高分多模卫星图像质量保证和验证

余婧 李雨廷 王跃 张国斌 杨文涛 程侃 王小燕 钟慧敏

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 中国资源卫星应用中心，北京 100094)

敏捷遥感卫星能够在短时间内实现大角度快速机动，利用其快速姿态机动能力迅速改变相机对地指向，实现对地面目标高效、灵活的观测。国外先进高分辨率遥感卫星均采用敏捷成像体制，如美国的“艾科诺斯”(IKONOS)、“世界观测”(WorldView)系列，法国的“昴宿星”(Pleiades)系列等[1-5]，包括后续计划发射的WorldView Legion系列和Pleiades Neo系列卫星星座(其中Pleiades Neo 1,2已经发射)。

高分多模卫星是一颗运行于643.8 km高度太阳同步轨道的敏捷光学成像卫星，于2020年7月3日在太原卫星发射中心成功发射，装载1台高分辨率相机和1台大气同步校正仪。高分辨率相机具有高分辨率、9谱段成像、适应敏捷成像3个特点，其星下点分辨率全色达到0.42 m，多光谱达到1.68 m，可以用于更准确的目标检测和地物识别。相机实现了9谱段成像，对标美国Worldview-2卫星，覆盖了从可见光到近红外的几乎全部波长范围，谱段选择针对某些特定的应用需求，相比传统4谱段相机，更有助于对地表特性的获取。相机设计适应卫星同轨多点目标、多条带拼幅、多角度、立体和主动推扫等敏捷成像模式，大幅提升卫星的成像效率，精准提供用户需求图像数据。

高分多模卫星的敏捷成像能力，大大提升了卫星的成像效率，但对卫星成像质量的保证提出了新的要求，特别是如何在敏捷成像模式下保证成像质量。本文主要对前期开展的图像质量分析、保证及图像质量的在轨表现进行了相关论述。

1 敏捷成像模式下的图像质量分析和质量保证

遥感卫星图像质量的分析和评价，可以按照属性分为辐射质量评价参数和几何质量评价参数两类[6]。辐射质量是与图像所代表的能量相关信息联系在一起的质量评价；几何质量则是与图像相关的位置等信息联系在一起的质量评价。辐射质量参数主要有：动态传递函数、信噪比、动态范围、辐射定标精度等；几何质量主要有空间分辨率/幅宽、定位精度、配准精度等。辐射质量和几何质量参数之间并不是完全独立的，它们之间存在一定的关联，同时从遥感应用角度来说，最终生成产品的质量取决于两者综合作用的结果，而在遥感卫星论证和研制阶段，一般将两类评价指标拆开进行分析，以方便图像质量影响因素的指标分解、保证和验证。本文后面的图像质量分析也采取这样的思路。

高分多模卫星可以开展同轨多点目标、同轨多条带拼幅[7]、同轨多角度、同轨立体、沿迹主动推扫和非沿迹主动推扫6种敏捷成像任务。其中：在同轨多点目标、同轨多条带拼幅、同轨多角度、同轨立体4种敏捷成像任务执行中，卫星通常先完成姿态机动，等卫星姿态稳定后进行成像；而沿迹主动推扫和非沿迹主动推扫2种敏捷成像任务执行中，卫星一边进行姿态机动，一边成像。敏捷遥感卫星通过不同机动过程和成像过程的组合，可以实现各类面向应用的敏捷成像工作模式。

高分多模卫星敏捷成像过程与非敏捷型成像卫星相比，主要有大角度(包括侧摆和俯仰)成像和主动推扫成像2大特点。大角度成像下，卫星图像分辨率较星下点成像下降，大气影响路径增加，相机焦面中心和边缘视场像移速度差异大。主动推扫成像下，成像过程中卫星姿态实时机动，姿态稳定度对图像影响较被动成像更大，且地物在相机焦面的像移速度变化范围大且变化速度快。高分多模卫星在研制过程中主要针对以上特点对敏捷成像模式下的图像质量进行预估，并在工程研制中采取相应措施来保证图像质量。

1.1 大角度成像

1.1.1 分辨率与星下点差异

考虑地球曲率的影响，计算卫星不同侧摆角、俯仰角下的相机地面采样距离(GSD)，结果见图1。从图1可以看出：随着卫星机动角度的增加，图像地面分辨率增大。若要保证卫星一定机动角度内0.5 m的地面分辨率，需要适当提升卫星星下点分辨率。

图1 不同机动角度下的成像地面分辨率Fig.1 Imaging ground resolution under different maneuver angles

高分辨率相机采用非球面同轴三反光学系统和TDICCD探测器实现高分辨率。选择焦距10.8 m的三反偏视场式同轴光学系统，采用折叠光路、反射镜的轻量化及小相对孔径的技术手段，在保证视场角、分辨率和成像质量的同时，实现相机的轻小型化。相机焦面选用3片7 μm/28 μm的5谱段TDICCD及3片28 μm的4谱段TDICCD器件，实现卫星星下点分辨率0.42 m，在俯仰20°、侧摆20°范围(对应卫星成像锥角28°)内保证0.5 m的地面分辨率。

1.1.2 大气影响路径增加

随着成像角度的增加，卫星对地表成像需要经过的大气路径增加，大气对获取图像的辐射质量会造成更大的影响，主要表现为对图像调制传递函数(MTF)的影响。仿真计算不同成像角度成像时大气对图像MTF的影响。成像观测条件假设太阳高度角30°，大气能见度23 km，目标反射率0.3，背景反射率0.05。大气辐射传输模型采用6SV，仿真计算不同成像角度下目标地物和背景地物到达相机入瞳处辐亮度，进而获得大气导致的图像MTF值的下降情况，如表1所示。表1定量化地给出：当卫星成像角度增加，传输路径增加，大气对卫星图像MTF会造成更大的影响。

表1 不同成像角度下大气导致的图像MTF值下降情况Table 1 Image MTF reductions caused by atmosphere under different imaging angles

卫星大角度成像时，除了上述的由于传输路径带来的影响外，与星下点成像相比，还有邻近像元效应影响的方向性。星下点观测时，邻近像元的影响只与它和目标像元之间的距离有关，而在大角度观测时，邻近像元的影响不仅与距离有关，还与它和目标像元之间的相对方位有关，观测方位上的邻近像元对遥感观测的影响最大[8]。

为获得高辐射精度的遥感图像数据，高分多模卫星配置大气同步校正仪来满足高精度大气校正需求，并在设计过程中采用以下保证措施。①大气同步校正仪在卫星平台上的安装方式确保其光轴方向与高分辨率相机光轴方向严格一致，观测范围覆盖高分辨相机的视场，保证高分多模卫星在各种成像角度下均可以实现大气参数的实时获取；②总体设计上将大气同步校正仪与高分辨率相机同时成像时段的数据同时下传至地面，方便地面应用系统的后续大气参数反演和图像校正工作。

1.1.3 相机焦面中心和边缘视场像移速度差异大

高分多模卫星相机焦面由3片CCD拼接而成，大角度成像时，相机焦面中心和边缘视场的像移速度存在差异，这时如果按照相机中心视场的积分时间进行整个焦面的积分时间设置，会导致焦面边缘视场图像MTF值的下降。图2给出高分多模卫星不同成像角度下相机焦面边缘和中心视场的积分时间仿真结果。

图2 不同成像角度下相机焦面边缘与中心视场积分时间差异Fig.2 Difference of integral time between edge and center positions of camera focal plane under different satellite view angles

从图2仿真结果可以看出：卫星成像角度越大，相机焦面中心视场和边缘视场之间的积分时间(由像移速度计算出来的理论积分时间)差异越大。侧摆角增大，中心视场和边缘视场积分时间差异远远大于俯仰角增大的情况。根据仿真结果有，当卫星俯仰角和滚动角均为30°，如果全焦面均采用中心视场积分时间进行设置，则边缘视场积分时间设置误差为0.81%(焦面积分级数设置为48)，对图像边缘视场图像MTF的影响为0.939；当卫星俯仰角和滚动角都为45°，边缘视场积分时间设置误差为2.4%(焦面积分级数设置为48)，对图像边缘视场图像MTF的影响为0.537。如果采用积分时间全焦面统一设置，卫星成像角度越大，图像边缘视场MTF值下降越大。

采用积分时间分片设置，解决卫星大角度成像时中心和边缘视场像移速度差异大的问题。高分辨率相机焦面各片CCD分别按照其中心位置的理论积分时间进行设置。采用积分时间分片设置后，积分时间的设置误差即为每片CCD中心和边缘的理论积分时间差异。图3给出采用分片设置后最右边CCD片中心和边缘的理论积分时间之间的差异。当卫星俯仰角和滚动角都为30°，积分级数设置为48时，积分时间的差异值从非分片设置的0.81%减小到分片设置时的0.26%，对边缘视场图像MTF的影响仅为0.994；当卫星俯仰角和滚动角都为45°，积分级数设置为48时，积分时间的差异值从非分片设置的2.4%减小到分片设置时的0.82%，对边缘视场图像MTF的影响为0.938。可见采用积分时间分片设置对图像的整体MTF有很大改善，尤其是在卫星大角度成像时。

图3 采用分片积分时间设置后相机焦面最右边CCD片的中心和边缘理论积分时间之间的差异Fig.3 Difference of integral time between edge and center positions of the rightmost edge CCD on camera focal plane when the integral time is set separately

1.2 主动推扫成像

主动推扫成像模式下，遥感卫星利用姿态机动和轨道飞行引起的相机指向的合成运动进行推扫成像。用“主动”区分于传统的仅靠卫星飞行运动进行的被动推扫成像。主动推扫成像在对非沿迹方向的狭长条带目标(如海岸带、边界线、公路、铁路)进行观测时具有很大优势，能大幅提升观测效率。

主动推扫成像方式对图像质量的影响主要体现在：卫星成像过程中实时机动，姿态稳定度低于被动推扫成像模式，会造成图像MTF值的下降；成像地物在相机焦面上的投影速度变化范围大且变化速度快；成像过程中分辨率等指标实时变化。

1.2.1 姿态稳定度影响

卫星姿态稳定度影响较被动推扫成像大。主动推扫成像下，卫星在成像过程中姿态实时变化，这个过程中姿态稳定度能达到2×10-3(°)/s的精度水平，相比于被动推扫成像下的5×10-4(°)/s姿态稳定度，在48级积分级数和星下点成像的情况下，对图像MTF的影响从0.999 4变为0.989 7，影响较小。

1.2.2 投影速度变化影响

焦面上像移速度变化范围大且变化速度快。与被动推扫成像不同，在主动推扫成像时，卫星一边成像，一边调整姿态，可以沿条带目标方向(可以不沿星下点轨迹)进行扫描。这会导致成像目标在相机焦面上的投影速度变化快。下面对一个典型主动推扫成像过程进行仿真分析。

图4 主动推扫成像过程仿真场景Fig.4 Simulation scene of active-scan imaging process

图5 主动推扫成像过程Fig.5 Active-scan imaging process

采用积分时间插值实时设置，解决主动推扫成像下焦面上像移速度变化快问题。如果仍按照传统的积分时间设置方式，卫星图像MTF值将由于主动推扫成像下降很大，造成图像质量的降低，甚至不可用。高分多模卫星采用积分时间的实时快速设置来解决这一问题，并通过仿真计算得出实时设置的时间频率需求及其对图像质量的影响。如果要求积分时间实时变化导致的图像MTF值下降不低于0.990 0，则要求积分时间设置频率导致的像移控制在0.02个像元以内，此时图像MTF值的下降为0.998 4，对图像质量的影响较小。这对积分时间设置频率有如下要求。

(1)

式中：d为相机焦面CCD的像元尺寸；Δd为由于积分时间设置频率导致的像移量；N为相机设置的积分级数；T为相机的积分时间；t为时间；f为积分时间设置频率。

为了工程上实现主动推扫成像过程中的积分时间实时设计，需要整星各个分系统的配合。因为主动推扫成像下卫星的积分时间变化较快，需要在成像过程之前提前进行成像过程的积分时间计算和设置。高分多模卫星的数管分系统利用轨道外推数据和姿态外推数据，实时计算得到一定时间频率的带时标的相机积分时间序列，发送给相机分系统，相机将收到的积分时间序列插值到48 Hz，并执行。图6为星上积分时间实时设置方法具体实现过程。

主动推扫成像对积分时间设置范围同样也有更高的要求，考虑沿迹快速主动推扫(一般应用于高成像效率要求情况下)和机动45°慢速主动推扫(一般应用于图像高信噪比要求情况下)的积分时间分别为积分时间设置最小值(下限)和最大值(上限)，仿真结果表明高分辨率相机需要适应42～250 μs的积分时间范围。为了适应主动推扫成像下对积分时间设置的范围和精度要求，相机焦面电子学采用高速、大动态范围电路设计技术，可选择积分时间插值和不插值2种工作模式，满足主动推扫成像对大范围和快速积分时间调整的需求。

1.2.3 成像过程中分辨率等指标实时变化

主动推扫过程中，卫星成像斜距变化范围大且速度快，分辨率等指标在图像中实时变化。针对这类图像，地面采用基于传感器校正的稳态重成像技术，开展行积分时间归一化、CCD物方拼接、基于虚拟CCD稳态重成像的传感器校正等手段，以获得连续、完整、分辨率一致的图像及相应的有理多项式系数(RPC)参数，为后续处理与应用提供高精度的标准图像产品。

2 高分多模卫星在轨图像质量验证

2.1 高分辨率图像大气校正

利用大气同步校正仪反演获得的大气关键参数对高分多模卫星高分辨率图像进行大气校正，图7给出了大气校正前后遥感图像，为2020年9月30日加州地区森林大火后烟雾弥漫的遥感图像(39.01°N，119.80°W)，同时具有城市区、植被区的复杂地表上空的大气校正效果。通过大气校正，去除了大气程辐射和邻近像元效应，改善了地物细节特征的可识别性。

对大气校正前后的高分辨率遥感图像质量进行定量地评价，结果见表2。大气校正后遥感图像的清晰度、方差和边缘能量都有了很大的提升。

表2 大气校正前后高分多模卫星图像质量评价结果Table 2 Evaluation of GFDM-1 satellite image quality before and after atmospheric correction

高分辨率图像大气校正的意义不仅表现在图像的目视效果和客观指标评价上，其更大的意义在于对地物反射率的恢复。图8为大气同步校正仪对高分辨率相机图像(加州地区植被区域)的光谱复原情况，给出了大气校正前后的地表反射率，以及参考反射率光谱曲线(来自约翰·霍普金斯大学(JHU)地物波谱库)。大气校正后的地表反射率曲线更接近地物的参考反射率曲线。因此，大气校正可以较好地改善地物反演定量化水平，得到地物特征光谱。

图8 植被区域大气校正前后光谱复原Fig.8 Observed spectrum of vegetative cover land before and after atmospheric correction

大气校正在大角度成像下有更明显的校正效果。图9为高分多模卫星在大角度(56°)成像时大气校正前后的效果。在大气光学厚度(AOD)不是很大(0.99)的情况下，大气对大角度成像的图像也有较大影响，大气校正效果明显。

图9 大角度成像大气校正前后图像Fig.9 Images with large angle before and after atmospheric correction

2.2 主动推扫成像图像效果

高分多模卫星对主动推扫成像进行了在轨验证，见图10。图10(a)为对意大利海岸线的主动推扫实际地面扫描轨迹，图10(b)为主动推扫得到的遥感图像。

图10 高分多模卫星主动推扫成像在轨验证Fig.10 On-orbit verification of active-scan imaging of GFDM-1 satellite

通过下传的图像辅助数据，高分多模卫星对意大利主动推扫成像参数如图11所示。根据卫星下传辅助数据中的轨道、姿态信息及严密成像几何模型解算出卫星的星下点轨迹和成像条带，见图11(a)；卫星下传的卫星姿态数据，以及非沿迹主动推扫成像过程中卫星滚动角、俯仰角、偏航角实时变化，见图11(b)，其中横坐标为相对主动推扫起始时刻的相对星时，下同；由于成像目标点在焦面上的投影速度实时变化，卫星的积分时间设置实时变化，见图11(c)；地面系统未处理的0级数据分辨率的实时变化，见图11(d)。地面经过行积分时间归一化、CCD物方拼接、基于虚拟CCD稳态重成像的传感器校正等处理后，实现一景图像内部分辨率的一致性，如图10(b)所示。

图11 高分多模卫星主动推扫成像参数Fig.11 Parameters of active-scan imaging of GFDM-1 satellite

3 结束语

高分多模卫星装载高分辨率全色/多光谱相机，用于各种敏捷成像工作模式。卫星研制阶段对卫星图像质量的保证开展了专题研究，针对敏捷成像过程的大角度成像、主动推扫成像2个主要成像特点进行了分析，并在卫星研制过程中采用了相应的图像保证措施。高分多模卫星在轨验证结果表明：研制过程中的图像质量保证措施有效，卫星在各种敏捷成像模式下的图像质量符合预期要求。卫星研制过程中采用的图像质量控制措施可服务于后续敏捷遥感卫星的设计和研制。