CN106871925B - 一种在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法，(1)获得实验室积分球各辐亮度条件下对应的图像，进而得到系数表；(2)在轨测试期间以卫星安全为基本条件，当卫星处于预设的状态下时，进行尽可能多次直角偏航成像，获取卫星直角偏航的条带数据；获得直角偏航辐射定标查找表；(3)在轨测试期间或者运行成像期间，获得每个时间间隔下的查找表；(4)对卫星某一状态下的图像进行相对辐射定标处理，判断是否存在该状态下的直角偏航辐射定标查找表，若存在，则调用直角偏航辐射定标查找表进行相对辐射定标处理；若不存在，则判断成像时间是否小于预设的时间，若小于，则系数表进行辐射定标处理；若不小于，则调用时间最近的查找表，进行相对辐射定标处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星遥感图像相对辐射校正方法，适用于在轨卫星遥感图像***级处理。
背景技术
由于从卫星设计到发射、在轨测试到运行，相机的状态不断的发生变化。对CCD传感器来讲，从入射光信号到输出数字值(Digital Number：DN)要经过3个主要的环节：一是光学透镜，二是CCD传感器，三是后处理电子链路。这些过程可能造成光影信息的失真，其主要因素有下列几个方面：
1.传感器光学空间响应的不均匀性，即整个视场内光学透过率是有差别的，中心多，边缘少，它的变化是渐变缓慢的。
2.CCD各探元响应度的不一致性，这种不等同性可分为低频和高频。低频、高频部分的不一致性分别反映为每片CCD的平均响应度不一致及同一片CCD中各探元响应度的不一致。
3.CCD的暗噪声，也叫暗电流或者底电平。理想的CCD探测器，没有输入光，也就没有输出电平，但实际使用的CCD，即使在全黑的条件下，也会有或多或少的输出电平，其大小与探测器本身的性能和环境条件相关，它是产生条带和随机噪声的原因之一。
4.CCD阵列外电子链路的不一致性，由于各片是由不同的电子链路处理的，有时同一片CCD也分为奇偶两路，A/D转换、信号处理、传送等各种因素都会影响到电子链路增益的一致性与稳定性。
同时，由于发射过程中的重力、压力、磁场的变化，以及地面环境和空间环境的不同，相机在整个过程进行着缓慢且长期的变换，因此整个相对辐射校正并不是一成不变的，而是随着状态、时间和阶段的变化随时调整和变换。
在实验室阶段，由于没有实际成像数据以及缺乏空间环境，地面***通常做积分球的试验。积分球模拟均匀光源，相机对积分球进行成像。调整积分球亮度，获得在不同辐亮度条件下的DN值输出。
由于积分球试验中获得的DN值是离散的，而且获得的亮度等级有限，通常只有十几个亮度等级，最高也不超过30个亮度等级。因此，工程上通常对相对辐射校正做线性分析。由于CCD器件的特性，DN值对辐亮度的响应并不是真实线性的，通常在低端的10％和高端的10％是非线性的，但是由于测量数据无法连续覆盖全辐亮度，只能对此特性做线性处理。因此，实验室系数是归一化线性系数，忽略了低端和高端的非线性因素。
同时，国产高精度卫星的幅宽都是由CCD片拼接而成，通常由3—5个CCD拼接，拼接采用光学拼接，由半透半反或者全透全反的光学棱镜进行搭接区的拼接。因此在搭接区，CCD获得的光学能量从100％向0％递减。如果不进行辐射校正，获得图像在搭接区形成明显的渐变为黑的条带，无法进行有效使用。
但是，实验室数据并不能有效的覆盖修正全部数据，一方面，由于线性系数不能有效的校正高端和低端的探元不一致性，另一方面，由于地面环境和空间环境的不同，上天之后，CCD器件响应和CCD阵列外电子链路的一致性发生改变，因此，利用实验室数据校正在轨期间系数，通常会出现条纹或者片间色差。片间色差是由于电子链路的一致性发生改变引起的。
为了快速获得真实影像的相对辐射校正系数，一般通过在轨期间进行成像，在轨测试后期进行处理的方式进行处理，由于有了足够多的在轨影像，通常地面***的工程做法是在轨统计法。在轨统计法是目前国产卫星的通用做法，采用足够多的图像作为基础样本点，进行直方图统计，然后计算期望直方图，并对每个探元进行直方图匹配，以期每个探元获得相同的直方图，从而进行相对辐射校正。
传统的直方图匹配法采用人工选图，通常人工需要每个相机选景3000景以上，才能够获得足够多的样本点进行计算。这种人工选景的方法耗费了大量的人力物力。通常每次系数的修改需要2个月的时间才能完成一次，因此每年耗费了大量的精力进行系数的修改和更新。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，采用分时段分有效性的综合动态调整的方法对在轨遥感图像计算相对辐射定标参数。
本发明的技术解决方案是：一种在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法，步骤如下：
(1)采用实验室积分球定标方法，获得实验室积分球各辐亮度条件下对应的图像；
(2)利用获取的图像，计算每个探元的归一化校正系数，并归档为系数表；
(3)在轨测试期间根据卫星的状况，以卫星安全为基本条件，当卫星处于预设的状态下时，进行尽可能多次直角偏航成像，获取卫星直角偏航的条带数据；
(4)对步骤(3)中每个卫星状态下的获取的所有直角偏航条带数据进行统计，利用直方图概率统计法计算获得直角偏航辐射定标查找表；
(5)在轨测试期间或者运行成像期间，根据预设的时间间隔，利用***成像0级景统计概率直方图，获得每个时间间隔下的查找表；
(6)对卫星某一状态下的图像进行相对辐射定标处理，判断是否存在该状态下的直角偏航辐射定标查找表，若存在，则调用直角偏航辐射定标查找表进行相对辐射定标处理；若不存在，则判断成像时间是否小于预设的时间，若小于，则调用步骤(2)中的系数表进行辐射定标处理；若不小于，则调用步骤(5)中时间最近的查找表，进行相对辐射定标处理；
所述的成像时间以发射时间为起始。
所述的预设的时间间隔为30天。
预设的时间间隔保证获得有效图像至少3000景。
步骤(5)中的查找表根据形成时间或者所处的时间间隔段，以包含时间特征命名归档存放。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明与传统辐射定标方法不同之处采用动态综合调整的方法进行相对辐射定标。以成像时间、累计数据和卫星状态为参数，动态的调整辐射定标的方法和参数，形成一套适用于卫星成像各阶段的辐射定标方法。
(2)本发明与传统辐射定标方法相比，优点在于动态综合调整的方法适用于所有国产遥感光学推扫成像卫星，且适用于卫星发射前后及运行期间的各个阶段直至卫星的寿命期结束，而传统定标方法只适用于特定卫星的特定阶段。
(3)本发明与传统辐射定标方法相比，由于采用了大量样本乃至全样本统计的方法，使得统计样本误差率大大减少，提高了相对辐射定标的精度。
附图说明
图1a、1b积分球实验及其获得图像示例图；
图2归一化系数表示例图；
图3a直角偏航成像过程示意图；
图3b为图3a直角偏航成像示例图；
图4在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细说明。如图4所示，本发明步骤如下：
(1)采用实验室积分球定标方法，获得实验室积分球各辐亮度条件下对应的图像；
如图1a所示，1为积分球，2为相机光学部分，3为CCD器件及电路，4为积分球入瞳处。积分球1所产生的量化辐亮度的光线由4处以均匀光线进入相机的光学***2，并由CCD器件及电路3进行光电转换后成像，成像的图像如图1b所示。
(2)利用获取的图像，计算每个探元的归一化校正系数，并归档为系数表；
假设定标图像大小为m行、n列，那么CCD相机的低电平，也就是一般进行的相对辐射校正的偏置量为：
式中，DNj,i,0为0辐亮度级第i探元第j行输出的DN值。
式中，DNj,i,l为l辐亮度级第i探元第j行输出的DN值，k为辐亮度级数，m为去除暗探元及搭接区外有效探元个数。
从而可得到第i探元的定标系数为：
归一化系数表的示例如图2所示。
(3)在轨测试期间根据卫星的状况，以卫星安全(有充足电量和光照区，姿轨控制***运行正常，卫星指令正常等)为基本条件，当卫星处于预设的状态下时，进行尽可能多次直角偏航成像(如图3a、3b所示)，获取卫星直角偏航的条带数据；
(4)对步骤(3)中每个卫星状态下的获取的所有直角偏航条带数据进行统计，利用直方图概率统计法计算获得直角偏航辐射定标查找表；
选取高中低分布的灰度值的探元响应，做相应的最小二乘拟合。本方法采用最小二乘拟合的线性拟合，近似认为探元响应是线性的，并做为拟合模型。
根据给定的图像数据，并构造逼近函数：
y＝f(x) (5)
其中y表示校正后的灰度值，x表示校正前的灰度值。
假设已知节点其中i＝1,2,3…，表示不同灰度下标。j＝1,2,3…表示不同探元的上标。表示在yi灰度下，探元j的灰度值。
因此对于某一灰度值，采用一次线性拟合，可有如下公式：
即：
其中，k为选取灰度值的个数。
按照最小二乘原理对其求解，即可得到相对辐射校正系数(aj,bj)。
(5)在轨测试期间或者运行成像期间，根据预设的时间间隔(30天，一般要求至少获取3000景有效图像)，利用***成像0级景统计概率直方图，获得每个时间间隔下的查找表；
通过建立直方图查找表，将原始图像的直方图匹配到期望直方图上。对本发明来说，每个波段的综合直方图是期望直方图，通过将每个探元的总直方图匹配到综合直方图上，可以得到该波段的直方图查找表。
建立查找表的原理是匹配处理后的每个探元的直方图的概率密度函数和期望直方图的概率密度函数相同。首先求得每个探元的直方图的概率密度函数和期望直方图的概率密度函数。数字图像的概率密度是离散形式，每个探元灰度级为rk的像素出现的概率为：
式中，nk为灰度级为rk的像素数目；N为像素总数。
则该灰度级对应的概率密度函数为：
同样期望直方图每个灰度级zl对应的概率密度函数为：
对某个探元的灰度级rk来说，在期望直方图上找到一个灰度级zl使得Sk＝Vl，这样便用灰度级zl来代替灰度级rk。用同样的方法处理所有的探元，便可以获得该波段的直方图查找表。用该查找表可以对0级数据进行相对辐射校正，即用查找表中的DN值代替原始DN值。
本方法要求所选取的图像尽可能多的覆盖典型区域，组合起来的图像各个探元的DN分布比较一致。
(6)对卫星某一状态下的图像进行相对辐射定标处理，判断是否存在该状态下的直角偏航辐射定标查找表，若存在，则调用直角偏航辐射定标查找表进行相对辐射定标处理；若不存在，则判断成像时间是否小于30天，若小于，则调用步骤(2)中的系数表进行辐射定标处理；若不小于，则调用步骤(5)中时间最近的查找表，进行相对辐射定标处理；所述的成像时间以发射时间为起始。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (4)
1.一种在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法，其特征在于步骤如下：
(1)采用实验室积分球定标方法，获得实验室积分球各辐亮度条件下对应的图像；
(2)利用获取的图像，计算每个探元的归一化校正系数，并归档为系数表；
(3)在轨测试期间根据卫星的状况，以卫星安全为基本条件，当卫星处于预设的状态下时，进行尽可能多次直角偏航成像，获取卫星直角偏航的条带数据；
(4)对步骤(3)中每个卫星状态下的获取的所有直角偏航条带数据进行统计，利用直方图概率统计法计算获得直角偏航辐射定标查找表；
(5)在轨测试期间或者运行成像期间，根据预设的时间间隔，利用***成像0级景统计概率直方图，获得每个时间间隔下的查找表；
(6)对卫星某一状态下的图像进行相对辐射定标处理，判断是否存在该状态下的直角偏航辐射定标查找表，若存在，则调用直角偏航辐射定标查找表进行相对辐射定标处理；若不存在，则判断成像时间是否小于预设的时间，若小于，则调用步骤(2)中的系数表进行辐射定标处理；若不小于，则调用步骤(5)中时间最近的查找表，进行相对辐射定标处理；
所述的成像时间以发射时间为起始。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的预设的时间间隔为30天。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：预设的时间间隔保证获得有效图像至少3000景。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中的查找表根据形成时间或者所处的时间间隔段，以包含时间特征命名归档存放。
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