景物和成像条件对遥感图像品质的影响

陈世平

(中国空间技术研究院,北京100081)

1 引言

遥感的任务是获取遥感信息,是由遥感系统实现的。遥感系统由遥感数据获取系统和遥感数据反演系统共同组成。遥感数据是遥感数据获取系统的输出,即遥感数据获取系统的产品,也是遥感系统的中间产品。遥感系统的输出是遥感信息,遥感系统的性能表现为获取遥感信息的能力。遥感系统获取信息的能力与遥感数据的品质密切相关,同时也与从遥感数据中提取信息的能力密切相关。对于成像遥感系统,遥感数据获取系统即为成像系统,其输出的遥感数据即为遥感图像。图1示出了成像遥感系统由遥感数据获取系统(成像系统)和遥感数据反演系统的组成,表示了从遥感信息源,包括景物、成像条件(照明源、大气),经过遥感数据获取系统(成像系统),输出遥感数据(图像),形成的成像链(红框所示部分)。遥感图像的品质表现为遥感图像在完成遥感任务中的应用价值,或者说表现为可从中提取信息的潜在能力[1]。

图1 成像遥感系统的组成

遥感图像是经过整个成像链生成的,成像链决定了遥感图像的品质。成像链包含了景物、成像条件和成像系统的所有组成部分。因此,遥感图像品质与景物、成像条件和成像系统的性能密切相关。

景物是遥感的对象,是不受遥感系统控制的。景物包括陆地、海洋、山川、平原、河流、湖泊、裸地、植被等自然目标,以及城镇、建筑物和其它各种人工目标。景物是实体,包含的信息无限丰富,对于景物的特性可以从不同层面、不同方面表征。一般表征景物特性的有几何特性、物理特性和化学特性等,这些特性之间又是有关联的。其中景物的光谱反射率是最重要的表征量:一方面,景物光谱反射率在很大程度上反映了地物的特性;另一方面,景物特性的其它表征量,如目标的形状、大小、色调、纹理、对比度、地物辐亮度方差和地物平均空间细节等,也都是由景物光谱反射率决定的。同时,需要注意的是景物特性还与四季变化和温度变化等环境条件有关。

成像条件是指在成像系统成像时刻照明源和媒质的状态,以及成像系统的运行状态。成像条件对于对地观测光学遥感,特别是对于可见光、近红外和短波红外谱段遥感而言,太阳是主要的照明源,大气是光线传播的媒质。太阳作为照明源的状态,主要是指它的光谱辐射特性和它与景物之间的几何位置关系。大气作为媒质的状态,主要是指它的散射、吸收和扰动等特性。成像系统的运行状态是指遥感器对于景物的几何关系和运行参数设置等。对于相同的大气状态,由于太阳与景物及遥感器之间的几何位置关系的不同,大气对成像过程的影响是不同的。因此,成像条件对成像过程,从而对图像品质的影响是照明源和媒质以及成像系统运行状态共同综合作用的结果。实际上,对于同一景物,由于不同的成像条件,对图像品质的影响是不同的;对于相同的成像条件和不同的景物,对图像品质的影响也是不同的。

本文介绍光学遥感情况下,景物和成像条件对遥感图像品质的影响,包括景物特性和成像条件的表征,及其对遥感图像品质影响的分析。同时,指出了针对景物和成像条件,在成像系统设计和运行等方面需注意的问题。

2 遥感图像品质的表征

遥感图像的品质表现为遥感图像在完成遥感任务中的应用价值,或者说表现为可从中提取信息的潜在能力。表征遥感图像品质的方法主要包括面向任务的表征、基于成像系统性能的表征和基于图像统计特性的表征等[2]。

面向任务的图像品质表征直接反映了遥感图像的应用价值。美国的国家图像解译度评价标准(National Imagery Interpretability Rating Scales,NIIRS)是这种表征方法的典型代表。墨尔本大学于2006年为测绘和制图业用户制定的正射图像分辨率和品质的推荐标准[3]也是面向任务的图像品质表征方法。此外,如目标发现概率、识别和确认概率、分类精度、以及测绘制图的比例尺等都属于面向任务的图像品质表征。采用面向任务的表征方法对图像品质进行评价,主要是通过图像工作者对图像完成应用任务效果的判读实现的。

基于成像系统性能的图像品质表征是应用成像系统的性能间接表征图像品质的方法,一般包括在规定工作谱段范围内的图像辐射品质(如动态范围、信噪比SNR、噪声等效反射率差NE△ρ、绝对定标精度和相对定标精度等)、几何品质(如几何畸变、几何相关性、谱段配准精度、平面和高程定位精度等)和分辨率(如地面采样距离GSD和地面分辨距离GRD)等。由于分辨率取决于系统的调制传递函数(MTF)和信噪比,因此与辐射品质和几何品质是相关联的。采用基于成像系统性能的表征方法对图像品质进行评价,主要是通过现场测试,如卫星在轨测试实现的。

基于图像统计特性的图像品质表征是应用二维图像矩阵各元素的数字量值(DN)作统计运算得出的统计量表征图像品质的方法。这些统计量主要有列信噪比、广义噪声、灰度均值、灰度方差、信息熵、角二阶矩、对比度、边缘能量、图像品质度量(Image Quality Measure,IQM)和图像信息密度(Information Density,ID)等。这些统计量值的大小可以表示图像品质的相对优劣,但这些量值与图像应用价值之间的定量关系并不是完全确定的。采用基于图像统计特性的表征方法对图像品质进行评价,是通过统计运算实现的。

遥感图像品质不同表征量之间是有联系的。如NIIRS和成像系统性能参数之间有通用图像品质方程(General Image Quality Equation,GIQE)相联系[4],NIIRS和IQM之间也有确定的关系相联系[5]。遥感图像品质不同表征量之间的定量联系有助于遥感图像品质的预测,也有助于遥感图像品质不同评价方法之间的互相验证。本文介绍景物和成像条件对遥感图像品质的影响,主要采用SNR、GSD、MTF、信息熵、图像信息密度、目标发现概率、识别和确认概率等图像品质表征量。

3 景物特性

景物是遥感的对象,是实体,包含的信息无限丰富,遥感图像仅是对景物的一种表现形式。对于对地观测遥感,遥感图像所表示的景物是某一区域特定地理环境的统一体,是这一区域内地球表面大气圈、水圈、岩石圈、生物圈以及社会生态环境的综合反映,也是地质、地貌、水文、土壤、植被、人工目标和社会生态等的综合反映,又是不同空间分辨率、谱分辨率和时间分辨率下景物信息的综合反映[6]。各种地物的不同组合形成了不同的景物,如山地和植被等形成了山区景物,房屋和道路等形成了城镇景物,跑道、机库和飞机等形成了机场景物。可以说,遥感图像所表现的景物(地理环境)是一个错综复杂的系统,是多层次、多要素且运动变化的。因此,要全面认识景物,不仅要了解其各组成部分本身的属性,还要了解它们之间的相关性。

景物的特性难以全面地表征。根据景物专题特征提取的要求,景物特性的表征可以分为3个层次:首先是地物的状态,如地物分类、构造格局等;其次是相关物理量,如地物表面谱反射率、辐射率和地面的高程数据等;再次是特定的指标,如土地覆盖指数、植被指数和河流浑浊指数等。更宏观地,也可以用几何特性(如形状和大小等)、物理特性(如反射、散射、辐射和吸收性质等)和化学特性(如各种化学成分等)表征景物特性。这些特性之间又是有关联的,如景物的反射和散射性质与其化学成分有关,又与景物的表面粗糙度有关。

从遥感成像过程出发,遥感图像就是成像系统的输入信号与系统响应(点扩散函数)的卷积[7]。输入信号主要是由景物的光谱反射率决定的,光学遥感图像主要反映了景物光谱反射率的空间分布。事实上,光谱反射率在很大程度上反映了地物的特性,如不同植物(包括在不同生长期)、土壤、岩石、水体等都有各自的光谱反射率,即波谱特性[8]。因此,尽管对于景物特性有许多不同的表征方法和表征量,光谱反射率总被作为景物特性的重要表征量,在光学遥感成像系统设计中,景物的光谱反射率是重要的输入参数之一。

从遥感图像中获取景物细节的能力在很大程度上依赖于景物本身。在影响细节观测的诸多因素中,对比度是一项关键因素,也是景物特性的重要表征量[9]。对比度表示目标和背景间亮度的差异,可以定义为目标与背景亮度之比。在其它因素不变的情况下,高对比度有利于获得精细的空间细节,低对比度获得的是较粗的细节。显然,在黑柏油路面上的黑色汽车比白色汽车难以观察到。作为景物特性的景物对比度和图像对比度之间有密切关系,但并非必然是正比关系。同时,还要注意到景物对比度是一个动态量,是随时间、照明强度和角度而变化的。显然,景物对比度是由景物光谱反射率的分布决定的。

从遥感图像目视解译出发,目视解译关心的是目标的形状、大小、色调、阴影、纹理、图案、组合关联和位置等[6]。影响这些解译标志或解译要素辨认的与景物中目标的形状、大小、色调、阴影等自然有关。因此,景物中目标的这些特点也是景物特性的表示。

从遥感图像中能够提取的信息量与景物所含的信息量密切相关。景物所含信息量取决于景物的内容。根据F.O.Huck建议的地物模型[10],地物辐亮度分布归一化自相关函数如式(1)所示。

式中 σo为地物辐亮度的方差;μ为地物的平均空间细节(Mean Spatial Detail,MSD)。地物的功率谱密度PSD如式(2),

式中 u和ν分别是x方向和y方向的空间频率。显然,σo和μ都与景物光谱反射率的空间分布有关。

综上所述,作为遥感对象的景物,其特性可以从不同层面、不同方面表征。而景物的光谱反射率是最重要的表征量。一方面,景物光谱反射率在很大程度上反映了地物的特性,另一方面,景物特性的其它表征量,如目标的形状、大小、色调、纹理、对比度、地物辐亮度方差和地物平均空间细节等,也都是由景物光谱反射率决定的。

景物表面对于电磁辐射的反射包括镜面反射、漫反射和方向性反射几种,后两种又称为散射。景物表面的反射特性与表面几何形态即粗糙度有关。当入射波长远大于表面粗糙度时,即是镜面反射状态;反之,则是散射状态。漫反射是服从朗伯余弦定律的反射,即在位于表面法线平面内的反射强度与反射方向相对于法线角度的关系服从余弦定律,而在垂直于表面法线所有方向的反射是均匀的。产生这种漫反射的表面称为朗伯表面,实际上是一种理想化表面。事实上,自然界大多数地表既不完全是粗糙的朗伯表面,也不完全是光滑的“镜面”,而是介于两者间的非朗伯表面,其反射并非各向同性,而具有明显的方向性,即方向反射。镜面反射可以认为是方向反射的一个特例。

可以用二向性反射率分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)表征景物表面的方向反射特性。BRDF是入射辐射天顶角和方位角、反射辐射天顶角和方位角、以及波长的函数。认识景物表面的二向性反射特性对于认识遥感的正演和反演过程、建立相应的模型及定量遥感至关重要。为此,近年来国内外学者发展了一系列BRDF模型[11]。

4 成像条件

成像条件是指在成像系统成像时刻照明源和媒质的状态,以及成像系统的运行状态。成像条件对于对地观测光学遥感,特别是对于可见光、近红外和短波红外谱段遥感而言,太阳是主要的照明源,大气是光线传播的媒质。

太阳作为照明源的状态,主要是指它的光谱辐射特性和它与景物及遥感器之间的几何位置关系。地球大气层外的太阳辐射强度通常用太阳常数描述,是指在日-地平均距离处,地球大气层上界垂直于太阳光线的单位面积所接收到的太阳辐射功率。1981年世界气象组织仪器和观测方法委员会建议的太阳常数为1 367W/m2,由于太阳表面黑子和耀斑的影响,其变化值约为±0.07W/m2。太阳辐射通过大气会引起衰减。为了描述衰减程度与穿过大气路程之间的关系,引入了大气质量的概念。大气质量定义为:太阳光线穿过大气的路程d与天顶方向入射时的路程D之比,用AM表示,有(3)式的关系。

式中 θ是太阳对于遥感景物区域的天顶角。在大气层上界,d为0,即AM为0,大气质量称为AM0,该状态下太阳辐照度随波长的变化曲线接近于6 000K黑体的变化曲线;当太阳从天顶方向入射时,即θ为0,d等于D,此时AM为1,大气质量称为AM1,该状态下太阳辐照度随波长的变化曲线与AM0曲线有很大不同,在许多特定波长处,太阳辐射有很大衰减,这主要是由于大气中的O3、O2、CO2和H2O等产生的吸收衰减所致;不同的 θ值对应不同的AM,如 θ为48.2°对应AM1.5,θ为60°对应AM2,不同的AM 有不同的曲线。在有关的文献中,可以找到不同AM值的曲线,如文献[12]。

太阳与景物之间的几何位置关系,主要指太阳相对于景物的天顶角和方位角。这两个角度值与卫星轨道和观测时间(包括季节和日时间)密切相关,影响着进入遥感器光学系统的能量。影响进入遥感器光学系统能量的还有遥感器与景物之间的几何位置关系,这主要是指遥感器光学系统光轴对于景物的天顶角和方位角。这两个角度值不仅与卫星轨道和观测时间相关,还与遥感器光轴指向相关。遥感器与景物之间的几何位置关系反映的是成像系统的运行状态。

大气作为媒质的状态,主要是指它的散射、吸收和扰动等特性。

大气散射是太阳辐射受大气中微粒的影响改变传播方向的现象。大气散射包括散射强度与波长有关的选择性散射,以及与波长无关的无选择性散射。选择性散射主要指瑞利散射和米氏散射。引起瑞利散射的微粒直径远小于入射波的波长。对于瑞利散射,波长越短,散射越强,且前向散射与后向散射强度相同。引起米氏散射的微粒直径约等于入射波的波长。米氏散射往往影响到比瑞利散射更长的波段,其前向散射大于后向散射。引起无选择性散射的微粒直径远大于入射波的波长。

大气吸收是由于大气分子受电磁辐射激发到较高能级产生的。其中O3、CO2和H2O(水汽)的吸收最强,形成了吸收谱带,主要位于紫外、中红外和远红外区域。

由于大气吸收和散射产生的大气对辐射的衰减作用,可以用衰减系数k(λ,h)表示,k与波长和高度有关。太阳辐射经过大气的路径 x与k的乘积称为光学厚度,用以表示大气衰减的程度。

大气扰动表现为湍流,是一种小尺度快速变化的随机运动。湍流大气中的温度、压力和湿度是随机变化的,导致大气折射率的随机起伏,可以用湍流强度和湍流相干尺度表示湍流的状态。已有研究成果建立了大气湍流模型[13-15]。

成像系统的运行状态除了遥感器对于景物的几何关系外,还包括运行参数设置。

5 景物和成像条件对遥感图像品质的影响

关于景物光谱反射率、大气条件、太阳与景物及遥感器之间的几何位置等与进入遥感器入瞳辐亮度的关系表达式,以及应用成像系统相关参数进一步分析计算遥感图像品质表征量GSD、SNR、MTF等的方法,在许多文献中都有详细介绍。本文仅定性概括地说明景物和成像条件对遥感图像品质的影响。

首先,仅考虑景物对遥感图像品质的影响。这种情况下,其影响主要包括以下几个方面:

1)景物的平均谱反射率高,则图像的平均SNR高。一般要求遥感图像的SNR高于90[16]。高的景物平均谱反射率往往会对应高品质的遥感图像。当然,成像系统必需具有满足要求的动态范围,以防止过高的景物反射率引起图像饱和。

2)景物的辐亮度方差大,则图像的信息熵值大,图像的信息密度高,反映出遥感图像含有的信息量大[17]。因此,相应的遥感图像品质高。

3)景物中目标相对于背景的对比度高,则在遥感图像中发现、识别和确认目标的概率大[9]。同时,背景的状况也影响到目标的识别。如空旷地、沙地和落叶地上的车辆识别概率是不同的[4]。背景的均匀性也影响到细节的获取[9]。一般地,均匀背景比杂乱背景中的目标易于识别[4]。

4)景物中目标的形状影响目标的识别。可以用长宽比表示形状,通常,细长的目标像铁路、公路和河流等容易观察到。甚至目标的宽度远小于GSD时,也能观察到目标,只要目标相对于背景有适当的对比度。规则的形状也有利于获得细节,如种植农作物的农场比复杂形状的目标容易获得细节[9]。

5)景物的平均空间细节 μ与成像系统GSD之间的比例关系对成像系统获取遥感图像的信息密度有显著影响。只有在景物平均空间细节 μ接近成像系统GSD时,才能获得最大的遥感图像信息密度[17]。这是因为:虽然 μ远小于GSD时,景物的高频成分很多,信息量大,但成像系统受GSD限制,无法获取这些高频成分;当μ远大于GSD时,景物的低频成分为主,虽然成像系统易于获取这些成分,但本身信息量小。这一点说明成像系统(指标)的选择与应用目标即任务使命是密切相关的。

下面讨论成像条件对遥感图像品质的影响,主要考虑大气状态、太阳与景物及遥感器之间的几何位置关系对遥感图像品质的影响。图2示出了太阳与景物及遥感器之间的位置关系以及大气的影响。进入遥感器光学入瞳来自太阳的辐射分为3部分:第一部分,即目标光LT,是太阳入射辐射经过目标表面散射进入入瞳的辐射,其太阳入射辐射包括直接投射到目标上的辐射和经背景散射再经大气散射到目标上的辐射;另一部分是太阳辐射经过背景散射进入入瞳的辐射,即背景光LB;第三部分是未投射到目标和背景上而直接经过大气散射进入入瞳的太阳辐射,即天空光LS。进入入瞳的第一部分辐射载有目标的信息,是遥感系统需要获取的。其它两部分不载有目标的信息,对于遥感系统是一种噪声和干扰。大气对于遥感图像品质的影响可以概括为:

1)衰减了目标光,降低了SNR,使遥感图像品质下降。

2)引入了背景光和天空光,抬高了成像的信号底电平,相对于降低了系统的MTF,使图像有雾状感,清晰度下降,不利于目标的发现与识别,使遥感图像品质下降。

3)改变了太阳光投射到地面的辐射光谱分布和空间分布,引入了遥感图像降质因素,使遥感图像应用的目标发现和识别概率、分类精度等下降。

4)大气湍流对于遥感系统空间分辨率的影响与湍流强度和大气相干长度等有关。一般情况下,即使对于高分辨率成像系统所获遥感图像品质的影响也可以忽略。但在强湍流和小的大气湍流相干长度情况下,对于甚高分辨率成像系统遥感图像品质的影响必需予以考虑。对于影响程度的具体分析可见参考文献[13-15]。

图2 成像条件影响示意图

景物特性、大气状态、太阳与景物及遥感器之间的位置关系等对遥感图像品质的影响是综合性的。采用MODTRAN(Moderate Resolution Transfer Code)或6S(the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)等模型[11]分析计算遥感器入瞳辐亮度的过程考虑了以上的综合因素。以下应用6S模型做算例说明这些影响。选卫星轨道高度500km,不同太阳高度角,不同遥感器视角,不同大气能见度,以及不同目标反射率,计算各种组合情况下卫星遥感器入瞳处的视在反射率,以及目标光、背景光和天空光反射率等分量。

图3示出了不同太阳高度角条件下卫星遥感器入瞳处的视在反射率。其遥感器视轴为天底方向,取23km和10km两种大气能见度,用v表示,0.6和0.3两种目标反射率,用r表示,背景反射率均取为0.1。遥感器入瞳处的视在反射率表示太阳入射能量经过大气、目标和背景的综合作用,进入遥感器入瞳的能量与入射能量之比。显然,视在反射率远小于目标的实际反射率。表1和表2列出了视在反射率的数值,及其目标光反射率、背景光反射率和天空光反射率等分量的数值以及比例。由图3和表1及表2可见:即使在大气能见度23km情况下,对于0.6目标反射率,太阳高度角10°时,其视在反射率仅占59%,太阳高度角70°时,其视在反射率约占82%;对于0.3目标反射率,太阳高度角10°时,其视在反射率占74%,太阳高度角70°时,其视在反射率约占87%,然而目标光反射率所占比例却大为下降,天空光反射率的比例大为增加,突显了天空光的影响。

图3 不同太阳高度角条件下卫星遥感器入瞳处的视在反射率

表1 不同太阳高度角条件下几种反射率分量的关系(r=0.6)

表2 不同太阳高度角条件下几种反射率分量的关系(r=0.3)

图4示出了在遥感器不同侧摆角条件下卫星遥感器入瞳处的视在反射率。其太阳高度角为60°,与遥感器方位相反,仍取23km和10km两种大气能见度,0.6和0.3两种目标反射率,背景反射率均取为0.1。由图4和表3及表4可见:随着侧摆角增加其视在反射率呈下降趋势;即使在大气能见度23km情况下,对于0.6目标反射率,在相机45°侧摆角时,其视在反射率比例下降到74.5%,目标光反射率比例下降到79%,天空光反射率比例增加到8.9%;对于0.3目标反射率,在相机45°侧摆角时,虽然其视在反射率下降到81.7%,但目标光反射率比例大为下降到71%,天空光反射率猛增加到16.3%,突显了大侧摆角时天空光的影响。

图4 相机不同侧摆角时卫星遥感器入瞳处的视在反射率

表3 相机不同侧摆角时几种反射率分量的关系(r=0.6)

表4 相机不同侧摆角时几种反射率分量的关系(r=0.3)

由以上算例可以看到背景和成像条件对于进入卫星遥感器入瞳能量的复杂影响,包括来自目标光、背景光和天空光能量成分间的关系。卫星遥感关注的是来自目标光的能量及包含的信息。来自背景光和天空光的能量实际上是一种干扰,降低了遥感图像的品质,影响了目标识别、分类和应用。

6 讨论

根据上面介绍的景物特性和成像条件的表征,及其对遥感图像品质影响的分析,本节对以下问题开展进一步讨论,也作为作者的若干建议。

(1)在卫星成像系统的设计中,必须十分关注景物和成像条件的影响

应用某些模型,如6S软件计算卫星遥感器入瞳能量时,应当尽量全面地考虑可能遇到的各种不同景物状态和不同成像条件,包括不同的目标尺寸和反射率、朗伯表面或非朗伯表面、不同的背景反射率、不同的大气状态、不同成像区域的不同大气模型和气溶胶模型,以及太阳、景物和遥感器之间的不同位置关系。不仅要计算进入遥感器入瞳的总能量,还要计算来自目标光、背景光和天空光的分量。在分析成像系统动态范围时,必须考虑总能量的影响,在分析有用信号信噪比时,应当采用来自目标的能量,而不应采用总能量。

在设计中,需要针对成像系统的指标要求和应用特点确定影响因素的考虑范围,如对于甚高空间分辨率系统需要考虑大气湍流影响。作为成像条件内容的运行参数,如积分时间、积分级数和增益等,应当和其它成像条件相配合,尽量做到优化组合。

(2)在遥感卫星运行中,同样必须关注背景和成像条件的影响

需要结合实际任务,针对预期的景物状态和成像条件,进行必要的遥感图像仿真,为制定运行计划提供重要的依据。需要对运行参数进行适时的合理调整,以确保所获遥感图像的品质。对于不利于正常成像的情况应主动予以规避。对于完全覆盖的植被,既存在后向反射峰值,同时也存在镜向反射峰值;水体因为其表面类似镜面,在前向散射方向存在很强峰值;无论是强前向散射或者是强后向散射的峰值都出现在太阳主平面内,因此,推扫成像探测器阵列方向和摆扫成像方向应当尽量避开太阳主平面[18]。

(3)需要积极开展大气精确校正研究和应用

大气校正是为了消除大气对于遥感图像的影响所进行的数据处理,是辐射校正的主要内容。为了提高遥感图像品质、获得地表真实反射率,必须进行大气校正。由于太阳辐射是在与大气、景物的相互作用中传输的,因此大气校正不仅与大气有关,还与景物有关,其精确校正是相当复杂的。尽管许多学者致力于大气校正的研究,提出了许多校正方法,但精度还远不够。特别是,陆地上的大气校正问题尚未真正解决[11]。因此,有关领域学者和专家应当加强合作、积极探索、努力开展大气校正的理论、模型和方法研究,不断提高大气精确校正的理论和实际应用水平。

(4)需要加强定标与真实性检验工作

为了提高遥感图像品质,获取真实的有关信息,需要加强定标与真实性检验工作。应当建设多种高品质的定标试验场,努力开展高水平的真实性检验和定标方法研究,结合大气校正工作,提高实际应用水平。

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