一種基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，具體而言涉及一種基于遙感圖像獲取遙 感器在軌焦距的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于普通透鏡而言，焦距就是焦點(diǎn)到透鏡中必的距離，而對(duì)于光學(xué)遙感器來說，焦 距是W該光學(xué)系統(tǒng)的等效焦距巧円^，effective focal length)來表示的。該光學(xué)系統(tǒng)往 往由若干個(gè)透鏡和反射鏡組成，每一透鏡和反射鏡都有各自的焦點(diǎn)與焦距，對(duì)整個(gè)光學(xué)系 統(tǒng)而言，它有一對(duì)系統(tǒng)的組合焦點(diǎn)及組合焦距，稱為"等效焦點(diǎn)"和"等效焦距"。在軌遙感 器焦距的變化將直接導(dǎo)致成像結(jié)果的差異，引起圖像質(zhì)量的變化。
[0003] 遙感器由于長時(shí)間處于太空中，所W積攢下來的機(jī)械W及電路方面的問題會(huì)導(dǎo)致 光學(xué)系統(tǒng)焦距發(fā)生變化，送就將直接引起其所拍攝的遙感圖像的質(zhì)量的變化，例如離焦會(huì) 產(chǎn)生模糊。送就需要地面的工作人員根據(jù)遙感器的成像情況定期的檢查結(jié)果，人工調(diào)節(jié)它 的焦距，W彌補(bǔ)因長時(shí)間機(jī)械老化等原因造成的焦距變化問題。送種調(diào)整方式需要有經(jīng)驗(yàn) 的遙感專家根據(jù)觀察多幅圖像的結(jié)果，憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)遙感器的焦距作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并且在 調(diào)整時(shí)候，還需要根據(jù)遙感器再次生成圖像的質(zhì)量情況來判斷本次調(diào)整是否成功。送種方 法既耗費(fèi)了大量的人工，又需要一定的成像周期W判斷調(diào)整結(jié)果的合理性。
[0004] 所W急需一種能夠指導(dǎo)遙感器自動(dòng)在軌調(diào)整焦距的方法。但遙感器焦距變化范圍 的獲取面臨著很大的挑戰(zhàn)，工作人員在地面上缺乏有效的途徑測(cè)量焦距變化的準(zhǔn)確量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)無法解決自動(dòng)準(zhǔn)確獲取遙感器因機(jī)械老化發(fā) 生的焦距變化問題，提出一種基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距的方法。
[0006] 本發(fā)明的上述目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求W另選或有 利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[0007] 為達(dá)成上述目的，本發(fā)明所采用的的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距的方法，包括W下步驟：
[0009] 步驟1、通過計(jì)算機(jī)模擬遙感器在軌成像，仿真得到多組在不同焦距等級(jí)下的焦距 仿真圖像；
[0010] 步驟2、計(jì)算每一幅焦距仿真圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)值；
[0011] 步驟3、對(duì)步驟2計(jì)算得到的相對(duì)邊緣響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，移除干擾建模的數(shù) 據(jù)，然后W統(tǒng)計(jì)分析后的圖像相對(duì)邊緣響應(yīng)值為變量，W遙感器焦距為因變量，進(jìn)行回歸建 模，得到圖像相對(duì)邊緣響應(yīng)值與遙感器焦距之間的數(shù)學(xué)模型；W及
[0012] 步驟4;對(duì)于獲取的待處理遙感圖像，首先計(jì)算其相對(duì)邊緣響應(yīng)參數(shù)，并W計(jì)算所 得的相對(duì)邊緣響應(yīng)值作為輸入，輸入所述步驟3建立的數(shù)學(xué)模型，從而獲得遙感器的焦距。
[0013] 由W上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提出的基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦 距的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果在于：
[0014] 利用本發(fā)明提出的方法，可根據(jù)圖像的質(zhì)量參數(shù)估計(jì)遙感器的焦距參數(shù)，用于指 導(dǎo)遙感器自動(dòng)地完成在軌的焦距調(diào)整。相對(duì)W往對(duì)遙感器在軌參數(shù)的調(diào)整都需要遙感專家 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)完成，利用本發(fā)明的方法來建立數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)圖像計(jì)算得到相對(duì)邊緣響應(yīng)的 值，就可W反演出遙感器的焦距，從而指導(dǎo)遙感器做出相應(yīng)的調(diào)整W得到高品質(zhì)的遙感圖 像，為遙感器在軌進(jìn)行焦距的校準(zhǔn)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時(shí)大大降低了人力和時(shí) 間成本。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距的方法的實(shí)現(xiàn)流程 示意圖。
[0016] 圖2a-2c為祀標(biāo)圖像的H個(gè)示例。
[0017] 圖3a-3c為對(duì)應(yīng)圖2a-2c的H個(gè)焦距仿真圖像的示例。
[001引 圖4為Sobel算子的一個(gè)示例。
[0019] 圖5為邊緣圖像的示例。
[0020] 圖6a為將圖5的邊緣圖像加上選框后的示例；圖化為加上選框后的原焦距仿真 圖像的示例。
[0021] 圖7a為y方向的邊緣響應(yīng)的散點(diǎn)圖；圖化為使用S型曲線的擬合圖。
[0022] 圖8a為歸一化前的焦距與邊緣響應(yīng)的散點(diǎn)圖；圖8b為歸一化后的焦距與邊緣相 應(yīng)的散點(diǎn)圖。
[0023] 圖9為焦距與相對(duì)邊緣響應(yīng)值的擬合曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。
[00巧]總體來說，本實(shí)施例提出的基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距的方法，通過計(jì)算 機(jī)仿真出不同焦距下遙感器所生成的圖像，然后從圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)出發(fā)，針對(duì)多個(gè)等 級(jí)焦距的仿真圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)進(jìn)行回歸分析，建立焦距與相對(duì)邊緣響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型， 從而達(dá)到了可W通過圖像反演焦距的目的。得到了遙感器的焦距之后，即可利用其指導(dǎo)遙 感器自動(dòng)地調(diào)整至合適的焦距。
[0026] 如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的較優(yōu)實(shí)施例，一種基于遙感圖像獲取遙感器在軌焦距 的方法，包括W下步驟：
[0027] 步驟1、通過計(jì)算機(jī)模擬遙感器在軌成像，仿真得到多組在不同焦距等級(jí)下的焦距 仿真圖像；
[002引步驟2、計(jì)算每一幅焦距仿真圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)值；
[0029] 步驟3、對(duì)步驟2計(jì)算得到的相對(duì)邊緣響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，移除干擾建模的數(shù) 據(jù)，然后W統(tǒng)計(jì)分析后的圖像相對(duì)邊緣響應(yīng)值為變量，W遙感器焦距為因變量，進(jìn)行回歸建 模，得到圖像相對(duì)邊緣響應(yīng)值與遙感器焦距之間的數(shù)學(xué)模型；W及
[0030] 步驟4 ;對(duì)于獲取的待處理遙感圖像，首先計(jì)算其相對(duì)邊緣響應(yīng)參數(shù)，并W計(jì)算所 得的相對(duì)邊緣響應(yīng)值作為輸入，輸入所述步驟3建立的數(shù)學(xué)模型，從而獲得遙感器的焦距。
[0031] 下面結(jié)合圖2-圖9所示，詳細(xì)說明上述各步驟的具體實(shí)施。
[0032] 步驟1、獲取焦距仿真圖像
[0033] 如前所述，本實(shí)施例中，通過計(jì)算機(jī)模擬遙感器在軌成像，仿真得到多組在不同焦 距等級(jí)下的焦距仿真圖像。
[0034] W某一衛(wèi)星在不同締度上的P幅圖像作為祀標(biāo)圖像，然后根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)模型 和光線跟蹤模型，通過計(jì)算機(jī)模擬該衛(wèi)星的可見光遙感器在軌運(yùn)行的成像過程，仿真得到 不同焦距等級(jí)Q下的P*Q幅焦距仿真圖像。
[0035] 例如，W資源H號(hào)衛(wèi)星在不同締度上的P(P值越大越好，P值越大，最終所建立模 型越具有代表性）幅圖像作為祀標(biāo)圖像，在本實(shí)施例中P取為17。然后通過計(jì)算機(jī)仿真模 擬遙感器在軌成像，得到不同焦距等級(jí)Q的焦距仿真圖像。具體地，根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)制傳遞函 數(shù)模型和光線跟蹤模型，來模擬資源H號(hào)衛(wèi)星的可見光遙感器在軌運(yùn)行的成像過程，仿真 得到17幅圖像。
[0036] 作為可選的實(shí)施方式，本示例中，設(shè)置了焦距等級(jí)Q取值為39(從60到1960,間距 為50,單位為毫米），當(dāng)然也可W是其他值。焦距等級(jí)Q的取值對(duì)應(yīng)的是回歸建模時(shí)所使用 到的樣本個(gè)數(shù)，一般來說取值在30到50較為適中。
[0037] 通過每幅標(biāo)祀圖像可得到39幅焦距仿真圖像，如圖2a-2c和圖3a-3c所示，分別 給出了部分祀標(biāo)圖像和部分仿真圖像的示例。
[003引步驟2、計(jì)算圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)值
[0039] 相對(duì)邊緣響應(yīng)是衡量圖像邊緣是否清晰的一個(gè)重要參數(shù)，而圖像邊緣的清晰程度 很大程度上反映了一幅圖像的質(zhì)量。計(jì)算相對(duì)邊緣響應(yīng)的關(guān)鍵在于邊緣響應(yīng)曲線的構(gòu)造， 所謂邊緣響應(yīng)曲線即為圖像中邊緣線兩側(cè)像素值變化的曲線，而相對(duì)邊緣響應(yīng)則是在X方 向和y方向上，邊緣線兩側(cè)各0. 5個(gè)像素點(diǎn)上像素值的差值的幾何平均。
[0040] 本實(shí)施例中，采用如下方式來計(jì)算仿真圖像的相對(duì)邊緣響應(yīng)值。
[0041] 1)使用Sobel算子對(duì)前述的焦距仿真圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，再進(jìn)行闊值處理，得到 邊緣圖像。
[0042] 圖4所示為一個(gè)Sobel算子的示例。利用該Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，在進(jìn)行闊 值處理，本實(shí)施例中，闊值通常選擇為圖像中最高像素值的33%。
[0043] 經(jīng)過Sobel算子處理后的圖像并不是一幅理想的邊緣圖像，因?yàn)閳D中像素值的變 化范圍仍然是0-255,并沒有經(jīng)過二值化處理，而經(jīng)過闊值處理后，大于設(shè)定闊值的像素值 被置為255,小于闊值的像素值被置為0,所W經(jīng)闊值處理后的圖像是一幅只有"黑"與"白" 的邊緣圖像。
[0044] 得到的邊緣圖像，對(duì)應(yīng)于圖2a和圖3a所示，邊緣圖像的一個(gè)示例，如圖5所示。
[0045] 2)然后，在邊緣圖像中選定一邊緣連續(xù)的塊作為構(gòu)造邊緣響應(yīng)曲線的目標(biāo)區(qū)域， 并采用方框框出，如圖6a所示的方框框出區(qū)域，而圖化所示為加上選框的原圖。
[0046] 3)對(duì)選框中即目標(biāo)區(qū)域的邊緣點(diǎn)使用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，將擬合得到的直 線作為該幅圖像的目標(biāo)邊緣線，如圖化目標(biāo)區(qū)域中的直線；然后計(jì)算選框中所有像素點(diǎn)到 目標(biāo)邊緣線的X方向和y方向上的距離，目標(biāo)邊緣線的方程為：
[0047] y = ax+b (1)
[0048] 其中
[0051] 對(duì)于任一像素點(diǎn)（X。，y。)，其到目標(biāo)邊緣線的X方向的距離為：
[0053] 到目標(biāo)邊緣線的y方向的距離為：
[0054] distancey = y〇-(a x〇+b) (5)
[00巧]然后，W像素點(diǎn)到目標(biāo)邊緣線X方向或者y方向的距離作為橫坐標(biāo)，像素值作為縱 坐標(biāo)，構(gòu)造邊緣響應(yīng)的散點(diǎn)圖，如圖7a。
[0056] 4)出于對(duì)圖像進(jìn)行批量處理的考慮，本實(shí)施例中構(gòu)造了邊緣相應(yīng)曲線的函數(shù)模 型。將邊緣響應(yīng)曲線等效為一 S型曲線，用該S型曲線進(jìn)行擬合。
[0057] 本實(shí)施例中，采用函數(shù)原型為
的曲線進(jìn)行擬合，對(duì)其具體形態(tài)添加四個(gè)控 制參數(shù)曰1，曰2,曰3,曰4,從而形成下述S型曲線函數(shù)模型：
(6)
[0059] 再使用Matl油的曲線擬合功能對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行擬合，在得到參數(shù)曰1，曰2,曰3,曰4之 后，最后完成邊緣響應(yīng)曲線的構(gòu)造。
[0060] 圖化所示為使用S型曲線的擬合圖，即圖2a中的圖像使用算式6的S型曲線的 擬合圖。
[0061] 5)在得到邊緣響應(yīng)曲線的前提下，基于下述算式（7)計(jì)算相對(duì)邊緣相應(yīng)值RER ;
仍
[006引 其中：
(8)
[006引 ERx為X方向的相對(duì)邊緣相應(yīng)值，ERy為Y方向的相對(duì)邊緣相應(yīng)值。
[0066] 可見，本步驟2中，本方法中