王殿中 齊文雯 譚偉 何紅艷

“高分七號”衛(wèi)星相機(jī)成像參數(shù)預(yù)估與驗(yàn)證

王殿中1,2齊文雯1,2譚偉1,2何紅艷1,2

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

“高分七號”衛(wèi)星是中國首顆亞米級高分辨率傳輸型立體測繪衛(wèi)星。星上主載荷為雙線陣相機(jī)，相機(jī)探測器采用了時間延遲積分電耦合器件，該器件具有5檔增益，每檔增益又可以與至少6檔積分級數(shù)組合供在軌成像選擇使用。文章提出了一個衛(wèi)星發(fā)射前，成像參數(shù)最優(yōu)組合的預(yù)估方案，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出了典型目標(biāo)地物反射率和灰階值預(yù)期，再通過輻射傳輸仿真得到預(yù)期輻亮度，進(jìn)而計算得到在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)預(yù)估值。相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，每個輻亮度下都獲得了由5檔增益和6檔積分級數(shù)分別配對組合的30組輸出，選擇與仿真同一輻亮度的30組絕對輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，以前視相機(jī)為例，第二檔增益與第四檔級數(shù)的組合最符合在軌預(yù)估。將這一組參數(shù)作為默認(rèn)參數(shù)以使在軌第一時間獲得高品質(zhì)圖像。衛(wèi)星發(fā)射后，對真實(shí)的在軌圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。灰階統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)圖像動態(tài)范圍利用比較充分，目標(biāo)亮度與背景具有明顯的差異可以區(qū)分，目視評價圖像層次分明，灰階統(tǒng)計和目視評價均表明文章提出的成像參數(shù)組合預(yù)估方案有效。文章研究的內(nèi)容對于相關(guān)遙感相機(jī)在軌合理使用具有一定參考價值。

立體測繪 預(yù)估成像參數(shù) 光學(xué)遙感“高分七號”衛(wèi)星

0 引言

傳輸型遙感相機(jī)可能配置有積分時間、積分級數(shù)、模擬增益、數(shù)字增益、箝位等多個成像參數(shù)，每個成像參數(shù)至少有2檔可選，多的檔位可以達(dá)到兩位數(shù)，這些參數(shù)的組合數(shù)量眾多[1-2]。同樣一份入瞳信號，經(jīng)過不同的參數(shù)組合通常意味著不同幅值的輸出，最直觀的影響就是圖像或明或暗、灰階分布范圍或窄或?qū)抂3-4]。文獻(xiàn)[4]對衛(wèi)星可見光時間延遲積分電耦合器件（Time Delayed Integration Couple Charged Device，TDICCD）相機(jī)的動態(tài)范圍進(jìn)行了研究，從成像品質(zhì)的角度對動態(tài)范圍提出了要求，并對相機(jī)動態(tài)范圍在軌動態(tài)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行了初步分析。動態(tài)范圍是一個關(guān)鍵的圖像品質(zhì)評價指標(biāo)[5-6]，一般說來，成像參數(shù)設(shè)置合理，圖像的動態(tài)范圍寬，信噪比高，圖像品質(zhì)就好。從這個意義上講，成像參數(shù)設(shè)置可以直接決定了遙感衛(wèi)星能否用好。即使某些組合輸出幅值相近，也還要考慮信噪比等相關(guān)因素，進(jìn)一步選擇設(shè)置成像參數(shù)。衛(wèi)星在軌工作后，可以通過在軌圖像品質(zhì)研判，進(jìn)行成像參數(shù)調(diào)整優(yōu)化。但是無論從在軌開機(jī)首圖的直觀印象，還是從衛(wèi)星系統(tǒng)每日運(yùn)行成本的角度出發(fā)考慮，都有必要在衛(wèi)星發(fā)射前開展預(yù)估，爭取使開機(jī)時的成像參數(shù)組合比較理想。圍繞如何預(yù)估并選擇遙感系統(tǒng)成像參數(shù)，采用搭建物理仿真系統(tǒng)的方式模擬航天光學(xué)遙感器在空間攝影的條件[7-8]，在硬件鏈路上會得到高度仿真的結(jié)果，但是代價較大。目前多數(shù)研究采用計算機(jī)仿真模型[9-15]，可以在獨(dú)立于相機(jī)實(shí)物開展，靈活涵蓋具體的相機(jī)參數(shù)設(shè)置要求范圍。文獻(xiàn)[12-13]分析了衛(wèi)星在軌期間相機(jī)參數(shù)對成像品質(zhì)的影響，并結(jié)合CBERS-1（02B）衛(wèi)星的高分辨率相機(jī)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果進(jìn)行分析計算，最后給出TDICCD相機(jī)的成像參數(shù)在軌使用方法建議。文獻(xiàn)[14]分析了星上TDICCD相機(jī)成像單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，針對成像工作模式中大量的軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和時間參數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)提出了一種成像工作模式的有效管理方法，對5個增益配置點(diǎn)下TDICCD相機(jī)的響應(yīng)度進(jìn)行了檢測，并選擇兩檔積分級數(shù)進(jìn)行了外場成像試驗(yàn)。文獻(xiàn)[15]為滿足晨昏軌道微光相機(jī)大動態(tài)范圍成像要求，針對電子倍增電耦合器件（Electronic Multiplying CCD，EMCCD），提出一種微光相機(jī)成像策略。

“高分七號”（GF-7）衛(wèi)星是中國首顆民用亞米級高分辨率傳輸型立體測繪衛(wèi)星，能夠進(jìn)行1∶10 000精確比例尺立體測圖和數(shù)字影像制就見作，服務(wù)于測圖生產(chǎn)及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的更新[16]。相機(jī)分系統(tǒng)由前視相機(jī)、后視相機(jī)共同組成，分別從前后兩個方向?qū)Φ孛嫱痪拔镞M(jìn)行不同角度的觀測，獲取地面景物全色影像，從而形成立體測量。相對上述文獻(xiàn)涉及的具體相機(jī)更側(cè)重于測繪應(yīng)用，且定量化要求更高，為了保證GF-7衛(wèi)星發(fā)射在軌后第一時間獲取高品質(zhì)圖像，發(fā)射前，研究人員對相機(jī)在軌成像默認(rèn)參數(shù)組合進(jìn)行了預(yù)估。

1 原理與方法

GF-7衛(wèi)星相機(jī)在規(guī)定軌道高度工作時，涉及調(diào)整的成像參數(shù)只有積分級數(shù)和增益。為了合理預(yù)估在軌參數(shù)，本文提出了一個預(yù)估方案，見圖1。

圖1 參數(shù)預(yù)估流程圖

如圖1所示，在軌預(yù)估首先根據(jù)仿真獲得輻射量，通過輻射傳輸仿真，建立相機(jī)不同成像參數(shù)組合下與太陽高度角和地物反射率的對應(yīng)關(guān)系，獲取相機(jī)在軌工作時的入瞳輻亮度。同時，計算積分球能級對應(yīng)等效輻亮度，通過實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)，獲得圖像灰階（Digital Number，DN）值，計算相機(jī)飽和輸出時對應(yīng)的輻亮度，根據(jù)飽和輻射亮度和動態(tài)范圍計算成像參數(shù)，最終根據(jù)需求完成成像參數(shù)設(shè)置。

考慮到兼顧大多數(shù)地物信息的情況下，設(shè)置參數(shù)時一般只考慮太陽高度角和不同側(cè)擺角。實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)給出的是星下點(diǎn)成像時不同太陽高度角的成像參數(shù)。獲取不同譜段的平均反射率，根據(jù)每個譜段的平均反射率和太陽高度角結(jié)合常用大氣模型計算得到輻亮度。制定參數(shù)使用建議時，還應(yīng)該考慮參數(shù)的通用性，避免頻繁調(diào)整，因此這里將太陽高度角以25°和65°為界劃分為3段，其中25°到65°對應(yīng)在軌常規(guī)使用的情形。根據(jù)陸地衛(wèi)星在軌支持經(jīng)驗(yàn)，可以采用平均輻亮度值下輸出為38%飽和的灰階，直接查找實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)不同參數(shù)組合下最接近的參數(shù)組合，即為該成像條件下的參數(shù)。

如果實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)已經(jīng)計算得到絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，也可以根據(jù)平均輻亮度值和38%飽和的灰階，計算得到預(yù)期的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)。輻射亮度跟DN的轉(zhuǎn)換斜率，公式如下

=38%×(2–1)/

式中為圖像量化位數(shù)。

結(jié)合絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，查找實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)不同參數(shù)組合下最接近的參數(shù)組合。

2 參數(shù)預(yù)估

GF-7衛(wèi)星主要用于國內(nèi)測繪和建設(shè)用地觀測，以前視相機(jī)為例，全色譜段的平均反射率經(jīng)驗(yàn)值為0.4，以此為輸入進(jìn)行入瞳輻射亮度預(yù)估，模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型輸入

Tab.1 Radiance model input

表1中的參數(shù)中，太陽天頂角與太陽高度角互為余角關(guān)系，在GF-7衛(wèi)星工作要求的25°~65°之間取平均值45°，衛(wèi)星天頂角一項考慮GF-7衛(wèi)星常規(guī)情況下是采用星下點(diǎn)觀測模式，取值0°。根據(jù)能量不同，衛(wèi)星成像參數(shù)一般選擇冬半年或夏半年，由于GF-7衛(wèi)星發(fā)射日期處于冬半年，時間取冬至日，再考慮GF-7衛(wèi)星主要針對中國境內(nèi)成像，應(yīng)用主要是服務(wù)于測繪和住建部門，因此大氣模型選擇中緯度冬季，氣溶膠模型選擇城市，模型中的能見度23km對應(yīng)天氣晴朗最適合成像的情況，目標(biāo)海拔考慮到一般城市地區(qū)建在低平地勢這里選擇0，傳感器海拔項根據(jù)模型規(guī)定衛(wèi)星遙感的取值為–1000，最大最小波長與GF-7衛(wèi)星實(shí)際參數(shù)一致。

模型輸出的入瞳輻亮度如表2所示。

表2 輻亮度模擬輸出結(jié)果

Tab.2 Radiance modeling output

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)階段，針對不同輻亮度各測量了5檔增益和6檔積分級數(shù)組合的30組記錄。這里取與仿真結(jié)果相同輻亮度下的30組記錄，將定標(biāo)獲得的系數(shù)減去表2中的系數(shù)，得到一組系數(shù)差，見圖2。

圖2 系數(shù)差

根據(jù)圖2結(jié)果可知，隨增益增加，系數(shù)差總體上呈現(xiàn)出增加趨勢，每檔增益下，隨積分級數(shù)增加，系數(shù)差顯著增加，增加速度與具體檔位對應(yīng)的倍數(shù)決定。增益1級數(shù)5，增益4級數(shù)3，增益2級數(shù)4這三組最為接近預(yù)估值。其中增益1級數(shù)5，增益4級數(shù)3差值為正數(shù)，增益2級數(shù)4差值為負(fù)數(shù)，考慮到實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)系數(shù)除了斜率外，還存在有微小的截距，因此優(yōu)先選擇三組系數(shù)中差值為負(fù)數(shù)的這一組參數(shù)檔位組合。

3 在軌驗(yàn)證

GF-7衛(wèi)星相機(jī)于2019年11月5日在軌開機(jī)成像，由于發(fā)現(xiàn)圖像存在離焦現(xiàn)象，進(jìn)行了在軌調(diào)焦。之后，GF-7衛(wèi)星于11月13日過境北京大興國際機(jī)場獲取到的數(shù)據(jù)，可以作為境內(nèi)典型城市地區(qū)代表。針對高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像品質(zhì)評價，通常要分為主客觀綜合評價[19-22]，本文參考了與GF-7衛(wèi)星分別在應(yīng)用和分辨率方面相近的“資源三號”、“高分二號”衛(wèi)星在軌評價[23-24]，選取前視相機(jī)在軌典型圖像進(jìn)行了灰階分布統(tǒng)計分析和目視評價，如圖3所示。

圖3 在軌圖像直方圖

統(tǒng)計結(jié)果顯示，圖像DN均值484.3，DN最大值為2 047，已經(jīng)飽和，說明探測器的動態(tài)范圍利用比較充分。而且DN值高的像元數(shù)量少，與背景具有明顯的差異。從目視效果上看，圖像層次分明。綜合兩方面情況，可以認(rèn)為相機(jī)在軌成像參數(shù)設(shè)置合理。

4 結(jié)束語

本文提出了GF-7衛(wèi)星相機(jī)在軌成像參數(shù)設(shè)置方案，從30組實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果中匹配得到最優(yōu)組合，即第二檔增益與第四檔級數(shù)的組合。對在軌典型圖像的分析結(jié)果表明，相機(jī)動態(tài)范圍得到了比較充分的利用，相機(jī)在軌成像參數(shù)設(shè)置方案合理可行。但是，這項工作出發(fā)點(diǎn)是為滿足開機(jī)成像需求，由于太陽高度角和地面景物在一年中存在變化，根據(jù)在軌圖像統(tǒng)計結(jié)果，后續(xù)應(yīng)對不同條件下的成像參數(shù)組合進(jìn)行細(xì)化區(qū)分。由于衛(wèi)星仍處于在軌測試階段，本文相關(guān)數(shù)據(jù)和分析只是過程性的研究，最終結(jié)論應(yīng)以官方對外發(fā)布結(jié)果為準(zhǔn)。本研究對于相關(guān)遙感相機(jī)在軌合理使用具有一定參考價值。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供了在軌測試數(shù)據(jù)。

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Prediction and Validation of GF-7 Satellite Camera’s Imaging Parameters Combination

WANG Dianzhong1,2QI Wenwen1,2TAN Wei1,2HE Hongyan1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

GF-7 satellite is China’s first sub-meter level stereo mapping satellite. The camera on board uses Time Delayed Integration Coupled Charged Device (TDICCD), which has multiple levels of integration and gain. Before launch, researchers proposed a prediction solution of optimum parameters combination, i.e. inputting empirical target refraction and image digital number (DN) to radiative transfer model to output the target radiance expected, and thus obtaining an expected absolute radiometric coefficient by calculation with target DN. This coefficient was compared with 30 coefficient records at the same radiance input from laboratory calibration. The result showed that combination of gain at level 2 and integration at level 4 matched expectation best. This combination was set as default in orbit at the beginning. After launch, on-orbit images were checked and the solution proposed in this paper was proved to be proper both statistically and visually. This paper could be helpful for rational use of relevant earth observation cameras.

stereo mapping; imaging parameter prediction; optical remote sensing; GF-7 satellite

V443+.5

A

1009-8518(2020)02-0122-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.02.014

王殿中，男，1979年生，2008年獲中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)遙感器成像質(zhì)量預(yù)估與評價。E-mail：drgnw@163.com。

2020-03-05

國家自然科學(xué)基金（41871278）；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（50-Y20A07-0508-15/16）

王殿中, 齊文雯, 譚偉, 等. “高分七號”衛(wèi)星相機(jī)成像參數(shù)預(yù)估與驗(yàn)證[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(2): 122-128.

WANG Dianzhong, QI Wenwen, TAN Wei, et al. Prediction and Validation of GF-7 Satellite Camera’s Imaging Parameters Combination[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(2): 122-128. (in Chinese)

（編輯：龐冰）