一種高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)最佳焦面確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在軌高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)最佳焦面確定方法，屬于航天遙 感圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分辨率衛(wèi)星顯著的特點(diǎn)是長(zhǎng)焦距，分辨率優(yōu)于1米的遙感衛(wèi)星等效焦距一般接 近10米，例如美國(guó)研制的IK0N0S、QuickBird衛(wèi)星、中國(guó)研制的高分二號(hào)衛(wèi)星等效焦距分別 達(dá)到10米、8.8米及7.8米。衛(wèi)星完成在軌測(cè)試交付用戶(hù)時(shí)，衛(wèi)星焦面處于最佳位置，獲取的 圖像質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)水平。由于長(zhǎng)焦相機(jī)焦深淺，衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，更容易受到溫度、大氣 壓力以及應(yīng)力釋放等因素的影響，引起相機(jī)成像面偏離焦面，即造成離焦。高分辨率衛(wèi)星相 機(jī)焦距越長(zhǎng)，焦深越淺，越容易離焦。離焦圖像數(shù)字值(Digital Number，DN)趨于單一灰度， 紋理模糊，信息含量減少。為了避免高分辨率衛(wèi)星相機(jī)離焦工作，衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，需要 定期監(jiān)測(cè)圖像質(zhì)量，通過(guò)分析圖像清晰度判讀相機(jī)是否離焦。一旦離焦即啟動(dòng)相機(jī)調(diào)焦程 序，調(diào)焦的目的是通過(guò)調(diào)整焦平面的位置，保證相機(jī)工作在最佳焦面上，獲取清晰度最高的 圖像。
[0003] 可以在地面采用圖像判讀、分析的技術(shù)分析衛(wèi)星在軌圖像清晰度，以判斷相機(jī)是 否離焦并進(jìn)一步確定最佳焦面。目前分析衛(wèi)星在軌圖像清晰度的算法沒(méi)有針對(duì)性，一般采 用圖像標(biāo)準(zhǔn)差、峰值信噪比等算法，上述算法均針對(duì)整幅圖像，當(dāng)包含2-3種反差大的均勻 地物時(shí)，紋理信息缺乏，圖像標(biāo)準(zhǔn)差或峰值信噪比很大，不能精確反映地物的真實(shí)紋理特 征，降低了參考圖像和待檢測(cè)圖像對(duì)比結(jié)果的可信度，另外，現(xiàn)有技術(shù)采用相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo) 對(duì)最佳焦面進(jìn)行確定，沒(méi)有綜合利用各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，降低了最佳焦面確定的準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi) 星相機(jī)最佳焦面確定方法，保證了待檢測(cè)圖像和參考圖像對(duì)比結(jié)果的可信度，提高了最佳 焦面確定的準(zhǔn)確性。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)最佳焦面確定方法，包括 如下步驟：
[0006] (1)在光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)處于最佳焦面時(shí)，從某區(qū)域地面站接收的圖像中選擇紋 理清晰的經(jīng)過(guò)正射校正的正視圖像作為參考圖像；
[0007] (2)在光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)在軌運(yùn)行期間過(guò)程中，從該區(qū)域地面站接收的圖像中選 擇與參考圖像同樣位置的圖像作為待檢測(cè)圖像，所述待檢測(cè)圖像是經(jīng)過(guò)正射校正的正視圖 像或側(cè)擺角度小于5度的圖像，且能夠與參考圖像幾何配準(zhǔn)；
[0008] (3)判斷待檢測(cè)圖像和參考圖像亮度是否一致，如果一致，進(jìn)入步驟(4);如果不一 致，依據(jù)參考圖像對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行亮度歸一化處理，使待檢測(cè)圖像平均亮度與參考圖像 一致，進(jìn)入步驟(4);
[0009] (4)計(jì)算參考圖像的分塊標(biāo)準(zhǔn)差及梯度；
[0010] (5)計(jì)算待檢測(cè)圖像的分塊標(biāo)準(zhǔn)差及梯度；
[0011] (6)確定待檢測(cè)圖像和參考圖像的分塊標(biāo)準(zhǔn)差比值〇scale以及梯度比值g scale，利用
[0012] (7)當(dāng)r大于0.9，即認(rèn)為光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)處于最佳焦面；當(dāng)0.75 < r < 0.9時(shí)，需 要繼續(xù)選擇待檢測(cè)圖像進(jìn)行確定；當(dāng)r小于0.75時(shí)，光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)處于離焦?fàn)顟B(tài)，啟動(dòng) 調(diào)焦工作，進(jìn)入步驟(8);
[0013] (8)在調(diào)焦經(jīng)歷的每個(gè)焦面下，從該區(qū)域地面站接收的圖像中選擇與參考圖像同 樣位置的圖像作為待檢測(cè)圖像，執(zhí)行步驟(4) 一 (6)，計(jì)算每個(gè)焦面下待檢測(cè)圖像和參考圖 像的圖像指標(biāo)比例因子，直到圖像指標(biāo)比例因子大于0.9時(shí)，認(rèn)為該圖像指標(biāo)比例因子對(duì)應(yīng) 的焦面為最佳焦面。
[0014] 所述步驟(3)中依據(jù)參考圖像對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行亮度歸一化處理的方法為：
[0015] (2.1)計(jì)算參考圖像的亮度均值/:
[0017] f (i，j)為參考圖像坐標(biāo)(i，j)處的圖像殼度，M*N為參考圖像整幅圖像尺寸；
[0018] (2.2)計(jì)算待檢測(cè)圖像的亮度均值
[0020] g (i，j)為待檢測(cè)圖像坐標(biāo)(i，j)處的圖像亮度；
[0021] (2.3)利用參考圖像的亮度均值/和待檢測(cè)圖像的亮度均值I，對(duì)待檢測(cè)圖像中的 每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行亮度歸一化：
[0022] g(U) = ：g(i,jj*f/g
[0023] 8'（1，」)為待檢測(cè)圖像坐標(biāo)(1，」)處歸一化后的圖像亮度。
[0024] 所述步驟(4)或步驟(5)中計(jì)算分塊標(biāo)準(zhǔn)差的方法為：
[0025] (3.1)利用以下公式計(jì)算分塊后第p塊圖像的亮度均值μΡ
[0027] m*n為分塊后每一子塊的尺寸，fp(i，j)為第ρ塊圖像中坐標(biāo)(i，j)處的圖像亮度；
[0028] (3.2)利用以下公式計(jì)算第ρ塊圖像的標(biāo)準(zhǔn)差％
[0030] (3.3)計(jì)算整幅圖像各子塊標(biāo)準(zhǔn)差的均值孓,J即為整幅圖像的分塊標(biāo)準(zhǔn)差
[0032] k為子塊總數(shù)，即k= [M/m]*[N/n]，其中，[M/m]為M/m四舍五入后的整數(shù)值，[N/n] 為N/n四舍五入后的整數(shù)值，M*N為整幅圖像尺寸。
[0033]所述步驟(4)或步驟(5)中利用如下公式計(jì)算圖像梯度g:
[0035] 其中，f(i，j)為坐標(biāo)(i，j)處的圖像亮度，f(i，j-l)為坐標(biāo)處的圖像亮度， f (i-1，j)為坐標(biāo)(i-1，j)處的圖像亮度。
[0036] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0037] (1)本發(fā)明方法采用分塊標(biāo)準(zhǔn)差及圖像梯度精確獲取圖像的紋理細(xì)節(jié)，綜合分塊 標(biāo)準(zhǔn)差與圖像梯度兩個(gè)指標(biāo)判斷最佳焦面，相較于現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)整幅圖像的圖像標(biāo)準(zhǔn) 差、峰值信噪比等算法以及各指標(biāo)獨(dú)立評(píng)價(jià)的方法，本發(fā)明方法科學(xué)可靠，針對(duì)性強(qiáng)，保證 了待檢測(cè)圖像和參考圖像對(duì)比結(jié)果的可信度，提高了最佳焦面確定的準(zhǔn)確性。
[0038] (2)利用本發(fā)明方法既能夠在衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中確定相機(jī)是否處于最佳焦面或 離焦，又可以在離焦后調(diào)焦過(guò)程中確定最佳焦面，方法簡(jiǎn)單可靠，能夠有效保證光學(xué)遙感衛(wèi) 星相機(jī)工作在最佳焦面上，獲取清晰度高的圖像。
[0039] (3)本發(fā)明在衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中確定相機(jī)是否處于最佳焦面或離焦，以及在離焦后 調(diào)焦過(guò)程中確定最佳焦面時(shí)，利用待檢測(cè)圖像和參考圖像的亮度均值，對(duì)待檢測(cè)圖像中的 每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行亮度歸一化，從而抑制甚至消除不同季節(jié)太陽(yáng)光照的影響，使待檢測(cè)圖像與參 考圖像殼度一致，提尚最佳焦面研判的精準(zhǔn)度。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0041] 圖2為高分一號(hào)衛(wèi)星獲取的拉薩圖像，其中（a)為參考圖像，（b)為待檢測(cè)圖像，（c) 為歸一化后的待檢測(cè)圖像；
[0042]圖3為高分二號(hào)衛(wèi)星獲取的敦煌圖像，其中(a)為參考圖像，（b)為待檢測(cè)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0044] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)判斷相機(jī)是否離焦以及如何確定最佳焦面方面存在的不足， 提出了一種最佳焦面確定方法，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：1)衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中圖像分析，確定相機(jī) 是否處于最佳焦面或離焦;2)衛(wèi)星相機(jī)調(diào)焦過(guò)程中圖像分析、確定最佳焦面。該方法基本思 路為:首先采集受天氣影響較小、地面景物相對(duì)豐富且地面站可以直接接收到的典型區(qū)域 (例如敦煌、喀什、銀川）圖像，起到參考圖像的目的。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，一旦獲取該區(qū)域的 有效圖像，即可作為待檢測(cè)圖像，針對(duì)紋理、細(xì)節(jié)等反映離焦程度的參數(shù)，與參考圖像對(duì)比、 分析，判讀是否離焦及估計(jì)離焦的大致程度;一旦離焦啟動(dòng)調(diào)焦程序，對(duì)目標(biāo)區(qū)成像，計(jì)算 目標(biāo)區(qū)圖像的關(guān)鍵指標(biāo)，與參考圖像的指標(biāo)對(duì)比，直到數(shù)值接近即可認(rèn)定為最佳焦面。
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明提出一種高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)最佳焦面確定方法，包括 以下步驟：
[0046] (1)在光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)處于最佳焦面時(shí)（如在軌測(cè)試結(jié)束時(shí)），從某區(qū)域地面站 接收的圖像中選擇紋理清晰的經(jīng)過(guò)正射校正的正視圖像作為參考圖像。
[0047]選取的參考圖像應(yīng)該能夠反映衛(wèi)星相機(jī)正常工作狀態(tài)，具有典型性，選取時(shí)應(yīng)滿(mǎn) 足以下條件：
[0048] 1)該區(qū)域受天氣影響較小，晴天多陰天少，有利于獲取該區(qū)域有效圖像；
[0049] 2)該區(qū)域地面站可以直接接收，容易獲取該區(qū)域圖像；
[0050] 3)在不同經(jīng)度盡量均勻分布；
[0051] 4)圖像不少于20幅，有條件可在50幅以上，滿(mǎn)足時(shí)序化監(jiān)測(cè)要求；
[0052] 5)景物目標(biāo)相對(duì)固定，變化較大需要重新采集；
[0053] 6)圖像盡量反映不同時(shí)相；
[0054] 7)反映相機(jī)波譜特性，全色+多光譜同步采集；
[0055] 8)地面景物相對(duì)豐富，一般為城市，例如敦煌、喀什、銀川及我國(guó)西部近鄰區(qū)域；
[0056] 9)正視成像(無(wú)側(cè)擺），圖像質(zhì)量得到保證；
[0057] 10)獲取的圖像成像條件大氣良好，圖像紋理清晰；
[0058] 11 )Geotif f格式，圖像具有幾何地理信息；
[0059] 12)圖像經(jīng)過(guò)正射校正，有利于幾何匹配；
[0060] 13)圖像尺寸1024像元* 1024像元-2048像元*2048像元。
[0061] (2)在光學(xué)遙感衛(wèi)星相機(jī)在軌運(yùn)行期間過(guò)程中，從該區(qū)域地面站接收的圖像中選 擇與參考圖像同樣位置的圖像作為待檢測(cè)圖像。
[0062]待檢測(cè)圖像所在區(qū)域及成像滿(mǎn)足以下條件：
[0063] 1)成像區(qū)域包含參考圖像；
[0064] 2)正視成像或放寬條件至側(cè)擺角度小于5度；
[0065] 3)Geotiff格式，能夠與參考圖像幾何配準(zhǔn)；
[0066] 4)圖像經(jīng)過(guò)正射校正；
[0067] 5)圖像尺寸與參考圖像一致。
[0068]待檢測(cè)圖像的幅數(shù)與參考圖像一致，然后從這多幅圖像中，選擇一組參考圖像和 相對(duì)應(yīng)的待檢測(cè)圖像紋理都清晰的圖像對(duì)進(jìn)行最佳焦面確定。
[0069] (3)判斷待檢測(cè)圖像和參考圖像亮度是否一致，如果一致，進(jìn)入步驟(4);如果不一 致，依據(jù)參考圖像對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行亮度歸一化處理，使待檢測(cè)圖像平均亮度與參考圖像 一致，進(jìn)入步驟(4);
[0070] 亮度歸一化處理的方法為：
[0071] (3.1)計(jì)算參考圖像的亮度均值
[0073