CN115830146A - 一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标与校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标与校正方法，首先，进行CCD片间大气辐射归一化操作，假定相机像素响应无差异，计算CCD片间大气辐射变换系数，将多片CCD的大气辐射状态变换到相同大气辐射状态下，去除了片间CCD的大气辐射差异；然后，在大气辐射无差异的情况下，基于常规在轨相对辐射定标方法，对相机像素固有响应差异进行定标，得到相机传感器各探元的相对物理响应关系，即相对辐射定标系数；校正方法为定标方法的逆过程；本发明在保证图像视觉效果和图像定量分析不受干扰的前提下，有效解决了多片CCD机械拼接的航天光学遥感相机在轨相对辐射定标与校正问题，方法有效且鲁棒。
Description
技术领域
本发明涉及到遥感图像数据处理技术领域，具体涉及到一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标与校正方法。
背景技术
遥感图像的像质取决于图像数据的获取质量与图像数据的处理质量，而图像数据的获取质量主要取决于成像系统的综合品质，包括光学与电学的质量。在理想的状态下，CCD相机中的每一个像素，其输出的灰度值与入射的辐亮度成正比，且有相同的比例因子，也就是说，当相机入瞳处的入射光照完全均匀一致时，各个像素应输出完全相同的灰度值。但在实际上，由于各种因素的影响，这种理想的、理论上的、完全对应关系是不存在的，常常出现偏差，它们有大有小，参差不齐，在图像上形成残疵条带，使目标失真，影响视觉效果和对目标的分辨与解译。
为了改善图像的视觉效果，提高对目标的实际分辨力，需要通过图像处理来进行纠正，对这种偏差的纠正称为相对辐射定标或相对辐射校正，它是图像处理不可缺少的，且为首要的步骤，是产生高质量图像的关键环节。
对CCD遥感器来讲，从入射光信号到输出数字灰度值，要经过三个主要的环节，一是光学镜头，二是CCD像感器，三是后处理电子链路。一般来说，像感器输出的灰度值离散性很大，一是多片CCD之间相差很大，二是同一片CCD之间又有不同的灰度集，一集之中各个像素又不尽相同。相对辐射定标的目的就是为了使CCD像感器响应输出归一，以此补偿像感器特性的离散与失调，使所有像素的输出与输入完全对应，反映景物目标光影信息的真实性。
造成光影信息的失真，其主要因素有下列几个方面：一是相机光学空间响应的不均匀性，就一般的光学相机而言，整个视场内光学透过率是有差别的，中心多，边沿少，虽然它的变化是渐变缓慢的，但不可忽略，尤其是个别疵点；二是CCD各像素响应度的不等同性，这种不等同性可分为低频和高频。尽管现代微电子制造技术水平很高，所制造的、被挑选出来用于星载相机焦平面上的CCD像感器，每片的平均响应度依然不相同，这种平均响应度的不均匀性属于低频的不一致性，可以通过调整探测器外部的数据处理电路加以校正，比较容易实现。影响比较大的、也是难以校正的是同一片CCD之间各像素响应度、属于高频的不均匀性，它会在图像上产生“残次条带”，造成失真，要消除这种的影响，必须对每个像元进行逐一的校正；三是CCD的暗噪声，理想的CCD像感器，没有输入光，也就没有输出电平，但实际使用的CCD像感器，即便在全黑的条件下，也会有或多或少的输出电平，其大小与探测器本身的性能和环境条件相关，它是产生残次条带与随机噪声的原因之一；四是CCD阵列外电子链路的不一致性，由于各片CCD是由不同的电子链路处理的，就是同一片CCD也分为奇偶两路，转换、处理、传送、发射的环节众多，各种因素都会影响到电子链增益的一致性与稳定性；除了上述四点主要因素外，也还会有其它的影响因素，如相机光谱响应的不均匀性，热环境的不均匀性。
不论是光学因素、还是电子因素，其影响可划分为三段，一是从相机入瞳处到焦面，为光学影响，二是安装在焦平面上的CCD像感器，为光电转换影响，三是后处理电子链路，属电子影响。这些影响可以等效、归结为比例因子即响应度大小不同和与输入无关的额外量（暗噪声），也就是偏置值的高低。
CCD相机每一个像素的输出都是该像素对入射辐射的响应转换率与暗电流之和，它的初始数学模型如下：
其中：
为入射的辐亮度值，各片CCD的各个像素理论上响应的均匀光照条件的辐亮度值是一致的；
为第
个像素对辐亮度值
的响应输出；
为所有片CCD像素的总和数目；
为第
个像素对辐亮度值
的响应转化率，也称为增益；
为第
个像素的暗电流，也称为偏置。对于CCD上的每个探元像素，分别有一套对应的相对辐射定标系数
，称为相对辐射定标系数。
常规在轨相对辐射定标与校正如下；
用整景的均值作为等效的整景的响应输出值，所有像素的响应都往整景的均值上靠。基本公式如下：
其中：
为所有片CCD像素的总和数目；
为采用的定标的辐亮度的数目；
为定标采用的第
个入射的等效的响应输出值，也即所有片CCD像素的响应值的均值；
为第
个像素对第
个入射的等效响应输出值
的响应输出；
为第
个像素对辐亮度值
的响应转化率，也称为增益；
为第
个像素的暗电流，也称为偏置。整景平均响应值和实际等效响应值实际在数学上是个严格的线性关系。
在工程实际中发现，上述方法处理单片CCD电子链路系统时能够获得理想的相对辐射系数；但是对于多片CCD机械拼接的遥感相机，CCD片间原始值存在比较大差异时，相对辐射校正以后仍旧会存在明显的片间色差问题。常规的在轨相对辐射校正方法，在利用相对辐射校正系数求解像素响应值
后，一般还需要利用片间重叠区域像素进行强制数值拉伸而达到去除色差的效果。
分析光学遥感卫星成像过程，可知片间色差产生的根本原因是：多片CCD物理错位，该错位引起了同名地物对应像素的大气辐射传输模型的差异，进而导致输入能量差异，最终导致实际等效响应与整景平均响应值的非线性差异；常规在轨相对辐射定标与校正方法的缺陷在于，常规方法未从问题产生原因入手去解决片间色差问题，而是粗暴的进行重叠区域的数值拉伸，会对遥感影像的定量分析造成极大的干扰。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标与校正方法，在保证图像视觉效果和图像定量分析不受干扰的前提下，有效解决了多片CCD机械拼接的航天光学遥感相机在轨相对辐射定标与校正问题，方法有效且鲁棒。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标方法，包括以下步骤：
步骤S1、从遥感相机拍摄的数据中选取多组均匀场定标影像；
步骤S2、求解各片CCD间的大气辐射变换系数，对各片CCD的定标影像进行大气辐射归一化；
步骤S3、求解各片CCD间的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标。
进一步的，所述步骤S1的具体方法包括：
步骤S1.1、拍摄多组DN值覆盖低中高值域范围的影像；
步骤S1.2、选取覆盖所有片CCD的均匀场单轨影像，截取出同一均匀场的各片CCD对应影像作为一组均匀场定标影像；
步骤S1.3、重复步骤S1.1和步骤S1.2直到获取至少3组均匀场影像的DN值分别覆盖低中高不同值域范围。
进一步的，所述步骤S2的具体方法包括：
步骤S2.1、选取第一片CCD作为基准CCD；
步骤S2.2、从剩余CCD中选取一片，求解其与基准CCD的大气辐射变换系数；
步骤S2.3、重复步骤S2.1～S2.2,直到获取所有CCD到基准CCD的变换系数；
步骤S2.4、将其他各片CCD的定标影像DN值逐像素变换到与基准CCD同一大气辐射水平下的DN值。
进一步的，所述步骤S3具体包括：基于步骤S2所得大气辐射归一化后的所有定标影像，使用常规相对辐射定标方法获得相机CCD中所有像素对应的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标。
一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射校正方法，包括以下步骤：
步骤S4：使用权利要求1定标方法中获得的所述相对辐射定标系数校正相机像素的固有响应差异；
步骤S5：使用权利要求1定标方法中获得的所述大气辐射变换系数校正各片CCD间的大气辐射差异，消除片间色差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的相对辐射定标与校正方法，是针对片间色差的根本原因提出的解决方案，是一种物理模型，在进行相机像素固有响应差异定标之前，先进行片间大气辐射归一化操作，将多片CCD的辐射状态变换到相同大气辐射状态下，去除了片间CCD的大气辐射差异；
与现有技术中强行从数值上去拉伸的方案相比，在保证图像视觉效果和图像定量分析不受干扰的前提下，有效解决了多片CCD机械拼接的航天光学遥感相机在轨相对辐射定标与校正问题，方法有效且鲁棒。
附图说明
图1为本发明相对辐射定标方法流程示意图；
图2为本发明相对辐射校正方法流程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出的在轨相对辐射定标方法：首先，进行CCD片间大气辐射归一化操作，假定相机像素响应无差异，计算CCD片间大气辐射变换系数，将多片CCD的大气辐射状态变换到相同大气辐射状态下，去除了片间CCD的大气辐射差异；然后，在大气辐射无差异的情况下，基于常规在轨相对辐射定标方法，对相机像素固有响应差异进行定标，得到相机传感器各探元的相对物理响应关系，即相对辐射定标系数；具体包括以下步骤：
步骤S1、从遥感相机拍摄的数据中选取多组均匀场定标影像；
步骤S2、求解各片CCD间的大气辐射变换系数，对各片CCD的定标影像进行大气辐射归一化；
步骤S3、求解各片CCD间的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标。
进一步的，所述步骤S1的具体方法为：
步骤S1.1、拍摄多组DN值覆盖低中高值域范围的影像；
步骤S1.2、选取覆盖所有片CCD的均匀场单轨影像，截取出同一均匀场的各片CCD对应影像作为一组均匀场定标影像；
步骤S1.3、重复步骤S1.1和步骤S1.2直到获取至少3组均匀场影像的DN值分别覆盖低中高不同值域范围。
进一步的，所述步骤S2的具体方法为：
步骤S2.1、选取第一片CCD作为基准CCD；
步骤S2.2、从剩余CCD中选取一片，求解其与基准CCD的大气辐射变换系数；具体计算方式推导如下；
同一处均匀场的入瞳辐亮度一致，则有
其中，L为辐亮度，DN为某像素DN值，（A,B）的绝对辐射系数，（a,b）为相对辐射系数；
选取第一片CCD1作为基准CCD，要求解基准CCD和第二片CCD2的大气辐射变换，根据6S大气辐射传输模型，
其中，
为地表反射率，
为i波段辐射亮度，
为大气校正参数；根据大气校正参数的值域量级简化为
对于CCD1和CCD2，均匀场地物地表反射率一致，则有
其中，
为CCD1的大气校正系数，
为CCD1的入瞳辐射亮度；
为CCD2的大气校正系数，
为CCD2的入瞳辐射亮度，也即
其中，
为CCD1某像素对应的相对辐射校正系数,
为CCD2某像素对应的相对辐射校正系数，
为CCD2的像素响应值，
为
变换到基准CCD相同大气辐射条件下的响应值；
结合B和b的值域范围，可简化得
于是
由于假定了相机响应一致，则
,那么最终得到了像素响应从CCD2变换到CCD1大气辐射的变换公式为
其中，k为常量，也即大气辐射变换系数；
步骤S2.3、重复步骤S2.1～S2.2,直到获取所有CCD到基准CCD的变换系数；
步骤S2.4、将其他各片CCD的定标影像DN值逐像素变换到与基准CCD同一大气辐射水平下的DN值。
所述步骤S3的具体方法为：
基于步骤S2所得大气辐射归一化后的所有定标影像，使用常规相对辐射定标方法获得相机CCD中所有像素对应的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标；基本公式如下：
其中：
为所有片CCD像素的总和数目；
为采用的定标的辐亮度的数目；
为定标采用的第
个入射的等效的响应输出值，也即所有片CCD像素的响应值的均值；
为第
个像素对第
个入射的等效响应输出值
的响应输出；
为第
个像素对辐亮度值的响应转化率，也称为增益；
为第
个像素的暗电流，也称为偏置；
即可采用最小二乘法求得相机CCD中所有像素对应的相对辐射定标系数
。
综上，获得每个像素的大气辐射变换系数k和相对辐射校正系数（a,b），即完成在轨相对辐射定标过程。
如图2所示，本发明还提供一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射校正方法，首先，基于相对辐射定标系数，校正相机像素的固有响应差异；此时仍存在片间色差，基于大气辐射变换参数，校正大气辐射差异引起的响应差异，即可在不影响图像定量分析的前提下消除色差；校正方法为定标方法的逆过程，具体步骤如下：
步骤S4：使用定标方法中获得的所述相对辐射定标系数校正相机像素的固有响应差异；
步骤S5：使用定标方法中获得的所述大气辐射变换系数校正各片CCD间的大气辐射差异，消除片间色差。
进一步的，所述步骤4的具体方法为：
使用定标过程获得的片间相对辐射系数，按公式
校正各片CCD上各个像素的固有响应差异。
进一步的，所述步骤5的具体方法为：
使用定标过程获得的片间大气辐射变换系数，按公式
校正各片CCD间的大气辐射差异；其中
为最终无色差的像素响应值，k为定标过程中获取的像素对应的大气辐射变换系数，
为已经校正了像素固有响应差异的响应值。
综上，将各片CCD上的大气辐射状态变换到相同的水平，从而消除片间色差。
常规在轨相对辐射定标方法处理多CCD机械拼接类型的航天光学遥感相机时，相对辐射校正结果会出现显著片间色差，而且解决色差的方法是强行从数值上去拉伸到一致，结果图像将无法进行定量分析。本发明提出一种多片CCD机械拼接的航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标与校正方法，是一种物理模型，在保证图像视觉效果和图像定量分析不受干扰的前提下，有效解决了多片CCD机械拼接的航天光学遥感相机在轨相对辐射定标问题，方法有效且鲁棒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、从遥感相机拍摄的数据中选取多组均匀场定标影像；
步骤S2、求解各片CCD间的大气辐射变换系数，对各片CCD的定标影像进行大气辐射归一化处理；
步骤S3、求解各片CCD间的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标。
2.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法包括：
步骤S1.1、拍摄多组DN值覆盖低中高值域范围的影像；
步骤S1.2、选取覆盖所有片CCD的均匀场单轨影像，截取出同一均匀场的各片CCD对应影像作为一组均匀场定标影像；
步骤S1.3、重复步骤S1.1和步骤S1.2直到获取至少3组均匀场影像的DN值分别覆盖低中高不同值域范围。
3.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法包括：
步骤S2.1、选取第一片CCD作为基准CCD；
步骤S2.2、从剩余CCD中选取一片，求解其与基准CCD的大气辐射变换系数；
步骤S2.3、重复步骤S2.1～S2.2,直到获取所有CCD到基准CCD的变换系数；
步骤S2.4、将其他各片CCD的定标影像DN值逐像素变换到与基准CCD同一大气辐射水平下的DN值。
4.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射定标方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：基于步骤S2所得大气辐射归一化后的所有定标影像，使用常规相对辐射定标方法获得相机CCD中所有像素对应的相对辐射定标系数，对相机像素固有响应差异进行定标。
5.一种航天光学遥感相机的在轨相对辐射校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S4：使用权利要求1定标方法中获得的所述相对辐射定标系数校正相机像素的固有响应差异；
步骤S5：使用权利要求1定标方法中获得的所述大气辐射变换系数校正各片CCD间的大气辐射差异，消除片间色差。
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