“實(shí)踐九號”A衛(wèi)星高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量評價(jià)

文強(qiáng) 嚴(yán)明, 楊秉新 王智勇 伍菲 賀少帥 童慶禧

（1二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，北京 100096）

（2中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101）

（3北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

“實(shí)踐九號”A/B衛(wèi)星作為中國民用新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列的首發(fā)星，主要用于衛(wèi)星長壽命高可靠、高精度高性能、國產(chǎn)核心元器件和衛(wèi)星編隊(duì)及星間測量與鏈路等試驗(yàn)。“實(shí)踐九號”A（SJ-9A）衛(wèi)星搭載的輕型高性能光學(xué)小相機(jī)，在645km的太陽同步軌道上獲取30km幅寬的2.5m分辨率全色和10m分辨率藍(lán)、綠、紅、近紅外4波段多光譜高分辨率遙感圖像。表1為高性能光學(xué)小相機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 SJ-9A衛(wèi)星高性能光學(xué)小相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specification of high performance optical small camera of SJ-9A

高性能光學(xué)小相機(jī)作為SJ-9A衛(wèi)星的主要載荷，相機(jī)研制和地面處理單位聯(lián)合開展了對其為期半年的在軌成像質(zhì)量（Quality）評價(jià)，優(yōu)化相機(jī)成像設(shè)置和地面預(yù)處理參數(shù)，提升圖像產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)揮SJ-9A高分辨率遙感圖像的應(yīng)用潛力。本文從高性能光學(xué)小相機(jī)遙感圖像的輻射精度、波段配準(zhǔn)、MTF復(fù)原、圖像幾何畸變4個環(huán)節(jié)，綜合評價(jià)SJ-9A衛(wèi)星高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量，驗(yàn)證光學(xué)小相機(jī)的遙感應(yīng)用能力。

2 輻射精度評價(jià)

2.1 CCD拼接色調(diào)差異與探元響應(yīng)差異

CCD拼接是將像元數(shù)較少的多片CCD拼接排列成一條直線，獲得像元數(shù)較多的等效CCD線陣[1]。SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)采用反射鏡光學(xué)拼接方式實(shí)現(xiàn)了TDICCD長線陣拼接，其成像參數(shù)如表2。

表2 高性能光學(xué)小相機(jī)TDICCD成像參數(shù)Tab.2 Parameters of TDICCD

理想狀態(tài)下，TDICCD各探元在相同的輻亮度輸入條件下具有完全相同的輸出響應(yīng)；但實(shí)際上，由于光學(xué)系統(tǒng)、不同視場及視場拼接、TDICCD各片、各抽頭、各探元的響應(yīng)不一致以及電路差異等因素的影響，不同探元有其不同程度的響應(yīng)差異，導(dǎo)致原始遙感圖像存在奇偶條帶、色差、暗像元等噪聲問題[2]。圖1顯示了SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)原始全色和多光譜圖像存在TDICCD拼接縫暗條帶和抽頭間的色調(diào)差異現(xiàn)象。

圖1 原始圖像的拼接暗條帶和色差Fig.1 Dark stripes and color aberration of raw multispectral and panchromatic images

統(tǒng)計(jì)圖1沙漠區(qū)域多光譜藍(lán)波段和全色原始圖像列像元DN（Digital Number）均值（如圖2），SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)原始圖像存在兩片 TDICCD拼接暗條帶、CCD響應(yīng)非線性、抽頭間色調(diào)差異和暗像元。拼接縫最暗像元DN值比平均灰度值下降了400～500個DN值。

圖2 原始圖像列像元DN均值直方圖Fig.2 Histogram of mean DN value of raw multispectral and panchromatic column images

2.2 輻射校正與精度評價(jià)

為了校正原始圖像中的輻射畸變，需對相機(jī)各探元輸出的DN值進(jìn)行輻射歸一化處理。通過對多時(shí)相的沙漠和海面均一地物原始圖像列像元DN均值統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)TDICCD各探元存在正常線性響應(yīng)區(qū)和接近飽和的弱線性響應(yīng)區(qū)，線性響應(yīng)度的拐點(diǎn)在DN值850～950區(qū)間。圖3以藍(lán)、綠、紅、近紅外波段TDICCD的第100和第200個探元為例，反映10bit動態(tài)范圍內(nèi)探元線性響應(yīng)度的差異。

圖3 TDICCD探元線性響應(yīng)度差異Fig.3 Response discrepancy of individual TDICCD detector

針對SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)TDICCD探元的響應(yīng)特點(diǎn)，采取分段輻射校正的方法消除原始圖像中的輻射畸變。在每個動態(tài)分段區(qū)間內(nèi)，使用式（1）進(jìn)行逐列像元灰度值輻射校正。

式中 DNi′為第i列像元校正后的DN值；DNi為第i列原始像元DN值；Gi為第i列像元的增益系數(shù)；Bi為第i列像元的偏置系數(shù)。

通過對不同亮度均勻地物原始圖像的DN均值和方差統(tǒng)計(jì)分析，采用最小二乘擬合，計(jì)算得到每個動態(tài)分段區(qū)間內(nèi)每個探元的增益和偏置系數(shù)。對圖1輻射校正后的圖像如圖4所示：

圖4 輻射校正多光譜和全色圖像Fig.4 Radiometricly corrected multispectral and panchromatic image

目視效果上，輻射校正消除了原始圖像中TDICCD拼接暗條帶、分抽頭色調(diào)差異和暗像元；在定量化評價(jià)上，使用廣義噪聲法評價(jià)輻射校正的精度。廣義噪聲法是在輻射校正后的圖像上選取一塊M行N列的均勻地物圖像，計(jì)算每列圖像的均值和該區(qū)域圖像的均值以及兩者差值絕對值的平均值（Err），然后求該絕對均值與區(qū)域均值的比值[3]。該比值的百分?jǐn)?shù)即為廣義噪聲值（Generalized Noise，GN）。

式中 N為圖像的列數(shù)；M為圖像的行數(shù)； D Ni,j為第i列第j行像元的DN值；為整幅圖像的DN均值。輻射校正后多光譜各波段和全色圖像（圖4所示）的廣義噪聲計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 輻射校正圖像廣義噪聲評價(jià)結(jié)果Tab.3 Generalized noise of radiometricly corrected image

3 波段配準(zhǔn)精度評價(jià)

由于線陣CCD焦平面裝配的微小誤差和各CCD探元大小不一致等因素，多光譜原始圖像各波段間會存在明顯的配準(zhǔn)誤差，且各波段間的配準(zhǔn)誤差呈非線性關(guān)系[4]。在遙感圖像地面預(yù)處理中，需校正各波段間的配準(zhǔn)誤差，生產(chǎn)亞像元配準(zhǔn)精度的多光譜圖像產(chǎn)品。

在 SJ-9A多光譜圖像配準(zhǔn)處理中，使用線陣 CCD間各探元相對位置偏差模型，實(shí)現(xiàn)多波段圖像的亞像元自動配準(zhǔn)[5]。通過統(tǒng)計(jì)分析不同時(shí)相、不同側(cè)擺角的多景多光譜圖像配準(zhǔn)誤差，以綠波段圖像為參考波段，計(jì)算藍(lán)、紅和近紅外波段CCD線陣上每個探元圖像相對于參考波段沿線陣CCD掃描方向和衛(wèi)星飛行方向上的位置偏移量Δx和Δy，再通過最小二乘擬合得到各波段圖像間逐像元的波段配準(zhǔn)誤差模型，實(shí)現(xiàn)多波段圖像的配準(zhǔn)。具體步驟如下：

1）在參考圖像和待匹配圖像上通過灰度交叉相關(guān)和二次曲面擬合自動采集同名參考點(diǎn)；

2）計(jì)算各參考點(diǎn)在圖像行（X）和列（Y）方向上的像元偏移量；

3）使用最小二乘擬合內(nèi)插得到每個CCD探元對應(yīng)像元在圖像X和Y方向上的位置偏移量；

4）利用多景圖像求平均偏移量，計(jì)算圖像逐像元在X和Y方向上的位置偏移校正系數(shù)Δx和Δy，得出式（4）所示的多波段配準(zhǔn)模型。

式中 DN(,)x y' 為配準(zhǔn)后圖像的 DN值。波段配準(zhǔn)處理時(shí)，利用式（4）對待配準(zhǔn)波段圖像進(jìn)行逐像元偏移誤差校正，并使用三次卷積灰度重采樣得到配準(zhǔn)后圖像。圖5顯示了SJ-9A多光譜藍(lán)、綠、紅波段配準(zhǔn)前后的對比圖像。

為了定量評價(jià)多光譜圖像的配準(zhǔn)精度，計(jì)算配準(zhǔn)后各波段圖像同名檢查點(diǎn)在X方向和Y方向上像元匹配誤差的均方根誤差。計(jì)算公式為：

圖5 多光譜波段配準(zhǔn)圖像Fig.5 Band registration image

表4 多光譜配準(zhǔn)精度評價(jià)結(jié)果Tab.4 Precision of multispectral registration image

4 MTF檢測與圖像復(fù)原

調(diào)制傳遞函數(shù) MTF是光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)之一，能反映成像系統(tǒng)對目標(biāo)物成像過程中信號的擴(kuò)散與衰減程度。衛(wèi)星發(fā)射前，光學(xué)相機(jī)的 MTF可以在實(shí)驗(yàn)室精確測量。當(dāng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，由于受到發(fā)射過程中的振動、從地面到空間失重環(huán)境的應(yīng)力釋放、大氣衰減和相機(jī)運(yùn)動成像的影響，相比實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測量結(jié)果，相機(jī)在軌MTF會發(fā)生衰減。MTF在軌檢測與評價(jià)對高分辨率遙感圖像質(zhì)量提升具有重要作用。

目前，常用的在軌MTF測量方法有：高分辨率圖像法、點(diǎn)源法、刃邊地物法及線性地物測量法[6]。本文利用地面靶標(biāo)場圖像，采用刃邊地物法測量SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)的在軌MTF值。刃邊地物法是通過圖像上與衛(wèi)星軌道方向呈微小角度且具有一定長度的平直地物邊緣來測量跨軌和沿軌方向圖像刃邊邊緣擴(kuò)展函數(shù)（Edge Spread Function，ESF），對ESF差分得到線擴(kuò)展函數(shù)（Line Spread Function，LSF），再對LSF進(jìn)行傅里葉變換得到MTF。

使用2013年4月15日拍攝的內(nèi)蒙古靶標(biāo)場圖像（如圖6所示）測量全色波段的跨軌 MTF值，來評價(jià)高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量。經(jīng)測試，該圖像跨軌Nyquist頻率處MTF值為0.115，說明SJ-9A全色圖像具有較高的動態(tài)MTF值。

圖6 MTF靶標(biāo)場圖像Fig.6 MTF target image

為了進(jìn)一步提升SJ-9A全色圖像的清晰度，在SJ-9A遙感圖像地面處理中采用維納濾波復(fù)原法對全色圖像進(jìn)行 MTF補(bǔ)償清晰化處理。利用內(nèi)蒙古靶標(biāo)場計(jì)算的MTF值對全色圖像進(jìn)行MTF復(fù)原處理，得到清晰度補(bǔ)償?shù)娜珗D像。復(fù)原前后的全色圖像如圖7，復(fù)原后圖像的跨軌Nyquist頻率處MTF值達(dá)到0.305，說明MTF復(fù)原處理極大地提升了全色圖像的清晰度。復(fù)原處理后全色圖像的地物邊緣更為清晰，細(xì)節(jié)更為豐富。

圖7 全色MTF復(fù)原圖像Fig.7 MTF restored panchromatic image

5 圖像幾何畸變建模與評價(jià)

相機(jī)的光學(xué)畸變和 CCD的裝配誤差，是造成光學(xué)遙感圖像幾何畸變的根本原因。對于推掃式TDICCD相機(jī)，可使用一對三次多項(xiàng)式對圖像幾何畸變建模，通過畸變系數(shù)在軌檢校和地面處理來改善圖像的圖像幾何畸變[7-8]，提高幾何定位精度。圖像幾何畸變校正模型如式（7）。

進(jìn)行高分辨率相機(jī)在軌內(nèi)方位幾何畸變評價(jià)，首先需要獲取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)密集的差分GPS測量點(diǎn)或者其它高定位精度的高分辨率正射圖像（如航空正射影像、1∶2 000數(shù)字地形圖），作為幾何畸變評價(jià)的基準(zhǔn)[9]。本文使用經(jīng)幾何畸變校正后的“資源三號”（ZY-3）衛(wèi)星下視圖像作為參考，初步評價(jià)SJ-9A高性能光學(xué)小相機(jī)全色圖像幾何畸變。

圖8 SJ-9A原始全色圖像Fig.8 Raw panchromatic image of SJ-9A

圖9 幾何畸變校正后的ZY-3全色圖像Fig.9 Distortion corrected panchromatic image of ZY-3

SJ-9A待評價(jià)圖像和ZY-3參考圖像分別如圖8和圖9所示，為北京城區(qū)北部的平坦區(qū)域。SJ-9A全色圖像成像時(shí)間為2013年3月10日，圖像大小為12 208像元（列）×4 000像元（行），空間分辨率為2.5m；ZY-3下視圖像成像時(shí)間為2013年4月6日，圖像大小為14 324像元（列）×4 798像元（行），空間分辨率為2.1m。

以ZY-3圖像為參考，采用影像相關(guān)匹配法[5]密集采集SJ-9A全色圖像與ZY-3參考圖像間的同名控制點(diǎn)，共采集匹配控制點(diǎn)2 336個（如圖10），匹配誤差為0.24個像元。

圖10 匹配同名點(diǎn)分布Fig.10 Distribution of matched tie points

計(jì)算每個同名點(diǎn)在圖像行和列方向的像元偏差，使用最小二乘擬合，模擬得到每個 CCD探元在行掃描和衛(wèi)星飛行方向的圖像幾何畸變誤差（如圖11）（圖中實(shí)線為垂直于衛(wèi)星飛行方向），并擬合計(jì)算得到8個內(nèi)方位定標(biāo)參數(shù)（如表5）。

圖11 SJ-9A全色圖像幾何畸變曲線Fig.11 Geometric distortion curve of SJ-9A panchromatic image

表5 全色圖像幾何畸變校正系數(shù)Tab.5 Geometric distortion calibration coefficients of panchromatic image

由圖像幾何畸變曲線可知，垂直衛(wèi)星飛行方向的圖像幾何畸變明顯大于衛(wèi)星飛行方向的幾何畸變，離CCD線陣中心越遠(yuǎn)的探元，其幾何畸變越大。但這種畸變具有相對的穩(wěn)定性，可通過定期的圖像幾何畸變在軌檢校和建模，予以消除或改善。

6 結(jié)束語

高性能光學(xué)小相機(jī)作為SJ-9A衛(wèi)星上的主要載荷，其在軌成像質(zhì)量和地面處理精度決定了SJ-9A衛(wèi)星2.5m全色和10m多光譜圖像遙感應(yīng)用的深度和廣度。通過對高性能光學(xué)小相機(jī)在軌成像質(zhì)量和地面處理精度的評價(jià)，相機(jī)的全色和多光譜圖像的輻射校正、波段配準(zhǔn)、復(fù)原清晰度、圖像幾何畸變校正等核心圖像質(zhì)量精度符合當(dāng)前高分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用需求，可以廣泛應(yīng)用于我國土地資源監(jiān)察、農(nóng)作物種植面積監(jiān)測、林業(yè)普查、城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測等遙感應(yīng)用領(lǐng)域。

高性能光學(xué)小相機(jī)作為應(yīng)用載荷，必須持續(xù)定期評價(jià)其在軌輻射和波段配準(zhǔn)精度，更新 MTF和內(nèi)方位參數(shù)，以提供質(zhì)量穩(wěn)定的SJ-9A高分辨光學(xué)遙感圖像產(chǎn)品。

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