高分六号卫星相对辐射校正方法分析

严 华陈 颖

（1.北京道达天际科技有限公司，中国 北京 100000；2.中国人民解放军 96901部队 26分队，中国 北京 100000）

【关键字】高分六号；相对辐射校正；相对定标；相对辐射校正精度

0 引言

2018年6月2日，我国成功发射高分六号卫星（GF-6）。高分六号卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项的重要组成部分，它是一颗低轨光学遥感卫星，也是我国首颗精准农业观测的高分卫星，具有高分辨率和宽覆盖相结合特点[1]。其图像数据主要应用于农业生产动态监测、环境治理、森林资源监管、灾害风险调查，兼顾环保、国安和住建等应用需求[2]。

高分六号卫星有效载荷部分包括三个分系统：高分相机分系统、宽幅相机分系统和数据传输分系统。其中高分相机分系统由一台TDICCD推扫式相机组成，宽幅相机分系统由一台线阵CMOS推扫式相机组成。线阵推扫式传感器在成像过程中易受到相机光学空间响应不均匀、各探元响应不同等因素的影响，导致获取的遥感影像经常具有明显的条纹或带状辐射差异现象。这种条带包括探测器之间、扫描线之间及多个扫描行的条带，此现象也会造成不同的CCD片间的色差[3]。相对辐射校正的目的就是为了消除传感器各探元对信号的响应差异，实现原始DN值归一化的处理过程[4]，又称为传感器探元归一化[5]。

自1985年Amrendra提出基于定标法计算相对辐射校正系数[6]，相对辐射校正方法的研究至今已经发展了30多年。但如今的已不再局限于上述方法，而是针对不同卫星辐射特点形成了几十种不同的方法和算法等[7-9]。

本文在分析GF-6卫星影像辐射特点的基础上，设计了相对辐射定标与数学统计结合的相对辐射校正流程及方法，并通过实验验证了影像的相对辐射校正精度。

1 高分六号卫星相机参数

GF-6卫星高分相机采用三反离轴TDICCD相机，其相机性能参数如表1所示。

表1 GF-6卫星高分相机性能参数

GF-6卫星宽幅相机采用大视场离轴相机，其相机性能参数如表2所示。

表2 GF-6卫星宽幅相机性能参数

2 高分六号卫星相对辐射校正方法

针对高分六号卫星的相机参数、成像特点，其相对辐射校正流程包括相对辐射定标、丢线处理、局部条带处理、去除片间色差等步骤。

2.1 相对辐射定标

高分六号卫星数据的相对辐射定标系数主要采用实验室积分球定标实验和在轨原始条带影像统计两种方法获得。在轨统计相对辐射校正系数是当实验室相对定标系数不适用的情况下可行的相对辐射校正手段。

利用相对辐射定标系数，构建相对辐射校正模型，解算传感器各探元间的增益系数和偏置系数，对待校正CCD子影像各项元DN值进行转换，消除探元间辐射响应差异，实现相对辐射校正。

相对辐射校正模型如下式所示。

其中，Lj为相对辐射校正后第j号探员的DN值，DNj为原始第j号探员的DN值，aj为第j号探员的增益系数，bj为第j号探员的偏置系数。

2.2 丢线处理

高分六号卫星影像成像时，时而会出现分段或整行、多行黑线，这些均称为影像丢行。这可能是由于检测系统某一扫描线上故障造成的扫描线脱落。通常情况下为丢失一行，可以利用上下行的影像数据，通过插值的方法予以弥补，当丢失2～5行时，可以利用多项式拟合的方法，对丢失的影像数据进行弥补。当丢失多余5行或是由空洞引起的丢行问题就不再加以处理。

实验选取了高分六号卫星CCD影像，图1（a）中可见影像具有明显的两条丢行现象。经过处理后，两条丢线行得到了明显的修复，如图1（b）所示。

图1 丢线处理对比图

2.3 局部条带处理

受DF-6卫星相机镜头畸变的影响，中心成像和边缘成像的辐射特性存在较大的区别[10]，故使片间产生局部条带，需进行局部条带处理。为了降低CCD局部条带现象对影像质量的影响，利用探元之间的相关性对局部条带的子影像进行校正处理，具体步骤如下：

（1）已知条带的左右边界i，j分别向外扩展一定的列数。找到正常探员所对应的两列（m列，n列）。

（2）以选出的两列（m列，n列）作为参考列，分别计算参考列像素DN值得标准差σn、σm和均值un、um。

（3）计算参考列之间的标准差Δσ和均值Δu。

（4）计算每个局部条带列的标准差和均值的理想统计量。

（5）由理想统计量计算局部条带列的增益系数和偏置系数。

（6）对局部条带列中的每个像素列进行校正，实现地物的均匀变化。

对于整幅影像，没遇到一个局部条带区域，重复上述步骤（1）～（6），直至整幅影像的局部条带区域处理完毕。

实验中选取了高分六号卫星CCD影像的局部条带区域进行处理，处理前后对比结果如图2所示。图2（a）显示了CCD图像中的暗条带。经过处理之后，图2（b）中两列暗条带均已消失，有效恢复了遥感影像的固有信息，为高精度定量分析提供精确影像数据。

图2 局部条带处理前后对比图

2.4 去片间色差

GF-6卫星高分相机焦面由8片全色多光谱集成TDICCD，宽幅相机焦面由8片多光谱八色集成CMOS，均采用反射镜光学拼接。不同的CCD片对地物响应的不一致性会造成影像的CCD片出现不同程度的色差，这样不仅影响了整幅影响的视觉效果，也掩盖了影像真实的辐射信息和光谱信息，相对辐射校正处理中需要去除CCD片间的色差。

为了使多个CCD子影像灰度均匀分布，根据相邻CCD子影像数据统计特征，以其中一个CCD子影像为标准对他们进行辐射校正。对所有CCD进行处理，完成整景影像的校正处理，得到灰度分布均匀的影像。

本实验中选取了高分六号卫星CCD拼接影像，根据相邻CCD子影像数据统计特征，对所有CCD进行处理，完成整景影像的校正处理，得到灰度分布均匀的影像。如图3（a）所示。影像的左右两侧具有明显色差，以左边的影像为基准，对右侧影像进行片间色差处理后，校正结果如图3（b）所示。影像的整体辐射达到了一致效果。

图3 片间色差去除前后对比图

3 相对辐射校正精度验证

本文实验采用高分六号全色2米分辨率0级影像与多光谱8米分辨率0级影像作为实验数据。经相对辐射校正的各个步骤校正后使原始影像得到更好的图像质量。

在相对辐射校正之后，对其结果进行评价是十分必要的，常用的评价指标包括列均值、标准差和广义噪声等。本文使用广义噪声对本文算法进行评价。

广义噪声：对相对辐射校正后的影像，计算每列影像的均值与整幅影像的均值，并求二者差值的绝对误差，然后求该值与整幅影像均值的比值，该比值即为影像的广义噪声[11]。

计算过程如下：

（1）计算每列影像的均值μi和该幅影像的均值U；

（2）求列均值μi和影像均值U的绝对误差；

（3）计算影像的广义噪声RE。

为了说明其应用过程，在生成的校正影像中随机选取10幅影像，计算每幅影像的广义噪声，见表2。可以看出最高广义噪声为0.21%，最低广义噪声为1.53%，平均广义噪声为0.55%取得了较高的校正精度。

表3 相对辐射校正广义噪声评价表

4 结论

针对由于高分六号卫星成像特点的所带来的辐射差异现象，本文采用了辐射定标与数学统计相结合的方法，并结合高分六号卫星CCD数据进行实验分析。实验得到高分六号影像相对辐射校正的平均广义噪声为0.55%，表明本文的相对辐射校正方法能够提升高分六号影像的辐射校正精度。