高分六號衛(wèi)星相對輻射校正方法分析

嚴 華陳 穎

（1.北京道達天際科技有限公司，中國 北京 100000；2.中國人民解放軍 96901部隊 26分隊，中國 北京 100000）

【關(guān)鍵字】高分六號；相對輻射校正；相對定標；相對輻射校正精度

0 引言

2018年6月2日，我國成功發(fā)射高分六號衛(wèi)星（GF-6）。高分六號衛(wèi)星是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項的重要組成部分，它是一顆低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，也是我國首顆精準農(nóng)業(yè)觀測的高分衛(wèi)星，具有高分辨率和寬覆蓋相結(jié)合特點[1]。其圖像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測、環(huán)境治理、森林資源監(jiān)管、災(zāi)害風(fēng)險調(diào)查，兼顧環(huán)保、國安和住建等應(yīng)用需求[2]。

高分六號衛(wèi)星有效載荷部分包括三個分系統(tǒng)：高分相機分系統(tǒng)、寬幅相機分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)。其中高分相機分系統(tǒng)由一臺TDICCD推掃式相機組成，寬幅相機分系統(tǒng)由一臺線陣CMOS推掃式相機組成。線陣推掃式傳感器在成像過程中易受到相機光學(xué)空間響應(yīng)不均勻、各探元響應(yīng)不同等因素的影響，導(dǎo)致獲取的遙感影像經(jīng)常具有明顯的條紋或帶狀輻射差異現(xiàn)象。這種條帶包括探測器之間、掃描線之間及多個掃描行的條帶，此現(xiàn)象也會造成不同的CCD片間的色差[3]。相對輻射校正的目的就是為了消除傳感器各探元對信號的響應(yīng)差異，實現(xiàn)原始DN值歸一化的處理過程[4]，又稱為傳感器探元歸一化[5]。

自1985年Amrendra提出基于定標法計算相對輻射校正系數(shù)[6]，相對輻射校正方法的研究至今已經(jīng)發(fā)展了30多年。但如今的已不再局限于上述方法，而是針對不同衛(wèi)星輻射特點形成了幾十種不同的方法和算法等[7-9]。

本文在分析GF-6衛(wèi)星影像輻射特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相對輻射定標與數(shù)學(xué)統(tǒng)計結(jié)合的相對輻射校正流程及方法，并通過實驗驗證了影像的相對輻射校正精度。

1 高分六號衛(wèi)星相機參數(shù)

GF-6衛(wèi)星高分相機采用三反離軸TDICCD相機，其相機性能參數(shù)如表1所示。

表1 GF-6衛(wèi)星高分相機性能參數(shù)

GF-6衛(wèi)星寬幅相機采用大視場離軸相機，其相機性能參數(shù)如表2所示。

表2 GF-6衛(wèi)星寬幅相機性能參數(shù)

2 高分六號衛(wèi)星相對輻射校正方法

針對高分六號衛(wèi)星的相機參數(shù)、成像特點，其相對輻射校正流程包括相對輻射定標、丟線處理、局部條帶處理、去除片間色差等步驟。

2.1 相對輻射定標

高分六號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相對輻射定標系數(shù)主要采用實驗室積分球定標實驗和在軌原始條帶影像統(tǒng)計兩種方法獲得。在軌統(tǒng)計相對輻射校正系數(shù)是當實驗室相對定標系數(shù)不適用的情況下可行的相對輻射校正手段。

利用相對輻射定標系數(shù)，構(gòu)建相對輻射校正模型，解算傳感器各探元間的增益系數(shù)和偏置系數(shù)，對待校正CCD子影像各項元DN值進行轉(zhuǎn)換，消除探元間輻射響應(yīng)差異，實現(xiàn)相對輻射校正。

相對輻射校正模型如下式所示。

其中，Lj為相對輻射校正后第j號探員的DN值，DNj為原始第j號探員的DN值，aj為第j號探員的增益系數(shù)，bj為第j號探員的偏置系數(shù)。

2.2 丟線處理

高分六號衛(wèi)星影像成像時，時而會出現(xiàn)分段或整行、多行黑線，這些均稱為影像丟行。這可能是由于檢測系統(tǒng)某一掃描線上故障造成的掃描線脫落。通常情況下為丟失一行，可以利用上下行的影像數(shù)據(jù)，通過插值的方法予以彌補，當丟失2～5行時，可以利用多項式擬合的方法，對丟失的影像數(shù)據(jù)進行彌補。當丟失多余5行或是由空洞引起的丟行問題就不再加以處理。

實驗選取了高分六號衛(wèi)星CCD影像，圖1（a）中可見影像具有明顯的兩條丟行現(xiàn)象。經(jīng)過處理后，兩條丟線行得到了明顯的修復(fù)，如圖1（b）所示。

圖1 丟線處理對比圖

2.3 局部條帶處理

受DF-6衛(wèi)星相機鏡頭畸變的影響，中心成像和邊緣成像的輻射特性存在較大的區(qū)別[10]，故使片間產(chǎn)生局部條帶，需進行局部條帶處理。為了降低CCD局部條帶現(xiàn)象對影像質(zhì)量的影響，利用探元之間的相關(guān)性對局部條帶的子影像進行校正處理，具體步驟如下：

（1）已知條帶的左右邊界i，j分別向外擴展一定的列數(shù)。找到正常探員所對應(yīng)的兩列（m列，n列）。

（2）以選出的兩列（m列，n列）作為參考列，分別計算參考列像素DN值得標準差σn、σm和均值un、um。

（3）計算參考列之間的標準差Δσ和均值Δu。

（4）計算每個局部條帶列的標準差和均值的理想統(tǒng)計量。

（5）由理想統(tǒng)計量計算局部條帶列的增益系數(shù)和偏置系數(shù)。

（6）對局部條帶列中的每個像素列進行校正，實現(xiàn)地物的均勻變化。

對于整幅影像，沒遇到一個局部條帶區(qū)域，重復(fù)上述步驟（1）～（6），直至整幅影像的局部條帶區(qū)域處理完畢。

實驗中選取了高分六號衛(wèi)星CCD影像的局部條帶區(qū)域進行處理，處理前后對比結(jié)果如圖2所示。圖2（a）顯示了CCD圖像中的暗條帶。經(jīng)過處理之后，圖2（b）中兩列暗條帶均已消失，有效恢復(fù)了遙感影像的固有信息，為高精度定量分析提供精確影像數(shù)據(jù)。

圖2 局部條帶處理前后對比圖

2.4 去片間色差

GF-6衛(wèi)星高分相機焦面由8片全色多光譜集成TDICCD，寬幅相機焦面由8片多光譜八色集成CMOS，均采用反射鏡光學(xué)拼接。不同的CCD片對地物響應(yīng)的不一致性會造成影像的CCD片出現(xiàn)不同程度的色差，這樣不僅影響了整幅影響的視覺效果，也掩蓋了影像真實的輻射信息和光譜信息，相對輻射校正處理中需要去除CCD片間的色差。

為了使多個CCD子影像灰度均勻分布，根據(jù)相鄰CCD子影像數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征，以其中一個CCD子影像為標準對他們進行輻射校正。對所有CCD進行處理，完成整景影像的校正處理，得到灰度分布均勻的影像。

本實驗中選取了高分六號衛(wèi)星CCD拼接影像，根據(jù)相鄰CCD子影像數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征，對所有CCD進行處理，完成整景影像的校正處理，得到灰度分布均勻的影像。如圖3（a）所示。影像的左右兩側(cè)具有明顯色差，以左邊的影像為基準，對右側(cè)影像進行片間色差處理后，校正結(jié)果如圖3（b）所示。影像的整體輻射達到了一致效果。

圖3 片間色差去除前后對比圖

3 相對輻射校正精度驗證

本文實驗采用高分六號全色2米分辨率0級影像與多光譜8米分辨率0級影像作為實驗數(shù)據(jù)。經(jīng)相對輻射校正的各個步驟校正后使原始影像得到更好的圖像質(zhì)量。

在相對輻射校正之后，對其結(jié)果進行評價是十分必要的，常用的評價指標包括列均值、標準差和廣義噪聲等。本文使用廣義噪聲對本文算法進行評價。

廣義噪聲：對相對輻射校正后的影像，計算每列影像的均值與整幅影像的均值，并求二者差值的絕對誤差，然后求該值與整幅影像均值的比值，該比值即為影像的廣義噪聲[11]。

計算過程如下：

（1）計算每列影像的均值μi和該幅影像的均值U；

（2）求列均值μi和影像均值U的絕對誤差；

（3）計算影像的廣義噪聲RE。

為了說明其應(yīng)用過程，在生成的校正影像中隨機選取10幅影像，計算每幅影像的廣義噪聲，見表2。可以看出最高廣義噪聲為0.21%，最低廣義噪聲為1.53%，平均廣義噪聲為0.55%取得了較高的校正精度。

表3 相對輻射校正廣義噪聲評價表

4 結(jié)論

針對由于高分六號衛(wèi)星成像特點的所帶來的輻射差異現(xiàn)象，本文采用了輻射定標與數(shù)學(xué)統(tǒng)計相結(jié)合的方法，并結(jié)合高分六號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)進行實驗分析。實驗得到高分六號影像相對輻射校正的平均廣義噪聲為0.55%，表明本文的相對輻射校正方法能夠提升高分六號影像的輻射校正精度。