SPOT5超模式数据处理技术研究
收稿日期:2003-08-20;修订日期:2004-01-13
作者简介:谭兵(1975-),男,博士生,主要研究方向为摄影测量与遥感、遥感影像处理、地形环境仿真。
SPOT 5超模式数据处理技术研究
谭 兵,邢 帅,徐 青,李建胜
(解放军信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052)
摘要:超模式技术是为提高法国SPOT 5卫星影像分辨率而采用的一项创新性技术,尽管已经有相关的文献对其进行了介绍,但在SPOT 5超模式影像数据处理方面的研究却很少报道。主要对SPOT 5超模式影像数据的处理方法进行了研究,在简要介绍SPOT 5超模式技术的基础上,根据超模式影像数据交错采样的特点进行了基于梅花采样的影像内插,并对内插影像的去噪与解卷积过程进行了大量的研究,分析了影响SPOT 5成像系统点扩散函数的主要因素。最后用SPOT 5超模式影像数据进行了试验,取得了比较理想的效果。
关 键 词:超模式;点扩散函数(PSF);影像重建;超分辨率;梅花采样;去噪中图分类号:TP 75 文献标识码:A 文章编号:1004-0323(2004)04-0249-04
1 引 言
自1986年2月发射第一颗高性能地球观测卫星SPOT -1,到目前为止SPOT 卫星计划已经发射了5颗卫星。SPOT 5卫星于2002年5月4日发射,属第2代SPOT 卫星,卫星采用的是高度为830km 、轨道倾角为98.70的太阳同步准回归轨道,通过赤道的时间为当地时间上午10点30分,回归天数为26d 。SPOT 5卫星采用的是推扫式成像,每景扫描影像的宽度为60km ,具有提供全球范围的可见光和近红外影像数据的能力。该卫星由法国SPOT 影像公司的法国航天研究中心(CNES )和马特拉?马可尼公司联合研制。主要承包商为马特拉.马可尼公司,卫星入轨后由CN ES 操作,所拍摄的影像由SPOT 影像公司出售。
SPOT 5卫星在民用对地观测领域占有一席之地,与前几颗卫星相比较,SPOT 5具有无可比拟的优势:能确保影像的连续性,能进行斜向扫描,具备以同轨方式获取立体影像的能力,相对异轨立体来说是一个具大的进步;其分辨率几乎提高了一个数量级,最高可达到2.5m;在运营性能上和包括数据存贮、压缩和传输等一系列方面都有了显著的提高。
其中SPOT 5卫星中为提高影像分辨率而采用的创新性技术—Supermo de 技术是一项具有重要意
义的技术革新,尽管已经有相关的文献对其进行了大致的介绍,但在SPOT 5超模式影像数据处理方面的研究却很少报道,其处理流程和技术也并不对外公开,因而有必要对其进行研究。基于以上认识,本文对SPOT 5超模式数据的处理流程和技术进行了相关的研究和试验,并取得了具有一定参考价值的成果。
2 SPOT 5超模式设计
传统的SPOT 卫星的焦平面上有4个线阵CCD 传感器,而SPOT5卫星对焦平面的设计进行了简化,使其只包含一个线性CCD 传感器阵列。在对硬件设计进行优化的基础上,CNES 对一种所谓的超模式技术进行了研究和模拟试验,表明如果对
传感器采样进行合理的设计,即使不增加传感器的采样密度也能提高影像的空间分辨率。
SPOT 5超模式的基本思想就是保持探测器像元尺寸不变和传感器不变,通过排列两排与常规模式相同的CCD 线阵列来提高影像的采样密度,在焦平面的工艺设计上要求这两排CCD 线阵列固定的偏移量。具体设计实现中采用的是将两个12000探测单元的CCD 阵列放置于同一成像装置的焦平面上,阵列在x 方向和y 方向分别错开0.5个像素,采样间隔和采样时间仍然与常规的SPOT 5全色影像
第19卷 第4期2004年8月
遥 感 技 术 与 应 用
REM OT E SENS ING T ECHNOLOGY AND APPLICATION
V ol .19 N o .4A ug .2004
获取模式保持一致,接收两帧5m 分辨率的影像并分别传输回地面。为了获取非常高分辨率的影像,地面处理中心对这两帧影像进行交错采样,得到规则化正交的采样数据,在对角线方向采样间隔为3.5m (2.5m ×
2),如图1所示。SPOT5卫星超
模式技术的成功应用是一项完全的技术创新,它能在获取2.5m 高分辨率影像的同时,保持获取幅宽为60km 、5m
分辨率的影像的能力。
图1 SPOT5交错采样示意图
3 超模式数据处理
SPOT 5超模式数据处理的目的就是以交错采样数据为基础,通过一系列的地面处理,获取更高分
辨率的规则化正交采样数据。对交错采样的非规则梅花形结构影像进行处理的流程如图2所示,包括如下步骤:
(1)交错采样与内插。最终的影像格网是由原始格网得到的,但其采样间隔为原始格网的一半。该处理过程包括将两线阵列获取的两帧影像交错插入到原始格网两倍采样密度的新格网中,对一些没有值的区域用零进行补足(参见图1)。值得注意的是,即使在偏移量并不是刚好0.5个像素,对其进行处理而不损失质量也是可能的。实际上,在偏移量很小的情况下(如0.1像素)将引起问题。不过这意味着偏移量存在的误差可以通过地面的有效处理进行补偿。
(2)去噪与解卷积。这是地面处理链中最困难
图2 SPOT5超模式影像处理流程
而又不可或缺的部分。由于仪器噪声的标准差与信号有关,即与空间位置有关,噪声消除是一个绝对必要同时又是非常复杂的过程。一般来说,信号包括泊松统计噪声、常驻电子处理噪声和量化噪声等不同来源的噪声,但总的说来可以用一个泊松分布对该过程进行建模,用Wiener 滤波器进行逆滤波,消除或削弱噪声的影响。由于MT F 对高频成份有强烈的衰减作用,从而信号在高频区域的信噪比比较弱,需要进行解卷积使影像均衡化,在期望的噪声水平下尽可能复原影像中高频成份的信息。
由于解卷积对影像质量的影响至关重要,下面从信号处理的观点对该问题进行分析。我们知道,推
扫式成像设备的点扩散函数受多种因素的影响,但
总的说来系统的全局点扩散函数PSF 可表示为系统光学设备点扩散函数、传感器像元点扩散函数和卫星运动点扩散函数的卷积。由于PSF 的傅立叶变
换称调制传递函数(M T F ,M odulation Tr ansfer Function ),为方便起见,可将影响SPOT 5影像PSF 的因素表示如下:即:
M T F global =M TF optical M TF detector M TF motion
(1)
设f x 、f y 为行列方向的频率,$X 、$Y 为传感器探测像元在地面行列方向投影的尺寸,V 为卫星运行的速度,t i 为积分时间,则SPOT 5的M T F 可表示如下:
M TF optical (f x ,f y )=exp(-A f 2x +f 2
y )
(2)
M T F detector (f x ,f y )=exp (-B f x )sinc (P f x $X )
250 遥 感 技 术 与 应 用 第19卷
sin c(f y$Y)(3) MT F motion(f x,f y)=sinc(P f y Vt i)(4)其中心形包络线sin c(x)定义为:sin c(x)= sin x/x。由于在SPOT5常规模式下,传感器探测像元的投影尺寸和在时间ti内的运动都为5m,所以Vt i=$X=$Y=$=5m,参数A和B的值实际上是M TF中(1/2$X,0),(0,1/2$Y)处的值,可通过迭代的方法根据系统M T F求解。
4 试验情况及结论
下面通过试验对验证本文前面的分析进行验证:
(1)SPOT5调制解调函数(M TF)的分析与验证
全局点扩散函数MT F受系统光学设备点扩散函数、传感器像元点扩散函数和卫星运动点扩散函数的综合影响,经过试验发现,SPOT5的光学传递函数的截止频率为0.66m-1,而其探测器像元传递函数的截止频率为0.1m-1,探测器像元传递函数的截止频率比光学传递函数的截止频率快6倍,表明光学传递函数的M TF比传感器探测像元和运动模糊的MT F的衰减速度要慢得多,因而M TF受光学传递函数的MT F的影响更大。图3是对全
局
图3 SPOT5全局调制解调函数(MTF)
M T F进行模拟的效果图,只表示了M TF中非零部分的值,采样格网的尺寸为11×11。
(2)超模式影像处理
此外,还对SPOT5超模式影像数据的处理进行了试验,在试验过程中采用双3次线性卷积进行内插,用维纳滤波进行噪声抑制或消除,并用图3中的模拟全局M TF进行解卷积。图4是根据本文的处理流程和技术对超模式数据进行处理前后的对比试验结果,其中图4(a)、4(b)分别是原始5m分辨率影像中的两不同区域,图4(c)、图4(d)是根据原
图4 SPOT5超模式影像处理前后结果对比251
第4期 谭兵等:SPOT5超模式数据处理技术研究
始5m 分辨率影像进行处理后得到的更高分辨率超模式影像。从图中可以看出:超模式影像能获取更多原始影像无法分辨的信息,在提高影像分辨率方面的效果是显著的。
本文的试验结果表明:SPOT 5超模式设计在理论上是正确的,在实践中是有效的,超模式设计使得在不对相机设备进行大的改动的情况下就能通过处理获取2.5m 分辨率的影像,又同时获取5m 分辨率影像,极大地提高了设备的利用率。但值得注意的是SPOT 5获取的超模式影像并不是“真正的2.5m ”,它的分辨率大约在2.5～3m 之间,接近于传统的3m 分辨率影像。
SPOT 5卫星超模式的实现与应用,是将技术进步与现有的成像系统进行整合的一个成功典范,可以进一步增强SPOT 5高分辨率遥感影像资料在遥感、摄影测量、制图、虚拟现实等领域的广泛应用。如利用SPOT 5高分辨率遥感影像数据与多光谱影像数据进行信息融合,增强影像的光谱信息,提高影像解译能力和判读能力;摄影测量中提高影像的定位能力和定位精度;虚拟现实中利用高分辨率真实遥感影像提高地形环境仿真中的真实感。
尽管SPOT 5超模式高分辨率影像数据在国民
经济建设中发挥着越来越重要的作用,但由于SPOT 公司只提供最终的产品,其处理流程和技术并不对外公开,因而本文开展的对SPOT 5超模式影像软件处理技术和流程的研究,有可能对我国新一代卫星的设计和超分辨率影像处理技术的运用产生积极的影响,具有一定的借鉴意义和参考价值。
参考文献:
〔1〕 Seguela D,Fratter C ,M unier P.SPOT 5S ystem Part of the
S PIE Conference on E arth Observing Sys tems IV 〔J 〕.Den ver,Colorado ,1999,3750:212～220.
〔2〕 Latry C,Rouge B.SPOT5THR M ode Part of the S PIE Con- ference on E arth Observing Sys tems Ⅲ〔J 〕.S an Diego,Califo- rn ia,1998,3439:480～491.
〔3〕 C atherione Lamb er-Nebout,Chris tophe Latry.On-board Opt- ical Image Compres sion for Future High Res olution Remote
S ens ing S ystem s 〔J 〕.Application of Digital Image Process ing XXIII,2000,4115:332～346.
〔4〕 张占睦,朱述龙.遥感影像获取与分析〔M 〕.北京:科学出版
社,2000.
〔5〕 邢帅,谭兵,李建胜,等.基于小面元的多源遥感影像高精度配
准方法〔J 〕
.测绘学院学报,2003,20(2):124～128.〔6〕 谭兵.基于遥感影像的地形三维重建技术的研究〔D 〕.解放军
信息工程大学硕士论文,2001.
A Research on SPOT5Supermode Image Processing
T A N Bing ,XING Shuai ,X U Q ing ,LI Jian -sheng
(I nstitute of S ur vey ing and M ap p ing ,I nf ormation Engineer ing Univer sity ,Zhengz hou 450052,China )Abstract :Superm ode is a co mpletely original technique to improve the resolution of panchrom atic imag es,there ar e som e paper about this technique,but few regards the issue of Super mode image pro cessing.w e w ill focus on this issue in this paper.Based on a brief intr oduction abo ut the supermode adopted in SPOT 5
satellite ,the sophisticated quincunx interpo lation pr ocessing is consider ed ,w hich can takes advantag e of the regularity and structure inherent in interlaced data.Further mo re,som e researches o n denoising and deco nv olution have been proposed and the main facto rs affect the PSF of SPOT5im aging system are analy zed .Finally ,w e take some ex periments on the SPOT 5supermo de imag es processing and some satisfactory results are achieved .
Key words :Superm ode,Point spread functio n,Image r econstruction,Super-reso lution,Quincunx resampling ,Deno ising
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