遙感25號(hào)無場(chǎng)化相對(duì)輻射定標(biāo)

張 過，李立濤

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

遙感25號(hào)無場(chǎng)化相對(duì)輻射定標(biāo)

張 過，李立濤

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

遙感25號(hào)是中國(guó)首顆高敏捷亞米級(jí)高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星。常規(guī)的偏航相對(duì)輻射定標(biāo)利用衛(wèi)星或相機(jī)偏航90°對(duì)地面均勻場(chǎng)進(jìn)行成像，使得傳感器所有探元獲取相同的入瞳輻射亮度，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳感器的相對(duì)輻射定標(biāo)。但拍攝單一地物均勻場(chǎng)并不能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳感器全動(dòng)態(tài)范圍的輻射定標(biāo)，并降低了該方案的應(yīng)用效率。本文針對(duì)中國(guó)遙感25號(hào)衛(wèi)星，提出了不依賴于地面均勻場(chǎng)的無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法實(shí)現(xiàn)遙感25號(hào)的高精度高頻次相對(duì)輻射定標(biāo)；同時(shí)在偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理中提出基于line segment detector(LSD)算法偏航定標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)定化方法，確保偏航輻射定標(biāo)圖像每一行數(shù)據(jù)為傳感器所有探元對(duì)同一地物的成像；采用傳感器探元直方圖規(guī)定化的方法實(shí)現(xiàn)遙感25號(hào)全動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)輻射定標(biāo)參數(shù)解算。利用遙感25號(hào)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)試驗(yàn)并與傳統(tǒng)在軌統(tǒng)計(jì)輻射定標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明遙感25號(hào)經(jīng)偏航輻射定標(biāo)后所有探元平均條紋系數(shù)優(yōu)于0.07%，圖像上各種條紋條帶噪聲以及殘余條帶噪聲得到較好去除，無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法優(yōu)于傳統(tǒng)在軌統(tǒng)計(jì)輻射定標(biāo)方法。

無場(chǎng)化；偏航輻射定標(biāo)；相對(duì)輻射定標(biāo)；遙感25號(hào)

遙感25號(hào)(簡(jiǎn)稱YG-25)是中國(guó)首顆具備高敏捷成像能力的亞米級(jí)光學(xué)遙感衛(wèi)星，于2014年12月發(fā)射，其主要目的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、國(guó)土資源普查、農(nóng)作物估產(chǎn)及防災(zāi)減災(zāi)等[1]。YG-25攜帶傳感器由8片電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)組成，CCD拼接模式為全反全透式光學(xué)拼接；CCD器件為五譜合一器件，即具備5個(gè)光譜譜段，其中全色波段分辨率為0.5 m，多光譜波段分辨率為2 m，傳感器詳細(xì)信息見表1。

表1 遙感25號(hào)傳感器載荷信息

線陣推掃式光學(xué)傳感器因各個(gè)探元之間的響應(yīng)及偏置不均勻性、每個(gè)探元固有噪聲和暗電流不一致性以及傳感器外圍電路特征差異的響應(yīng)不一致導(dǎo)致每個(gè)探元具有獨(dú)特的響應(yīng)特性，因此每個(gè)探元成像存在一定差異，在圖像上表現(xiàn)為各種隨機(jī)的和系統(tǒng)的圖像噪聲。相對(duì)輻射定標(biāo)是利用高精度的輻射定標(biāo)基準(zhǔn)標(biāo)定該成像系統(tǒng)誤差，確定每個(gè)探元及探元之間的響應(yīng)關(guān)系[2]，因此輻射定標(biāo)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響相對(duì)輻射定標(biāo)精度。

目前，遙感衛(wèi)星相對(duì)輻射定標(biāo)的主要方法包括：衛(wèi)星發(fā)射前利用積分球的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)法[3]、衛(wèi)星在軌基于星上定標(biāo)燈或漫反射板的星上定標(biāo)[4-7]、基于地面均勻場(chǎng)的在軌場(chǎng)地定標(biāo)和利用衛(wèi)星全生命周期圖像的在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)[8-9]等。在以上定標(biāo)方法中積分球、定標(biāo)燈或漫反射板是高精度輻射基準(zhǔn)，而均勻場(chǎng)地物(如沙漠、海洋、雪等)和在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)的海量樣本量是基于概率統(tǒng)計(jì)理論具有假設(shè)性質(zhì)的輻射基準(zhǔn)。但是由于衛(wèi)星發(fā)射過程中震動(dòng)、衛(wèi)星發(fā)射后所處空間環(huán)境的變化，導(dǎo)致衛(wèi)星傳感器各個(gè)探元的響應(yīng)狀態(tài)發(fā)生變化，或隨著衛(wèi)星在軌時(shí)間的推移，衛(wèi)星傳感器響應(yīng)狀態(tài)發(fā)生衰減，使得實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)方法無法保證衛(wèi)星整個(gè)生命周期的高精度輻射定標(biāo)；雖然星上輻射定標(biāo)可以達(dá)到較高的定標(biāo)精度和頻次，但并不是所有衛(wèi)星都具備星上定標(biāo)設(shè)備，而且星上定標(biāo)設(shè)備同樣存在狀態(tài)衰減，降低了輻射定標(biāo)精度。在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)需求海量樣本圖像數(shù)據(jù)或者均勻場(chǎng)數(shù)據(jù)，無法滿足衛(wèi)星入軌初期的定標(biāo)以及衛(wèi)星高頻次的定標(biāo)需求[9]。

隨著遙感衛(wèi)星敏捷能力的提升，利用衛(wèi)星敏捷能力，相關(guān)研究人員提出利用將衛(wèi)星或者相機(jī)偏航90°成像進(jìn)行相對(duì)輻射定標(biāo)，并在QuickBird[10]、RapidEye[11]、Landsat8[12-13]等衛(wèi)星上得到應(yīng)用。以上衛(wèi)星傳感器焦面排列采用多片CCD交錯(cuò)平行排列的方式(QuickBird[14]、Landsat8-OLI[15]、RapidEye[16])，為了確保偏航輻射定標(biāo)時(shí)傳感器各片CCD所有探元獲取相同的入瞳輻射亮度，以上衛(wèi)星的偏航相對(duì)輻射定標(biāo)采用對(duì)地面均勻定標(biāo)場(chǎng)地物成像的方式。該方案對(duì)探元線性度較好的衛(wèi)星傳感器效果比較理想，但是由于傳感器單個(gè)探元在不同亮度響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)函數(shù)存在差異且不同探元的響應(yīng)函數(shù)也存在差異，該方案并不能滿足傳感器各個(gè)探元全動(dòng)態(tài)范圍的輻射定標(biāo)[17]。

對(duì)YG-25全色波段進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)發(fā)現(xiàn)，利用中高亮度均勻區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)定標(biāo)結(jié)果對(duì)其低亮度區(qū)域數(shù)據(jù)相對(duì)輻射校正存在殘余誤差，影響圖像的輻射質(zhì)量。針對(duì)YG-25傳感器焦面排列采用光學(xué)拼接方式以及傳感器各個(gè)探元在不同亮度響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)函數(shù)存在差異，提出基于不依賴于地面均勻場(chǎng)的無場(chǎng)化90°偏航輻射定標(biāo)方法，其中90°偏航保證了各個(gè)探元能夠?qū)ν坏匚镞M(jìn)行成像，為輻射定標(biāo)提供了高精度輻射基準(zhǔn)；無場(chǎng)化確保了衛(wèi)星相輻射定標(biāo)不依賴地面均勻場(chǎng)或輻射定標(biāo)對(duì)均勻地物的要求，為衛(wèi)星傳感器在軌高頻次定標(biāo)提供支持；不依賴于地面均勻場(chǎng)確保了地物的輻射亮度范圍能夠涵蓋傳感器響應(yīng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，為全動(dòng)態(tài)范圍輻射定標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。

偏航輻射定標(biāo)要求衛(wèi)星平臺(tái)或相機(jī)旋轉(zhuǎn)90°后對(duì)地面成像以獲得用于輻射定標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)，該定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)同一地物成像的連線與衛(wèi)星沿軌向存在一定夾角，若定標(biāo)成像過程中偏流角校正無誤差，也無其他成像誤差，該角度為45°。在偏航輻射定標(biāo)參數(shù)解算前，需對(duì)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)定化處理，使得定標(biāo)圖像每一行數(shù)據(jù)為傳感器所有探元對(duì)同一地物的成像。文獻(xiàn)[12]對(duì)各個(gè)探元進(jìn)行相鄰位移動(dòng)處理完成數(shù)據(jù)規(guī)定化，再以行均值為基準(zhǔn)計(jì)算各個(gè)探元相對(duì)增益系數(shù)，該方案認(rèn)為該夾角為45°；文獻(xiàn)[13]在此基礎(chǔ)上，對(duì)規(guī)定化后定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行斜率修正，然后以每10行最小均值劃分區(qū)域，最終同樣利用行均值為基準(zhǔn)計(jì)算各個(gè)探元相對(duì)增益系數(shù)；但是以上方案并不能保證偏航輻射定標(biāo)時(shí)作為基準(zhǔn)參考的是同一地物在不同列的數(shù)據(jù)。

本文提出根據(jù)在偏航定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)際的夾角，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)規(guī)定化處理，使得參與偏航輻射定標(biāo)參數(shù)解算的是同一地物在傳感器不同探元的成像數(shù)據(jù),降低偏航輻射定標(biāo)誤差，提升偏航輻射定標(biāo)精度。

1 原理及方法

1.1 偏航輻射定標(biāo)

偏航輻射定標(biāo)是將衛(wèi)星平臺(tái)或相機(jī)旋轉(zhuǎn)90°(圖1)同時(shí)校正地球自轉(zhuǎn)引起的偏流角，使得線陣CCD傳感器與衛(wèi)星軌道推掃方向平行，衛(wèi)星沿著軌道推掃成像獲取輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相對(duì)輻射定標(biāo)的方法。偏航輻射定標(biāo)成像的過程中線陣CCD探元依次經(jīng)過同一的地物，在不考慮線陣所有探元成像時(shí)間內(nèi)(遙感25號(hào)該時(shí)間為3.2 s)的大氣變化，線陣CCD探元獲得的地物輻亮度完全相等，因此偏航輻射定標(biāo)為標(biāo)定傳感器每個(gè)探元輻射響應(yīng)關(guān)系提供了高精度輻射基準(zhǔn)。

如圖 2(a)分別為常規(guī)推掃成像模式和偏航輻射定標(biāo)成像模式對(duì)同一區(qū)域地物的成像過程，圖 2(b)為常規(guī)推掃成像圖像，各個(gè)探元獲得各自所經(jīng)過地物輻亮度；圖 2(c)為偏航輻射定標(biāo)成像圖像，各個(gè)探元經(jīng)過完全相同的地物，各個(gè)探元獲得的地物輻亮度完全相等，在無誤差影響且定標(biāo)圖像的沿軌向和垂軌向分辨率相等情況下，線陣探元對(duì)同一地物的成像在輻射定標(biāo)圖像中與沿軌向的夾角為45°(圖3)。對(duì)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)定化處理，使得圖像每一行數(shù)據(jù)為傳感器所有探元對(duì)同一地物的成像數(shù)據(jù)(圖4)，利用傳感器探元在不同響應(yīng)區(qū)域內(nèi)高輻射定標(biāo)基準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星傳感器在軌相對(duì)輻射定標(biāo)。

圖1 偏航輻射定標(biāo)成像模式示意圖Fig.1 The sketch of side slither method imaging model

圖2 推掃成像與偏航成像實(shí)際成像示例圖Fig.2 The push-broom imaging and side slither method imaging

圖3 所有探元同一地物成像連線夾角示意圖Fig.3 The dip angle of all detectors imaging to the same target

圖4 偏航數(shù)據(jù)規(guī)定化后示例圖Fig.4 The shifted yaw image

1.2 偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理

本文將偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)處理分3個(gè)步驟：①條帶噪聲抑制和對(duì)比度提升；②偏航定標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)定化；③定標(biāo)參數(shù)求解。

1.2.1 條帶噪聲抑制和對(duì)比度提升

本文采用基于圖像直方圖統(tǒng)計(jì)的相對(duì)輻射校正方法[17]抑制偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)中明顯的條紋條帶噪聲，按累積直方圖2%的比例進(jìn)行對(duì)比度拉伸提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.2.2 偏航定標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)定化

如圖3，衛(wèi)星傳感器線陣探元對(duì)同一地物的成像在實(shí)際偏航輻射定標(biāo)圖像中的連線的夾角在沿軌向和垂軌向分辨率相同時(shí)為45°，由于偏航輻射定標(biāo)圖像沿軌向和垂軌向分辨率不一致，導(dǎo)致該夾角不為45°，如圖5所示。高精度獲取該夾角，為精確探測(cè)同一地物在偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)不同列的位置提供基礎(chǔ)。LSD(line segment detector)是一種高精度直線檢測(cè)方法，其能在線性的時(shí)間內(nèi)獲得亞像素級(jí)精度的直線檢測(cè)結(jié)果且不需要設(shè)置閾值[18-19]。本文采用LSD方法檢測(cè)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)中傳感器所有探元對(duì)同一地物成像形成的直線，如圖6(a)為經(jīng)條帶噪聲抑制和對(duì)比度提升后的偏航輻射定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，圖6(b)為采用LSD算法檢測(cè)直線分布情況，本文將LSD算法參數(shù)中高斯下采樣尺度參數(shù)設(shè)置為1.0表示不采樣，其余參數(shù)采用算法默認(rèn)值，另外梯度變化參數(shù)可以根據(jù)時(shí)間在軌定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)梯度變化量級(jí)進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整。

圖5 所有探元同一地物成像連線夾角示意圖(沿軌向垂軌向分辨率不同)Fig.5 The dip angle of all detectors imaging to the same target (different image resolution)

利用LSD算法能夠檢測(cè)出較多的直線，如圖6(c)所示，在剔除長(zhǎng)度較短的直線后采用抗差最小二乘估計(jì)剔除粗差計(jì)算實(shí)際的夾角；本文將長(zhǎng)度較短直線剔除閾值設(shè)置為當(dāng)前直線理論長(zhǎng)度的1/3，抗差最小二乘估計(jì)的閾值為1°左右。

由于圖像重采樣處理會(huì)破壞偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄的線陣CCD各個(gè)探元之間非線性響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而造成定標(biāo)數(shù)據(jù)無法用于定標(biāo)或定標(biāo)失效，因此這里偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)定化是各個(gè)探元成像數(shù)據(jù)灰度值的移位過程，并不是一個(gè)灰度重采樣的過程。

圖6 圖像增強(qiáng)后偏航輻射定標(biāo)圖像及LSD傾角檢測(cè)結(jié)果 Fig.6 The enhanced yaw image and the dipangle detected by LSD

根據(jù)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)夾角檢測(cè)結(jié)果，利用式(1)對(duì)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)定化處理，保證圖像中每一行數(shù)據(jù)為傳感器所有探元對(duì)同一地物的成像數(shù)據(jù)

DN[m+n·Width]=DN[m+(n+Width/K1-m·K2)·Width]

(1)

K1=tanθ，K2=tan(90°-θ)

式中，DN為按圖像行存儲(chǔ)的一維偏航輻射定標(biāo)圖像灰度數(shù)據(jù)；DN(m+n·Width)表示在偏航數(shù)據(jù)圖像第m行n列處圖像灰度值；Width為偏航輻射定標(biāo)圖像寬度即線陣CCD探元個(gè)數(shù)；θ為偏航圖像實(shí)際夾角。

1.2.3 定標(biāo)參數(shù)計(jì)算

由于YG-25傳感器探元在整個(gè)響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)并不是完全線性，采用基于探元直方圖規(guī)定化來解算定標(biāo)參數(shù)，其處理流程如下：

(1) 根據(jù)規(guī)定化后偏航輻射定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)依據(jù)式(2)建立各個(gè)探元的累積概率分布函數(shù)，選擇所要探元的累積概率分布函數(shù)作為理想?yún)⒖祭鄯e概率分布函數(shù)

(2)式中，k為探元成像灰度級(jí)；PixelNums(k)為當(dāng)探元灰度等級(jí)為k時(shí)像素個(gè)數(shù)；DetPixelNums(i)為第i個(gè)探元成像所有像素個(gè)數(shù)。

(2) 以理想?yún)⒖祭鄯e概率分布函數(shù)為基準(zhǔn)對(duì)每個(gè)探元的累積概率分布函數(shù)按式(3)、式(4)進(jìn)行直方圖規(guī)定化處理，獲取各個(gè)探元的相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，其詳細(xì)原理見文獻(xiàn)[20]

fDeti(k-x)≤fDeti(k)≤fDeti(k+y)

(3)

(4)

式中，k為當(dāng)前定標(biāo)灰度級(jí)；x、y取值范圍為[0,2bits-1]，bits為衛(wèi)星傳感器圖像量化位數(shù)。

2 試驗(yàn)與分析

(5)

2.1 偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)定化

YG-25號(hào)遙感衛(wèi)星于2015年1月3日進(jìn)行了偏航輻射定標(biāo)成像試驗(yàn)，試驗(yàn)成像獲取一個(gè)數(shù)據(jù)段約31萬行圖像數(shù)據(jù)(圖7(a))。由于衛(wèi)星偏航輻射定標(biāo)圖像沿軌向和垂軌向分辨率不一致存在導(dǎo)致線陣CCD所有探元對(duì)同一地物的成像在實(shí)際偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)中的傾角不為45°，如若根據(jù)偏航成像理論簡(jiǎn)單的按照完全偏航90°進(jìn)行偏航數(shù)據(jù)規(guī)定化處理則導(dǎo)致“過規(guī)定化”問題(圖7(b)所示)；利用本文方法先對(duì)偏航數(shù)據(jù)進(jìn)行條帶噪聲抑制和對(duì)比度提升，然后完成偏航輻射定標(biāo)圖像數(shù)據(jù)實(shí)際夾角檢測(cè)，最后根據(jù)偏航實(shí)際夾角檢測(cè)結(jié)果對(duì)偏航數(shù)據(jù)規(guī)定化處理；圖7(c)所示，本文算法偏航數(shù)據(jù)規(guī)定化后確保了影像每一行為線陣CCD探元對(duì)同一地物的成像。

圖7 YG-25號(hào)偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)不同方法規(guī)定化前后對(duì)比示意圖Fig.7 The yaw image of YG-25 and the images shifted by classic method and proposed method

圖8為YG-25某一片CCD偏航輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過規(guī)定化后某一行圖像數(shù)據(jù)灰度值分布情況，如圖8中綠色框中灰度階躍較大區(qū)域?yàn)閱纹珻CD內(nèi)部抽頭間的輻射響應(yīng)差異，經(jīng)本文算法規(guī)定化后偏航數(shù)據(jù)非常好的展現(xiàn)出各個(gè)探元間的響應(yīng)差異情況。

2.2 偏航輻射定標(biāo)

將偏航輻射定標(biāo)結(jié)果直接應(yīng)用到2015年1月7日全色影像，由圖9所示各類地物中的條紋條帶噪聲得到很好的去除，此各類地物涵蓋相機(jī)低中高整個(gè)成像動(dòng)態(tài)范圍，表明無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法可以對(duì)YG-25衛(wèi)星傳感器全動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)可取得較好效果。本文采用YG-25一個(gè)月累積數(shù)據(jù)利用在軌統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行定標(biāo)，圖10(a)所示在軌統(tǒng)計(jì)方法較好的去除了圖像中較為明顯的條帶噪聲，但是仍然存在一些殘余條紋噪聲，而無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法雖然只利用了一個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行定標(biāo)，但圖像校正完后圖像中的殘余條紋噪聲也得到非常好的去除(圖10(b))。

圖9 不同地物類型相對(duì)輻射定標(biāo)結(jié)果應(yīng)用效果(上-圖像1∶1顯示，下-圖像1∶4顯示)Fig.9 The correct results of different feature types (1∶1 shows, up; 1∶4 shows, down)

圖10 在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)與基于復(fù)雜地物偏航輻射定標(biāo)應(yīng)用效果對(duì)比(上-圖像1∶1顯示，下-圖像1∶4顯示)Fig.10 The correct results comparison with life image statistics method and proposed method (1∶1 shows, up; 1∶4 shows, down)

從定性指標(biāo)的角度分析無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)的應(yīng)用效果。根據(jù)影像直方圖統(tǒng)計(jì)理論可知，若在樣本量足夠的情況下，傳感器各個(gè)探元成像的直方圖分布趨于一致，即各個(gè)探元的影像灰度分布趨于一致；通過分析校正前后影像列均值的分布情況檢核偏航輻射定標(biāo)的應(yīng)用效果。圖11所示YG-25號(hào)零級(jí)圖像在應(yīng)用偏航輻射定標(biāo)系數(shù)后整體列均值分布變化均勻符合實(shí)際地物變化規(guī)律，探元間的響應(yīng)不一致性、抽頭間的輻射亮度差異以及CCD邊緣漸暈區(qū)域得到很好校正。

圖8 YG-25號(hào)偏航數(shù)據(jù)不同算法規(guī)定化后某一行數(shù)據(jù)灰度值對(duì)比示意圖Fig.8 The mean value of image detectors with classic method and the proposed method

圖11 偏航輻射定標(biāo)系數(shù)應(yīng)用前后影像列均值分布情況Fig.11 The column mean comparison with the origin image and corrected image

圖12(a)為原始零級(jí)圖像、在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)、偏航輻射定標(biāo)系數(shù)校正前后影像條紋系數(shù)分布，經(jīng)偏航輻射定標(biāo)系數(shù)校正后圖像所有探元平均條紋系數(shù)優(yōu)于0.07%，在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)后探元平均條紋系統(tǒng)為0.1%，表明偏航輻射定標(biāo)校正效果優(yōu)于在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)。

3 結(jié) 論

以YG-25遙感衛(wèi)星為例提出無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法，可實(shí)現(xiàn)推掃式光學(xué)遙感衛(wèi)星全動(dòng)態(tài)范圍高精度高頻次相對(duì)輻射定標(biāo)；對(duì)常規(guī)偏航數(shù)據(jù)處理中存在“過規(guī)定化”問題，提出基于LSD算法的偏航數(shù)據(jù)規(guī)定化方法，確保了規(guī)定化后圖像每一行數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)同一地物在傳感器不同探元的成像數(shù)據(jù),降低了傳統(tǒng)偏航輻射定標(biāo)誤差，提升了偏航輻射定標(biāo)精度。

圖12 偏航輻射定標(biāo)系數(shù)應(yīng)用前后影像各個(gè)探元條紋系數(shù)Fig.12 The streaking metrics comparison with the life image statistics method and the proposed method

采用本文方法實(shí)現(xiàn)了YG-25高精度相對(duì)輻射定標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果表明：①偏航輻射定標(biāo)后傳感器所有探元平均條紋系數(shù)優(yōu)于0.07%；②圖像條紋條帶噪聲及殘余條紋噪聲得到很好去除；③可實(shí)現(xiàn)傳感器全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)相對(duì)輻射校正；④本文方法優(yōu)于基于衛(wèi)星全生命周期數(shù)據(jù)的在軌統(tǒng)計(jì)定標(biāo)法。

本文提出的無場(chǎng)化偏航輻射定標(biāo)方法及偏航數(shù)據(jù)處理方法可為其他遙感衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)處理提供參考。

[1] BARBOSA R C. Long March 4C Lofts Yaogan Weixing-25 Mission[EB/OL]. [2016-02-29]. http:∥www.nasaspaceflight.com/2014/12/long-march-4c-yaogan-weixing-25/.

[2] DINGUIRARD M, SLATER P N. Calibration of Space-Multispectral Imaging Sensors: A Review[J]. Remote Sensing of Environment, 1999, 68(3): 194-205.

[3] KRAUSE K S. WorldView-1 Pre and Post-Launch Radiometric Calibration and Early On-Orbit Characterization[C]∥Proceedings of the SPIE 7081, Earth Observing Systems XIII. San Diego, CA: SPIE, 2008, 7081: 708116.

[4] XIONG X, ERIVERS H, XIONG S, et al. Performance of Terra MODIS Solar Diffuser and Solar Diffuser Stability Monitor[C]∥Proceedings of the SPIE 5882, Earth Observing Systems X. San Diego, CA: SPIE, 2005, 5882: 58820S. DOI: 10.1117/12.615334.

[5] XIONG Xiaoxiong, BARNES W. An overview of MODIS Radiometric Calibration and Characterization[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2006, 23(1): 69-79.

[6] MARKHAM B L, BONCYK W C, BARKER J L, et al. Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus In-Flight Radiometric Calibration[C]∥Proceedings of Remote Sensing for a Sustainable Future Geoscience and Remote Sensing Symposium. Lincoln, NE: IEEE, 1996: 1273-1275.

[7] MORFITT R, BARSI J, LEVY, R, et al. Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) Radiometric Performance On-Orbit[J]. Remote Sensing, 2015, 7(2): 2208-2237.

[8] HORN B K P, WOODHAM R J. Destriping Landsat MSS Images by Histogram Modification[J]. Computer Graphics and Image Processing, 1979, 10(1): 69-83.

[9] SHRESTHA A K. Relative Gain Characterization and Correction for Pushbroom Sensors Based on Lifetime Image Statistics and Wavelet Filtering[D]. Brookings, SD: South Dakota State University, 2010.

[10] HENDERSON B G, KRAUSE K S. Relative Radiometric Correction of QuickBird Imagery Using the Side-Slither Technique On Orbit[C]∥Proceedings of the SPIE 5542, Earth Observing Systems IX. Denver, CO: SPIE, 2004, 5542: 426-436.

[11] ANDERSON C, NAUGHTON D, BRUNN A, et al. Radiometric Correction of RapidEye Imagery Using the On-Orbit Side-Slither Method[C]∥Proceedings of the SPIE 8180, Image and Signal Processing for Remote Sensing XVII. Prague, Czech Republic: SPIE, 2011, 8180: 818008.

[12] PESTA F, BHATTA S, HELDER D, et al. Radiometric Non-Uniformity Characterization and Correction of Landsat 8 OLI Using Earth Imagery-Based Techniques[J]. Remote Sensing, 2015, 7(1): 430-446.

[13] GERACE A, SCHOTT J, GARTLEY M, et al. An Analysis of the Side Slither On-Orbit Calibration Technique Using the DIRSIG Model[J]. Remote Sensing, 2014, 6(11): 10523-10545.

[14] KRAUSE K S. Relative Radiometric Characterization and Performance of the QuickBird High-Resolution Commercial Imaging Satellite[C]∥Proceedings of the SPIE 5542, Earth Observing Systems IX. Denver, CO: SPIE, 2004, 5542: 35-44.

[15] KNIGHT E J, KVARAN G. Landsat-8 Operational Land Imager Design, Characterization and Performance[J]. Remote Sensing, 2014, 6(11): 10286-10305.

[16] eoPortal Directory. RapidEye[EB/OL]. [2016-02-29]. https:∥directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/r/rapideye.

[17] GADALLAH F L, CSILLAG F, SMITH E J M. Destriping Multisensor Imagery with Moment Matching[J]. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(12): 2503-2511.

[18] VON GIOI R G, JAKUBOWICZ J, MOREL J M, et al. LSD: A Line Segment Detector[J]. Image Processing on Line, 2012, 2: 35-55.

[19] VON GIOI R G, JAKUBOWICZ J, MOREL J M, et al. LSD: A Fast Line Segment Detector with a False Detection Control[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2010, 32(4): 722-732.

[20] HORN B K P, WOODHAM R J. Destriping LANDSAT MSS Images by Histogram Modification[J]. Computer Graphics and Image Processing, 1979, 10(1): 69-83.

(責(zé)任編輯：張艷玲)

A Study on Relative Radiometric Calibration without Calibration Field for YG-25

ZHANG Guo,LI Litao

State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China

YG-25 is the first agility optical remote sensing satellite of China to acquire the sub-meter imagery of the earth. The side slither calibration technique is an on-orbit maneuver that has been used to flat-field image data acquired over the uniform calibration field. However, imaging to the single uniform calibration field cannot afford to calibrate the full dynamic response range of the sensor and reduces the efficiency. The paper proposes a new relative radiometric calibration method that a 90-degree yaw maneuver is performed over any non-uniform features of the Earth for YG-25. Meanwhile, we use an enhanced side slither image horizontal correction method based on line segment detector(LSD)algorithm to solve the side slither image over-shifted problem.The shifted results are compared with other horizontal correction method. The histogram match algorithm is used to calculate the relative gains of all detectors. The correctness and validity of the proposed method are validated by using the YG-25 on-board side slither data. The results prove that the mean streaking metrics of relative correction images of YG-25 is better 0.07%, the noticeable striping artifact and residual noise are removed, the calibration accuracy of side slither technique based on non-uniform features is superior to life image statistics of sensor’s life span.

without calibration field; yaw calibration; relative radiometric calibration; YG-25

Key Research and Development Program of Ministry of Science and Technology(No.2016YFB0500801)；National Natural Science Foundation of China (Nos. 91538106；41501503；41501383；41601490)；Hubei Provincial Natural Science Foundation of China (No.2015CFB330)；Open Research Fund of State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing(No.15E02)；Open Research Fund of State Key Laboratory of Geo-information Engineering(No.SKLGIE2015-Z-3-1)；Fundamental Research Funds for the Central University(No.2042016kf0163)

張過，李立濤.遙感25號(hào)無場(chǎng)化相對(duì)輻射定標(biāo)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(8)：1009-1016.

10.11947/j.AGCS.2017.20160392. ZHANG Guo,LI Litao.A Study on Relative Radiometric Calibration without Calibration Field for YG-25[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(8):1009-1016. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160392.

P227

A

1001-1595(2017)08-1009-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0500801)；國(guó)家自然科學(xué)基金(91538106；41501503；41501383；41601490)；湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB330)；測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(15E02)；地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGIE2015-Z-3-1)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2042016kf0163)

2016-08-23

張過(1976—)，男，博士，教授，博導(dǎo)，從事航天攝影測(cè)量方面的理論與應(yīng)用研究。First author： ZHANG Guo(1976—), male, PhD, professor, majors in spaceborne photogrammetry.

E-mail： guozhang@whu.edu.cn.

修回日期： 2017-06-27