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出版日期: 2016-11-25
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DOI: 10.11834/jrs.20165277
2016 | Volumn20 | Number 6





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国产卫星
天绘一号03星三线阵/多光谱载荷影像质量评价
expand article info 孙韬1 , 王鹏波2 , 方俊永3 , 刘保成2 , 程家胜2
1. 中国科学院电子学研究所 空间信息处理与应用系统技术重点实验室，北京 100190
2. 中国天绘卫星中心，北京 102102
3. 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101
收稿日期: 2015-12-08; 优先数字出版日期: 2016-11-25
基金项目: 国家自然科学基金(编号：61331017)；中国科学院科技服务网络计划项目(编号：KFJ-EW-STS-046)
第一作者简介: 孙韬(1982—)，男，博士，助理研究员，研究方向为遥感图像处理、光学载荷研制和几何标定方面的研究。E-mail：
ts-1@live.cn
通讯作者简介: 王鹏波(1982—)，男，硕士，工程师，研究方向为遥感图像处理与应用、地图制图综合方面的研究。E-mail：hswpb@163.com
中图分类号: TP751.2
文献标识码: A

摘要

2015年10月26号发射的天绘一号03星是中国传输型立体测绘卫星天绘一号系列的第3颗卫星。三线阵和多光谱影像数据是天绘一号卫星的重要数据，用于立体测绘、彩色融合、遥感观测等多种用途。因此，为了推动天绘一号03卫星影像数据早日为相关领域提供服务，本文采用客观评价的方法，对天绘一号03星的三线阵和多光谱影像质量进行了全面的评价分析。评价结果显示(天绘一号)03星的清晰度、对比度、细节能量、边缘能量、功率谱、信息容量指标值远高于天绘一号01、02星。说明天绘一号03星三线阵/多光谱影像在地物细节和边缘纹理特征的描述上优于天绘一号01、02星，同时载荷接收的信息量远高于天绘一号01、02星。天绘一号03星较高的信噪比指标说明其载荷抑制噪声的能力优于天绘一号01、02星。边缘辐射畸变和增益调整畸变表明在辐射均匀程度上，天绘一号03星三线阵/多光谱影像介于天绘一号01和02星之间。因此，与同类天绘一号01，02星的三线阵与多光谱影像相比，天绘一号03星影像质量有着显著的提高。

关键词

天绘一号03星 , 三线阵影像 , 多光谱影像 , 影像质量评价 , 客观指标

Image quality assessment of the three-linear-array/multispectral sensors of Mapping Satellite-1 03
expand article info SUN Tao1 , WANG Pengbo2 , FANG Junyong3 , LIU Baocheng2 , CHENG Jiasheng2
1.Key Laboratory of Technology in Geo-spatial Information Processing and Application System, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.TH-Centre of China, Beijing 102102, China
3.Institute of Remote Sensing and Digital Earth Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

Abstract

A new satellite (code: 03) was launched on October 26, 2015. It belongs to Mapping Satellite-1 (TH-1), which is a group of High-Resolution (HR) optical stereo mapping satellites in China. Three-linear-array/multispectral (TLA/MUX) images are the important data products of TH-1.They are used for stereo mapping, fusion and classification, and remote sensing. Image quality assessment is a critical issue particularly in the regular operation of the HR satellite ground application system, with the assessment results having great significance in the application prospects of the current satellite and subsequent satellite development. In this study, a multi-objective index method is employed to evaluate comprehensive the image quality of the TH-1 03 TLA/MUX sensors. It adopts 10 objective indices, including clarity (CLA), contrast(CON), detail energy(DET), and edge energy (EDG).Given that the three in-orbit MS-1 satellites have the same sensor and orbit parameters, the images from TH-1 01 and TH-1 02 are used as comparison assessment data. A group of images with the same screening season, terrain type, and natural environment are separately selected from the three in-orbit MS-1 satellites to avoid assessment errors induced by differences in seasons, terrain types, and natural environments. Assessment results show that the objective indices of the TH-1 03 TLA/MUX images, including CLA, CON, DET, EDG, power spectral density, and information content are significantly higher than those of the images of TH-1 01 and TH-1 02. The higher values of these indices demonstrate that the TLA/MUX images of TH-1 03 are better than TH-1 01 and TH-1 02 satellites in terms of describing the detail texture and edge texture features of ground objects. The TLA/MUX images of TH-1 03 have higher information content as well. The signal-to-noise ratio reveals that the capability of the TLA/MUX sensors of MS-1-03 to suppress noise is superior to those of the sensors of TH-1 01 and TH-1 02. Furthermore, RadEdge and GainAdj indicate that the radiometric uniform level of TH-1 03 is in between those of the TH-1 01 and TH-1 02 satellites.The results of the image quality assessment for TH-1 03 TLA/MUX sensors are analyzed and reported for the first time, and the preliminary conclusion is discussed in this paper. According to the assessment results, the image quality of TLA/MUX sensors of TH-1 03 is improved compared with those of the TLA/MUX sensors of the TH-1 01 and TH-1 02 satellites. Owing to the development in the image quality, the use of TLA/MUX data of the TH-1 03 satellite can enhance target recognition, classification, and stereo mapping accuracy. In summary, this paper has presented the first study on the analysis of the image quality for TH-1 03 TLA/MUX sensors and has made an exemplary contribution.

Key words

Mapping Satellite-1 03 , panchromatic image , multispectral image , radiometric quality assessment , objective indices

1 引 言

卫星影像质量是卫星业务化运行和应用的重要参考依据。通过对卫星影像质量进行评价，对当前卫星影像的应用前景及后续卫星的研制都具有重要的意义( 杨元元 等，2003)。影像质量评价方法可以分为主观评价和客观评价两种。主观评价大多数从影像质量的某一方面进行考察，不能全面综合地评价遥感影像的质量。客观评价则不受人的主观判断影响，利用多种客观评价方法可以从多个方面对影像质量进行评价，从而获得相对客观可信的评价结果。

通过客观指标评价卫星影像的质量，近10年来国内外学者对此进行了诸多研究。 张霞等人(2002)在对中巴地球资源一号卫星红外多光谱扫描仪(IRMSS)4个波段零级图像进行预处理的基础上，从图像信噪比、地面分解力、清晰度、辐射精度、反差等5个指标对图像进行了全面的质量评价； 熊兴华和张丽(2004)等使用灰度预测误差统计进行影像质量评价； Wang等人(2004)总结了当前基于结构相似性图像质量评价方法的进展；周雨霁和田庆久(2004)采用辐射精度、信息量、清晰度、信噪比等指标对扬州地区Hyperion L1R影像进行质量评价； 杨忠东等人(2004)对中巴地球资源一号卫星的CCD数据的图像质量开展评价，并结合Enhanced Thematic Mapper Plus(ETM+)数据开展交 叉定标研究； Engel-Cox等人(2004)对MODIS在区域尺度空气质量评估中的应用做了充分说明； 洪志刚等人(2010)对比CBERS-02B和SPOT 5数据，进行影像质量评价； 孙中平等人(2010)从图像工程质量评价和影像应用质量评价两个方面，对环境一号卫星CCD影像与同时相Landsat TM影像进行对比评价； 何中翔等人(2011)开展了遥感图像客观质量评价方法的研究； 文雄飞等人(2012)采用客观分析的方法，对资源一号(ZY-1) 02C数据的影像质量进行了定量评价，并将其与ETM+数据进行对比，分析其在水利行业中的应用潜力； 魏宏伟和田庆久(2012)从主观和客观两个方面对HJ-1B CCD图像与TM 1—4波段图像进行了对比评价； 黄彦等人(2013)从影像整体质量、局部纹理特征、影像融合和地物类型识别效果等几个方面开展了ZY-1 02C卫星P/MS数据质量评价及应用潜力分析。因此，通过多种客观评价指标对特定卫星的影像质量进行客观评价，并通过对比分析获取最直观的评价结论是可行的。

天绘一号03星于2015年10月26日在酒泉卫星发射中心成功发射，进入在轨运行状态，是天绘一号系列的第三颗陆地观测卫星。为了推动03星影像数据早日为相关领域提供服务，本文从客观评价的角度出发，全面评价天绘一号03星的三线阵和多光谱影像质量，为后续的研究提供参考。

2 数据和评价指标

2.1 卫星和实验区概况

天绘一号卫星是中国第一颗用于陆地观测的传输型立体测绘卫星( 李松明 等，2012； 王任享，2012)，目前已有3颗卫星在轨运行。其中，01星于2010年8月24日发射，开启了中国卫星立体测绘时代。02星，03星分别于2012年5月6日和2015年10月26日发射。天绘一号在轨运行的三星搭载相同分辨率、相同灰度量化级数的相机载荷，其中包括2 m空间分辨率的全色相机、10 m空间分辨率的多光谱相机和5 m空间分辨率的三线阵相机。其中三线阵和多光谱相机是天绘一号卫星的重要载荷。多光谱相机由蓝、绿、红和近红外4个波段组成多光谱成像设备。三线阵相机由前中后三条CCD线阵组成，可进行立体测绘。

为了定量地分析和评价天绘一号03星的影像质量，本文利用01、02、03星同季节、同区域的影像进行对比分析评价。试验区域选取北京延庆官厅水库及其附近区域，该区域包含城市建筑、植被覆盖区域、农田、山地、工业用地等多种代表性地物。在选取评价用影像时，综合考虑拍摄时刻的气候、温度、大气等环境条件，在能够检索到的所有过官厅水库附近区域的01，02，03星影像中，选取环境条件最为接近的一组影像数据。同时，尽可能选取距离卫星发射半年以内的影像，减少在轨运行期间相机老化带来的客观评价偏差。选取的评价用影像数据采集时间和中心经纬度如 表1所示。在所有组数据中，该组数据环境条件最为接近，且符合距离各自卫星发射半年以内的标准。同时该组数据均处于10下旬到11月中旬，官厅区域附近自然环境带来的地物差异较小。 图1和 图2分别展示了三颗卫星在试验区域的多光谱和三线阵影像。另外，在该组数据中选择评价区域的时候尽量选择季节性影响较少的区域(如山岭、城镇等)，进一步保证评价的客观性。综上，本文选取了山地、农田、城镇三类典型特征地物，通过计算各项客观评价指标，作为影像质量评价和分析的依据。

表 1 评价用影像数据
Table 1 Image data for radiometric assessment

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卫星型号 摄影时间 中心经纬度
天绘一号01星 2010-11-15 115.94°E，40.31°N
天绘一号02星 2012-10-13 116.17°E，40.26°N
天绘一号03星 2015-10-29 116.00°E，40.27°N


图 1 天绘一号01、02、03星多光谱影像数据
Fig. 1 Multispectral image of TH-1 01, 02, 03


图 2 天绘一号01、02、03星三线阵影像数据
Fig. 2 Three-linear array image of TH-1 01, 02, 03

2.2 客观质量评价方法

参与评价的客观指标和指标意义如下：

(1) 标准差(STD)，影像的统计特征。在同一地物上，标准差越大表明传感器对细节的辨析能力越高。

$ \text{STD}=\sqrt{\sum\limits_{i=0}^{L-1}{\sum\limits_{j=0}^{L-1}{{{(f(x,y)-mean)}^{2}}{{{\bar{p}}}_{\text{d}}}(x,y)}}} $ (1)

式中， mean是数字影像 f( x， y)的均值， $ {{\overline p}}$ d( x， y)为该点位对应的权值，此处 $ {{\overline p}}$ d( x， y)=1。标准差的量纲和随机变量的量纲相同，影像标准差的随机变量为影像量化灰度值。由于数字影像量化灰度值为无量纲量，因此标准差也为无量纲量。

(2) 清晰度(CLA)和对比度(CON)，反映影像纹理细节表达能力的客观指标。清晰度可以直接反映影像质量，清晰度越高，影像纹理细节表现的越好。对比度反映了图像中的目标与背景相比可辨认的清晰程度，对比度越大则图像中的目标信息就越明显。

$ \text{CLA}=\sum\limits_{a}^{b}{{{(df/dx)}^{2}}/\left| (f(b)-f(a) \right|} $ (2)

式中， df/ dx为垂直于边缘的灰度变化率， f( b)- f( a)为该垂直边缘方向的总对比度。

$ \text{CON}=\sum\limits_{n=0}^{L-1}{{{n}^{2}}\left\{ \sum\limits_{i=0}^{L-1}{\sum\limits_{j=0}^{L-1}{\hat{p}(i,j)}} \right\}} $ (3)

式中，| i- j|= n， $\hat{p}(i,j)$ 为归一化的灰度共生矩阵元素。清晰度为无量纲量；由于灰度共生矩阵表征图像量化灰度值的相关特性，属于无量纲量，因此对比度为无量纲量。

(3) 细节能量(DET)和边缘能量(EDG)，从影像频域的高频分量的角度来描述影像的细节与边缘形状特征。细节能量反映了影像中的细节信息的丰富度。值越大说明影像的纹理越细，提供的信息越丰富，影像越清晰。边缘能量反映了影像中边缘的丰富度和清晰程度，边缘能量数值越大，影像质量越高。

$ \text{DET}=\frac{1}{n}\sum{\sigma _{\text{f}}^{2}(x,y)} $ (4)

式中， $\sigma _{\text{f}}^{2}(x,y)$ 为区域方差，即对影像中所有的(2 M+1)×(2 M+1)区域的方差总和的平均值( M值通常取1)。

$ \text{EDG}=\frac{1}{m\cdot n}\sum\limits_{x=1}^{m}{\sum\limits_{y=1}^{n}{{{e}^{2}}(x,y)}} $ (5)

式中， $e(x,y)={{ {E}}_{1}}*f(x,y)+{{ {E}}_{2}}*f(x,y)$

$ {{ {E}}_{1}}=\left[ \begin{matrix} 1/6 & -1/6 & -1/6 \\ -1/6 & 4/6 & -1/6 \\ -1/6 & -1/6 & 1/6 \\ \end{matrix} \right] $
$ {{ {E}}_{2}}=\left[ \begin{matrix} -1/6 & -1/6 & 1/6 \\ -1/6 & 4/6 & -1/6 \\ 1/6 & -1/6 & -1/6 \\ \end{matrix} \right] $

细节能量和边缘能量根据区域方差和数字影像量化灰度值计算，因此属于无量纲量。

(4) 边缘辐射畸变(RAD)和增益调整畸变(GAI)，分别反应行方向和列方向的辐射均匀程度。

$ \text{RAD}=\frac{mean( {R})}{\text{STD}( {R})}\ \ \text{GAI}=\frac{mean( {L})}{\text{STD}( {L})} $ (6)

式中， R 和 L 分别为行向量和列向量的均值矢量。

(5) 功率谱(PSD)和信息容量(INF)，分别从频率域和灰度域上反应影像接收的信号强度的大小。对于同一地物，功率谱和信息容量值越大，表明传感器能够接收到的信息越大。

$ \text{PSD}={{{\log }_{2}}\left( \sum\limits_{u=0}^{M-1}{\sum\limits_{v=0}^{N-1}{{{\left| F(u,v) \right|}^{2}}\Delta u\Delta v}} \right)}/{M\cdot N}\; $ (7)

式中， F( u， v)为数字影像 f( x， y)的傅里叶变换。

$ \text{INF}=\log (1+\sum\limits_{i=1}^{L}{\sum\limits_{j=i-2}^{i+2}{{{\log }_{\max (\hat{p}(i,j))}}\hat{p}(i,j)}}) $ (8)

式中， $\hat{p}(i,j)$ 为归一化的灰度共生矩阵元素。功率谱的量纲为每赫兹的瓦特数(W/HZ)，信息容量为无量纲量。

(6) 信噪比(SNR)一般是指仪器信号与噪声信号强度的比值，信噪比越大，地物信息反映的越好，图像质量越好。本文的信噪比采用局部均值和局部标准差法进行计算。

$ \text{SNR}=10\lg \frac{M}{max(\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}{\text{ST}{{\text{D}}_{\text{local}}})}} $

式中， M为图像均值，STD local为影像的局部标准差， $max(\sum\limits_{i=1}^{n}{\text{ST}{{\text{D}}_{\text{local}}})}$ 为满足最大众数条件的局部标准差之和， max( n)为满足最大众数条件的局部标准差的数量。

信噪比为影像局部均值和局部标准差众数的比值，为无量纲量。

3 数据结果处理与分析

3.1 数据处理

在实验数据中按固定大小选取同区域的城镇、农田、山地三类典型地物，如 图3、 4所示。由于天绘一号卫星三线阵载荷为5 m分辨率，多光谱载荷为10 m分辨率，因此多光谱图像和三线阵图像截取区域大小比率为1∶2，本文分别采用500×500像素和1000×1000像素。


图 3 天绘一号01、02、03星多光谱典型地物影像
Fig. 3 Typical feature of multispectral images of TH-1 01, 02, 03


图 4 天绘一号01、02、03星三线阵典型地物影像
Fig. 4 Typical feature of tree-linear array images of TH-1 01, 02, 03

利用2.2节的客观指标计算方法，编写影像质量评价程序，分别计算3类地物影像的客观指标值，从而评价天绘一号03星的影像质量。另外，由于多光谱图像由4个波段组成，取4个波段的指标值平均数作为最终结果。

3.2 影像质量评价和分析

表2和 表3分别是多光谱和三线阵影像各项客观指标计算结果， 图5为各个指标的分析结果展示。根据各项客观指标值分析如下：

表 2 天绘一号01、02、03星典型地物客观指标值
Table 2 Assessment value for typical feature of TH-1 01、02、03

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指标 多光谱影像(城镇) 多光谱影像(农田) 多光谱影像(山地)
01星 02星 03星 01星 02星 03星 01星 02星 03星
CLA 17.735 16.633 42.702 14.716 13.507 40.942 8.323 6.574 20.593
EDG 8.423 6.862 42.585 6.190 5.055 37.281 1.760 1.139 6.535
DET 10.273 8.129 70.629 6.438 5.441 53.568 2.143 1.512 16.218
CON 11.283 10.164 68.884 8.532 7.742 66.076 2.520 1.695 13.266
SNR 14.792 10.939 15.214 12.307 12.521 13.463 11.134 13.170 17.013
STD 7.426 6.041 19.545 5.290 4.954 16.473 3.397 2.962 11.565
INF 7.069 6.996 8.281 6.845 6.712 8.209 6.240 5.991 7.406
PSD 9.218 8.636 12.353 9.406 8.820 12.664 7.682 6.808 10.949
RAD 11.018 14.070 16.592 25.672 18.925 24.786 23.968 20.526 21.753
GAI 11.756 14.557 17.333 20.680 18.184 21.774 18.628 19.887 21.306

表 3 天绘一号01、02、03星典型地物客观指标值
Table 3 Assessment value for typical feature of TH-1 01、02、03

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指标 三线阵影像(城镇) 三线阵影像(农田) 三线阵影像(山地)
01星 02星 03星 01星 02星 03星 01星 02星 03星
CLA 5.580 12.407 24.568 4.954 11.696 21.145 2.476 4.169 11.430
EDG 0.398 2.641 4.620 0.444 3.081 3.598 0.167 0.460 4.972
DET 1.552 7.379 28.845 1.537 7.551 19.969 0.401 0.997 5.047
CON 1.327 6.842 24.887 1.393 7.683 19.178 0.359 1.023 1.910
SNR 15.805 16.120 17.720 14.323 16.064 18.814 15.404 16.026 18.094
STD 6.756 9.491 30.368 4.776 8.210 23.605 5.025 4.516 17.661
INF 7.470 7.983 9.351 7.306 7.825 9.268 6.938 7.020 8.525
PSD 10.123 10.040 13.592 9.994 10.164 13.768 8.653 8.429 12.379
RAD 21.571 15.993 17.444 32.359 21.293 26.546 21.898 26.889 24.889
GAI 17.805 15.577 18.391 38.898 20.212 23.589 17.011 23.587 27.332


图 5 天绘一号01、02、03星典型地物客观评价值
Fig. 5 Assessment value for typical feature of TH-1 01、02、03

(1) 天绘一号03星影像质量：03星多光谱和三线阵影像的影像质量相对于01、02星有显著提高。其中，清晰度(CLA)、对比度(CON)、细节能量(DET)、边缘能量(EDG)4个指标表明03星三线阵/多光谱/影像在描述地物细节和边缘纹理特征上远高于01、02星。意味着03星三线阵/多光谱影像的目视效果更加清晰，同时利用03星多光谱和三线阵影像进行目标识别、分类和立体测绘等后续处理的效果将会明显高于01、02星。功率谱(PSD)和信息容量(INF)两个指标说明，在同等地物、同等条件下03星的三线阵/多光谱载荷接收的信息量远高于01、02星。信噪比(SNR)指标表明，03星三线阵/多光谱载荷抑制噪声的效果明显高于、01、02星。从 图3和 图4的直接目视效果中也可以看出，03星影像的光斑、条纹噪声明显小于01、02星影像。边缘辐射畸变(RAD)和增益调整畸变(GAI)表明，在辐射均匀程度上，03星介于01和02星之间。

(2) 天绘一号01星和02星相比：01星多光谱影像质量略高于02星，02星三线阵影像质量略高于01星。总体来说，这两颗卫星的影像质量较为接近，并无显著的差别。

(3) 同颗卫星的不同载荷间比较：三线阵影像由于分辨率的提高，同等地物的情况下接收到的信息要多于多光谱影像。因此，同颗卫星的三线阵影像的PSD、INF和STD指标值高于多光谱影像。同时，CLA、EDG、DET、CON指标表明，同颗卫星的多光谱影像在地物细节和边缘纹理的表达能力上要高于三线阵影像。信噪比上，三线阵载荷要高于多光谱载荷。这种多光谱和三线阵载荷的不同侧重的设计符合卫星光学载荷设计的基本思路。因此，在后续应用中，可发挥不同载荷的优势，例如可利用多光谱数据进行大范围的目标识别和分类处理，利用三线阵影像数据进行点目标的遥感观测等。

4 结 论

天绘一号03星是中国近期发射的传输型立体测绘卫星天绘一号系列的第3颗卫星，其卫星影像用于立体测绘、遥感观测等多种用途。卫星影像质量是卫星业务化运行和应用的重要参考依据，而目前国内外尚未有对天绘一号03星影像质量评价相关的报道。因此为了更好的拓宽天绘一号系列卫星影像数据的应用前景，为影像数据业务化运行和应用提供参考，本文利用同区域、同季节的卫星影像数据，通过多种用于影像质量评价的客观指标对在轨运行的天绘一号03星多光谱和三线阵载荷进行了全面的影像质量评价。通过同系列天绘一号01、02、03三星客观评价的对比实验，结果表明天绘一号03星多光谱和三线阵载荷的影像质量明显高于天绘一号01、02星。因此，若利用天绘一号03星影像数据进行后续的立体测图、目标检测、分类等处理，其精度将会相对于天绘一号01、02星有所提高。

由于天绘一号03星在轨运行时间较短，卫星下传的影像数据有限，因此较难找到大量合适的同区域、同季节的对比评价数据。随着下传影像数据的增加，需要进一步的基于大量影像数据开展影像质量综合评价，从而提高评价结论的客观性。另外，未来可进一步研究天绘一号系列卫星同资源三号等其他高分辨率立体测绘卫星的横向影像质量对比，从而研究天绘一号系列卫星的应用定位。最后，对天绘一号03星上搭载的另一个重要载荷“全色高分辨率相机”的影像，未来也需要开展相应的影像质量评价。

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