CN114125431B - 用于静止轨道光学大面阵相机的非均匀性定标校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于遥感图像数据处理及定量化应用技术领域，提出一种适用于静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机的非均匀性定标校正方法，首先对大面阵凝视相机各块探测器的0级图像进行坏像元修正，然后对每块探测器的暗电流数据和拼接海洋图像进行归一化处理获取非均匀性校正系数，最后利用获取的非均匀性校正系数对在轨图像进行校正并给出了其应用方法。本发明解决了静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机在轨非均匀性校正的难题，可有效消除探测器及镜头灰尘及数据读出等因素造成的亮暗不均和纵横条纹。本发明适用于静止轨道光学成像卫星上响应线性的大面阵凝视相机，校正效果好，精度高，可有效提高图像质量。

Description

用于静止轨道光学大面阵相机的非均匀性定标校正方法

技术领域

本发明用于遥感图像数据处理及定量化应用技术领域，具体涉及一种用于静止轨道光学大面阵相机的非均匀性辐射定标校正方法。

背景技术

随着民用减灾、国土资源、环境与气象等卫星应用领域对卫星遥感数据的高时间、高空间分辨率的需求越来越紧迫，中低轨道遥感卫星越来越难以全面满足遥感用户对高空间分辨率的连续侦察监视需求。地球同步轨道光学成像卫星(简称“静止轨道光学成像卫星”)因具备对重点事件的快速响应能力、对中小尺度目标的近实时观察能力等优势得到了世界各国的重视。而为了获取高时间分辨率图像，静止轨道光学成像卫星上光学遥感相机一般采用大面阵探测器通过光学拼接的方式实现大幅宽凝视成像，如我国的高分四号，其上搭载的可见光载荷通过多块大面阵CMOS探测器拼接，可以高频次获取分辨率优于50m、幅宽约400km的图像。

光学遥感相机在轨非均匀性定标校正是遥感图像应用的基础，其主要目的是消除因探测器响应不一致、光学系统衰变等因素造成图像中的条纹条带和亮暗不均，为目标判读解译提供高质量图像。目前国内外常用的光学遥感相机在轨相对辐射定标方法主要有星上定标法、均匀场法、统计法，而这些方法主要适用于线阵推扫光学遥感相机。对静止轨道光学成像卫星上大面阵凝视相机而言，由于其孔径较大，其星上定标方法仍在探索研究中，而统计法需要对单个探元海量数据进行统计，这对大面阵凝视相机显然不现实。研究人员也进行了一系列的研究工作，例如李晶等人给出了复合面阵CCD摄影相机的实验室辐射定标方法，指出面阵CCD和线阵CCD 非均匀性校正存在很大差异；王灵丽等人对太阳同步轨道视频卫星面阵相机进行了在轨相对辐射定标，认为沙漠场景可以获取较好的校正效果，但该方法只适用于小视场面阵相机；赵竹新等人提出了一种基于均匀场的分时分视场的面阵相机在轨相对辐射定标方法，但仅用仿真数据说明了方法具有一定的可行性，未考虑实际面临的诸多问题。

通过以上分析可以发现，静止轨道光学成像卫星大面阵相机非均匀性定标校正方法与传统线阵相机存在较大的差异，现有的视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法和分时分视场的面阵相机在轨相对辐射定标方法，对高分四号和十三号这种静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机不实用，主要存在两方面的问题：一是静止轨道光学成像卫星观测范围内，亮均匀场地数量和面积有限，不能覆盖全视场甚至单块探测器，而厚云不够均匀且经常饱和；二是分时分视场的方法是一种理想方法，实际卫星指向精度难以保证对应的视场恰好可以获取亮均匀场图像，同时在视场分割次数较多时精度难以保证。为解决这两个问题，有效消除光学大面阵相机因灰尘、探测器响应等因素带来的非均匀性，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于静止轨道光学大面阵相机的非均匀性定标校正方法，解决了目前静止轨道光学成像卫星大面阵相机在轨非均匀性定标校正存在的亮均匀场数量和面积有限，不能覆盖全视场，多次分割带来的精度降低等问题，可消除大面阵相机图像中多达上万处的灰尘及探元响应的不一致，有效提高大面阵图像质量。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

步骤1、常用成像模式定标数据的获取

采用无泡沫的海洋可见光图像和暗电流数据进行单块探测器非均匀性定标，海洋可见光图像在海洋成像模式下获取，曝光时间较长，灰度值可以达到动态范围的三分之一，暗电流数据则为同样成像模式下深夜观测所得；一景0级或多景0级海洋图像即可覆盖整单块探测器，若是多景0级海洋图像需要通过多区域拼接覆盖整个单块探测器；

步骤2、探测器坏像元修正

对探测器的坏像元通过阈值法进行检测和修正；使用饱和灰度值的10％和80％作为阈值，对星上定标图像和暗电流图像进行坏像元检测，并标记出坏像元的位置及类型；对海洋可见光图像和暗电流图像进行坏像元修正，先修正聚集类坏像元中最亮或最暗的像元，再修正单个坏像元和聚集类坏像元最亮或最暗像元外的其他坏像元；

步骤3、多区域拼接图像归一化

3.1选取多景0级海洋图像上，尽可能大地选取均匀区域，使得选取区域拼接后可以覆盖单块探测器，且有重叠区域；

3.2提取均匀区域数据并扣除对应的暗电流，统计多区域重叠区的灰度均值，以第一个区域为基准，按照如下表达式将其他区域灰度值归一化到第一个区域：

其中，DN_O,1、DN_O,k是第1个和第k个区域重叠区的平均灰度值，DN_i,j,k、

是归一化前后第k个区域的灰度值；

步骤4、非均匀性校正系数求解

多区域拼接海洋图像归一化后，以第1个区域为基准，将其他区域扣除重叠区后，拼成覆盖整个探测器的海洋图像，按照下式计算每个探元的非均匀性定标系数：

其中，K_i,j为探元(i,j)的校正系数，

为归一化后拼接图像的平均灰度值，

为归一化后拼接图像的灰度值；

步骤5、非均匀性校正及应用

循环执行步骤1-4后，获得海洋成像模式各块探测器的非均匀性校正系数，利用上述非均匀性校正系数按公式3开始校正，对待校正图像每块探测器所对应的0级图像进行非均匀性校正；

其中，DN_i,j、

分别是某块探测器探元(i,j)校正前后的灰度值，K_i,j是该块探测器探元(i,j)的校正系数，Dark_i,j是该块探测器探元(i,j)的暗电流。

本发明的有效收益为：

1、本发明利用无泡沫海洋多区域拼接图像进行归一化处理获取常用的海洋成像模式下的非均匀性校正系数，解决了静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机在轨非均匀性校正的难题，可有效消除探测器及镜头灰尘及数据读出等因素造成的亮暗不均和纵横条纹。

2、本发明适用于静止轨道光学成像卫星上响应线性的大面阵凝视相机，相比实验室系数校正效果好，选用海洋场作为基准精度高，可为图像判读解译提供高质量图像。

附图说明

图1为本发明实现流程示意图；

图2为高分四号单景图像及亮均匀场大小示意图；

图3为CMOS探测器坏像元类型示意图；

图4为多海洋区域拼接及拼接图像归一化示意图；

图5为敦煌场0级单块探测器图像及局部校正前后对比图；

图6为局部图像校正前后效果对比-圆灰尘和纵横条纹；

图7为局部图像校正前后效果对比-亮场景；

图8为局部图像校正前后效果对比-亮暗混合场景。

具体实施方式

下面就结合附图和实施例对本发明进行详细的解释和说明。

用于静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机的非均匀性校正实现的流程如图1所示，包括以下步骤。

步骤1、常用成像模式定标数据的获取

静止轨道光学成像卫星大面阵凝视相机一般通过多块探测器拼接实现大视场观测，如高分四号光学相机单景图像幅宽400km，其观测我国西北地区获取的单景图像如2所示，可以看到敦煌场等亮均匀场仅覆盖了很小一部分探元，厚云在图像中不仅不够均匀且经常饱和，无法找到均匀度满足需要的大面积均匀亮场给大面阵凝视相机的在轨非均匀性校正带了困难。

本发明利用静止轨道光学成像卫星位于赤道上空，其星下点多为海洋，且海洋成像模式最为常用的特点，使用无泡沫海洋可见光图像和暗电流数据进行单块探测器非均匀性定标。可能是一景0级海洋图像即可覆盖整单块探测器，也可能是多景0级海洋图像通过多区域拼接覆盖整个单块探测器，多区域拼接的情况如图4所示，若存在两景单块探测器的海洋图像，其中一景如图4中A所示，其上部为均匀海洋，另一景如图4中B所示，其下部为均匀海洋，通过上下部拼接，可以获取覆盖单块探测器均匀海洋。一般单景覆盖的机会较少，大部分情况是通过两个及以上区域拼接实现，此时需要进行多区域拼接海洋图像的归一化。

本发明中，海洋可见光图像在海洋成像模式下获取，曝光时间较长，灰度值可以达到动态范围的三分之一，暗电流数据则为同样成像模式下深夜观测所得。

步骤2、探测器坏像元修正

坏像元一般在红外探测器中常见，在可见光探测器如线阵CCD中、面阵CCD中比较少见，但在面阵CMOS中还是存在的，表现为探元响应值不随外界光照条件的变换而变化，一直是饱和或无响应状态。此时，就需要对面阵探测器进行坏像元修正，用其周围正常像元的灰度值填充，否则会影响非均匀性校正效果。其中，坏像元可以通过阈值法进行检测和修正。

本发明中，大面阵凝视相机为CMOS探测器，其坏像元类型如图3所所示，有单个的也有多个聚集的，聚集的坏像元中间的最亮或最暗，行列相邻的像元次之，因此用交叉相邻像元(蓝色圆圈所示)填充坏像元的灰度值。

首先，使用饱和灰度值的10％和80％作为阈值，对星上定标图像和暗电流图像进行坏像元检测，并标记出坏像元的位置及类型；然后，对步骤1) 中海洋和暗电流图像进行坏像元修正，先修正聚集类坏像元中最亮或最暗的像元，再修正单个坏像元和聚集类坏像元最亮或最暗像元外的其他坏像元。

步骤3、多区域拼接图像归一化

在步骤1和2的基础上，获取了经坏像元修正后的暗电流数据、多景0 级海洋图像数据，为进行单块探测器非均匀性定标系数计算，需要先进行多区域拼接图像归一化，具体方法为：

a)选取多景0级海洋图像上，尽可能大地选取均匀区域，使得选取区域拼接后可以覆盖单块探测器，且有重叠区域；

b)提取均匀区域数据并扣除对应的暗电流，统计多区域重叠区的灰度均值，以第一个区域为基准，按照如下表达式将其他区域灰度值归一化到第一个区域。

其中，DN_O,1、DN_O,k是第1个和第k个区域重叠区的平均灰度值，DN_i,j,k、

是归一化前后第k个区域的灰度值。

两个区域拼接的情况较多，其归一化的示意图如图4所示。本实例中，海洋区域选取考虑到光学拼接渐晕的影响，单块CMOS先扣除了边缘500 (行列)探元再进行区域选取。

步骤4、非均匀性校正系数求解

多区域拼接海洋图像归一化后，以第1个区域为基准，将其他区域扣除重叠区后，拼成覆盖整个探测器的海洋图像，按照下式计算每个探元的非均匀性定标系数：

其中，K_i,j为探元(i,j)的校正系数，

为归一化后拼接图像的平均灰度值，

为归一化后拼接图像的灰度值。

本实例中，大面阵凝视相机是光学拼接，拼成覆盖整个探测器的海洋图像不包含拼接区最边缘500(行列)探元，因为该区域对图像拼接没有用途，且因渐晕效应影响校正后图像的正常亮度。

步骤5、非均匀性校正

循环执行步骤1-4，得到海洋成像模式各块探测器的非均匀性校正系数，

当在实验室获取了不同成像模式间探元的响应模型后，还可将海洋成像模式下获取的非均匀性校正系数传递到其他相近的成像模式下。应用时，先按照如下公式对待校正图像每块探测器对应的0级图像进行非均匀性校正；然后，在1级产品几何畸变校正流程后，通过不同探测器图像重叠区同名点进行探测器间的匀光匀色，该流程在几何校正中完成。

其中，DN_i,j、

分别是某块探测器探元(i,j)校正前后的灰度值，K_i,j是该块探测器探元(i,j)的校正系数，Dark_i,j是该块探测器探元(i,j)的暗电流。

本发明中，海洋成像模式获取校正系数用于低太阳高度角敦煌场图像 (海洋成像模式曝光时间)、亮暗混合场景图像校正，单块探测器0级图像校正后图像及局部区域校正前后对比如图5、图6、图7、图8所示。可以看到，无论是亮场景图像还是亮暗混合场景图像，校正前图像中存在因灰尘和读取噪声造成的斑点、纵横条纹，严重影响图像质量，校正后图像中这些斑点和纵横条纹得到了有效消除。

Claims (1)

1.用于静止轨道光学大面阵相机的非均匀性定标校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、常用成像模式定标数据的获取

采用无泡沫的海洋可见光图像和暗电流数据进行单块探测器非均匀性定标，海洋可见光图像在海洋成像模式下获取，曝光时间较长，灰度值可以达到动态范围的三分之一，暗电流数据则为同样成像模式下深夜观测所得；一景0级或多景0级海洋图像即可覆盖整单块探测器，若是多景0级海洋图像需要通过多区域拼接覆盖整个单块探测器；

步骤2、探测器坏像元修正

对探测器的坏像元通过阈值法进行检测和修正；使用饱和灰度值的10％和80％作为阈值，对星上定标图像和暗电流图像进行坏像元检测，并标记出坏像元的位置及类型；对海洋可见光图像和暗电流图像进行坏像元修正，先修正聚集类坏像元中最亮或最暗的像元，再修正单个坏像元和聚集类坏像元最亮或最暗像元外的其他坏像元；

步骤3、多区域拼接图像归一化

3.1在多景0级海洋图像上，尽可能大地选取均匀区域，使得选取区域拼接后能够覆盖单块探测器，且有重叠区域；

3.2提取均匀区域数据并扣除对应的暗电流，统计多区域重叠区的灰度均值，以第一个区域为基准，按照如下表达式将其他区域灰度值归一化到第一个区域：

其中，DN_O,1、DN_O,k是第1个和第k个区域重叠区的平均灰度值，DN_i,j,k、

是归一化前后第k个区域的灰度值；

步骤4、非均匀性校正系数求解

多区域拼接海洋图像归一化后，以第1个区域为基准，将其他区域扣除重叠区后，拼成覆盖整个探测器的海洋图像，按照下式计算每个探元的非均匀性定标系数：

其中，K_i,j为探元(i,j)的校正系数，

为归一化后拼接图像的平均灰度值，/>

为归一化后拼接图像的灰度值；

步骤5、非均匀性校正及应用

循环执行步骤1-4后，获得海洋成像模式各块探测器的非均匀性校正系数，利用上述非均匀性校正系数按公式(3)开始校正，对待校正图像每块探测器所对应的0级图像进行非均匀性校正；

其中，DN_i,j、

分别是某块探测器探元(i,j)校正前后的灰度值，K_i,j是该块探测器探元(i,j)的校正系数，Dark_i,j是该块探测器探元(i,j)的暗电流。

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