“高分七號”衛星相機成像參數預估與驗證

王殿中 齊文雯 譚偉 何紅艷

“高分七號”衛星相機成像參數預估與驗證

王殿中1,2齊文雯1,2譚偉1,2何紅艷1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

“高分七號”衛星是中國首顆亞米級高分辨率傳輸型立體測繪衛星。星上主載荷為雙線陣相機，相機探測器采用了時間延遲積分電耦合器件，該器件具有5檔增益，每檔增益又可以與至少6檔積分級數組合供在軌成像選擇使用。文章提出了一個衛星發射前，成像參數最優組合的預估方案，根據經驗給出了典型目標地物反射率和灰階值預期，再通過輻射傳輸仿真得到預期輻亮度，進而計算得到在軌絕對輻射定標系數預估值。相機在實驗室輻射定標實驗中，每個輻亮度下都獲得了由5檔增益和6檔積分級數分別配對組合的30組輸出，選擇與仿真同一輻亮度的30組絕對輻射定標系數進行對比分析。結果表明，以前視相機為例，第二檔增益與第四檔級數的組合最符合在軌預估。將這一組參數作為默認參數以使在軌第一時間獲得高品質圖像。衛星發射后，對真實的在軌圖像數據進行檢驗。灰階統計發現圖像動態范圍利用比較充分，目標亮度與背景具有明顯的差異可以區分，目視評價圖像層次分明，灰階統計和目視評價均表明文章提出的成像參數組合預估方案有效。文章研究的內容對于相關遙感相機在軌合理使用具有一定參考價值。

立體測繪 預估成像參數 光學遙感“高分七號”衛星

0 引言

傳輸型遙感相機可能配置有積分時間、積分級數、模擬增益、數字增益、箝位等多個成像參數，每個成像參數至少有2檔可選，多的檔位可以達到兩位數，這些參數的組合數量眾多[1-2]。同樣一份入瞳信號，經過不同的參數組合通常意味著不同幅值的輸出，最直觀的影響就是圖像或明或暗、灰階分布范圍或窄或寬[3-4]。文獻[4]對衛星可見光時間延遲積分電耦合器件（Time Delayed Integration Couple Charged Device，TDICCD）相機的動態范圍進行了研究，從成像品質的角度對動態范圍提出了要求，并對相機動態范圍在軌動態調整的實現途徑進行了初步分析。動態范圍是一個關鍵的圖像品質評價指標[5-6]，一般說來，成像參數設置合理，圖像的動態范圍寬，信噪比高，圖像品質就好。從這個意義上講，成像參數設置可以直接決定了遙感衛星能否用好。即使某些組合輸出幅值相近，也還要考慮信噪比等相關因素，進一步選擇設置成像參數。衛星在軌工作后，可以通過在軌圖像品質研判，進行成像參數調整優化。但是無論從在軌開機首圖的直觀印象，還是從衛星系統每日運行成本的角度出發考慮，都有必要在衛星發射前開展預估，爭取使開機時的成像參數組合比較理想。圍繞如何預估并選擇遙感系統成像參數，采用搭建物理仿真系統的方式模擬航天光學遙感器在空間攝影的條件[7-8]，在硬件鏈路上會得到高度仿真的結果，但是代價較大。目前多數研究采用計算機仿真模型[9-15]，可以在獨立于相機實物開展，靈活涵蓋具體的相機參數設置要求范圍。文獻[12-13]分析了衛星在軌期間相機參數對成像品質的影響，并結合CBERS-1（02B）衛星的高分辨率相機實驗室測試結果進行分析計算，最后給出TDICCD相機的成像參數在軌使用方法建議。文獻[14]分析了星上TDICCD相機成像單元的內部結構和工作特點，針對成像工作模式中大量的軌道參數、姿態參數和時間參數，結合相應的圖像數據提出了一種成像工作模式的有效管理方法，對5個增益配置點下TDICCD相機的響應度進行了檢測，并選擇兩檔積分級數進行了外場成像試驗。文獻[15]為滿足晨昏軌道微光相機大動態范圍成像要求，針對電子倍增電耦合器件（Electronic Multiplying CCD，EMCCD），提出一種微光相機成像策略。

“高分七號”（GF-7）衛星是中國首顆民用亞米級高分辨率傳輸型立體測繪衛星，能夠進行1∶10 000精確比例尺立體測圖和數字影像制就見作，服務于測圖生產及更大比例尺基礎地理信息產品的更新[16]。相機分系統由前視相機、后視相機共同組成，分別從前后兩個方向對地面同一景物進行不同角度的觀測，獲取地面景物全色影像，從而形成立體測量。相對上述文獻涉及的具體相機更側重于測繪應用，且定量化要求更高，為了保證GF-7衛星發射在軌后第一時間獲取高品質圖像，發射前，研究人員對相機在軌成像默認參數組合進行了預估。

1 原理與方法

GF-7衛星相機在規定軌道高度工作時，涉及調整的成像參數只有積分級數和增益。為了合理預估在軌參數，本文提出了一個預估方案，見圖1。

圖1 參數預估流程圖

如圖1所示，在軌預估首先根據仿真獲得輻射量，通過輻射傳輸仿真，建立相機不同成像參數組合下與太陽高度角和地物反射率的對應關系，獲取相機在軌工作時的入瞳輻亮度。同時，計算積分球能級對應等效輻亮度，通過實驗室輻射定標，獲得圖像灰階（Digital Number，DN）值，計算相機飽和輸出時對應的輻亮度，根據飽和輻射亮度和動態范圍計算成像參數，最終根據需求完成成像參數設置。

考慮到兼顧大多數地物信息的情況下，設置參數時一般只考慮太陽高度角和不同側擺角。實驗室輻射定標給出的是星下點成像時不同太陽高度角的成像參數。獲取不同譜段的平均反射率，根據每個譜段的平均反射率和太陽高度角結合常用大氣模型計算得到輻亮度。制定參數使用建議時，還應該考慮參數的通用性，避免頻繁調整，因此這里將太陽高度角以25°和65°為界劃分為3段，其中25°到65°對應在軌常規使用的情形。根據陸地衛星在軌支持經驗，可以采用平均輻亮度值下輸出為38%飽和的灰階，直接查找實驗室定標不同參數組合下最接近的參數組合，即為該成像條件下的參數。

如果實驗室定標已經計算得到絕對輻射定標系數，也可以根據平均輻亮度值和38%飽和的灰階，計算得到預期的絕對輻射定標系數。輻射亮度跟DN的轉換斜率，公式如下

=38%×(2–1)/

式中為圖像量化位數。

結合絕對輻射定標系數，查找實驗室定標不同參數組合下最接近的參數組合。

2 參數預估

GF-7衛星主要用于國內測繪和建設用地觀測，以前視相機為例，全色譜段的平均反射率經驗值為0.4，以此為輸入進行入瞳輻射亮度預估，模型參數如表1所示。

表1 模型輸入

Tab.1 Radiance model input

表1中的參數中，太陽天頂角與太陽高度角互為余角關系，在GF-7衛星工作要求的25°~65°之間取平均值45°，衛星天頂角一項考慮GF-7衛星常規情況下是采用星下點觀測模式，取值0°。根據能量不同，衛星成像參數一般選擇冬半年或夏半年，由于GF-7衛星發射日期處于冬半年，時間取冬至日，再考慮GF-7衛星主要針對中國境內成像，應用主要是服務于測繪和住建部門，因此大氣模型選擇中緯度冬季，氣溶膠模型選擇城市，模型中的能見度23km對應天氣晴朗最適合成像的情況，目標海拔考慮到一般城市地區建在低平地勢這里選擇0，傳感器海拔項根據模型規定衛星遙感的取值為–1000，最大最小波長與GF-7衛星實際參數一致。

模型輸出的入瞳輻亮度如表2所示。

表2 輻亮度模擬輸出結果

Tab.2 Radiance modeling output

實驗室定標階段，針對不同輻亮度各測量了5檔增益和6檔積分級數組合的30組記錄。這里取與仿真結果相同輻亮度下的30組記錄，將定標獲得的系數減去表2中的系數，得到一組系數差，見圖2。

圖2 系數差

根據圖2結果可知，隨增益增加，系數差總體上呈現出增加趨勢，每檔增益下，隨積分級數增加，系數差顯著增加，增加速度與具體檔位對應的倍數決定。增益1級數5，增益4級數3，增益2級數4這三組最為接近預估值。其中增益1級數5，增益4級數3差值為正數，增益2級數4差值為負數，考慮到實驗室定標系數除了斜率外，還存在有微小的截距，因此優先選擇三組系數中差值為負數的這一組參數檔位組合。

3 在軌驗證

GF-7衛星相機于2019年11月5日在軌開機成像，由于發現圖像存在離焦現象，進行了在軌調焦。之后，GF-7衛星于11月13日過境北京大興國際機場獲取到的數據，可以作為境內典型城市地區代表。針對高分辨率光學遙感衛星圖像品質評價，通常要分為主客觀綜合評價[19-22]，本文參考了與GF-7衛星分別在應用和分辨率方面相近的“資源三號”、“高分二號”衛星在軌評價[23-24]，選取前視相機在軌典型圖像進行了灰階分布統計分析和目視評價，如圖3所示。

圖3 在軌圖像直方圖

統計結果顯示，圖像DN均值484.3，DN最大值為2 047，已經飽和，說明探測器的動態范圍利用比較充分。而且DN值高的像元數量少，與背景具有明顯的差異。從目視效果上看，圖像層次分明。綜合兩方面情況，可以認為相機在軌成像參數設置合理。

4 結束語

本文提出了GF-7衛星相機在軌成像參數設置方案，從30組實驗室定標結果中匹配得到最優組合，即第二檔增益與第四檔級數的組合。對在軌典型圖像的分析結果表明，相機動態范圍得到了比較充分的利用，相機在軌成像參數設置方案合理可行。但是，這項工作出發點是為滿足開機成像需求，由于太陽高度角和地面景物在一年中存在變化，根據在軌圖像統計結果，后續應對不同條件下的成像參數組合進行細化區分。由于衛星仍處于在軌測試階段，本文相關數據和分析只是過程性的研究，最終結論應以官方對外發布結果為準。本研究對于相關遙感相機在軌合理使用具有一定參考價值。

致謝：感謝中國資源衛星應用中心提供了在軌測試數據。

[1] LI Yongqiang, ZHAO Zhanping, XU Pengmei, et al. Radiometric Calibration of Large Dynamic Range Low Light Level Camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(S1): 1-5.

[2] LIU Yaxia, BAO Haiming, LI Jie, et al. Measuring the System Gain of the TDICCD Remote Sensing Camera[C]//SPIE. Proceedings of SPIE: 5633. SPIE, 2004: 520-526.

[3] 李智勇, 楊校軍. 關于遙感衛星TDICCD相機動態范圍設計的思考[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(1): 24-27. LI Zhiyong YANG Xiaojun. Consideration on Designing of Dynamic Range for TDICCD Camera on Remote Sensing Satellites[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2011, 32(1): 24-27. (in Chinese)

[4] 李春梅, 郭元榮, 董書莉, 等. 基于直方圖分布的航天相機動態范圍調整方法[J]. 航天返回與遙感, 2017, 38(5): 36-43. LI Chunmei, GUO Yuanrong, DONG Shuli, et al. Dynamic Range of Adjustment Method of the Aerospace Camera Based on Histogram Distributions[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2017, 38(5): 36-43. (in Chinese)

[5] FIETE R D, TANTALO T. Comparison of SNR Image Quality Metrics for Remote Sensing Systems[J]. Optical Engineering, 2001, 40(4): 574-585.

[6] 陳世平. 關于航天遙感的若干問題[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(3): 1-8. CHEN Shiping. Some Issues about Space Remote Sensing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2011, 32(3): 1-8. (in Chinese)

[7] 徐鵬, 黃長寧, 王涌天, 等. 航天光學遙感器目標與背景仿真系統研究[J]. 系統仿真學報, 2003, 15(12): 1763-1765. XU Peng, HUANG Changning, WANG Yongtian, et al. Studying a Physical Simulation System for Characteristics in Targets and Backgrounds of the Remote Sensor on Spaceborne[J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(12): 1763-1765. (in Chinese)

[8] 曹旗磊, 趙明, 董麗麗, 等. 航天遙感相機及參數優化方法[J]. 激光與光電子學進展, 2017(3): 1-7. CAO Qilei, ZHAO Ming, DONG Lili, et al. Optimization of Remote Sensing Camera and Its Parameters[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2017(3): 1-7. (in Chinese)

[9] 黃哲. 光學遙感衛星在軌參數與圖像質量參數關系研究[D]. 南京: 南京理工大學, 2014. HUANG Zhe. Study on the Relationship between Remote Sensing Satellite’s TDICCD Camera Parameters and On-orbit Image Quality[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2014. (in Chinese)

[10] 周勝利, 馬駿. 航天光學遙感的圖像質量預估與評價標準[C]//中國宇航學會. 全國光電技術學術交流會論文集. 武漢, 2003: 1131-1134. ZHOU Shengli, MA Jun. Prediction and Evaluation Rules on Space Optical Remote Sensing Image Quality[C]//Chinese Society of Astronautics. National Optoelectronics Technical Symposium. Wuhan, 2003: 1131-1134. (in Chinese)

[11] 劉兆軍, 周峰, 滿益云, 等. 光學遙感器像質預估與評價技術研究[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(S1): 222-226. LIU Zhaojun, ZHOU Feng, MAN Yiyun, et al. Prediction and Evaluation Technology of Optical Sensor’s Image Quality[J]. Infrared and Laser Engineering, 2006, 35(S1): 222-226. (in Chinese)

[12] 何紅艷, 王小勇, 付興科. 遙感衛星CCD相機的動態范圍設計思考[J]. 航天返回與遙感, 2008, 29(1): 39-49. HE Hongyan, WANG Xiaoyong, FU Xingke. Study on the Designing of Dynamics Range of Remote Sensing Satellite’s CCD Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2008, 29(1): 39-49. (in Chinese)

[13] 何紅艷, 王小勇, 齊文雯. 遙感衛星TDICCD相機的成像參數與在軌成像質量的關系研究[C]//中國空間科學學會. 第二十三屆全國空間探測學術交流會論文集. 廈門, 2010: 1-9. HE Hongyan, WANG Xiaoyong, QI Wenwen. Study on the Relationship between Remote Sensing Satellite’s TDICCD Camera Parameters and On-orbit Image Quality[C]//Chinese Society of Space Research. 22ndNational Space Exploring Symposium. Xiamen, 2010: 1-9. (in Chinese)

[14] 劉妍妍, 李國寧, 楊曉慧, 等. 星上TDICCD相機成像工作模式的配置與管理[J]. 半導體光電, 2012, 33(6): 879-881. LIU Yanyan, LI Guoning, YANG Xiaohui, et al. Configuration and Management of Imaging Modes of On-board TDICCD Cameras[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2012, 33(6): 879-881. (in Chinese)

[15] 李立金, 李浩洋, 徐彭梅, 等. 晨昏軌道微光相機成像策略研究及仿真驗證[J]. 航天返回與遙感, 2017, 38(5): 29-35. LI Lijin, LI Haoyang, XU Pengmei, et al. Simulation and Verification of Imaging Strategy for Low-light-level Camera on Dawn-dusk Orbit[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2017, 38(5): 29-35. (in Chinese)

[16] 重大專項工程中心. 我國首顆民用亞米級光學傳輸型立體測繪衛星高分七號成功發射[EB/OL]. (2019-11-3). [2020-01-04] https://mp.weixin.qq.com/s/PsjDxZdHDsiyktcMYxpwIA. Earth Observation System and Data Center. Chinese First Civil Sub-meter Level Stereo Mapping Satellite has Successfully Launched[EB/OL]. (2019-11-03). [2020-01-04] https://mp.weixin. qq.com/s/PsjDxZdHDsiyktcMYxpwIA. (in Chinese)

[17] VERMOTE E F, TANRé D, DEUZé J L, et al. Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum, 6S: An Overview[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1997, 35(3): 675-686.

[18] 萬志, 任建偉, 李憲圣, 等. 基于輻射傳輸模型的TDICCD遙感相機信噪比分析[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(3): 497-500. WAN Zhi, REN Jianwei, LI Xiansheng, et al. Analysis of Signal-to-ratio for Remote Sensing TDICCD Camera Based on Radiative Transfer Model[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(3): 497-500. (in Chinese)

[19] MAVER L A, ERDMAN C D, RIEHL K. Image Interpretability Rating Scales[C]//Digest of Technical Papers. Intern Symp Soc Info Disp, 1995: 117-120.

[20] LEACHTENAUER J C, MALILA W, IRVINE J M, et al. General Image-quality Equation: GIQE[J]. Applied Optics, 1997, 36(32): 8322-8328.

[21] IRVINE J M. National Imagery Interpretation Rating Scales (NIIRS): Overview and Methodology[C]//SPIE. Proceedings of SPIE: 3128. SPIE, 1997: 93-103.

[22] 吳勝利, 周春平, 許玉勝. 我國遙感圖像解譯度分級標準設想[C]//中國地理學會. 2004環境遙感學術年會論文集. 長沙, 2004: 35-39. WU Shengli, ZHOU Chunping, XU Yusheng. On the Classification Standard of Remote Sensing Image Interpretation in China[C]//Chinese Society of Geography. Proceedings of 2004 Annual Conference of Environmental Remote Sensing. Changsha, 2004: 35-39. (in Chinese)

[23] 劉榮杰, 張杰, 李曉敏, 等. 資源三號影響質量評價及海岸帶地物識別能[J]. 海洋測繪, 2014, 34(4): 20-23. LIU Rongjie, ZHANG Jie, LI Xiaomin, et al. ZY-3 Image Quality Evaluation and Coastal Land Cover Recognition Analysis[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2014, 34(4): 20-23. (in Chinese)

[24] 徐文, 龍小祥, 李慶鵬.“高分二號”衛星影像輻射質量評價[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(4): 1-9. XU Wen, LONG Xiaoxiang, LI Qingpeng. Radiometric Image Quality Assessment of GF-2 Satellite PMS Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015, 36(4): 1-9. (in Chinese)

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年獲中國科學院遙感應用研究所地圖學與地理信息系統專業博士學位，研究員。研究方向為光學遙感器成像質量預估與評價。E-mail：drgnw@163.com。

2020-03-05

國家自然科學基金（41871278）；高分辨率對地觀測系統重大專項（50-Y20A07-0508-15/16）

王殿中, 齊文雯, 譚偉, 等. “高分七號”衛星相機成像參數預估與驗證[J]. 航天返回與遙感, 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)

（編輯：龐冰）