中巴地球資源一號衛星紅外多光譜掃描irmss零級圖像質量評價

0衛星屬性定量評價的必要性1999年10月14日，中國和巴基斯坦聯合開發出了中國的地球資源衛星。中巴地球資源1號衛星（cns-1）發射成功，并進入了預定義的路線。從那時起，大量衛星數據不斷地傳輸到地面，這表明中國的空間遙感應用進入了一個新階段。此后，中國結束了資源衛星的歷史，但迫切需要客觀地評估衛星數據的質量和應用潛力，并為應用提供指導。該操作僅接收到cbs-1中紅外多光譜采樣（iriss）中的四種破碎波圖像數據，并對應用潛力進行了全面的定量評估。1紅外信號特性研究使用的數據是由中巴地球資源一號衛星(CBERS-1)IRMSS傳感器于2000年3月23日獲取的一景零級圖象,軌道編號為1,像幅編號為56.圖象共有4個波段,即1個全色波段(B6:0.50～0.90μm),2個短波紅外波段(B7:1.55～1.75μm,B8:2.08～2.35μm),1個熱紅外波段(B9:10.40～12.50μm);圖象覆蓋區地處冀中保定—廊坊地區,經緯度范圍為115°13′44″E～116°51′32″E,38°32′25″N～39°48′19″N;星下點分辨率:6、7、8波段為77.8m,9波段為156m;圖象大小:6、7、8波段為1712×1536pixels,9波段為864×768pixels,地面幅寬為119km.2正、噪聲濾除數據預處理工作分錯位校正、輻射校正、噪聲濾除(包括去條紋、條帶噪聲,隨機噪聲等),另外,對圖象還進行了直方圖修正、數據融合等增強處理.2.1奇偶掃描帶間的位置錯動IRMSS系統在通過掃描鏡前向和后向振蕩掃描來獲取地物輻射能量實現成像的過程中,由于前、后掃描速率不同及衛星姿態的不一樣等原因,可能導致圖象掃描帶間或掃描線間的錯位等畸變現象,必須予以校正.(1)掃描線配準在6、7、8波段原始圖象上奇偶掃描帶間(8行為一掃描帶)有約172個像元的位置錯動,9波段原始圖象的奇偶掃描帶間(4行為一掃描帶)有84個像元的位置錯動,因此處理時,以奇數掃描帶為基準,將偶數掃描帶向左平移相應的錯動像元數,即可完成掃描帶的配準.在經掃描帶配準后的圖象上,奇偶掃描線間還存在2個像元的位置錯動,處理方法與掃描帶配準類似,即以奇數掃描線為基準,對偶數掃描線向左平移2個像元.(2)掃描非線性配準經過掃描線配準后的圖象上還存在奇偶掃描帶間的細微錯動,處理方法是以奇數掃描帶為基準,在相鄰的偶數掃描帶上選取多個控制點,建立奇偶掃描帶間的位置關系,把偶數掃描帶校正到與奇數掃描帶配準的位置上.配準公式為:Y=1E-05X2+0.9924X-0.2818(X,Y分別為奇、偶掃描帶的列坐標)2.2波前定標值l由于沒有設定合適的輻射定標場,這里僅對圖象進行了相對定標.通過相對定標可以消除圖象的邊緣輻射現象,并且也有利于波段間的輻射匹配.IRMSS6、7、8波段以定標燈為內定標源,而9波段則以高低溫黑體為內定標源,輻射定標過程須區別對待,具體作法如下:(1)前3個波段:定標燈的輸出值分為4個級別,即最大可能輸出(這里設定為255)的100%,66%,33%和0%.在定標圖象上,對每個級別選取比較均勻穩定的區域,提取出10～20個連續亮條,每個亮條為8行,其分別對應8個探測器,對每個行取平均得到8個值,4個級別共32個值,由每個探測器的4個定標值可擬合一條定標曲線,共獲得8條曲線,來對相應圖象逐探測器行進行定標.表1給出了7波段的定標公式,可見定標曲線均為顯著線性關系,相關系數R2均大于0.99.(2)第9波段:基于普朗克函數在一定溫度范圍內近似為線性關系的原理,根據星上配備的高低溫黑體的兩組溫度和DN(Digitalnumber)值,可以逐波段、逐像元地將DN值轉換為像元亮度溫度值.轉換公式為Tij=1DNBB2(i)?DNBB1(i)[(TBB2?TBB1)×DNij+DNBB2(i)×TBB1?DNBB1(i)×TBB2]Τij=1DΝBB2(i)-DΝBB1(i)[(ΤBB2-ΤBB1)×DΝij+DΝBB2(i)×ΤBB1-DΝBB1(i)×ΤBB2]其中,Tij為某波段圖象上i行、j列像元亮度溫度值(K);DNBB2(i),DNBB1(i)為圖象上第i行所對應的高溫黑體溫度TBB2和低溫黑體溫度TBB1的平均灰度值.2.3壞行間斷性噪聲的校正在IRMSS圖象上,7波段間斷性噪聲最明顯,而條帶現象在各個波段圖象上表現得都很明顯,7波段和9波段的隨機噪聲較嚴重,7、8、9波段圖象上存在壞行現象,為此采用不同的方法濾除噪聲:周期性噪聲用二維傅立葉變換法提取噪聲分量;壞行用相鄰兩行或幾行的平均值代替來修補;部分壞行(間斷性噪聲)模板卷積和域值法;去條帶單個探測器分圖象的累積直方圖與總的累積直方圖相匹配的非線性校正方法;隨機噪聲(斑點)中值濾波法.2.4圖像幾何的校正和配置(1)基于envi的幾何校正由于IRMSS是掃描成像,在水平方向上會產生橫向拉伸,需要進行正切校正.但是,橫向的拉伸不足2個像元,所以只用控制點進行幾何校正.根據圖象區域范圍及特性,選取1∶100000地形圖9張,對照地形圖,選取地面控制點共18個,以高斯克呂格為投影標準,在標準遙感圖象處理軟件ENVI上對6波段圖象進行幾何精糾正,均方根誤差(RMS)為0.3851.(2)橫向錯動的相對穩定性以圖象質量較好的第6波段圖象為基準,選取控制點對7、8、9波段圖象進行波段間的配準.結果發現,波段間的橫向錯動比較大,縱向錯動相對較小.7波段相對6波段向右偏移了18個像元,向下偏移了8個像元;8波段相對于6波段向右偏移了43個像元,向下偏移了11個像元.經過以上預處理后的各波段圖象基本上消除了條紋、條帶、壞行以及隨機噪聲等的影響(見圖版Ⅰ圖1和圖2).2.5圖像信息的擴展和澄清(1)灰度變換為了增強圖象的顯示效果以便于識別和分析,需對圖象的灰度信息進行變換處理,這里采用的是分段線性拉伸或直方圖均衡化的方法.(2)處理后的構圖采用直方圖匹配的方法來提高彩色合成圖象的分辨力.處理后的圖象見圖版Ⅰ圖1和圖2,從處理后的圖象上,可以清晰地識別出村莊、水體、道路、林地等多種地物,可識別能力大大提高.2.6表象融合的方法利用高空間分辨率第6波段圖象的細節信息和低空間分辨率第9波段圖象的光譜信息進行融合處理,使第9波段圖象的質量得到明顯改善,其具體處理是基于小波變換進行的,處理流程如下:(1)以6波段圖象為基準,對9波段圖象進行配準,并且重采樣至相同大小.(2)對兩圖象進行直方圖匹配.(3)對兩圖象進行n次小波分解,通常n取2或3.結果為I=∑i=1nIpi+IrΙ=∑i=1nΙpi+Ιr其中,I代表原圖象,Ipi表示圖象經小波變換分解得到的高頻細節,Ir表示圖象經n次小波變換分解得到的低頻輪廓部分.(4)以6波段圖象中的細節部分∑i=1nIpi∑i=1nΙpi代替9波段圖象的細節部分.(5)對9波段圖象進行小波逆變換得到融合后的結果圖象.融合前后的結果見圖版Ⅰ圖3,通過對比不難發現,融合后圖象清晰度明顯增強,可分辨力提高,這表明小波變換是有效的,能夠較好地提高圖象的質量.3圖像質量分析3.1數字遙感影像綜合評價指標圖象質量評價最常用的一個指標是圖象的分解力,它表示某一遙感成像系統對微小細節反差表達的能力.但它只是表示對微小地物的極限分辨能力,不能從分解力的值去了解遙感器對較大地物的表達質量.清晰度表示影像邊界的清晰程度,數字遙感影像的清晰程度,可用相鄰像元之間在x,y兩個方向的灰度變化速率的加權平均值來表達,清晰度的數值本身并無絕對的意義,只是用于相互比較的一種指標,并且由于地物種類的不同,清晰度有很大的差異.圖象的反差能在一定程度上反映遙感影像的目視效果,通常都要求影像的反差適中.以上這些評價標準都局限于某一方面,因此要全面反映圖象的質量,必須將這些指標統一起來,進行綜合評價.具體指標為:地面分解力、清晰度、信噪比、反差、輻射精度.(1)實際地面調制度采用調制傳遞函數(MTF)計算地面分解力.首先定義以下3個變量:反差:u=(ro?rb)rb(ro?rbu=(ro-rb)rb(ro?rb:目標與背景的輻射度)調制度:M=(u-1)/(u+1)調制函數:T(f)=Mi(f)/Mb(f),其中Mb(f)和Mi(f)分別為在頻率f的條件下,目標物的地面真實調制度和對應圖象上像元的調制度.地面分解力計算的具體步驟如下:①找到圖象中有明顯變化的邊緣作樣區,沿垂直該邊緣掃取N條數據平均后,獲得刀刃曲線G(k),其中,k表示曲線上離散點的序號;②采用“五點三次法”對G作平滑處理;③三次樣條內插;④求導,進行平滑處理,得到曲線A(k),其中,k=1,…,n-1;⑤進行傅立葉變換x(L)=∑k=0N?1A(k)e?i2πkLN(k=0,1,2,?,n?1,n為離散數據個數)；x(L)=∑k=0Ν-1A(k)e-i2πkLΝ(k=0,1,2,?,n-1,n為離散數據個數)；⑥求調制傳遞函數:T(L)=x(L)max(|x(L)|)Τ(L)=x(L)max(|x(L)|);⑦當T(L)=0.05時,反求L;⑧地面分解力為Sp×W/L,其中,Sp為像元尺寸,Sp=30m,W為掃描數據寬度,單位為pixel.(2)方向總復雜度v采用邊緣銳度值的“后驗模型化算法”來計算清晰度(EAV)EAV=∑ab(df/dx)2|f(b)?f(a)|)EAV=∑ab(df/dx)2|f(b)-f(a)|)其中,df/dx為垂直于邊緣的灰度變化率,f(b)-f(a)為該方向總對比度.(3)求象方差極大值lmsdm利用局域平均值與方差比來計算SNR,具體步驟如下:①求圖象平均值M;②圖象分塊(4×4,8×8…),求局域均值與方差LM,LSD;③求出局域方差極大值LSDm;④SNR=M/LSDm(4)比較反差利用調制傳遞函數(MTF)曲線所圍總面積來衡量:面積越大,圖象越清晰.(5)輻射精度評價輻射精度是反映圖象信息量豐富程度的指標.同一地區的不同圖象,若灰度分布范圍越大,方差越大,則表明圖象信息越豐富.采用如下8個變量來綜合評價輻射精度:指標均值m=∑(i×p(i))方差d=∑((i-m)2p(i))偏斜S=∑((i-m)3p(i))/d3陡度K=∑((i-m)4p(i))/d4其中,i為圖象像元可能取值,p(i)為圖象像元值為i的概率.邊緣輻射畸變R由行方向均值矢量的均值和方差來衡量.增益調整畸變P由列方向均值矢量的均值和方差來衡量.3.2合成構圖的差異根據上述評價指標和步驟,得到中巴地球資源一號衛星IRMSS數據的評價結果見表2,為便于比較,表中同時給出TM數據的評價結果.需要說明的是,在所統計的指標中,地面分解力、圖象清晰度、反差、信噪比具有一定的普遍性和可比性.而其他指標隨不同地域和季節的不同,具有較大的可變性.由表2分析得出,在圖象的信噪比方面,TM具有絕對優勢;在圖象偏斜度方面,TM好于IRMSS;雖然IRMSS7、8波段的地面分解力稍微高于TM,但是與此對應的空間分辨率(地面分解力×像元空間分辨率)還是遜于TM;IRMSS8、9波段的圖象清晰度稍好于TM,但7波段比TM差;圖象反差方面,IRMSS6、7波段高于TM,但8波段低于TM;輻射精度方面,IRMSS8波段方差好于TM,但7、9波段明顯低于TM.另外,根據上述評價指標和步驟,同時評價了處理前后圖象的質量(表3).其中,處理前圖象指的是只做過錯位糾正的圖象,而處理后圖象指的是經綜合處理后的圖象.由表3可以看到,處理后圖象的地面分解力明顯提高;清晰度也有一定程度改善;反差增強;信噪比大幅度提高;圖象方差增強,圖象反映的信息更加豐富,從而圖象質量大大改善.第6波段圖象相對于其他3個波段的信噪比為最高,反差最大,地面分解力最優,這也是它從直觀上看,圖象質量遠遠好于其他波段的原因.4ss:6、7、8段IRMSS數據影像雖然在空間分辨率上低于TM影像,但其信息量大,不同波段合成的假彩色影像圖對地物、地貌景觀反映十分清楚.單波段影像清晰,色調一致,反差適中.IRMSS6、7、8波段合成圖象色彩鮮艷,層次分明,對河流、溝渠、水庫、坑塘反映較好,影像清晰;水體的深淺及濕地的賦水程度也有所反映;特別對干河谷反映更好,在視覺上比TM圖象清晰;對地貌、構造,特別是對沖洪積扇反映效果好于TM;對礦產、地熱的解譯尚有一定的難度,但由于IRMSS空間分辨率較低,譜帶寬,對土地資源解譯只能達到一級分類水平,對林地解譯也不能細分.總的來說,中巴地球資源一號衛星IRMSS數據,在多個領域的應用前景還是很廣闊的,可為國土資源調查、能源、環保、城市規劃等領域提供服務.5視角方面的改善通過對中巴地球資源一號衛星IRMSS圖象零級數