“高分七号”卫星相机成像参数预估与验证

王殿中 齐文雯 谭伟 何红艳

“高分七号”卫星相机成像参数预估与验证

王殿中1,2齐文雯1,2谭伟1,2何红艳1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

“高分七号”卫星是中国首颗亚米级高分辨率传输型立体测绘卫星。星上主载荷为双线阵相机，相机探测器采用了时间延迟积分电耦合器件，该器件具有5档增益，每档增益又可以与至少6档积分级数组合供在轨成像选择使用。文章提出了一个卫星发射前，成像参数最优组合的预估方案，根据经验给出了典型目标地物反射率和灰阶值预期，再通过辐射传输仿真得到预期辐亮度，进而计算得到在轨绝对辐射定标系数预估值。相机在实验室辐射定标实验中，每个辐亮度下都获得了由5档增益和6档积分级数分别配对组合的30组输出，选择与仿真同一辐亮度的30组绝对辐射定标系数进行对比分析。结果表明，以前视相机为例，第二档增益与第四档级数的组合最符合在轨预估。将这一组参数作为默认参数以使在轨第一时间获得高品质图像。卫星发射后，对真实的在轨图像数据进行检验。灰阶统计发现图像动态范围利用比较充分，目标亮度与背景具有明显的差异可以区分，目视评价图像层次分明，灰阶统计和目视评价均表明文章提出的成像参数组合预估方案有效。文章研究的内容对于相关遥感相机在轨合理使用具有一定参考价值。

立体测绘 预估成像参数 光学遥感“高分七号”卫星

0 引言

传输型遥感相机可能配置有积分时间、积分级数、模拟增益、数字增益、箝位等多个成像参数，每个成像参数至少有2档可选，多的档位可以达到两位数，这些参数的组合数量众多[1-2]。同样一份入瞳信号，经过不同的参数组合通常意味着不同幅值的输出，最直观的影响就是图像或明或暗、灰阶分布范围或窄或宽[3-4]。文献[4]对卫星可见光时间延迟积分电耦合器件（Time Delayed Integration Couple Charged Device，TDICCD）相机的动态范围进行了研究，从成像品质的角度对动态范围提出了要求，并对相机动态范围在轨动态调整的实现途径进行了初步分析。动态范围是一个关键的图像品质评价指标[5-6]，一般说来，成像参数设置合理，图像的动态范围宽，信噪比高，图像品质就好。从这个意义上讲，成像参数设置可以直接决定了遥感卫星能否用好。即使某些组合输出幅值相近，也还要考虑信噪比等相关因素，进一步选择设置成像参数。卫星在轨工作后，可以通过在轨图像品质研判，进行成像参数调整优化。但是无论从在轨开机首图的直观印象，还是从卫星系统每日运行成本的角度出发考虑，都有必要在卫星发射前开展预估，争取使开机时的成像参数组合比较理想。围绕如何预估并选择遥感系统成像参数，采用搭建物理仿真系统的方式模拟航天光学遥感器在空间摄影的条件[7-8]，在硬件链路上会得到高度仿真的结果，但是代价较大。目前多数研究采用计算机仿真模型[9-15]，可以在独立于相机实物开展，灵活涵盖具体的相机参数设置要求范围。文献[12-13]分析了卫星在轨期间相机参数对成像品质的影响，并结合CBERS-1（02B）卫星的高分辨率相机实验室测试结果进行分析计算，最后给出TDICCD相机的成像参数在轨使用方法建议。文献[14]分析了星上TDICCD相机成像单元的内部结构和工作特点，针对成像工作模式中大量的轨道参数、姿态参数和时间参数，结合相应的图像数据提出了一种成像工作模式的有效管理方法，对5个增益配置点下TDICCD相机的响应度进行了检测，并选择两档积分级数进行了外场成像试验。文献[15]为满足晨昏轨道微光相机大动态范围成像要求，针对电子倍增电耦合器件（Electronic Multiplying CCD，EMCCD），提出一种微光相机成像策略。

“高分七号”（GF-7）卫星是中国首颗民用亚米级高分辨率传输型立体测绘卫星，能够进行1∶10 000精确比例尺立体测图和数字影像制就见作，服务于测图生产及更大比例尺基础地理信息产品的更新[16]。相机分系统由前视相机、后视相机共同组成，分别从前后两个方向对地面同一景物进行不同角度的观测，获取地面景物全色影像，从而形成立体测量。相对上述文献涉及的具体相机更侧重于测绘应用，且定量化要求更高，为了保证GF-7卫星发射在轨后第一时间获取高品质图像，发射前，研究人员对相机在轨成像默认参数组合进行了预估。

1 原理与方法

GF-7卫星相机在规定轨道高度工作时，涉及调整的成像参数只有积分级数和增益。为了合理预估在轨参数，本文提出了一个预估方案，见图1。

图1 参数预估流程图

如图1所示，在轨预估首先根据仿真获得辐射量，通过辐射传输仿真，建立相机不同成像参数组合下与太阳高度角和地物反射率的对应关系，获取相机在轨工作时的入瞳辐亮度。同时，计算积分球能级对应等效辐亮度，通过实验室辐射定标，获得图像灰阶（Digital Number，DN）值，计算相机饱和输出时对应的辐亮度，根据饱和辐射亮度和动态范围计算成像参数，最终根据需求完成成像参数设置。

考虑到兼顾大多数地物信息的情况下，设置参数时一般只考虑太阳高度角和不同侧摆角。实验室辐射定标给出的是星下点成像时不同太阳高度角的成像参数。获取不同谱段的平均反射率，根据每个谱段的平均反射率和太阳高度角结合常用大气模型计算得到辐亮度。制定参数使用建议时，还应该考虑参数的通用性，避免频繁调整，因此这里将太阳高度角以25°和65°为界划分为3段，其中25°到65°对应在轨常规使用的情形。根据陆地卫星在轨支持经验，可以采用平均辐亮度值下输出为38%饱和的灰阶，直接查找实验室定标不同参数组合下最接近的参数组合，即为该成像条件下的参数。

如果实验室定标已经计算得到绝对辐射定标系数，也可以根据平均辐亮度值和38%饱和的灰阶，计算得到预期的绝对辐射定标系数。辐射亮度跟DN的转换斜率，公式如下

=38%×(2–1)/

式中为图像量化位数。

结合绝对辐射定标系数，查找实验室定标不同参数组合下最接近的参数组合。

2 参数预估

GF-7卫星主要用于国内测绘和建设用地观测，以前视相机为例，全色谱段的平均反射率经验值为0.4，以此为输入进行入瞳辐射亮度预估，模型参数如表1所示。

表1 模型输入

Tab.1 Radiance model input

表1中的参数中，太阳天顶角与太阳高度角互为余角关系，在GF-7卫星工作要求的25°~65°之间取平均值45°，卫星天顶角一项考虑GF-7卫星常规情况下是采用星下点观测模式，取值0°。根据能量不同，卫星成像参数一般选择冬半年或夏半年，由于GF-7卫星发射日期处于冬半年，时间取冬至日，再考虑GF-7卫星主要针对中国境内成像，应用主要是服务于测绘和住建部门，因此大气模型选择中纬度冬季，气溶胶模型选择城市，模型中的能见度23km对应天气晴朗最适合成像的情况，目标海拔考虑到一般城市地区建在低平地势这里选择0，传感器海拔项根据模型规定卫星遥感的取值为–1000，最大最小波长与GF-7卫星实际参数一致。

模型输出的入瞳辐亮度如表2所示。

表2 辐亮度模拟输出结果

Tab.2 Radiance modeling output

实验室定标阶段，针对不同辐亮度各测量了5档增益和6档积分级数组合的30组记录。这里取与仿真结果相同辐亮度下的30组记录，将定标获得的系数减去表2中的系数，得到一组系数差，见图2。

图2 系数差

根据图2结果可知，随增益增加，系数差总体上呈现出增加趋势，每档增益下，随积分级数增加，系数差显著增加，增加速度与具体档位对应的倍数决定。增益1级数5，增益4级数3，增益2级数4这三组最为接近预估值。其中增益1级数5，增益4级数3差值为正数，增益2级数4差值为负数，考虑到实验室定标系数除了斜率外，还存在有微小的截距，因此优先选择三组系数中差值为负数的这一组参数档位组合。

3 在轨验证

GF-7卫星相机于2019年11月5日在轨开机成像，由于发现图像存在离焦现象，进行了在轨调焦。之后，GF-7卫星于11月13日过境北京大兴国际机场获取到的数据，可以作为境内典型城市地区代表。针对高分辨率光学遥感卫星图像品质评价，通常要分为主客观综合评价[19-22]，本文参考了与GF-7卫星分别在应用和分辨率方面相近的“资源三号”、“高分二号”卫星在轨评价[23-24]，选取前视相机在轨典型图像进行了灰阶分布统计分析和目视评价，如图3所示。

图3 在轨图像直方图

统计结果显示，图像DN均值484.3，DN最大值为2 047，已经饱和，说明探测器的动态范围利用比较充分。而且DN值高的像元数量少，与背景具有明显的差异。从目视效果上看，图像层次分明。综合两方面情况，可以认为相机在轨成像参数设置合理。

4 结束语

本文提出了GF-7卫星相机在轨成像参数设置方案，从30组实验室定标结果中匹配得到最优组合，即第二档增益与第四档级数的组合。对在轨典型图像的分析结果表明，相机动态范围得到了比较充分的利用，相机在轨成像参数设置方案合理可行。但是，这项工作出发点是为满足开机成像需求，由于太阳高度角和地面景物在一年中存在变化，根据在轨图像统计结果，后续应对不同条件下的成像参数组合进行细化区分。由于卫星仍处于在轨测试阶段，本文相关数据和分析只是过程性的研究，最终结论应以官方对外发布结果为准。本研究对于相关遥感相机在轨合理使用具有一定参考价值。

致谢：感谢中国资源卫星应用中心提供了在轨测试数据。

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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年获中国科学院遥感应用研究所地图学与地理信息系统专业博士学位，研究员。研究方向为光学遥感器成像质量预估与评价。E-mail：drgnw@163.com。

2020-03-05

国家自然科学基金（41871278）；高分辨率对地观测系统重大专项（50-Y20A07-0508-15/16）

王殿中, 齐文雯, 谭伟, 等. “高分七号”卫星相机成像参数预估与验证[J]. 航天返回与遥感, 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)

（编辑：庞冰）