CN103778637B - 一种基于直方图平衡的在轨90°辐射定标处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于直方图平衡的在轨90°辐射定标处理方法，(1)选择原始定标数据，对原始定标数据做平移处理，提取有效定标数据；(2)根据步骤(1)中提取的有效定标数据，计算所有探测元的标准累计直方图进而得到每个探测元的累计直方图；(3)由上步得到的累计直方图结合实验室相对辐射校正模型构建相对辐射校正查找表；(4)利用上述查找表对原始图像进行相对辐射校正。采用本发明提高了side‑slither定标的适用性，实现了基于直方图平衡的side‑slither相对辐射校正。

Description

一种基于直方图平衡的在轨90°辐射定标处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于直方图平衡的side-slither辐射定标处理方法。

背景技术

为获得高质量的遥感图像，航天光学遥感相机需要进行相对辐射定标工作。对于有较强敏捷特性的推扫式成像光学遥感卫星，进行在轨相对辐射定标时，可以使用将相机绕卫星偏航轴旋转一定角度(通常为90°)的方法来获取相对均匀图像的方法来进行不同像元间的非均匀性校正。这种在轨相对辐射定标方法被称为“side-slither”。

side-slither定标方法原理图如附图1所示。推扫式光学遥感相机正常成像模式下，焦面探测器线列与成像方向垂直；进行side-slither定标时，将焦面旋转90°，探测器线列方向与成像方向平行。这样，在不考虑其他影响因素的情况下，理论上探测器线列上每个像元都依次同样的地面区域成像。而side-slither定标时焦面探测线列输出得到的图像中，每个像元获得的辐射能量信息是一样的，这样就相当于满足了相对辐射定标所需要的给焦面探测线列提供均匀辐照度场的条件，在此基础上进行焦面像元非均匀性校正工作。

side-slither定标方法典型的辐射定标方法为：通过获取一幅均匀地区例如大部分由冰面覆盖的区域，绿地或南极大陆，这样就能得到相同光照条件下的探测单元的响应，然后可以将这种校正方法用于每一次测试。这种方法对于目前大多数光电线性***来说都是非常有效的，这种方法的一个主要不足是这种极地区域的云层覆盖，这种现象在成像过程中很难避免。每一个探测单元的响应必须测量有效，这需要相当长的均衡过程，通常要2至3周。

Philippe KUBIK使用基于直方图均衡的方法对Pleiades-HR的side-slither定标数据进行处理，从而进行相对辐射校正，但是这个方法有两点不足：1)实际成像***的线性响应模型与Philippe KUBIK使用的模型并不一致(Philippe KUBIK的线性模型：在低端DN<DN_s时为一个线性响应模型，在中高端DN>DN_s为一个线性响应模型)；2)在轨side-slither定标时成像区域很难覆盖响应低端DN<DN_s，此时不能保证低端的校正效果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对推扫型成像遥感器，提供了一种基于直方图平衡的定标数据处理方法，实现了在轨基于直方图的side-slither相对辐射定标。

本发明的技术解决方案是：一种基于直方图平衡的side-slither辐射定标处理方法，步骤如下：

(1)选择原始定标数据，对原始定标数据做平移处理，提取有效定标数据；

(2)根据步骤(1)中提取的有效定标数据，计算所有探测元的标准累计直方图进而得到每个探测元的累计直方图；

(3)由上步得到的累计直方图结合实验室相对辐射校正模型构建相对辐射校正查找表；

(4)利用上述查找表对原始图像进行相对辐射校正。

所述步骤(1)中原始定标数据的选择原则为：图像成像行数M必须足够多，假设探测器总元数为N,图像数据的量化位数为n，那么M>N+100*2ⁿ。

所述步骤(3)中构建相对辐射校正查找表依据每个探测元的DN值确定，具体过程如下：

(3.1)对于第j个探测元，判断该探测元DN值所在的区间，当DN∈[DN_minj,DN_maxj]时，转步骤(3.2)；当DN∈[0,DN_minj]或者DN∈[DN_maxj,2ⁿ-1]时，转步骤(3.3)；[DN_minj,DN_maxj]为第j个探测元有效定标数据的DN灰度范围；

(3.2)由的对应关系建立此范围内的辐射校正查找表；的对应关系如下：

其中，k＝1,2,3,...,K，K＝DN_max-DN_min+1，[DN_min,DN_max]为M_i的DN值范围；为M_i中DN值小于的像素个数，h_[j] ^-1为第j个探测元的累积直方图h[j][X]的逆函数，j＝1,2,3,...,N；M_i为步骤(1)提取的有效定标数据第i行的均值；

(3.3)利用实验室测试的***线性响应模型构建实验室相对辐射校正模型：

其中，为第j个探测元在辐射通量为Φ_r时的输出，Y_r为第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出；

(3.4)利用步骤(3.2)中的对应关系和步骤(3.3)中构建的实验室相对辐射校正模型，统计入轨后的校正模型变化量Z_k：

Y_k′为令时，利用步骤(3.3)构建的实验室相对辐射校正模型得到的第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出；

(3.5)利用步骤(3.3)中构建的实验室相对辐射校正模型以及步骤(3.4)中的校正模型变化量Z_k，确定Y_r′之间的关系，利用该关系构建[0,DN_minj]和[DN_maxj,2ⁿ-1]范围内的查找表。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明不但适用于线性响应***，也可以有效的校正非线性响应***，并可以保证低端和高端的校正效果。；

(2)本发明的定标不再需要针对均匀地区成像，此方法定标时只要保证定标时所有探测单元严格通过景区内的同样点即可，定标周期短；

(3)本发明可以有效校正响应低端及高端的辐射非均匀性；

(4)本发明实现方便，更新校正系数周期短，可以不定时地对遥感相机进行在轨相对辐射定标；

附图说明

图1为side-slither定标方法原理图；

图2为本发明的处理流程图；

图3为步骤一中对角线平移过程示意图，其中，图3a为原始定标图像，图3b为平移后的定标图像；

图4为视场拼接探测器线阵位置示意图；

图5为某个探测元的累计直方图曲线；

图6为***线性响应模型。

具体实施方式

下面就结合图2所示流程图对本发明做进一步介绍。

(1)选择原始定标数据，对原始定标数据做平移处理，提取有效定标数据；

首先，选择原始side-slither定标数据F，选择的原则为：图像的灰度范围覆盖足够宽，最好覆盖动态范围；图像中尽量没有饱和的景物；图像成像行数M必须足够多，假设探测器总元数为N,图像数据的量化位数为n，那么M>N+100*2ⁿ；

然后，针对原始side-slither定标数据F，根据焦面探测器的像元数及排列方式、拼接方式和搭接的像元数，得到像元的成像时间顺序，把不同像元对同一景物的成像数据重新排列，最终在同一行上的数据为不同像元对同一地物成像的数据，平移前后对比图如图3所示。

像元排列方法如下(假设每片探测器的像元数为N₁，共有N₂片探测器通过光学拼接排列成一长线阵，N₃为片间搭接像元数，N₄为采用视场拼接的偶数线阵相对于奇数线阵在沿飞行方向上延时成像的像元数)：

a)针对原始定标数据进行如下的平移处理：

G(i,N₁×(l-1)+j)＝F(i+j-1,N₁×(l-1)+j)

l＝1,2,3,...,N₂，i＝1,2,3,...,M-N₁，j＝1,2,3,...,N₁

b)根据片间探测器的拼接方式及搭接的像元数，对不同片间的定标数据做如下平移处理：

当采用光学拼接时：

G′(i,N₁×(l-1)+j)＝G(N₃×(l-1)+i,N₁×(l-1)+j)

l＝1,2,3,...,N₂，i＝1,2,3,...,N₅，N₅＝M-N₁-(N₂-1)×N₃，j＝1,2,3,...,N₁

当采用视场拼接时(如图4所示)：

l为奇数时：G′(i,N₁×(l-1)+j)＝G(N₃×(l-1)+i,N₁×(l-1)+j)

i＝1,2,3,...,N₅，N₅＝M-N₁-(N₂-1)×N₃，j＝1,2,3,...,N₁

l为偶数时：G′(i,N₁×(l-1)+j)＝G(N₃×(l-1)+N₄+i,N₁×(l-1)+j)

i＝1,2,3,...,N₅，N₅＝M-N₁-(N₂-1)×N₃-N₄，j＝1,2,3,...,N₁

G′为所有像元排列后的图像；

c)剔除平移后的图像数据中的饱和数据，并最终得到有效的定标数据G″：

计算每一行的均值：

当M_i>2ⁿ-1时此行数据为饱和数据，假设总共有N₆行数据为饱和数据，此时剔除后的有效定标数据G″行数为N_b＝N₅-N₆，列数N＝N₁·N₂。

(2)根据步骤(1)中提取的有效定标数据，计算所有探测元的标准累计直方图进而得到每个探测元的累计直方图；

(2.1)针对上一步得到的图像G″，计算每行数据的均值M_i，i＝1,2,3,...,N_b；

(2.2)构建标准累计直方图q₁,q₂,...,q_K∈[0,1]，构建方法如下：

其中，k＝1,2,3,...,K，K＝DN_max-DN_min+1，[DN_min,DN_max]为M_i的DN值范围；为M_i中DN值小于的像素个数。DN_minj

(2.3)对于第j个探测元计算归一化的累计直方图如图5所示：

其中，N_x为G″中第j个探测元所有DN值小于X的像素个数，[DN_minj,DN_maxj]为G″中第j个探测元的DN值范围，j＝1,2,3,...,N；X为变量，取值范围[DN_minj,DN_maxj]。

(2.4)构建序列使得即第j元中小于的像元总数占所有像元总素的比例为q_k：

其中，h_[j] ^-1为h[j][X]的逆函数，j＝1,2,3,...,N。

(3)由上步得到的累计直方图结合实验室辐射校正模型构建相对辐射校正查找表；

对于第j个探测元：

a.当DN值X∈[DN_minj,DN_maxj]时，由的对应关系建立此探测元的辐射校正查找表(即利用公式1、2、4可以得到与之间的一一对应关系)：

其中k＝1,2,3,...,K，j＝1,2,3,...,N。

b.当DN值X∈[0,DN_minj]或当DN值X∈[DN_maxj,2ⁿ-1]时，构建[0,DN_minj]和[DN_maxj,2ⁿ-1]范围内的辐射校正查找表：

i.由实验室的***线性响应模型(如图6所示)，构建实验室的相对辐射校正模型构建方法如下：

其中，为第j个探测元在辐射通量为Φ_r时的输出，Φ_r为辐射通量，Y_r第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出。

ii.当DN值X∈[DN_minj,DN_maxj]，由的对应关系和实验室相对辐射校正模型统计入轨后的校正模型变化量Z_k：

令：由(即公式5)，得到此时第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出记为Y_k′，进而得到(Y_k′二者之间的一一对应关系)；

其中，k＝1,2,3,...,K，j＝1,2,3,...,N。

iii.构建[0,DN_minj]和[DN_maxj,2ⁿ-1]范围内的查找表：

其中，r＝0,1,2,...,DN_minj，或者r＝DN_maxj,DN_maxj+1,DN_maxj+2,...,2ⁿ-1，

Y_r′＝Y_r·Z，

(4)利用上述查找表对原始图像进行相对辐射校正。

对于第j个探测元：

当原始图像的DN值X∈[DN_minj,DN_maxj]，使用辐射校正查找表找到X对应的DN值Y，把Y值赋值给校正后的对应位置的DN值进行相对辐射校正；

当原始图像的DN值X∈[0,DN_minj]或X∈[DN_maxj,2ⁿ-1]的时候，使用辐射校正查找表找到X对应的DN值Y′，把Y′赋值给校正后的对应位置的DN值进行相对辐射校正。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种基于直方图平衡的在轨90°辐射定标处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)选择原始定标数据，对原始定标数据做平移处理，提取有效定标数据；

(2)根据步骤(1)中提取的有效定标数据，计算所有探测元的标准累计直方图进而得到每个探测元的累计直方图；

(3)由上步得到的累计直方图结合实验室相对辐射校正模型构建相对辐射校正查找表；所述构建相对辐射校正查找表依据每个探测元的DN值确定，具体过程如下：

(3.1)对于第j个探测元，判断该探测元DN值所在的区间，当DN∈[DN_minj,DN_maxj]时，转步骤(3.2)；当DN∈[0,DN_minj]或者DN∈[DN_maxj,2ⁿ-1]时，转步骤(3.3)；[DN_minj,DN_maxj]为第j个探测元有效定标数据的DN灰度范围；所述的n为图像数据的量化位数；

(3.2)由序列的对应关系建立此范围内的辐射校正查找表；的对应关系如下：

$X_j^{q_k}={h_{\&lsqb;j\&rsqb;}}^{-1}\left(q_k\right),q_k=\frac{1}{N_b}\&CenterDot;N_{y_k},Y_{q_k}={\mathrm{DN}}_{\min }+k-1$

其中，k＝1,2,3,...,K，K＝DN_max-DN_min+1，[DN_min,DN_max]为M_i的DN值范围；为M_i中DN值小于的像素个数，h_[j] ^-1为第j个探测元的累积直方图h[j][X]的逆函数，j＝1,2,3,...,N；M_i为步骤(1)提取的有效定标数据第i行的均值，q_k为第j元中小于的像元总数占所有像元总素的比例；N_b为有效定标数据G″的行数；

(3.3)利用实验室测试的***线性响应模型构建实验室相对辐射校正模型：

$Y_r=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{X}_j^r$

其中，为第j个探测元在辐射通量为Φ_r时的输出，Y_r为第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出；

(3.4)利用步骤(3.2)中的对应关系和步骤(3.3)中构建的实验室相对辐射校正模型，统计入轨后的校正模型变化量Z_k：

Y_k′为令时，利用步骤(3.3)构建的实验室相对辐射校正模型得到的第j个探测元在辐射通量为Φ_r相对校正后的输出；

(3.5)利用步骤(3.3)中构建的实验室相对辐射校正模型以及步骤(3.4)中的校正模型变化量Z_k，确定Y_r′之间的关系，利用该关系构建[0,DN_minj]和[DN_maxj,2ⁿ-1]范围内的查找表；所述的Y_r′＝Y_r·Z，

(4)利用上述查找表对原始图像进行相对辐射校正。

2.如权利要求1所述的一种基于直方图平衡的在轨90°辐射定标处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中原始定标数据的选择原则为：图像成像行数M必须足够多，假设探测器总元数为N,图像数据的量化位数为n，那么M>N+100*2ⁿ。