“高分四號”衛星影像輻射與幾何精度評價

徐文 龍小祥 李慶鵬 崔林 鐘慧敏

（中國資源衛星應用中心，北京 100094）

“高分四號”衛星影像輻射與幾何精度評價

徐文 龍小祥 李慶鵬 崔林 鐘慧敏

（中國資源衛星應用中心，北京 100094）

“高分四號”（GF-4）衛星是中國首顆高分辨率靜止軌道面陣凝視光學遙感衛星，載荷首次采用面陣CMOS探測器在36 000km高軌成像、基于面陣成像構建在軌相對輻射校正模型、面陣相機光學畸變在軌檢校。文章首先分析了影響GF-4衛星影像輻射質量（quality，以下同）與幾何精度的關鍵因素，然后介紹了高軌面陣成像處理模型的構建技術，最后分析評價了GF-4衛星影像的輻射質量、幾何質量和處理精度。結果表明：GF-4號衛星全色多光譜影像的平均行標準差、平均標準差和廣義噪聲等相對輻射精度指標均優于3%，典型地物信噪比平均優于40dB。影像內部畸變在垂軌和沿軌方向均優于0.8個像素。

相對輻射校正 幾何精度分析 面陣相機在軌幾何檢校 “高分四號”衛星

0 引言

“高分四號”（GF-4）衛星是我國首顆高分辨率靜止軌道光學遙感衛星，衛星搭載一臺凝視相機，該相機同時具有可見光近紅外（VNIR）成像通道和中波紅外成像通道。VNIR影像幅寬優于500km，IRS影像幅寬優于400km，可以實現高時間分辨率和高地面像元分辨率相結合，具有凝視成像、機動巡查、區域成像等多個模式，能夠滿足減災、氣象、地震、林業等多個領域的不同需求。

遙感衛星產品質量（quality，全文同）主要包括影像輻射質量和幾何質量兩個方面，其中影像的輻射質量是圖像質量的先決條件，其不僅決定了影像色彩響應均衡一致性，也影響后續用戶定量反演、影像融合等應用；影像的幾何質量是圖像質量最重要的因素，它不僅決定了影像的內部幾何精度和外部定位精度，也影響后續用戶區域網平差、變化檢測等應用。

GF-4衛星首次采用面陣CMOS探測器在36 000km高軌成像，而面陣成像的在軌相對輻射校正模型構建、面陣相機光學畸變檢校均尚屬首次，GF-4衛星影像產品處理后輻射質量和幾何質量能否滿足用戶需求是亟待解決的問題，所以必須開展GF-4衛星影像輻射與幾何精度評價分析工作。

1 影像輻射質量評價分析

1.1 影像輻射質量影響關鍵因素

衛星發射前后，由于發射過程和在軌空間環境的影響，相機各波段的底電平輸出、響應特性都可能發生變化，使得根據地面整星定標數據獲得的定標系數與相機真實響應曲線之間存在誤差。從而導致在軌圖像數據經地面相對輻射定標系數進行輻射校正后，存在影像響應不一致現象。對影像的輻射質量進行分析評價可以在一定程度上反映衛星成像質量，有助于確定衛星影像在各應用領域中的處理方法和方案[1-2]。為了準確分析GF-4衛星影像輻射特性，結合GF-4衛星傳感器特點，本文從相對定標精度和信噪比兩個方面對影像輻射質量的主要影響因素進行闡述。

1）相對定標精度。相對輻射定標是確定場景中各像元之間、各探測器之間、各波段之間以及不同時間測得的輻射量的相對值，從而消除由于探測器在空間上的響應不一致、在時間上的不穩定性，以及電路噪聲所引起的非均勻性輻射失真[3-4]。

2）信噪比。信噪比通常定義為圖像中的有用信息與噪聲信號的比值。在復雜地物區域，由于信號的復雜性，通常難以可靠地區分有用信息與噪聲，因此常選用均勻地物區域進行信噪比測試。圖像信噪比越大，說明混在圖像信息中的噪聲越少，有效信息抗噪能力越強，圖像質量越好[5]。

1.2 基于面陣相機的在軌相對輻射校正與處理模型構建

目前，線陣推掃 CCD相機一般采用基于實驗室輻射定標數據與衛星在軌數據概率密度統計相結合的方法來構建相對輻射校正模型[6-7]。

而對于面陣成像，在軌成像過程中無法獲取具有統計意義的探測數據。在軌如何優化從而構建精確的輻射校正模型，成為影響GF-4衛星圖像相對輻射校正精度和外場絕對定標精度的關鍵。

本文采用基于不同衛星同步過境、模擬不同衛星成像幾何進行交叉定標，同步進行幾何定標和相對輻射模型定標的技術方法。該方法采用“高分一號”（GF-1）衛星與GF-4衛星同步過境同時成像時，以GF-1衛星16mWFV相機的幾何模型為參考，構建GF-4衛星同步過境時刻的內外方位元素檢校模型，然后以此時刻的嚴格幾何模型為基準，構建GF-1與GF-4衛星的幾何關系；根據幾何關系實現GF-1衛星影像在GF-4衛星焦平面的成像模擬，從而構建GF-4衛星在軌相對輻射校正模型。總體技術流程如圖1所示。

1.3 輻射質量評價方法

1.3.1 相對輻射校正精度評價方法

相對定標精度反映了各探元的響應特性。相對定標精度越差，說明相機各探元的輻射差異越大。本文主要從平均行標準差、平均標準差和廣義噪聲三個方面對相對定標精度進行分析和評價。具體步驟為：1）選擇數據處理系統生產的沙漠、深海、山地、平原、農田等均勻地物的GF-4衛星1級圖像。2）選擇均勻樣板區，測量圖像相對定標精度。均勻樣板區域的選擇在目測均勻的前提下選擇的列應盡可能大。3）對以上選擇的圖像分別采用平均行標準差法、平均標準差法和廣義噪聲法評價相對輻射校正精度[8-9]。

圖1 GF-4衛星在軌相對輻射校正與處理技術流程Fig.1 The in-orbit relative radiometric correction and processing technical flow of GF-4 satellite

（1）平均行標準差法

首先，計算相對輻射校正后圖像每列的平均值，得到一個平均行，然后，計算該行數據的標準差，再除以整幅圖像的平均值，即為通過該圖像計算得到的相對定標精度。即

式中 ε為相對定標精度；nv為CMOS器件垂軌方向探元個數；DN(j)為圖像上第j探元的DN值；DN為整幅圖像DN值的均值。

（2）平均標準差法

首先，對相對輻射校正后圖像的各行計算其標準差，然后，除以該行的平均值，得到各行的校正精度，取其平均值即為該圖像計算得到的相對定標精度。即

式中 εi為圖像第i行的相對定標精度；DNi為圖像第i行DN均值；na為CMOS器件沿軌方向探元個數；DN(i,j)為圖像第i行j列探元的DN值。

（3）廣義噪聲法

相對定標精度的計算公式為

1.3.2 信噪比評價方法

圖像噪聲評價主要包括能量分配和輻射精度的評價，反映各波段整體的明暗和針對不同輻亮度的地物的能量分配以及數字圖像對微小細節反差的表達能力[10]。

信噪比是圖像中的有用信息與噪聲信號的比值。圖像的信噪比越大，說明圖像中有效信息相對于噪聲干擾越強，即遙感圖像反映的地物信息更好，圖像像質好。信噪比近似決定了圖像有效信號的比例，采用方差法：選擇圖像中的一塊均勻區域，計算該區域響應值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比[11]。具體測試方法如下：

1）對于具有不同反射率的地物，成像系統的噪聲對于圖像的影響程度有所不同。為了全面測試成像系統的噪聲特性，按照反射率對地物進行分類，對于獲取的遙感圖像來說，即按照圖像的表觀DN值將其分為三類：高反射率地物、中反射率地物和低反射率地物。

2）針對以上三種類型地物，選取圖像中具有大范圍、均勻、高、中、低反射率地物區域，分別計算信噪比。高、中、低反射率地物區域選取原則為：高反射率地物區域的平均DN值與圖像均值的絕對值差大于一倍標準差；中反射率地物區域的均值與圖像均值差的絕對值小于一倍標準差；低反射率地物區域的均值與圖像均值的絕對值差大于一倍標準差。

2 影像幾何質量評價分析

2.1 影像幾何質量影響關鍵因素

GF-4衛星是國內第一顆面陣凝視成像衛星，由于高軌環境復雜，傳感器內部溫差變化劇烈，其幾何模型不同于傳統的 CCD線陣推掃式衛星，也不同于航空面陣傳感器幾何模型。需結合成像條件及太空環境特點分析影響影像幾何質量的因素，本文從安裝角誤差和相機光學畸變兩個方面對 GF-4衛星影像幾何質量的主要影響因素進行了闡述。

圖2 相機坐標系與衛星本體坐標系示意Fig.2 The diagram of camera coordinate system and satellite coordinate system

（1）安裝角誤差

GF-4號衛星在軌成像時，由于星敏、陀螺等姿態測量儀器獲取的是衛星本體坐標系在慣性空間坐標系下的姿態角，因此，理想情況下，將相機安裝在衛星上時，相機坐標系與衛星本體坐標系三軸方向應該嚴格一致，兩個坐標系之間的旋轉矩陣應為單位矩陣，三軸夾角均為 0°。然而，在實際裝調過程中兩個坐標系三軸間總存在著角度差，這稱為相機安裝角誤差。如圖2所示，Oc-XcYcZc和OB-XBYBZB分別為相機坐標系與衛星本體坐標系。在衛星發射前，即使采用實驗室檢校的方法對相機安裝角進行了標定，在衛星發射過程中，由于應力釋放、材料出氣、空間環境變化等各種因素的影響，相機安裝角會發生改變。考慮到衛星高軌成像，角度誤差對定位精度影響很大，因此，必須通過在軌幾何定標對相機安裝角誤差進行檢校，即確定嚴格幾何成像模型中的相機坐標系與衛星本體坐標系間的旋轉矩陣[12-13]。

（2）相機光學畸變

由于高軌空間環境復雜，成像時間段內溫度變化劇烈以及發射過程中應力釋放等因素的影響，導致相機成像參數（主點、主距、光學畸變等）與地面實驗室標定差異巨大，必須定期通過在軌幾何定標重新標校，否則，衛星影像產品的幾何質量將由于內部幾何畸變的存在，受到嚴重的影響。相機面陣CCD畸變如圖3所示。圖3中O-XcYcZc為像空間坐標系；曲面dc即為面陣相機的畸變曲面[14-15]。

圖3 面陣CCD畸變曲面示意Fig.3 The diagram of array CCD sensor distortion curve

2.2 基于面陣相機的在軌幾何檢校與處理模型構建

描述相機內部畸變的數學模型主要有物理畸變模型與綜合模型。物理畸變模型是根據相機成像時存在的各種畸變的物理特性建立的數學模型；典型的光學相機物理畸變模型如布朗模型。該模型的特點在于每個參數都有具體的物理意義，但往往由于待解參數眾多導致過度參數化的問題，難以獲得穩定、高精度的解。綜合模型則不考慮各幾何畸變具體的物理意義，而采用一種數學意義上的經驗模型綜合描述各種幾何畸變的影響，實質是對幾何畸變曲面（面陣相機）的一種擬合[16]。

GF-4衛星采用面陣CMOS探測器成像，其視場角較小，焦距較長，因此其幾何畸變曲線相對簡單，主要反映為低階畸變（如平移、旋轉、縮放、主距變化、低階徑向畸變等），高階畸變很小，基本可以忽略不計；另外，高軌窄視場角的成像特性使得相機內部各參數之間，以及相機內部參數與外方位元素之間都具有很強的相關性[17-18]。基于以上考慮，本文采用基于二維三次多項式曲面探元指向角模型擬合CMOS每個探元光軸指向角，計算公式為

式中 ψv(l, s)、ψa(l, s)分別為垂軌方向和沿軌方向上的光軸指向角；a0～a9，b0～b9為內檢校參數；l、s表示影像上像點坐標的行、列號。此外，考慮到溫度對于影像的定位精度存在一定的影響，外定標模型改進為隨溫度變化的相機安裝角模型，即通過統計不同地區、不同太陽高度角條件下相機安裝角隨溫度變化關系，通過一定的數學模型進行建模和求解，從而獲取相機安裝角誤差補償模型[19]。

根據共線方程，構建衛星在軌幾何檢校模型為

在該模型下，要檢校包括a0～a9，b0～b9的20個系數、3個安裝角（r，p，κ），以及安裝角隨溫度變化關系（Δr，Δp，Δκ）。可將這些參數劃分為內外檢校參數，其中內檢校參數（a0～a9，b0～b9）用于確定相機內部CMOS各探元在相機坐標系下的坐標；外檢校參數r、p、κ，Δr、Δp、Δκ用于恢復相機坐標系在空間中的位置和姿態。將內外檢校參數分步處理，即利用分步檢校方法解算內外檢校參數，其原理為：首先解算外檢校參數，恢復相機坐標系在空間中的姿態；然后在此基礎上解算內檢校參數，確定CMOS各探元在相機坐標系下的位置坐標，迭代解算直至結果收斂[20]。其技術流程如圖4所示。

圖4 面陣相機在軌幾何檢校與處理模型構建技術流程Fig.4 Array camera in-orbit calibration and processing model construction technical flow

2.3 幾何質量評價方法

光學遙感影像的幾何質量主要體現在影像的內部幾何精度與平面定位精度兩個方面，其中平面定位精度表征影像上給定點的地理位置與其真實位置間的誤差，內部幾何精度表征影像的變形程度。

2.3.1 內部幾何精度評價方法

具體方法如下：

1）對待檢影像覆蓋范圍內的控制點進行人工刺點，假設控制點物方坐標為（B，L，H），人工量測的像點坐標為（s，l）；

2）將控制點物方坐標（B，L，H）代入該景影像的 rpc文件中反算得到像點坐標(s', l')，此時像方殘差(vs, vl)即為該景影像rpc文件的幾何定向精度，

3）統計所有檢查點像方殘差(vs, vl)的均值(MEANvs,MEANvl)和中誤差(RMSEvs,RMSEvl)，當檢查點滿足一定數量要求（一般為 7×7或 9×9均勻格網分布），且在影像范圍內均勻分布時，均值(MEANvs,MEANvl)反映了該景影像外部系統漂移誤差，即無控定位誤差，而單位權中誤差(RMSEvs,RMSEvl)則能夠定量表征該景影像內部幾何精度，計算公式為：

式中 vsi，vli分別表示第i個控制點在列方向和行方向的像方殘差；m為控制點數量。

2.3.2 平面定位精度評價方法

首先，在經過系統幾何校正的圖像上，利用數據評價軟件自動選取待評圖像和參考圖像的控制點(GCP)，然后計算出GCP在待評圖像和參考圖像的實際地理坐標差值，最后，統計多景圖像的GCP位置誤差值的平均誤差和均方差作為圖像的定位誤差。

測試具體流程為：

1）選取多景清晰、成像質量良好的圖像作為測試圖像。

2）對選取圖像進行2級產品生產。

3）查找參考圖像，并對參考圖像進行投影轉換、鑲嵌等處理。

4）對每幅圖像自動選點，計算出GCP的圖像坐標。

5）對GCP點進行篩選，獲得均勻分布的36個控制點。

6）計算 GCP在待評圖像和參考圖像的實際地理坐標差值，，其中，ΔX=X圖像-X真實，為GCP在待評測圖像和參考圖像上WGS84坐標系下的東西向和南北向平面投影坐標。

7）計算二級圖像產品上所有GCP地理坐標差值的均值E，即為該景影像的外部定位精度。均值計算公式為：，其中，m為GCP點的數量，Di為第i個GCP在待評圖像和參考圖像的實際地理坐標差值。

8）分別計算每個傳感器全部產品定位精度的平均誤差和均方差，即得到每個傳感器總的二級圖像產品幾何定位精度。

3 測試結果與分析

本文選取覆蓋沙漠、海洋、農田、山地以及平原的5景GF-4衛星VNIR影像進行影像輻射質量評價分析；選取8景不同時相、不同區域的VNIR影像進行內部幾何精度評價分析；選取20景不同時相、不同區域的影像來驗證其平面定位精度，其中，內部幾何精度評價和平面定位精度評價所用參考 DOM影像分辨率16m、精度優于16m，參考DSM影像分辨率30m、精度優于20m。

3.1 影像輻射質量測試結果

3.1.1 相對輻射校正精度測試結果

本次試驗選取系統生產的天氣晴好、能見度高、無云的5景GF-4衛星1級影像數據進行相對輻射校正精度評價，成像區域主要為沙漠、海洋、農田等地物，各波段評價結果如表1所示。

測試結果表明可見光波段的相對輻射校正精度評價中平均行標準差、平均標準差和廣義噪聲等各項指標均優于3%，滿足研制總要求。

3.1.2 信噪比測試結果

本次試驗系統生產的天氣晴好、能見度高、無云的另5景GF-4衛星1級影像數據進行信噪比測試，成像區域主要為海洋、沙漠等均勻地物，測試結果如表2所示。

表1 各波段相對輻射校正精度評價結果Tab.1 The result of accuracy evaluation and analyzes of relative radiometric correction among spectral bands

表2 “高分四號”衛星相機信噪比評價結果Tab.2 The evaluation result of signal-to-noise ratio for the camera of GF-4 satellite

測試結果表明GF-4衛星VNIR影像典型地物信噪比平均優于40dB，滿足研制總要求。

3.2 影像幾何質量測試結果

3.2.1 影像內部幾何精度測試結果

選取8景不同時相、不同區域的VNIR影像進行內部幾何精度評價分析，內部幾何精度統計如表3所示。

表3 GF-4衛星VNIR影像內部幾何精度測試結果Tab.3 The test result of internal geometric accuracy for the VNIR image of GF-4 satellite

根據表3的測試結果，可計算出VNIR影像的內部畸變在垂軌方向像方殘差均值為0.66個像素，方差為0.22個像素；沿軌方向為0.78個像素，方差為0.19個像素。表明在軌幾何檢校后內部畸變在沿軌和垂軌方向均得到了有效補償。

3.2.2 影像平面定位精度測試結果

VNIR影像平面定位精度測試結果如表4所示。

表4 GF-4衛星VNIR影像平面定位精度測試結果Tab.4 The test result of plane accuracy for the VNIR image of GF-4 satellite

根據表4可知，VNIR影像平面定位精度均值為2 629.11m，標準差為3 971.20m，滿足研制總要求。

4 結束語

本文首先對影響 GF-4衛星影像輻射質量與幾何精度的關鍵因素進行了分析，然后介紹了高軌面陣成像處理模型的構建技術，最后對 GF-4衛星影像的輻射質量、幾何質量和處理精度進行了分析評價。實驗結果表明：GF-4號衛星VNIR影像的平均行標準差、平均標準差和廣義噪聲等相對輻射精度指標均優于3%，典型地物信噪比平均優于40dB。影像內部畸變在垂軌和沿軌方向均優于0.8個像素，表明在軌幾何檢校后內部畸變在沿軌和垂軌方向均得到了有效補償。

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Image Radiometric and Geometric Accuracy Evaluation of GF-4 Satellite

XU Wen LONG Xiaoxiang LI Qingpeng CUI Lin ZHONG Huimin

（China Centre For Resource Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）

GF-4 is the China’s first array staring-imaging optical remote-sensing satellite with high resolution. The payload of GF-4 satellite firstly uses array CMOS sensors and images in the 36 000km high orbit. It is first time to apply in-orbit relative radiometric correction model, and to make in-orbit calibration and geometric correction of array camera optical distortion based on array imaging. This paper firstly analyzes the critical factors in GF-4 satellite image’s radiance quality and geometric accuracy, then introduces a technological method of building the processing model of high-orbit array imaging, and finally analyzes and evaluates the radiance quality, geometric quality and processing accuracy of GF-4 images. The experimental results show that the indexes of radiance accuracy of GF-4 PMS images, are all better than 3%, including average line standard deviation, mean standard deviation and generalized noise, and the signal-to-noise ratio of typical surface features is better than 40dB; and the internal geometric distortions in vertical orbit and along orbit directions are better than 0.8 pixel.

relative radiometric correction; geometric accuracy analysis; in-orbit geometric calibration of array camera; GF-4 satellite

TP391.41

: A

: 1009-8518(2016)04-0016-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.003

徐文，男，1963年生，博士畢業于哈爾濱工業大學管理科學與工程專業，研究員。國家陸地觀測衛星地面系統總師，主要從事遙感衛星地面系統的設計建設和國產遙感衛星數據的應用推廣研究。E-mail: xuwen@spacechina.com。

（編輯：夏淑密）

2016-04-21

國家重大科技專項工程