CBERS-02卫星CCD相机MTF在轨测量及图像MTF补偿

26中国科学E辑信息科学2005,35(增刊Ⅰ):26~40SCIENCEINCHINASer.EInformationSciencesCBERS-02CCDMTFMTF*顾行发①②③李小英①②**闵祥军④余涛①②孙吉娟④曾湧④许华①②郭丁⑤(①遥感科学国家重点实验室,中国科学院遥感应用研究所,北京100101②国家航天局航天遥感论证中心,北京100101;③InstitutNationaldelaRechercheAgronomique,ClimatSolEnvironnement,84914Avignon,France;④中国科学院研究生院,北京100039;⑤中国资源卫星应用中心,北京100830;⑥成都电子科技大学,成都610054)摘要针对CBERS-02星CCD相机,提出模拟理想靶标场景进行在轨MTF监测.比较分析了该方法与目前常用的几种MTF在轨测量方法测量结果的差异.基于不同方法测得的MTF,采用迭代法、维纳滤波法及修正的逆滤波器法(MIF)对CCD图像进行了MTF补偿.在MTF补偿中,根据实测45度方向0.5频率处的MTF值插值建立二维MTF矩阵.详细比较分析了常规MTF与改进插值MTF矩阵、3种不同补偿方法以及不同在轨MTF测量法对CCD图像的恢复效果,结果说明模拟理想靶标场景法是一种简单有效的在轨MTF测量法,恢复后图像的DN值更接近真实地物,而点源法与边缘法受噪声影响大,测得的MTF很低,恢复效果不好;3种不同MTF补偿模式的比较显示MIF法对CCD图像的复原效果最佳;研究还说明对于CCD传感器改进的插值二维MTF优于常规的二维MTF.该研究为CCD图像质量的改善具有重要的指导意义.关键词CBERS-02CCDMTF模拟理想靶标法所有的摄影系统在进行影像获取时都会有产生亮度的模糊现象,对产生模糊的精确描述表示为调制解调函数(MTF)[1].点扩散函数(PSF)傅立叶变换后,对模归一化就是MTF.MTF是影像系统的整个图像质量的特性之一,它是由仪器光学特性(折射、杂散光、聚焦错误)、感光表面的积分、沿着阵列的电荷漫射以及2005-07-12收稿,2005-10-08收修改稿*中国科学院百人计划项目(编号:KZCX0415)和国家教育部留学回国人员科学研究启动基金重点项目(编号:HX040013)及国防科学技术工业委员会项目(编号:KJSX0401)共同资助**Email:[e-mail]增刊Ⅰ顾行发等:CBERS-02卫星CCD相机MTF在轨测量及图像MTF补偿27摄影时卫星的运动而使图像振动等综合因素造成的[2].发射前,传感器的MTF可以在实验室精确测量,但由于发射过程中的振动及从空气中进入真空中的变化会使传感器重新聚焦,另外又受大气MTF的影响,会使它的MTF发生衰减.CBERS-02星CCD图像的模糊现象比较严重.MTF的在轨测量及图像复原是促进CCD数据应用的重要部分.目前,按测量目标分,常用的MTF在轨测量方法主要有:高分辨率图像法、点源法、边缘地物法及线性地物测量法.点源法是一种直接测量PSF的方法,它是实验室内常用的方法[3],通过计算输入的点源脉冲来计算系统的MTF.该方法也曾用于SPOT5上HRG的MTF在轨测量[2],但这种方法在轨测量噪声影响很大.边缘地物法是一种间接测量PSF的方法,这种方法已成功的用于SPOTP-mode,OrbView-3,IKONOS的在轨MTF测量[4~6].这种方法要求所选的边缘必须在主平面附近沿轨或垂直于轨道方向分布,且与主平面有很小的夹角,另外要求边缘有足够的长度.线状地物测量法也是一种间接测量PSF的方法,在实际应用中,根据线状地物的宽度而选择合适的方法.Schowengerdt测量Landsat5TM的MTF时,由于桥的宽度小于TM图像的一个像元,认为它是一个理想的线性脉冲响应,线性地物的图像本身就是LSF[7].SPOT上的传感器进行MTF在轨测量时选择了各种宽度的线性地物,对于宽的线性地物采用双边缘法,分别得到线性地物的左右LSF[4].IKONOS不仅利用各种自然地物还利用靶标来测量MTF,将图像上得到的响应作为脉冲响应的输出,根据靶标的宽度设计Sine脉冲输入,输出与输入的比值即为系统的LSF[6].线性地物法对测量目标具有较高的要求[4].高分辨率图像法是1978年由Schowengerdt提出的.Schowengerdt利用同步获取的航空相片,在轨测量Landsat5TM的MTF[7].SPOT利用10m的全色波段来测量多谱段的MTF[8],以及用HRVIR的图像作为高分辨率图像,对VEGETATION传感器的MTF进行在轨测量[9].这种方法要求所获取的地表景物的信息要比较多样化,不能太单一.另外要求高低分辨率两个传感器的波段设置较一致,且获得的图像是同步或是准同步的.基于MTF补偿进行图像恢复可以在空间域完成,直接利用PSF对图像进行逆卷积.另一种方法是在频率域进行图像恢复.Forster等在利用空间域方法恢复SPOTP-mode图像时,在PSF矩阵的逆矩阵各行和各列填0,将原始图像内插成分辨率提高一倍的图像再进行图像恢复[4].LandsatTM及ETM+利用修正的逆滤波法,将恢复过程与重采样过程相结合生成视觉效果很好内插图像[10,11].也可以将空间域和频率域的方法结合,在频率域得到反卷积算子矩阵,找出一个简单的滤波器可以作用于空间域[12].国内有一些学者研究CBERS系列星CCD的在轨MTF测量及补偿,但不同方法结果差异很大,且难以验证[13,14].本文针对CBERS的CCD传感器提出模拟真实靶标场景法,并结合现有的各种方法对CCD进行在轨MTF监测.根据45度斜方向MTF的测量数据来建立插28中国科学E辑信息科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EInformationSciences值二维MTF.基于在轨测量的MTF,对CCD图像进行MTF补偿.利用2004年8月19日敦煌场靶标图像及光谱数据,比较分析二维MTF矩阵修正前后、不同MTF补偿模式及不同在轨MTF测量方法对CCD图像的恢复效果.由于篇幅所限,本文以红色波段为例,其它波段的处理方法类似.1CCD传感器MTF在轨测量1.1模拟理想靶标图像法传感器所获取的图像是真实景物与传感器系统点扩散函数的卷积,如果能模拟出地表真实景物,将真实景物与图像进行傅立叶变换,可以在频率域确定出系统的MTF.如下面公式所示:(,)(,)PSF(,),ixyoxyxy=×(1)式中,为低分辨率图像;为理想真实图像;(,)ixy(,)oxyPSF(,)xy为传感器的点扩散函数PSF.将空间域的图像转换成频率域的频谱,上式变为:(,)(,)(,)IuvOuvTFuv=×,(2)式中,(,)Iuv,及分别是,及(,)Ouv(,)TFuv(,)ixy(,)oxyPSF(,)xy的傅立叶变换形式.而的模即是我们所要的MTF(,)TFuv[7].这种方法是的原理及处理方法与高分辨图像比较法类似.所不同的是由于这种方法没采用其它传感器的图像,因此不存在大气变化及光谱之间的匹配问题.1.1.1理想靶标图像的模拟2004年8月19日的敦煌场同步实验中,根据CCD相机过顶时的扫描参数在定标场地铺设了60m×60m的黑色靶标,对应于CCD图像3×3像元.同时获取了敦煌砾砂场及靶标的光谱数据.利用这些数据来模拟理想靶标场景图像.敦煌场地表非常均匀,为了减少噪声的影响,从CCD的1级图像中截取出包括靶标的21×21像元的子图像.CCD的1级产品残余的条带现象比较明显,针对子图像进行了条带处理,结果如图1(a).靶标在CCD图像上的大小是3×3像元,假设中间的一个像元为纯像元.模拟理想靶标图像首先建立一个与靶标CCD子图像一样大小的空图像;根据同步测量的靶标与砾砂场地光谱数据、大气参数及CCD光谱响应函数,通过6S软件模拟得到它们的TOA反射率;利用定标系数[15]算出靶标与场地TOA的理想DN值,把该靶标DN值填入空图像中与CCD子图像靶标位置相应的像元;将其余元素填入场地TOA灰度值,即得到模拟的理想靶标图像,如图1(b)所示.模拟的理想靶标图像值是考虑大气作用下的TOA灰度值,测量MTF时与CCD图像的大气作用相互抵消,因此得到的是摄影系统的MTF.有许多研究专门探讨大气MTF的作用,感兴趣的读者可以参看相关文献[16~18].增刊Ⅰ顾行发等:CBERS-02卫星CCD相机MTF在轨测量及图像MTF补偿29(a)CCD的靶标图像和(b)模拟的靶标场景图像1.1.2利用模拟的理想靶标图像在轨监测MTF将大小一样的CCD靶标图像与模拟的理想靶标图像进行二维傅立叶变换,转成图像频谱,如图2.在CCD图像上,由于受CCD系统及大气MTF影响,靶标像元受敦煌场场背景的影响,边缘很模糊,在傅立叶频谱图中接近点状.理想靶标图像中靶标是均匀的3×3像元,边缘对比明显,其傅立叶频谱与CCD图像具有明显的差别.计算理想靶标图像频谱与CCD靶标图像频谱比值的模,即公式(2)中TF(vx,vy)的模.为了去除CCD图像存在一些噪声及频谱存在一定程度上的频率混叠现象,采用TM和SPOT高分辨图像对比法的处理方法[7,9]:首先对模进行3×3的中值滤波,并设一个阈值2,去掉比值模矩阵中大于该阈值的元素;然后再根据方位角平均求出跨轨方向[−15°,+15°]、沿轨方向[+75°,+105°]与45度斜方向[+30°,+60°]3个方向的各频率处的平均MTF值.由于模的对称性,只需求出0~0.5频率处的MTF值,根据对称性即可得到−0.5~0频率处的MTF值.图2傅立叶变换频谱图(a)CCD的靶标图像;(b)模拟的靶标场景图像30中国科学E辑信息科学第35卷SCIENCEINCHINASer.EInformationSciences由于45°方向上频率混叠严重,MTF值在频率0.3以上噪音明显,取0~0.3频的值对0.3~0.5频率的MTF值进行线性外延插值以避开频率混叠,修正后3个方向的MTF如图3所示,在Nyquist频率处,跨轨方向的MTF值约为0.14;沿轨方向的MTF值约为0.12;45°方向MTF值约为0.12.1.2利用常用方法进行在轨MTF测量1.2.1点源测量法利用2004年8月19日敦煌试验场的辐射定标的同步实验中铺设的60m×60m的黑布靶标,假设中心像元为纯像元.受邻近像元的影响,图像上靶标与敦煌砾砂场边缘的灰度值是缓慢过渡的,因此接近于点源,可利用此图像作为点源来测量CCD的MTF.图3模拟理想靶标图像法测得的CCDMTF曲线点源图像本身就是系统的PSF,PSF傅立叶变换后归一化的模就是所要测量的MTF.由于图像上存在一定的噪声,FFT变换后进行3×3的中值滤波,并按方位角求平均的方法计算跨轨、沿轨及45°方向的MTF.图4给出了CBERS-02星CCD红波段3个方向的MTF曲线.1.2.2边缘地物测量法它是通过测量边缘扩展函数ESF,得到线扩展函数LSF继而求得MTF.边缘地物测量法是在图像上选择具有相邻的亮度明暗反差较大的均匀地表边界线[6].计算ESF时,利用一阶及二阶求导的方法找出图像上各行边缘的位置,并进行线性拟合,得到边缘直线(图5(a)),并记下直线上各行的位置.以直线上像元位置为起点,记下每一行上各像元相对于起点偏移的量(左边为负,右边为正),得到位置偏移矩阵.对位置偏移矩阵及图像的ND值按0.05像元插值采样,在此基础上求出各边缘的均值曲线,即为边缘扩展函数(ESF).对ESF求微分得到LSF,昀后将LSF进行FFT变换,即可得到跨轨方向的MTF(图5(b)).图4点源法测得的CCD的MTF曲线1.2.3线性地物测量法线性地物测量法是通过测量线性地物的线扩展函数LSF而间接获得MTF,增刊Ⅰ顾行发等:CBERS-02卫星CCD相机MTF在轨测量及图像MTF补偿31