一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法
【專利摘要】一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，首先確定高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的，根據(jù)應(yīng)用目的和載荷設(shè)計指標要求，預(yù)設(shè)高光譜載荷性能指標參數(shù)和設(shè)計指標參數(shù)；然后利用大氣輻射傳輸模型進行遙感載荷入瞳前的高光譜信號仿真；再根據(jù)推掃式高光譜成像機理，建立高光譜成像仿真模型，實現(xiàn)高光譜載荷在空間維和光譜維的成像仿真，獲得高光譜成像數(shù)據(jù)和高光譜載荷性能指標參數(shù)值，利用高光譜數(shù)據(jù)處理方法得到應(yīng)用結(jié)果，建立應(yīng)用效果指標和載荷性能指標的關(guān)系；最后通過最小二乘法以確定優(yōu)化指標。該發(fā)明將遙感應(yīng)用指標引入到載荷指標優(yōu)化設(shè)計中，從應(yīng)用角度考慮高光譜載荷指標優(yōu)化，從而為高光譜載荷設(shè)計和高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用效能評價提供可靠有效手段。
【專利說明】一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，屬于高光譜遙感應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于高光譜載荷指標優(yōu)化設(shè)計和高光譜遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評價以及應(yīng)用效能評估。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光學(xué)衛(wèi)星遙感應(yīng)用的廣泛發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響了其應(yīng)用能力，同時它也是評價遙感器成像性能的一個重要標志，因此遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評價是連接遙感器設(shè)計和遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個重要橋梁。隨著高精度定量化遙感應(yīng)用的迫切需求，光學(xué)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量對用戶越來越重要，特別是近年來高光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的增強。目前我國高光譜成像光譜儀的研制與遙感應(yīng)用缺少有效、深入的結(jié)合，這一方面加大了遙感器指標設(shè)計和研制難度，另一方面也無法準確預(yù)估遙感器在軌應(yīng)用效能。為了更好設(shè)計載荷指標，確保在軌成像數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用能力，基于遙感應(yīng)用的載荷指標優(yōu)化設(shè)計及其成像性能預(yù)估的研究顯得很重要，特別是建立遙感應(yīng)用指標與遙感載荷性能指標的關(guān)系將成為整個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。
[0003]國外針對高光譜遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的研究，已經(jīng)開展了大量工作。根據(jù)評價的指標和性質(zhì)以及應(yīng)用目的，大致可以分為三類:第一類為與遙感器指標無關(guān)，與數(shù)據(jù)特性間接指標有關(guān)的評價，主要用于目標探測和地物分類。Simmons等(2005)針對高光譜數(shù)據(jù)的空間信息和光譜信息分別建立了空間信息可信度指數(shù)和光譜信息可信度指標，再利用這兩個指數(shù)建立了高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法，同時他也指出該方法參量不具有物理意義以及未考慮譜段SNR差異大兩個缺點。Sweet (2004)利用光譜相似度指標對高光譜數(shù)據(jù)的光譜質(zhì)量進行了評估，他指出這種方法最適合于單個地物光譜之間的比較。第二類為與目標特性、成像信號轉(zhuǎn)換和探測算法有關(guān)的評價，主要用于亞像元目標探測。這類方法主要是以Stefanou和Kerekes為代表的團隊進行研究的(2009，2010)，他們認為高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用能力與整個成像鏈路中各個環(huán)節(jié)都有關(guān)，包括目標場景、成像過程和處理算法等，因此對高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用的評價涉及到整個鏈路，但并未將遙感器指標參數(shù)作為評價變量。第三類為與遙感器指標有關(guān)的評價，評價方法類似于美國通用圖像質(zhì)量方程GIQE (General ImageQuality Equation),主要用于目標探測、地物分類等。Kerekes和Hsu (2004a, 2004b)針對目標探測和地形分類建立了以GSD、SNR和Λ λ為變量的評價方程，而Shen (2003,2005)針對目標探測和地物分類兩種應(yīng)用，分別建立了以GSD、SNR、Δ λ和場景目標為變量的評價公式。
[0004]國外研究的這三類方法各有特點，第一類方法和第二類方法主要用于已有高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用評價，但未考慮遙感器參數(shù)設(shè)計目的的指標，第三類方法雖然考慮了遙感器指標，建立了評估方程，但是其指標沒有充分考慮高光譜遙感數(shù)據(jù)的特性，特別是缺少空間信息質(zhì)量和光譜信息質(zhì)量的指標。目前國內(nèi)在這方面的研究較少，馬德敏等(2004)利用成像質(zhì)量指標(MTF、光譜和空間的協(xié)調(diào)性,光譜定標,信噪比,光譜響應(yīng)函數(shù))和圖像質(zhì)量指標(均值、標準差、均方誤差、相關(guān)性、動態(tài)范圍等)對機載高光譜數(shù)據(jù)進行了評價。周雨霽和田慶久(2008)利用信息量、信噪比、清晰度、輻射精度對高光譜數(shù)據(jù)進行了評價，其中輻射精度具體包含均值、方差、偏斜度、陡度等。張曉紅等(2010)采用信息量、信噪比、地面分解力、清晰度、輻射精度等指標對圖像質(zhì)量進行分析。這些研究主要是針對圖像質(zhì)量的一般評價，并沒有涉及高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用能力和遙感器指標設(shè)計。為了能夠提高高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用能力，優(yōu)化高光譜載荷設(shè)計指標，需要完成與應(yīng)用相關(guān)的遙感器重點性能指標分析研究以及應(yīng)用效能和遙感器性能指標之間關(guān)系的研究，建立一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有設(shè)計的不足，提供了一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，一方面為載荷研制方在研高光譜成像光譜儀的載荷參數(shù)指標優(yōu)化設(shè)計及其應(yīng)用效能評估等方面提供手段，另一方面為遙感用戶在軌高光譜遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量及其應(yīng)用能力方面提供評價方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:
[0007]—種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，步驟如下:
[0008]( I)確定高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的，根據(jù)高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的和載荷設(shè)計指標要求，預(yù)設(shè)高光譜載荷性能指標參數(shù)和設(shè)計指標參數(shù)，所述高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的包括目標探測和地物分類；
[0009]高光譜載荷性能指標參數(shù)包括:地面分辨率、光譜分辨率、信噪比/信雜比、空間調(diào)制傳遞函數(shù)和光譜調(diào)制傳遞函數(shù)；
[0010]高光譜載荷設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)、探測器設(shè)計指標參數(shù)和成像電路設(shè)計指標參數(shù)；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)型式、口徑、遮攔比、和光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)；探測器設(shè)計指標參數(shù)包括探測器像元尺寸和噪聲；成像電路設(shè)計指標參數(shù)包括電路噪聲和增益；
[0011](2)根據(jù)(I)中確定的應(yīng)用目的確定仿真數(shù)據(jù)源；如果應(yīng)用目的為目標探測，則使用帶有單個或多個特定目標的普通背景場景作為仿真數(shù)據(jù)源；如果應(yīng)用目的為地物分類，則使用具有不同地物光譜的仿真數(shù)據(jù)源；
[0012](3)結(jié)合(2)選擇的仿真數(shù)據(jù)源，利用大氣輻射傳輸模型進行遙感載荷入瞳前的高光譜信號仿真；
[0013](4)根據(jù)推掃式高光譜成像儀成像機理，建立高光譜成像仿真模型，利用(3)生成的入瞳前的高光譜信號，實現(xiàn)高光譜載荷在空間維和光譜維的成像仿真，獲得高光譜成像數(shù)據(jù)和高光譜載荷性能指標參數(shù)值，之后進入步驟(5);所述高光譜成像仿真模型包括信噪比模型、空間調(diào)制傳遞函數(shù)模型和光譜響應(yīng)函數(shù)模型；
[0014](5)獲得高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用指標值，具體為:
[0015]如果步驟(I)中高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的是目標探測，則通過RXD法或者LPD法評估目標探測概率和虛警率，即在目標探測應(yīng)用下應(yīng)用指標值為目標探測概率和虛警率；
[0016]如果步驟(I)中高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的是地物分類，則通過光譜角度制圖法評估地物分類精度，即在地物分類應(yīng)用下應(yīng)用指標值為地物分類精度；
[0017](6)改變高光譜載荷設(shè)計指標參數(shù)值，重復(fù)步驟(3)?(5)，獲得不同載荷設(shè)計指標參數(shù)值下的載荷性能指標參數(shù)值和應(yīng)用指標值，通過公式:
[0018]I=A+Bf (GSD)+Cf(SNR(λ ))+Df(Δ λ )+Ef(MTF)+Ff(SRF)
[0019]建立遙感應(yīng)用指標與載荷各性能指標之間的關(guān)系，其中，I為應(yīng)用指標，GSD為地面分辨率，SNRU )為光譜信噪比/信雜比，Δ λ為光譜分辨率，MTF為空間調(diào)制傳遞函數(shù)，SRF為光譜響應(yīng)函數(shù)，Α、B、C、D、E、F為公式系數(shù)，f()是關(guān)于I的函數(shù)；
[0020](7)利用(6)建立的關(guān)系式，通過最小二乘法獲得優(yōu)化的載荷性能指標，從而可輸出載荷設(shè)計指標。
[0021]所述大氣輻射傳輸模型為M0DTRAN。
[0022]步驟(7)中通過最小二乘法獲得優(yōu)化的載荷性能指標具體為:
[0023]通過公式
[0024]S(X) = Y\IC-A + Bf(GSD) + Cf(SNR{A)) + Df(AA) + Ef(MTF) + Ff(SRF)]2 計算
載荷性能指標地面分辨率GSD、光譜分辨率Λ λ、信噪比/信雜比SNR、空間調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和光譜調(diào)制傳遞函數(shù)SRF，Ie為應(yīng)用指標期望值，η為步驟3?5的重復(fù)次數(shù)，S(X)為總偏差，X為包含GSD、SNR、Δ λ、MTF和SRF五個自變量的矢量，當S (X)獲得最小值時，輸出最優(yōu)X值，即得到載荷性能指標。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0026]I)該方法將與遙感應(yīng)用相關(guān)的指標(分類精度、探測概率等)引入遙感載荷指標設(shè)計方法，而不再是利用一般性的統(tǒng)計指標(均值、方差、功率譜等)，更加有利于載荷設(shè)計與遙感應(yīng)用的緊密結(jié)合；
[0027]2)本發(fā)明方法提出了與高光譜載荷設(shè)計參數(shù)相關(guān)聯(lián)的成像性能指標參數(shù),不僅包括了反映高光譜空間維和光譜維數(shù)據(jù)在性能數(shù)量上的指標(GSD、SNR、Δ λ )，而且還包括了其在性能質(zhì)量上的指標(空間非均勻性:空間調(diào)制傳遞函數(shù)；光譜非均勻性:光譜調(diào)制傳遞函數(shù))，而現(xiàn)有技術(shù)只包括了反映性能數(shù)量的指標，而并沒有評估其性能質(zhì)量，通過本發(fā)明提出的性能指標可以更全面的反映載荷的性能，可更準確地預(yù)估高光譜載荷的應(yīng)用能力。
[0028]3)通過高光譜載荷成像機理仿真模型和遙感應(yīng)用方法，將載荷設(shè)計指標、成像性能指標和應(yīng)用指標建立起關(guān)系，不僅可以預(yù)估高光譜成像儀的應(yīng)用效能，而且還能夠用于高光譜載荷指標的設(shè)計和優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明方法流程圖。
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，本發(fā)明的【具體實施方式】如以下步驟:
[0031](I)確定高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的，根據(jù)高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的和載荷設(shè)計指標要求，預(yù)設(shè)高光譜載荷性能指標參數(shù)和設(shè)計指標參數(shù)，所述高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的包括目標探測和地物分類；
[0032]高光譜載荷性能指標參數(shù)包括:地面分辨率、光譜分辨率、信噪比/信雜比、空間調(diào)制傳遞函數(shù)和光譜調(diào)制傳遞函數(shù)；
[0033]高光譜載荷設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)、探測器設(shè)計指標參數(shù)和成像電路設(shè)計指標參數(shù)；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)型式、口徑、遮攔比、和光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)；探測器設(shè)計指標參數(shù)包括探測器像元尺寸和噪聲；成像電路設(shè)計指標參數(shù)包括電路噪聲和增益；
[0034]( 2)根據(jù)(I)中確定的應(yīng)用目的確定仿真數(shù)據(jù)源(包括仿真輸入的地物專題圖和地物光譜數(shù)據(jù)庫)，地物專題圖可有兩種方式制作:一是利用航空高光譜數(shù)據(jù)源，通過大氣校正和地面分類處理獲得高空間分辨率的地物分類專題圖；二是利用場景合成軟件(如法國SE-W0RKBENCH),生成所需的場景圖像。針對特定應(yīng)用需求，還需要選擇或增加特定的目標或地物。如果應(yīng)用目的為目標探測，則使用帶有單個或多個特定目標的場景；如果應(yīng)用目的為地物分類，則使用具有不同地物光譜的仿真源。地物光譜數(shù)據(jù)庫可通過航空高光譜數(shù)據(jù)進行反演獲得，或利用實際采集的地物光譜信息。
[0035](3)結(jié)合(2)選擇的仿真數(shù)據(jù)源，再根據(jù)太陽參數(shù)、大氣參數(shù)和載荷觀測參數(shù)，利用大氣輻射傳輸模型(如M0DTRAN)開展遙感載荷入瞳前的高光譜信號仿真:
【權(quán)利要求】
1.一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，其特征在于步驟如下: (1)確定高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的，根據(jù)高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的和載荷設(shè)計指標要求，預(yù)設(shè)高光譜載荷性能指標參數(shù)和設(shè)計指標參數(shù)，所述高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的包括目標探測和地物分類； 高光譜載荷性能指標參數(shù)包括:地面分辨率、光譜分辨率、信噪比/信雜比、空間調(diào)制傳遞函數(shù)和光譜調(diào)制傳遞函數(shù)； 高光譜載荷設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)、探測器設(shè)計指標參數(shù)和成像電路設(shè)計指標參數(shù)；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)型式、口徑、遮攔比、和光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)；探測器設(shè)計指標參數(shù)包括探測器像元尺寸和噪聲；成像電路設(shè)計指標參數(shù)包括電路噪聲和增益； (2)根據(jù)(I)中確定的應(yīng)用目的確定仿真數(shù)據(jù)源；如果應(yīng)用目的為目標探測，則使用帶有單個或多個特定目標的普通背景場景作為仿真數(shù)據(jù)源；如果應(yīng)用目的為地物分類，則使用具有不同地物光譜的仿真數(shù)據(jù)源； (3)結(jié)合(2)選擇的仿真數(shù)據(jù)源，利用大氣輻射傳輸模型進行遙感載荷入瞳前的高光譜信號仿真； (4)根據(jù)推掃式高光譜成像儀成像機理，建立高光譜成像仿真模型，利用(3)生成的入瞳前的高光譜信號，實現(xiàn)高光譜載荷在空間維和光譜維的成像仿真，獲得高光譜成像數(shù)據(jù)和高光譜載荷性能指標參數(shù)值，之后進入步驟(5 );所述高光譜成像仿真模型包括信噪比模型、空間調(diào)制傳遞函數(shù)模型和光譜響應(yīng)函數(shù)模型； (5)獲得高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用指標值，具體為: 如果步驟(1)中高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的是目標探測，則通過RXD法或者LPD法評估目標探測概率和虛警率，即在目標探測應(yīng)用下應(yīng)用指標值為目標探測概率和虛警率；` 如果步驟(1)中高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用目的是地物分類，則通過光譜角度制圖法評估地物分類精度，即在地物分類應(yīng)用下應(yīng)用指標值為地物分類精度； (6)改變高光譜載荷設(shè)計指標參數(shù)值,重復(fù)步驟(3)~(5),獲得不同載荷設(shè)計指標參數(shù)值下的載荷性能指標參數(shù)值和應(yīng)用指標值，通過公式:
I=A+Bf(GSD)+Cf(SNR(λ ))+Df(Δ λ )+Ef(MTF)+Ff(SRF) 建立遙感應(yīng)用指標與載荷各性能指標之間的關(guān)系，其中，I為應(yīng)用指標，GSD為地面分辨率，SNR(A)為光譜信噪比/信雜比，Λ λ為光譜分辨率，MTF為空間調(diào)制傳遞函數(shù)，SRF為光譜響應(yīng)函數(shù)，Α、B、C、D、E、F為公式系數(shù)，f O是關(guān)于I的函數(shù)； (7)利用(6)建立的關(guān)系式，通過最小二乘法獲得優(yōu)化的載荷性能指標，從而可輸出載荷設(shè)計指標。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，其特征在于:所述大氣福射傳輸模型為MODTRAN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遙感應(yīng)用的高光譜成像儀指標優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(7)中通過最小二乘法獲得優(yōu)化的載荷性能指標具體為: 通過公式
S(X) = Σ[?,-Α + Bf(GSD) + CfiSNR(A)) + Df(AA) + Ef(MTF) + Ff(SRF)]2 計算載荷

/=1性能指標地面分辨率GSD、光譜分辨率Λ λ、信噪比/信雜比SNR、空間調(diào)制傳遞函數(shù)MTF和光譜調(diào)制傳遞函數(shù)SRF, Ie為應(yīng)用指標期望值,η為步驟3~5的重復(fù)次數(shù),S(X)為總偏差，X為包含GSD、SNR、Λ λ 、MTF和SRF五個自變量的矢量，當S (X)獲得最小值時，輸出最優(yōu)X值，即得到載荷性能指標。
【文檔編號】G01J3/28GK103776532SQ201410016680
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】鮑云飛, 何紅艷, 王殿中, 劉爽, 周楠, 岳春宇, 劉薇, 李巖, 李方琦 申請人:北京空間機電研究所