高分多模衛星圖像質量保證和驗證

余婧 李雨廷 王躍 張國斌 楊文濤 程侃 王小燕 鐘慧敏

(1 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)(2 中國資源衛星應用中心，北京 100094)

敏捷遙感衛星能夠在短時間內實現大角度快速機動，利用其快速姿態機動能力迅速改變相機對地指向，實現對地面目標高效、靈活的觀測。國外先進高分辨率遙感衛星均采用敏捷成像體制，如美國的“艾科諾斯”(IKONOS)、“世界觀測”(WorldView)系列，法國的“昴宿星”(Pleiades)系列等[1-5]，包括后續計劃發射的WorldView Legion系列和Pleiades Neo系列衛星星座(其中Pleiades Neo 1,2已經發射)。

高分多模衛星是一顆運行于643.8 km高度太陽同步軌道的敏捷光學成像衛星，于2020年7月3日在太原衛星發射中心成功發射，裝載1臺高分辨率相機和1臺大氣同步校正儀。高分辨率相機具有高分辨率、9譜段成像、適應敏捷成像3個特點，其星下點分辨率全色達到0.42 m，多光譜達到1.68 m，可以用于更準確的目標檢測和地物識別。相機實現了9譜段成像，對標美國Worldview-2衛星，覆蓋了從可見光到近紅外的幾乎全部波長范圍，譜段選擇針對某些特定的應用需求，相比傳統4譜段相機，更有助于對地表特性的獲取。相機設計適應衛星同軌多點目標、多條帶拼幅、多角度、立體和主動推掃等敏捷成像模式，大幅提升衛星的成像效率，精準提供用戶需求圖像數據。

高分多模衛星的敏捷成像能力，大大提升了衛星的成像效率，但對衛星成像質量的保證提出了新的要求，特別是如何在敏捷成像模式下保證成像質量。本文主要對前期開展的圖像質量分析、保證及圖像質量的在軌表現進行了相關論述。

1 敏捷成像模式下的圖像質量分析和質量保證

遙感衛星圖像質量的分析和評價，可以按照屬性分為輻射質量評價參數和幾何質量評價參數兩類[6]。輻射質量是與圖像所代表的能量相關信息聯系在一起的質量評價；幾何質量則是與圖像相關的位置等信息聯系在一起的質量評價。輻射質量參數主要有：動態傳遞函數、信噪比、動態范圍、輻射定標精度等；幾何質量主要有空間分辨率/幅寬、定位精度、配準精度等。輻射質量和幾何質量參數之間并不是完全獨立的，它們之間存在一定的關聯，同時從遙感應用角度來說，最終生成產品的質量取決于兩者綜合作用的結果，而在遙感衛星論證和研制階段，一般將兩類評價指標拆開進行分析，以方便圖像質量影響因素的指標分解、保證和驗證。本文后面的圖像質量分析也采取這樣的思路。

高分多模衛星可以開展同軌多點目標、同軌多條帶拼幅[7]、同軌多角度、同軌立體、沿跡主動推掃和非沿跡主動推掃6種敏捷成像任務。其中：在同軌多點目標、同軌多條帶拼幅、同軌多角度、同軌立體4種敏捷成像任務執行中，衛星通常先完成姿態機動，等衛星姿態穩定后進行成像；而沿跡主動推掃和非沿跡主動推掃2種敏捷成像任務執行中，衛星一邊進行姿態機動，一邊成像。敏捷遙感衛星通過不同機動過程和成像過程的組合，可以實現各類面向應用的敏捷成像工作模式。

高分多模衛星敏捷成像過程與非敏捷型成像衛星相比，主要有大角度(包括側擺和俯仰)成像和主動推掃成像2大特點。大角度成像下，衛星圖像分辨率較星下點成像下降，大氣影響路徑增加，相機焦面中心和邊緣視場像移速度差異大。主動推掃成像下，成像過程中衛星姿態實時機動，姿態穩定度對圖像影響較被動成像更大，且地物在相機焦面的像移速度變化范圍大且變化速度快。高分多模衛星在研制過程中主要針對以上特點對敏捷成像模式下的圖像質量進行預估，并在工程研制中采取相應措施來保證圖像質量。

1.1 大角度成像

1.1.1 分辨率與星下點差異

考慮地球曲率的影響，計算衛星不同側擺角、俯仰角下的相機地面采樣距離(GSD)，結果見圖1。從圖1可以看出：隨著衛星機動角度的增加，圖像地面分辨率增大。若要保證衛星一定機動角度內0.5 m的地面分辨率，需要適當提升衛星星下點分辨率。

圖1 不同機動角度下的成像地面分辨率Fig.1 Imaging ground resolution under different maneuver angles

高分辨率相機采用非球面同軸三反光學系統和TDICCD探測器實現高分辨率。選擇焦距10.8 m的三反偏視場式同軸光學系統，采用折疊光路、反射鏡的輕量化及小相對孔徑的技術手段，在保證視場角、分辨率和成像質量的同時，實現相機的輕小型化。相機焦面選用3片7 μm/28 μm的5譜段TDICCD及3片28 μm的4譜段TDICCD器件，實現衛星星下點分辨率0.42 m，在俯仰20°、側擺20°范圍(對應衛星成像錐角28°)內保證0.5 m的地面分辨率。

1.1.2 大氣影響路徑增加

隨著成像角度的增加，衛星對地表成像需要經過的大氣路徑增加，大氣對獲取圖像的輻射質量會造成更大的影響，主要表現為對圖像調制傳遞函數(MTF)的影響。仿真計算不同成像角度成像時大氣對圖像MTF的影響。成像觀測條件假設太陽高度角30°，大氣能見度23 km，目標反射率0.3，背景反射率0.05。大氣輻射傳輸模型采用6SV，仿真計算不同成像角度下目標地物和背景地物到達相機入瞳處輻亮度，進而獲得大氣導致的圖像MTF值的下降情況，如表1所示。表1定量化地給出：當衛星成像角度增加，傳輸路徑增加，大氣對衛星圖像MTF會造成更大的影響。

表1 不同成像角度下大氣導致的圖像MTF值下降情況Table 1 Image MTF reductions caused by atmosphere under different imaging angles

衛星大角度成像時，除了上述的由于傳輸路徑帶來的影響外，與星下點成像相比，還有鄰近像元效應影響的方向性。星下點觀測時，鄰近像元的影響只與它和目標像元之間的距離有關，而在大角度觀測時，鄰近像元的影響不僅與距離有關，還與它和目標像元之間的相對方位有關，觀測方位上的鄰近像元對遙感觀測的影響最大[8]。

為獲得高輻射精度的遙感圖像數據，高分多模衛星配置大氣同步校正儀來滿足高精度大氣校正需求，并在設計過程中采用以下保證措施。①大氣同步校正儀在衛星平臺上的安裝方式確保其光軸方向與高分辨率相機光軸方向嚴格一致，觀測范圍覆蓋高分辨相機的視場，保證高分多模衛星在各種成像角度下均可以實現大氣參數的實時獲取；②總體設計上將大氣同步校正儀與高分辨率相機同時成像時段的數據同時下傳至地面，方便地面應用系統的后續大氣參數反演和圖像校正工作。

1.1.3 相機焦面中心和邊緣視場像移速度差異大

高分多模衛星相機焦面由3片CCD拼接而成，大角度成像時，相機焦面中心和邊緣視場的像移速度存在差異，這時如果按照相機中心視場的積分時間進行整個焦面的積分時間設置，會導致焦面邊緣視場圖像MTF值的下降。圖2給出高分多模衛星不同成像角度下相機焦面邊緣和中心視場的積分時間仿真結果。

圖2 不同成像角度下相機焦面邊緣與中心視場積分時間差異Fig.2 Difference of integral time between edge and center positions of camera focal plane under different satellite view angles

從圖2仿真結果可以看出：衛星成像角度越大，相機焦面中心視場和邊緣視場之間的積分時間(由像移速度計算出來的理論積分時間)差異越大。側擺角增大，中心視場和邊緣視場積分時間差異遠遠大于俯仰角增大的情況。根據仿真結果有，當衛星俯仰角和滾動角均為30°，如果全焦面均采用中心視場積分時間進行設置，則邊緣視場積分時間設置誤差為0.81%(焦面積分級數設置為48)，對圖像邊緣視場圖像MTF的影響為0.939；當衛星俯仰角和滾動角都為45°，邊緣視場積分時間設置誤差為2.4%(焦面積分級數設置為48)，對圖像邊緣視場圖像MTF的影響為0.537。如果采用積分時間全焦面統一設置，衛星成像角度越大，圖像邊緣視場MTF值下降越大。

采用積分時間分片設置，解決衛星大角度成像時中心和邊緣視場像移速度差異大的問題。高分辨率相機焦面各片CCD分別按照其中心位置的理論積分時間進行設置。采用積分時間分片設置后，積分時間的設置誤差即為每片CCD中心和邊緣的理論積分時間差異。圖3給出采用分片設置后最右邊CCD片中心和邊緣的理論積分時間之間的差異。當衛星俯仰角和滾動角都為30°，積分級數設置為48時，積分時間的差異值從非分片設置的0.81%減小到分片設置時的0.26%，對邊緣視場圖像MTF的影響僅為0.994；當衛星俯仰角和滾動角都為45°，積分級數設置為48時，積分時間的差異值從非分片設置的2.4%減小到分片設置時的0.82%，對邊緣視場圖像MTF的影響為0.938。可見采用積分時間分片設置對圖像的整體MTF有很大改善，尤其是在衛星大角度成像時。

圖3 采用分片積分時間設置后相機焦面最右邊CCD片的中心和邊緣理論積分時間之間的差異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 主動推掃成像

主動推掃成像模式下，遙感衛星利用姿態機動和軌道飛行引起的相機指向的合成運動進行推掃成像。用“主動”區分于傳統的僅靠衛星飛行運動進行的被動推掃成像。主動推掃成像在對非沿跡方向的狹長條帶目標(如海岸帶、邊界線、公路、鐵路)進行觀測時具有很大優勢，能大幅提升觀測效率。

主動推掃成像方式對圖像質量的影響主要體現在：衛星成像過程中實時機動，姿態穩定度低于被動推掃成像模式，會造成圖像MTF值的下降；成像地物在相機焦面上的投影速度變化范圍大且變化速度快；成像過程中分辨率等指標實時變化。

1.2.1 姿態穩定度影響

衛星姿態穩定度影響較被動推掃成像大。主動推掃成像下，衛星在成像過程中姿態實時變化，這個過程中姿態穩定度能達到2×10-3(°)/s的精度水平，相比于被動推掃成像下的5×10-4(°)/s姿態穩定度，在48級積分級數和星下點成像的情況下，對圖像MTF的影響從0.999 4變為0.989 7，影響較小。

1.2.2 投影速度變化影響

焦面上像移速度變化范圍大且變化速度快。與被動推掃成像不同，在主動推掃成像時，衛星一邊成像，一邊調整姿態，可以沿條帶目標方向(可以不沿星下點軌跡)進行掃描。這會導致成像目標在相機焦面上的投影速度變化快。下面對一個典型主動推掃成像過程進行仿真分析。

圖4 主動推掃成像過程仿真場景Fig.4 Simulation scene of active-scan imaging process

圖5 主動推掃成像過程Fig.5 Active-scan imaging process

采用積分時間插值實時設置，解決主動推掃成像下焦面上像移速度變化快問題。如果仍按照傳統的積分時間設置方式，衛星圖像MTF值將由于主動推掃成像下降很大，造成圖像質量的降低，甚至不可用。高分多模衛星采用積分時間的實時快速設置來解決這一問題，并通過仿真計算得出實時設置的時間頻率需求及其對圖像質量的影響。如果要求積分時間實時變化導致的圖像MTF值下降不低于0.990 0，則要求積分時間設置頻率導致的像移控制在0.02個像元以內，此時圖像MTF值的下降為0.998 4，對圖像質量的影響較小。這對積分時間設置頻率有如下要求。

(1)

式中：d為相機焦面CCD的像元尺寸；Δd為由于積分時間設置頻率導致的像移量；N為相機設置的積分級數；T為相機的積分時間；t為時間；f為積分時間設置頻率。

為了工程上實現主動推掃成像過程中的積分時間實時設計，需要整星各個分系統的配合。因為主動推掃成像下衛星的積分時間變化較快，需要在成像過程之前提前進行成像過程的積分時間計算和設置。高分多模衛星的數管分系統利用軌道外推數據和姿態外推數據，實時計算得到一定時間頻率的帶時標的相機積分時間序列，發送給相機分系統，相機將收到的積分時間序列插值到48 Hz，并執行。圖6為星上積分時間實時設置方法具體實現過程。

主動推掃成像對積分時間設置范圍同樣也有更高的要求，考慮沿跡快速主動推掃(一般應用于高成像效率要求情況下)和機動45°慢速主動推掃(一般應用于圖像高信噪比要求情況下)的積分時間分別為積分時間設置最小值(下限)和最大值(上限)，仿真結果表明高分辨率相機需要適應42～250 μs的積分時間范圍。為了適應主動推掃成像下對積分時間設置的范圍和精度要求，相機焦面電子學采用高速、大動態范圍電路設計技術，可選擇積分時間插值和不插值2種工作模式，滿足主動推掃成像對大范圍和快速積分時間調整的需求。

1.2.3 成像過程中分辨率等指標實時變化

主動推掃過程中，衛星成像斜距變化范圍大且速度快，分辨率等指標在圖像中實時變化。針對這類圖像，地面采用基于傳感器校正的穩態重成像技術，開展行積分時間歸一化、CCD物方拼接、基于虛擬CCD穩態重成像的傳感器校正等手段，以獲得連續、完整、分辨率一致的圖像及相應的有理多項式系數(RPC)參數，為后續處理與應用提供高精度的標準圖像產品。

2 高分多模衛星在軌圖像質量驗證

2.1 高分辨率圖像大氣校正

利用大氣同步校正儀反演獲得的大氣關鍵參數對高分多模衛星高分辨率圖像進行大氣校正，圖7給出了大氣校正前后遙感圖像，為2020年9月30日加州地區森林大火后煙霧彌漫的遙感圖像(39.01°N，119.80°W)，同時具有城市區、植被區的復雜地表上空的大氣校正效果。通過大氣校正，去除了大氣程輻射和鄰近像元效應，改善了地物細節特征的可識別性。

對大氣校正前后的高分辨率遙感圖像質量進行定量地評價，結果見表2。大氣校正后遙感圖像的清晰度、方差和邊緣能量都有了很大的提升。

表2 大氣校正前后高分多模衛星圖像質量評價結果Table 2 Evaluation of GFDM-1 satellite image quality before and after atmospheric correction

高分辨率圖像大氣校正的意義不僅表現在圖像的目視效果和客觀指標評價上，其更大的意義在于對地物反射率的恢復。圖8為大氣同步校正儀對高分辨率相機圖像(加州地區植被區域)的光譜復原情況，給出了大氣校正前后的地表反射率，以及參考反射率光譜曲線(來自約翰·霍普金斯大學(JHU)地物波譜庫)。大氣校正后的地表反射率曲線更接近地物的參考反射率曲線。因此，大氣校正可以較好地改善地物反演定量化水平，得到地物特征光譜。

圖8 植被區域大氣校正前后光譜復原Fig.8 Observed spectrum of vegetative cover land before and after atmospheric correction

大氣校正在大角度成像下有更明顯的校正效果。圖9為高分多模衛星在大角度(56°)成像時大氣校正前后的效果。在大氣光學厚度(AOD)不是很大(0.99)的情況下，大氣對大角度成像的圖像也有較大影響，大氣校正效果明顯。

圖9 大角度成像大氣校正前后圖像Fig.9 Images with large angle before and after atmospheric correction

2.2 主動推掃成像圖像效果

高分多模衛星對主動推掃成像進行了在軌驗證，見圖10。圖10(a)為對意大利海岸線的主動推掃實際地面掃描軌跡，圖10(b)為主動推掃得到的遙感圖像。

圖10 高分多模衛星主動推掃成像在軌驗證Fig.10 On-orbit verification of active-scan imaging of GFDM-1 satellite

通過下傳的圖像輔助數據，高分多模衛星對意大利主動推掃成像參數如圖11所示。根據衛星下傳輔助數據中的軌道、姿態信息及嚴密成像幾何模型解算出衛星的星下點軌跡和成像條帶，見圖11(a)；衛星下傳的衛星姿態數據，以及非沿跡主動推掃成像過程中衛星滾動角、俯仰角、偏航角實時變化，見圖11(b)，其中橫坐標為相對主動推掃起始時刻的相對星時，下同；由于成像目標點在焦面上的投影速度實時變化，衛星的積分時間設置實時變化，見圖11(c)；地面系統未處理的0級數據分辨率的實時變化，見圖11(d)。地面經過行積分時間歸一化、CCD物方拼接、基于虛擬CCD穩態重成像的傳感器校正等處理后，實現一景圖像內部分辨率的一致性，如圖10(b)所示。

圖11 高分多模衛星主動推掃成像參數Fig.11 Parameters of active-scan imaging of GFDM-1 satellite

3 結束語

高分多模衛星裝載高分辨率全色/多光譜相機，用于各種敏捷成像工作模式。衛星研制階段對衛星圖像質量的保證開展了專題研究，針對敏捷成像過程的大角度成像、主動推掃成像2個主要成像特點進行了分析，并在衛星研制過程中采用了相應的圖像保證措施。高分多模衛星在軌驗證結果表明：研制過程中的圖像質量保證措施有效，衛星在各種敏捷成像模式下的圖像質量符合預期要求。衛星研制過程中采用的圖像質量控制措施可服務于后續敏捷遙感衛星的設計和研制。