CN112395741B - 一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法 - Google Patents

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Abstract

一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，包括：定义坐标系；探测器到物方几何映射；物方到探测器的光谱辐射映射与积分；添加空间响应；时间维度积分；光电转换；A/D转换；探测器量化值到图像DN值转换。本发明可综合模拟成像链路各个环节各个因素对几何像质、光谱像质、辐射像质的影响，可以模拟任意平台、任意模式下的光学遥感成像仿真。

Description

一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法
技术领域
本发明涉及一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，属于空间遥感成像技术领域。
背景技术
光学遥感成像过程中受到各种因素的影响，如光学系统衍射、像差、大气湍流、平台振动等因素的影响，成像质量会发生退化。光学遥感成像仿真技术模拟遥感成像过程，对各个因素对成像的影响进行建模仿真，可以应用于遥感成像像质预估、遥感器的优化设计等方向。由于光学遥感成像过程是一个时间、空间、光谱多维度上映射、积分的过程，为模拟其过程，需要时空谱一体化建模与仿真。目前的光学遥感成像仿真全面性尚存在不足，侧重于某一、两种维度或某因素的影响的仿真，例如，刘晓等人2014年在《红外与激光工程》上发表的《基于低空遥感系统的星载光学遥感器成像仿真》侧重于光谱和辐射维度的仿真；李岩等人2017年在《光学精密工程》上发表的《偏振场景目标探测的建模与仿真》，侧重于偏振因素对成像的仿真；陈川2018年博士论文《高分辨率遥感成像仿真关键技术》用几何追迹方法实现了物像空间维度的映射。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，从空间维度、光谱辐射维度、时间维度、构建一种完备的成像映射模型，实现每一时刻、每个像素点、每个谱段物空间到像空间的映射，综合模拟光学遥感器成像过程中几何、光谱、辐射维度的像质退化。
本发明的技术方案是：
一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，包括步骤如下：
1)定义坐标系，包括：地理坐标系Cg、地固坐标系Ce、地球惯性坐标系Cj、轨道坐标系Co、卫星坐标系Cs、相机坐标系Cc、探测器坐标系Cd、图像坐标系Ci；
2)根据步骤1)所述探测器坐标系Cd和地理坐标系Cg，获得t时刻，探测器上任一像素d对应的地理位置坐标，从而确定探测器上任一像素d对应的地面太阳高度角θ；具体如下：
21)根据任意像素在探测器坐标系Cd中的位置坐标和探测器坐标系Cd到地理坐标系Cg的转换矩阵M(t)，获得t时刻，探测器上位于第s1行、第s2列像素d的像素位置坐标(xd(s1,s2),yd(s1,s2),-f)映射到地球表面的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))；f为成像相机的主距；其中，M(t)为从探测器坐标系Cd依次经过相机坐标系Cc、卫星坐标系Cs、轨道坐标系Co、地球惯性坐标系Cj、地固坐标系Ce，最终到地理坐标系Cg的转换矩阵，由于卫星、地球等在不断运动，转换矩阵是随时间t变化的函数，具体如下：
22)根据像素d对应的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))，获得t时刻，对应的地面太阳高度角θ；
3)根据步骤2)所述地理位置坐标和地面太阳高度角θ，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E；
31)建立从物点到探测器的光谱辐射传输模型，根据步骤2)获得的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))及所述地理坐标的对应地物光谱辐射特性，确定物点的光谱辐射量Rg(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t),λ)；
32)考虑地面太阳高度角θ、大气光谱透射率Ka(λ)、光学系统光谱透过率Ko(λ)、探测器光谱响应Kd(λ)的影响，建立从物方到像方的光谱辐射传输模链路模型F(Ka(λ),Ko(λ),Kd(λ),θ,Rg)；
33)根据步骤31)所述光谱辐射量和32)所述光谱辐射传输模链路模型，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E(xd(s1，s2)，yd(s1，s2)，t，λ)，具体为：
其中，大气光谱辐射传输率Ka(λ)由MODTRAN软件计算得出，光学系统光谱透过率Ko(λ)由光学系统的测试结果给出，探测器的光谱响应Kd(λ)根据探测器测试结果给出。
4)根据相机的成像谱段范围和步骤3)所述物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E，得到物点在探测器像素点d上的照度具体为：
其中，λ1～λ2为相机的成像谱段范围。
5)将步骤4)所述物点在探测器像素点d上的照度，在空间维度上进行积分，得到探测器像素点d对应的光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，具体为：
其中，A为探测器单个像元的面积。
6)将步骤5)所述光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，进行卷积处理，在空间域添加空间点扩散函数psf，获得添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)；空间点扩散函数psf根据大气扰动、光学衍射、像差等造成的空间模糊确定。具体为：
Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)＝Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)*psf。
7)将步骤6)所述添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率，在时间维度上积分，获得探测器像素点d对应的能量Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；具体的，
71)对于线阵和面阵相机，其探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，T为积分时间，t为曝光时刻。
72)对于时间延迟积分CCD相机，探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，N为积分级数，T为单级积分时间，t为曝光时刻。
8)将步骤7)所述探测器像素点d对应的能量进行光电变换，添加噪声，进行AD转换，得到探测器像素点d从t到t+T内，数字图像中对应探测器像素点d的DN值DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))(即，灰度值)；具体为：
式中，Sa为探测器饱和电子数，h为普朗克常数，c为光速，为平均波长，为(λ1+λ2)/2，Noise为器件噪声，q为AD转换电路的量化位数。
9)将步骤8)所述数字图像中对应探测器像素点d的DN值由探测器坐标系Cd转换至图像坐标系Ci，获得图像坐标系Ci(xi,yi)对应像素点d的图像DN值；具体为：
DN(xi,yi)＝DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；
10)重复步骤1)～9)遍历探测器上所有的像素点，获得探测器上所有像素点的图像DN值作为数字图像向外输出。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明可综合模拟成像链路各个环节各个因素对几何像质、光谱像质、辐射像质的影响，可以模拟任意平台、任意模式下的光学遥感成像仿真。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明空间几何映射关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
本发明一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，如图1、2所示，包括步骤如下：
1)定义坐标系，包括：地理坐标系Cg、地固坐标系Ce、地球惯性坐标系Cj、轨道坐标系Co、卫星坐标系Cs、相机坐标系Cc、探测器坐标系Cd、图像坐标系Ci；
2)根据步骤1)所述探测器坐标系Cd和地理坐标系Cg，获得t时刻，探测器上任一像素d对应的地理位置坐标，从而确定探测器上任一像素d对应的地面太阳高度角θ；具体如下：
21)根据任意像素在探测器坐标系Cd中的位置坐标和探测器坐标系Cd到地理坐标系Cg的转换矩阵M(t)，获得t时刻，探测器上位于第s1行、第s2列像素d的像素位置坐标(xd(s1,s2),yd(s1,s2),-f)映射到地球表面的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))；f为成像相机的主距；其中，M(t)为从探测器坐标系Cd依次经过相机坐标系Cc、卫星坐标系Cs、轨道坐标系Co、地球惯性坐标系Cj、地固坐标系Ce，最终到地理坐标系Cg的转换矩阵，由于卫星、地球等在不断运动，转换矩阵是随时间t变化的函数，具体如下：
其中，M(t)为探测器坐标系到地理坐标系的转换矩阵。
22)根据像素d对应的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))，获得t时刻，对应的地面太阳高度角θ，地面太阳高度角的计算方法可依据STK软件等进行；
3)根据步骤2)所述地理位置坐标和地面太阳高度角θ，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E；
31)建立从物点到探测器的光谱辐射传输模型，根据步骤2)获得的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))及所述地理坐标的对应地物光谱辐射特性，确定物点在波长λ下的光谱辐射量Rg(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t),λ)；
32)考虑地面太阳高度角θ、大气光谱透射率Ka(λ)、光学系统光谱透过率Ko(λ)、探测器光谱响应Kd(λ)的影响，建立从物方到像方的光谱辐射传输模链路模型F(Ka(λ),Ko(λ),Kd(λ),θ,Rg)；
33)根据步骤31)所述光谱辐射量和32)所述光谱辐射传输模链路模型，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E(xd(s1，s2)，yd(s1，s2)，t，λ)，具体为：
其中，大气光谱辐射传输率Ka(λ)由MODTRAN软件计算得出，光学系统光谱透过率Ko(λ)由光学系统的测试结果给出，探测器的光谱响应Kd(λ)根据探测器测试结果给出。
4)根据相机的成像谱段范围和步骤3)所述物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E，得到物点在探测器像素点d上的照度具体为：
其中，λ1～λ2为相机的成像谱段范围。
5)将步骤4)所述物点在探测器像素点d上的照度，在空间维度上进行积分，得到探测器像素点d对应的光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，具体为：
其中，A为探测器单个像元的面积。
6)将步骤5)所述光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，进行卷积处理，在空间域添加空间点扩散函数psf，获得添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)；空间点扩散函数psf根据大气扰动、光学衍射、像差等造成的空间模糊确定。具体为：
Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)＝Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)*psf。
7)将步骤6)所述添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率，在时间维度上积分，获得探测器像素点d对应的能量Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；具体的，
71)根据探测器的动态成像过程，建立时间维度上的动态积分模型，得到探测器(xd(s1,s2),yd(s1,s2))点的光响应能量，对于线阵和面阵相机，其探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，T为积分时间，t为曝光时刻。
72)对于TDICCD时间延迟积分CCD相机，探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，N为积分级数，T为单级积分时间，t为曝光时刻。
8)将步骤7)所述探测器像素点d对应的能量进行光电变换，添加噪声，进行AD转换，得到探测器像素点d从t到t+T内，数字图像中对应探测器像素点d的DN值DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))(即，灰度值)；具体为：
式中，Sa为探测器饱和电子数，h为普朗克常数，c为光速，为平均波长，为(λ1+λ2)/2，Noise为器件噪声，q为AD转换电路的量化位数。
9)将步骤8)所述数字图像中对应探测器像素点d的DN值由探测器坐标系Cd转换至图像坐标系Ci，获得图像坐标系Ci(xi,yi)对应像素点d的图像DN值；具体为：
DN(xi,yi)＝DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；
10)重复步骤1)～9)遍历探测器上所有的像素点，获得探测器上所有像素点的图像DN值作为数字图像向外输出。
实施例
一种时空谱一体化的光学遥感成像仿真方法，具体包括如下步骤：
步骤一：定义坐标系，包括地理坐标系Cg、地固坐标系Ce、地球惯性坐标系Cj、轨道坐标系Co、卫星坐标系Cs、相机坐标系Cc、探测器坐标系Cd、图像坐标系Ci。
步骤二：设探测器上位于s1行，s2列的像素在探测器的坐标为(xd(s1,s2),yd(s1,s2),zd(s1,s2))，其中，zd(s1,s2)＝-f，f为成像相机的主距；
在t时刻，根据像素在探测器坐标系中的位置和探测器坐标系到地理坐标系的转换矩阵M(t)，获得探测器某像素位置映射到地球表面的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))；其中，M(t)为从探测器坐标系依次经过相机坐标系Cc、卫星坐标系Cs、轨道坐标系Co、地球惯性坐标系Cj、地固坐标系Ce，最终到地理坐标系Cg的转换矩阵，由于卫星、地球等在不断运动，转换矩阵是随时间t变化的函数，具体如下：
式中，M(t)为探测器坐标系到地理坐标系的转换矩阵。
进而，根据当前时刻t、地理位置(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))，分析对应的地面太阳高度角θ(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))，地面太阳高度角的计算方法可依据STK软件等进行。
步骤三：建立从物点到探测器的光谱辐射传输模型，根据步骤2)获得的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))及所在地理坐标的对应地物光谱辐射特性，确定物点在波长λ下的光谱辐射量Rg(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t),λ)，作为光谱辐射传输链路模型的输入。进行正向映射，建立从物方到像方的光谱辐射传输模链路模型F(Ka(λ),Ko(λ),Kd(λ),θ,Rg)，辐射传输链路模型综合考虑地面太阳高度角θ、大气光谱透射率Ka(λ)、光学系统光谱透过率Ko(λ)、探测器光谱响应Kd(λ)等的影响。由此得到物点光谱辐射特性在探测器(xd(s1,s2),yd(s1,s2))上的光谱响应E(由于zd为固定值-f，在后面的分析中省略)，如下：
其中，大气光谱辐射传输率Ka(λ)由MODTRAN软件计算得出，光学系统光谱透过率Ko(λ)由光学系统的测试结果给出，探测器的光谱响应Kd(λ)根据探测器测试结果给出。
在光谱维度上进行积分，根据相机的成像谱段范围，得到物点在探测器上的照度如下：
其中，λ1～λ2为相机的谱段范围。
步骤四：根据步骤3)获得到探测器上的照度在空间维度进行积分，得到探测器(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)点对应的光功率，如下
式中，A为探测器像元面积。
步骤五：根据步骤4)获得的探测器像素点t时刻对应的光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，进行卷积处理，在空间域添加空间点扩散函数psf，获得添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，如大气扰动、光学衍射、像差等造成空间模糊。
Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)＝Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)*psf
式中，psf为大气扰动、光学衍射、像差等因素导致的点扩散函数。
步骤六：根据步骤5)获得的Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，在时间维度上积分，获得探测器对应点的能量Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))。
根据探测器的动态成像过程，建立时间维度上的动态积分模型，得到探测器(xd(s1,s2),yd(s1,s2))点的光响应能量，对于线阵和面阵相机，其模型如下所示：
式中，T为积分时间，t为曝光时刻。
对于TDICCD相机，其模型如下所示
式中，N为积分级数，T为单级积分时间，t为曝光时刻。
步骤七：根据步骤6)获得的Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))，进行光电变换，添加噪声，进行AD转换，得到探测器(xd(s1,s2),yd(s1,s2))点从t到t+T内(对于TDICCD为t+NT)获得的数字图像中对应探测器像素点d的DN值/灰度值。
式中，Sa为探测器饱和电子数，h为普朗克常数，c为光速，为平均波长，为(λ1+λ2)/2，Noise为器件噪声，q为AD转换电路的量化位数。
步骤八：将探测器坐标(xd(s1,s2),yd(s1,s2))转换成图像坐标(xi,yi)，如下
式中，T为探测器坐标与图像坐标的转换关系。
从而得到图像坐标系Ci(xi,yi)对应的图像DN值如下
DN(xi,yi)＝DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))
重复步骤二～步骤八得出探测器上所有像素点在积分时间内获得到的数字图像。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)定义坐标系，包括：地理坐标系Cg、地固坐标系Ce、地球惯性坐标系Cj、轨道坐标系Co、卫星坐标系Cs、相机坐标系Cc、探测器坐标系Cd、图像坐标系Ci；
2)根据步骤1)所述探测器坐标系Cd和地理坐标系Cg，获得t时刻，探测器上任一像素d对应的地理位置坐标，从而确定探测器上任一像素d对应的地面太阳高度角θ；
3)根据步骤2)所述地理位置坐标和地面太阳高度角θ，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E；
4)根据相机的成像谱段范围和步骤3)所述物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E，得到物点在探测器像素点d上的照度
5)将步骤4)所述物点在探测器像素点d上的照度，在空间维度上进行积分，得到探测器像素点d对应的光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)；
6)将步骤5)所述光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，进行卷积处理，在空间域添加空间点扩散函数psf，获得添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)；空间点扩散函数psf根据大气扰动、光学衍射、像差造成的空间模糊确定；
7)将步骤6)所述添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率，在时间维度上积分，获得探测器像素点d对应的能量Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；
8)将步骤7)所述探测器像素点d对应的能量进行光电变换，添加噪声，进行AD转换，得到探测器像素点d从t到t+T内，数字图像中对应探测器像素点d的DN值DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；
9)将步骤8)所述数字图像中对应探测器像素点d的DN值由探测器坐标系Cd转换至图像坐标系Ci，获得图像坐标系Ci(xi,yi)对应像素点d的图像DN值；
10)重复步骤1)～9)遍历探测器上所有的像素点，获得探测器上所有像素点的图像DN值作为数字图像向外输出；
步骤3)所述确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E的方法，具体为：
31)建立从物点到探测器的光谱辐射传输模型，根据步骤2)获得的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))及所述地理坐标的对应地物光谱辐射特性，确定物点的光谱辐射量Rg(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t),λ)；
32)考虑地面太阳高度角θ、大气光谱透射率Ka(λ)、光学系统光谱透过率Ko(λ)、探测器光谱响应Kd(λ)的影响，建立从物方到像方的光谱辐射传输模链路模型F(Ka(λ),Ko(λ),Kd(λ),θ,Rg)；
33)根据步骤31)所述光谱辐射量和32)所述光谱辐射传输模链路模型，确定物点光谱辐射特性在探测器像素点d上的光谱响应E(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t,λ)，具体为：
其中，大气光谱辐射传输率Ka(λ)由MODTRAN软件计算得出，光学系统光谱透过率Ko(λ)由光学系统的测试结果给出，探测器的光谱响应Kd(λ)根据探测器测试结果给出。
2.根据权利要求1所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤2)所述确定探测器上任一像素d对应的地面太阳高度角θ的方法，具体为：
21)根据任意像素在探测器坐标系Cd中的位置坐标和探测器坐标系Cd到地理坐标系Cg的转换矩阵M(t)，获得t时刻，探测器上位于第s1行、第s2列像素d的像素位置坐标(xd(s1,s2),yd(s1,s2),-f)映射到地球表面的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))；f为成像相机的主距；其中，M(t)为从探测器坐标系Cd依次经过相机坐标系Cc、卫星坐标系Cs、轨道坐标系Co、地球惯性坐标系Cj、地固坐标系Ce，最终到地理坐标系Cg的转换矩阵，由于卫星、地球在不断运动，转换矩阵是随时间t变化的函数，具体如下：
22)根据像素d对应的地理位置坐标(xg(s1,s2,t),yg(s1,s2,t),zg(s1,s2,t))，获得t时刻，对应的地面太阳高度角θ。
3.根据权利要求1所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤4)所述物点在探测器像素点d上的照度具体为：
其中，λ1～λ2为相机的成像谱段范围。
4.根据权利要求1所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤5)所述探测器像素点d对应的光功率Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，具体为：
其中，A为探测器单个像元的面积。
5.根据权利要求1所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤6)所述添加空间响应后的探测器像素点d对应的光功率Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)，具体为：
Pblur(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)＝Pd(xd(s1,s2),yd(s1,s2),t)*psf。
6.根据权利要求1～5任意之一所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤7)所述探测器像素点d对应的能量Q(xd(s1,s2),yd(s1,s2))具体为：
71)对于线阵和面阵相机，其探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，T为积分时间，t为曝光时刻；
72)对于时间延迟积分CCD相机，探测器像素点d对应的能量如下所示：
式中，N为积分级数，T为单级积分时间，t为曝光时刻。
7.根据权利要求6所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤8)所述探测器像素点d从t到t+T内，数字图像中对应探测器像素点d的DN值DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))，具体为：
式中，Sa为探测器饱和电子数，h为普朗克常数，c为光速，为平均波长，为(λ1+λ2)/2，Noise为器件噪声，q为AD转换电路的量化位数。
8.根据权利要求7所述的一种时空谱一体化光学遥感成像物象映射方法，其特征在于，步骤9)所述图像坐标系Ci(xi,yi)对应像素点d的图像DN值，具体为：
DN(xi,yi)＝DN(xd(s1,s2),yd(s1,s2))；
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