的夾角均為22°，前視相機(jī)比正視相機(jī)推掃過同一地物點(diǎn)的時(shí)刻早28s，后視相機(jī)比正視相機(jī)晚28s。前視、正視和后視相機(jī)對同一地物所成圖像受時(shí)間影響較小，主要差異是由于成像角度和相機(jī)自身性能不同所造成的。本節(jié)以洛陽城區(qū)局部圖像為例，比較前視、正視和后視相機(jī)的圖像特征。圖1自上而下分別為前視、正視和后視相機(jī)圖像的直方圖。

對于同一區(qū)域地物，后視相機(jī)的像素均值大于前視相機(jī)，正視相機(jī)的均值最小。由于成像角度不同，在地物相對平坦區(qū)域，3個(gè)相機(jī)所成圖像基本一致，在地物高度存在差別的區(qū)域，圖像的細(xì)節(jié)差異顯著。城市建筑物與其陰影在3幅圖像的直方圖中表現(xiàn)出明顯的差異。前視圖像完整的采集到建筑物陰影，并且能夠獲取建筑背陰面細(xì)節(jié)，因此在圖像直方圖上顯示出單峰特征，但是在單峰的左側(cè)會有凸起。正視相機(jī)圖像有效的體現(xiàn)了建筑物頂部與其陰影信息，在直方圖上呈現(xiàn)雙峰特征。后視圖像中建筑物的陰影信息只有部分顯現(xiàn)，其直方圖表現(xiàn)為單峰近似對稱分布。

ZY-3衛(wèi)星前視、正視和后視相機(jī)獲取同一地物多視角、同時(shí)相影像，影像中的細(xì)節(jié)差異顯著，是進(jìn)一步處理提取地面數(shù)字高程信息的基礎(chǔ)。圖2是從洛陽市區(qū)成像中選取的前視、正視和后視建筑物局部圖像。由于10bit圖像不便于顯示，因此將圖像重量化處理為8bit圖像，下文中ZY-3衛(wèi)星的其它圖像也是重量化的8bit圖像。從圖中可以看出，建筑物南北兩側(cè)的細(xì)節(jié)信息在后視和前視相機(jī)圖像中展現(xiàn)的更為完整，在后視相機(jī)圖像中建筑物陰影范圍顯著小于另外兩個(gè)相機(jī)。

ZY-3三線陣相機(jī)獲取3類典型地物圖像在對比度、邊緣能量和細(xì)節(jié)能量等客觀指標(biāo)上差異顯著。ZY-3前視、正視和后視相機(jī)獲取的地物圖像方差大、陡度高，體現(xiàn)了良好的直方圖分布，圖像像素值沒有集中在均值附近。這表明三線陣相機(jī)輻射量化適當(dāng)，處理方法和參數(shù)配置合理。3類地物圖像的細(xì)節(jié)能量大于邊緣能量，圖像中高頻信息豐富，表明三線陣相機(jī)的傳遞函數(shù)曲線良好，高頻信息衰減少。對同一地物的前視、正視和后視相機(jī)所成圖像中，不同成像角度獲取的圖像存在細(xì)節(jié)差別，與地表高度起伏的關(guān)聯(lián)性明顯。從以上分析可以看出，ZY-3三線陣相機(jī)圖像輻射客觀指標(biāo)良好，前視、正視和后視相機(jī)為高程信息提取提供了有效的細(xì)節(jié)差異信息。

4 正視圖像與CBERS-02B衛(wèi)星圖像對比分析

“資源一號”02B（CBERS-02B）衛(wèi)星搭載了一臺分辨率為2.36m的HR相機(jī)，與ZY-3衛(wèi)星的正視相機(jī)參數(shù)相近，下面對兩顆衛(wèi)星相似載荷進(jìn)行對比分析。由于客觀條件的限制，無法獲得與ZY-3同時(shí)相的圖像，在盡可能保證成像條件一致下，選取相近月份所的圖像進(jìn)行對比分析（如表4）。比較時(shí)CBERS-02B衛(wèi)星的圖像塊大小為1 000行1 000列，ZY-3衛(wèi)星的圖像塊大小為1 120行1 120列。

同一地區(qū)近時(shí)相圖像的值域、均值和像素標(biāo)準(zhǔn)差對比結(jié)果如表5，圖像與其直方圖對比結(jié)果如圖3-4。ZY-3衛(wèi)星正視圖像值域范圍廣，標(biāo)準(zhǔn)差大，圖3的機(jī)場圖像中直方圖中半幅全寬度為132，圖4中城市居民區(qū)的半幅全寬度為260。重量化將ZY-3正視相機(jī)圖像值域壓縮至[0，255]時(shí)，其值域和標(biāo)準(zhǔn)差仍顯著大于CBERS-02B衛(wèi)星HR圖像。在機(jī)場對比圖像的直方圖中，CBERS-02B衛(wèi)星圖像的半幅全寬度為16，ZY-3衛(wèi)星圖像的半幅全寬度為33。在城市對比圖像的直方圖中，CBERS-02B衛(wèi)星圖像的半幅全寬度為15，ZY-3衛(wèi)星圖像的半幅全寬度為63。ZY-3衛(wèi)星正視相機(jī)圖像的直方圖層次性強(qiáng)，機(jī)場圖像直方圖左側(cè)陰影產(chǎn)生的局部峰明顯，城市高層民居的陰影產(chǎn)生直方圖中左側(cè)的峰，使得直方圖為二峰分布。CBERS-02B衛(wèi)星HR圖像的直方圖過渡少，兩幅圖像均為單峰分布，上升沿與下降沿斜率大。

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直方圖分布特征說明，ZY-3衛(wèi)星正視相機(jī)圖像的輻射質(zhì)量特性優(yōu)于CBERS-02B衛(wèi)星HR相機(jī)，一方面10bit的量化位深具有優(yōu)勢，另一方面相機(jī)的噪聲控制水平高，使得有效量化位深高，圖像有效值域?qū)挕?/p>

5 正視圖像與SPOT-5和ALOS衛(wèi)星圖像對比分析

日本ALOS衛(wèi)星（Advanced Land Observation Satellite）衛(wèi)星搭載有全色遙感立體測繪儀，其正視相機(jī)分辨率為2.5m。法國SPOT-5衛(wèi)星的高分辨率幾何成像儀 （High Resolution Geometric Imaging Instrument，HRG）可以處理生成2.5m分辨率圖像。這兩種衛(wèi)星的2.5m分辨率圖像與ZY-3正視相機(jī)圖像參數(shù)相近。將ZY-3圖像10bit圖像線性轉(zhuǎn)換為8bit圖像，與ALOS和SPOT-5衛(wèi)星圖像進(jìn)行對比分析。考慮到分辨率差異，ZY-3圖像塊大小為305行305列，ALOS和SPOT-5圖像塊大小為256行256列。

由于客觀條件限制無法獲得同時(shí)相的圖像，無法使用客觀指標(biāo)量進(jìn)行對比分析。因此選擇天氣晴朗，大氣狀況良好的圖像進(jìn)行主觀對比分析，選取圖像數(shù)據(jù)如表6所示。選擇遼寧省大連地區(qū)圖像進(jìn)行ZY-3和ALOS圖像品質(zhì)主觀對比分析，選擇遼寧省沈陽地區(qū)圖像進(jìn)行ZY-3和SPOT-5圖像品質(zhì)主觀對比分析。沈陽地區(qū)的對比圖像如圖5所示。

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根據(jù)地物影像的邊緣清晰程度、對比度、圖像飽和狀況以及地物鑒別力對公路、居民點(diǎn)和農(nóng)田進(jìn)行主觀目視判讀，主觀評價(jià)結(jié)果如表7所示。由表7可知，ZY-3正視相機(jī)的8bit重量化圖像層次感強(qiáng)，線性邊緣清晰，亮地物的能量擴(kuò)散現(xiàn)象弱，主觀目視整體質(zhì)量與ALOS衛(wèi)星和SPOT-5衛(wèi)星圖像相當(dāng)，對地物細(xì)節(jié)的表現(xiàn)優(yōu)于ALOS衛(wèi)星影像和SPOT-5衛(wèi)星影像。由于主觀評價(jià)使用的樣本有限，且圖像源并非同時(shí)相，對ZY-3衛(wèi)星與ALOS衛(wèi)星和SPOT-5衛(wèi)星圖像的整體質(zhì)量對比分析需要更廣泛的樣本，結(jié)合同時(shí)相圖像客觀指標(biāo)才能做出優(yōu)劣論斷。

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6 結(jié)論

ZY-3衛(wèi)星增強(qiáng)了我國自主獲取基礎(chǔ)地理信息的能力，對國土測繪、資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害、環(huán)境保護(hù)和公共安全等領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義。對ZY-3三線陣相機(jī)圖像質(zhì)量的評價(jià)研究表明，該相機(jī)圖像值域范圍廣，直方圖峰谷特征良好，半幅全寬度數(shù)值大。在前視、正視和后視相機(jī)對同一地物所成圖像中，對地物高度差異造成的圖像細(xì)節(jié)差異表現(xiàn)顯著。將相機(jī)的10bit圖像重量化得到8bit圖像中，主觀評價(jià)地物清晰，層次感強(qiáng)，能夠有效反映不同地物的特征和局部細(xì)節(jié)。

與其它衛(wèi)星圖像的對比分析中，ZY-3衛(wèi)星圖像體現(xiàn)出量化深度高的優(yōu)勢。ZY-3正視相機(jī)圖像的值域，直方圖特性比CBERS-02B衛(wèi)星有顯著改進(jìn)，主觀評價(jià)結(jié)果也表明ZY-3正視影像質(zhì)量優(yōu)異，對于地物細(xì)節(jié)信息的表現(xiàn)力優(yōu)于ALOS和SPOT-5衛(wèi)星圖像。

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