“实践九号”A卫星高性能光学小相机在轨成像质量评价

文强 严明, 杨秉新 王智勇 伍菲 贺少帅 童庆禧

（1二十一世纪空间技术应用股份有限公司，北京 100096）

（2中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101）

（3北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

“实践九号”A/B卫星作为中国民用新技术试验卫星系列的首发星，主要用于卫星长寿命高可靠、高精度高性能、国产核心元器件和卫星编队及星间测量与链路等试验。“实践九号”A（SJ-9A）卫星搭载的轻型高性能光学小相机，在645km的太阳同步轨道上获取30km幅宽的2.5m分辨率全色和10m分辨率蓝、绿、红、近红外4波段多光谱高分辨率遥感图像。表1为高性能光学小相机的主要技术参数。

表1 SJ-9A卫星高性能光学小相机主要技术参数Tab.1 Specification of high performance optical small camera of SJ-9A

高性能光学小相机作为SJ-9A卫星的主要载荷，相机研制和地面处理单位联合开展了对其为期半年的在轨成像质量（Quality）评价，优化相机成像设置和地面预处理参数，提升图像产品质量，发挥SJ-9A高分辨率遥感图像的应用潜力。本文从高性能光学小相机遥感图像的辐射精度、波段配准、MTF复原、图像几何畸变4个环节，综合评价SJ-9A卫星高性能光学小相机在轨成像质量，验证光学小相机的遥感应用能力。

2 辐射精度评价

2.1 CCD拼接色调差异与探元响应差异

CCD拼接是将像元数较少的多片CCD拼接排列成一条直线，获得像元数较多的等效CCD线阵[1]。SJ-9A高性能光学小相机采用反射镜光学拼接方式实现了TDICCD长线阵拼接，其成像参数如表2。

表2 高性能光学小相机TDICCD成像参数Tab.2 Parameters of TDICCD

理想状态下，TDICCD各探元在相同的辐亮度输入条件下具有完全相同的输出响应；但实际上，由于光学系统、不同视场及视场拼接、TDICCD各片、各抽头、各探元的响应不一致以及电路差异等因素的影响，不同探元有其不同程度的响应差异，导致原始遥感图像存在奇偶条带、色差、暗像元等噪声问题[2]。图1显示了SJ-9A高性能光学小相机原始全色和多光谱图像存在TDICCD拼接缝暗条带和抽头间的色调差异现象。

图1 原始图像的拼接暗条带和色差Fig.1 Dark stripes and color aberration of raw multispectral and panchromatic images

统计图1沙漠区域多光谱蓝波段和全色原始图像列像元DN（Digital Number）均值（如图2），SJ-9A高性能光学小相机原始图像存在两片 TDICCD拼接暗条带、CCD响应非线性、抽头间色调差异和暗像元。拼接缝最暗像元DN值比平均灰度值下降了400～500个DN值。

图2 原始图像列像元DN均值直方图Fig.2 Histogram of mean DN value of raw multispectral and panchromatic column images

2.2 辐射校正与精度评价

为了校正原始图像中的辐射畸变，需对相机各探元输出的DN值进行辐射归一化处理。通过对多时相的沙漠和海面均一地物原始图像列像元DN均值统计分析，发现TDICCD各探元存在正常线性响应区和接近饱和的弱线性响应区，线性响应度的拐点在DN值850～950区间。图3以蓝、绿、红、近红外波段TDICCD的第100和第200个探元为例，反映10bit动态范围内探元线性响应度的差异。

图3 TDICCD探元线性响应度差异Fig.3 Response discrepancy of individual TDICCD detector

针对SJ-9A高性能光学小相机TDICCD探元的响应特点，采取分段辐射校正的方法消除原始图像中的辐射畸变。在每个动态分段区间内，使用式（1）进行逐列像元灰度值辐射校正。

式中 DNi′为第i列像元校正后的DN值；DNi为第i列原始像元DN值；Gi为第i列像元的增益系数；Bi为第i列像元的偏置系数。

通过对不同亮度均匀地物原始图像的DN均值和方差统计分析，采用最小二乘拟合，计算得到每个动态分段区间内每个探元的增益和偏置系数。对图1辐射校正后的图像如图4所示：

图4 辐射校正多光谱和全色图像Fig.4 Radiometricly corrected multispectral and panchromatic image

目视效果上，辐射校正消除了原始图像中TDICCD拼接暗条带、分抽头色调差异和暗像元；在定量化评价上，使用广义噪声法评价辐射校正的精度。广义噪声法是在辐射校正后的图像上选取一块M行N列的均匀地物图像，计算每列图像的均值和该区域图像的均值以及两者差值绝对值的平均值（Err），然后求该绝对均值与区域均值的比值[3]。该比值的百分数即为广义噪声值（Generalized Noise，GN）。

式中 N为图像的列数；M为图像的行数； D Ni,j为第i列第j行像元的DN值；为整幅图像的DN均值。辐射校正后多光谱各波段和全色图像（图4所示）的广义噪声计算结果如表3。

表3 辐射校正图像广义噪声评价结果Tab.3 Generalized noise of radiometricly corrected image

3 波段配准精度评价

由于线阵CCD焦平面装配的微小误差和各CCD探元大小不一致等因素，多光谱原始图像各波段间会存在明显的配准误差，且各波段间的配准误差呈非线性关系[4]。在遥感图像地面预处理中，需校正各波段间的配准误差，生产亚像元配准精度的多光谱图像产品。

在 SJ-9A多光谱图像配准处理中，使用线阵 CCD间各探元相对位置偏差模型，实现多波段图像的亚像元自动配准[5]。通过统计分析不同时相、不同侧摆角的多景多光谱图像配准误差，以绿波段图像为参考波段，计算蓝、红和近红外波段CCD线阵上每个探元图像相对于参考波段沿线阵CCD扫描方向和卫星飞行方向上的位置偏移量Δx和Δy，再通过最小二乘拟合得到各波段图像间逐像元的波段配准误差模型，实现多波段图像的配准。具体步骤如下：

1）在参考图像和待匹配图像上通过灰度交叉相关和二次曲面拟合自动采集同名参考点；

2）计算各参考点在图像行（X）和列（Y）方向上的像元偏移量；

3）使用最小二乘拟合内插得到每个CCD探元对应像元在图像X和Y方向上的位置偏移量；

4）利用多景图像求平均偏移量，计算图像逐像元在X和Y方向上的位置偏移校正系数Δx和Δy，得出式（4）所示的多波段配准模型。

式中 DN(,)x y' 为配准后图像的 DN值。波段配准处理时，利用式（4）对待配准波段图像进行逐像元偏移误差校正，并使用三次卷积灰度重采样得到配准后图像。图5显示了SJ-9A多光谱蓝、绿、红波段配准前后的对比图像。

为了定量评价多光谱图像的配准精度，计算配准后各波段图像同名检查点在X方向和Y方向上像元匹配误差的均方根误差。计算公式为：

图5 多光谱波段配准图像Fig.5 Band registration image

表4 多光谱配准精度评价结果Tab.4 Precision of multispectral registration image

4 MTF检测与图像复原

调制传递函数 MTF是光学系统质量评价的重要指标之一，能反映成像系统对目标物成像过程中信号的扩散与衰减程度。卫星发射前，光学相机的 MTF可以在实验室精确测量。当卫星在轨运行时，由于受到发射过程中的振动、从地面到空间失重环境的应力释放、大气衰减和相机运动成像的影响，相比实验室静态测量结果，相机在轨MTF会发生衰减。MTF在轨检测与评价对高分辨率遥感图像质量提升具有重要作用。

目前，常用的在轨MTF测量方法有：高分辨率图像法、点源法、刃边地物法及线性地物测量法[6]。本文利用地面靶标场图像，采用刃边地物法测量SJ-9A高性能光学小相机的在轨MTF值。刃边地物法是通过图像上与卫星轨道方向呈微小角度且具有一定长度的平直地物边缘来测量跨轨和沿轨方向图像刃边边缘扩展函数（Edge Spread Function，ESF），对ESF差分得到线扩展函数（Line Spread Function，LSF），再对LSF进行傅里叶变换得到MTF。

使用2013年4月15日拍摄的内蒙古靶标场图像（如图6所示）测量全色波段的跨轨 MTF值，来评价高性能光学小相机在轨成像质量。经测试，该图像跨轨Nyquist频率处MTF值为0.115，说明SJ-9A全色图像具有较高的动态MTF值。

图6 MTF靶标场图像Fig.6 MTF target image

为了进一步提升SJ-9A全色图像的清晰度，在SJ-9A遥感图像地面处理中采用维纳滤波复原法对全色图像进行 MTF补偿清晰化处理。利用内蒙古靶标场计算的MTF值对全色图像进行MTF复原处理，得到清晰度补偿的全色图像。复原前后的全色图像如图7，复原后图像的跨轨Nyquist频率处MTF值达到0.305，说明MTF复原处理极大地提升了全色图像的清晰度。复原处理后全色图像的地物边缘更为清晰，细节更为丰富。

图7 全色MTF复原图像Fig.7 MTF restored panchromatic image

5 图像几何畸变建模与评价

相机的光学畸变和 CCD的装配误差，是造成光学遥感图像几何畸变的根本原因。对于推扫式TDICCD相机，可使用一对三次多项式对图像几何畸变建模，通过畸变系数在轨检校和地面处理来改善图像的图像几何畸变[7-8]，提高几何定位精度。图像几何畸变校正模型如式（7）。

进行高分辨率相机在轨内方位几何畸变评价，首先需要获取试验区内密集的差分GPS测量点或者其它高定位精度的高分辨率正射图像（如航空正射影像、1∶2 000数字地形图），作为几何畸变评价的基准[9]。本文使用经几何畸变校正后的“资源三号”（ZY-3）卫星下视图像作为参考，初步评价SJ-9A高性能光学小相机全色图像几何畸变。

图8 SJ-9A原始全色图像Fig.8 Raw panchromatic image of SJ-9A

图9 几何畸变校正后的ZY-3全色图像Fig.9 Distortion corrected panchromatic image of ZY-3

SJ-9A待评价图像和ZY-3参考图像分别如图8和图9所示，为北京城区北部的平坦区域。SJ-9A全色图像成像时间为2013年3月10日，图像大小为12 208像元（列）×4 000像元（行），空间分辨率为2.5m；ZY-3下视图像成像时间为2013年4月6日，图像大小为14 324像元（列）×4 798像元（行），空间分辨率为2.1m。

以ZY-3图像为参考，采用影像相关匹配法[5]密集采集SJ-9A全色图像与ZY-3参考图像间的同名控制点，共采集匹配控制点2 336个（如图10），匹配误差为0.24个像元。

图10 匹配同名点分布Fig.10 Distribution of matched tie points

计算每个同名点在图像行和列方向的像元偏差，使用最小二乘拟合，模拟得到每个 CCD探元在行扫描和卫星飞行方向的图像几何畸变误差（如图11）（图中实线为垂直于卫星飞行方向），并拟合计算得到8个内方位定标参数（如表5）。

图11 SJ-9A全色图像几何畸变曲线Fig.11 Geometric distortion curve of SJ-9A panchromatic image

表5 全色图像几何畸变校正系数Tab.5 Geometric distortion calibration coefficients of panchromatic image

由图像几何畸变曲线可知，垂直卫星飞行方向的图像几何畸变明显大于卫星飞行方向的几何畸变，离CCD线阵中心越远的探元，其几何畸变越大。但这种畸变具有相对的稳定性，可通过定期的图像几何畸变在轨检校和建模，予以消除或改善。

6 结束语

高性能光学小相机作为SJ-9A卫星上的主要载荷，其在轨成像质量和地面处理精度决定了SJ-9A卫星2.5m全色和10m多光谱图像遥感应用的深度和广度。通过对高性能光学小相机在轨成像质量和地面处理精度的评价，相机的全色和多光谱图像的辐射校正、波段配准、复原清晰度、图像几何畸变校正等核心图像质量精度符合当前高分辨率遥感数据产品的应用需求，可以广泛应用于我国土地资源监察、农作物种植面积监测、林业普查、城市规划、灾害监测等遥感应用领域。

高性能光学小相机作为应用载荷，必须持续定期评价其在轨辐射和波段配准精度，更新 MTF和内方位参数，以提供质量稳定的SJ-9A高分辨光学遥感图像产品。

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