论文研究-天空地一体化热红外遥感图像仿真算法研究.pdf

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遥感图像仿真对航天传感器前期技术论证以及遥感应用模型算法开发起到了重要作用。针对国内外热红外对地观测计划蓬勃发展的同时对热红外遥感模拟图像提出了迫切需求, 提出了天空地一体化热红外遥感图像仿真算法。采用集地面场景模拟、大气辐射模拟、遥感器模拟于一体的全链路热红外遥感图像仿真模拟方法, 实现了星载推扫式热红外遥感图像仿真; 设计并开发了天地一体化热红外遥感图像仿真系统, 同时对模拟出的热红外遥感图像进行了几何和辐射方面的评价和分析。实验效果表明, 该算法可为热红外遥感器的性能评价与数据预处理算法预研究提供强大模拟数据支撑。
3978· 计算机应用研究 第29卷 谱分辨率、空阃分辨率、辐射分辨率的影响,完成对成像系统、实现天空地一体化的热红外遥感图像仿真功能;餍示层通过多 探测器响应以及信号处理过程的仿真;并考虑了空间、光谱、角种表现形式将仿真图像及数据进行直观显示。 度、地球曲率、地球自转、平台抖动、偏流角、俯仰和翻滚和交叉 展示层 维展示[三维展示 景展示 辐射,开展传感器成像过程MTF状态模拟,并模拟系统加性噪 声或乘性噪声的影响,最终建立遙感器成像模型。 业务层 地面场量仿真 大气辐射传输 感器仿直 2.4真实性检验 2.4.1模拟图像的辐射性能讦价 中闸层〖数摭厍读取」文件读取]匚图像读取其他操作了 模拟图像的辐射特性评价研究包括主观评价方法和客观 评价方法,本文主要采用客观评价方法,通过计算机自动对 数层波语库算法库型库[影像库式标 图像的辐射特性进行定量评价,包括研究遥感仿真图像的对比 图4天空地一体化热红外遥感图像仿真系统结构 度信噪比、信息熵、边缘信号能量、细节信号能量、清晰度、角3.3系统接口设计 二阶短、图像功率谱和方差等参数,进而定量评价图像质量的 根据上述过程的分析,天地一休化热红外遥感图像仿真系 好坏。 统功能模块可划分奴下。 2.4.2模拟图像几何性能评价 3.3.1地表场景模拟模块 对模拟图像进行检验,主要从以下几个方面进行:定位精 该模块功能主要是根据用广需求建立地表场景,以地表分 度、图像尺寸、图像内部儿何精度、图像内部物体的形状和尺寸 类图、地表温度分布图、NDⅥ图像数据、DEM图像数据等为输 与相对位置关系、分辨率、不同波段之间配淮精度与效果评价、入,综合考虑混合像元、方向辐射特性、地形效应等影响模拟 相机侧摆能力和指向精度、相邻图像之间的邻接关系。 得到地表场景发射率模拟图像。 3算法设计 3.3.2大气辐射传输模拟模块 该模块利用成熟的辐射传输软件 MODTRAN,对大气辐射 3.1算法流程设计 传输过程进行准确模拟,通过输入地表发射率以及相关的大气 天空地一体化热红外遥感图像仿真算法是在地表类型数状况,实现大气顶层辐射量度的模拟。 据库、地物发射率数据库、大气气溶胶模式库和大气温湿廓线3.3.3递感器能量传输模拟模块 数据库的基础上,根据用户需求,结合载荷指标,依照地面场景 该模块功能是结合载荷参数,进行成像系统、探测器响 模拟、大气辐射传输、迢感器模拟由下至上的天空地一体化图以及信号处理过程的仿真,并模拟系统加性噪声或乘性噪声的 像仿真。首先从地面场景开始,通过高分辨率的遥感影像 影响,建立遥感器成像模型,最终得到仿真图像。 NDⅥⅠ数据、LAI数据、DEM数据等,综合考虑混合像元、日标 3.3.4真实性检验模块 方向特性、地形效应影响笭因素获得地面场辐射亮度。其次通 该模垬功能是开展模拟图像辐射性能评价、模拟图像几何 过大气镉射传输模型获得传感器入瞳处辐射量度。最后通过性能泮价、仿真模拟模型方法的验证,建立一套规范化的模拟 传感器模型的模拟得到热红外遥感仿真图像;并在先验知识库图像评价与真实性检验技术流程。 的基础上,利用同步的地面实验数据和典型传感器的避感图4结果分析 像,对模拟结果进行检验;通过检验的结果改进模型直到得岀 满意的模拟结果,最后对模拟结果进行评价,如图3所示。 根据天地一体化热红外图像仿真算法,本文采用DL编程 建立仿真系统,并在该系统基础上对仿真结果进行验证,对模 分率遥感影DEM数据/△NDV数据LA数据/7 拟图像的几何特性和辐射特性进行分析 地 温度反演 地形效应校正 发射率计算 地表温度分布图/ /地表发射率分右 4.1模拟图像分析 y地面场景射亮廖 仿真过程以北京京郊地区SPOT5遥感影俟为地物景象数 气射传输嗅型 据源源数据有6个波段,波段范490-1750m,中心经纬度 /气顶层辐射亮度 为(115.673693W,41.252053N),获取时问为2004年7月19 器模丑 日,分辨率2.5m(全色),单景覆盖范围可达60km×60km空 热红外遥感仿真图像 间分辨率。源数据全色波段图如图5所示。 图3天空地一体化热红外遥感图像仿真算法流程 对于光学系统,在衍射极限的情况卜,设其前置光学系统 焦距为1600mm、孔径为1200mm、横向剪切量为0.9mm、傅 3.2系统结构设计 甲叶透镜焦距为100mm;对于探测器,设其CCD像元尺寸a= 以本算法为指导发的热红外遥感图像仿真系统采用数b=18μm;对于电子线路设其扫描速度为7.59km/s3dB处 据层、中间层、业务层和展示层的组件化四层结构体系。其中:的频率f为89GHz模拟效果图如图6所示。 数据层面冋热红外遥感卫星成像链路仿真全过程,实现对卫星 通过对图像相对质量进行评价,可得到如表1参数指标。 数据、绂荷数据、环境数据、虛拟仿真数据、概念模型、仿真模型 表1图像相对质量评价结果 等数据、模型资源的有效整合和管理;中间层作为仿真算法与 参数 数值 参数 数值 均方误差0.437174‖对比度变化 0.899959 背景数据库和先验知识库的连接通信接口;业务层为用户提供 峰值信噪比71226相关性系数 0.908799 地面场景仿真、大气传输仿真、遥感器仿直和真实性检验服务, 亮度变化0.798784 第10期 孔祥皓,等:天空池一体化热红外遙感图像仿真算法研究 3979 可知模拟图像与原始图像相比差距不大,相关系数已达到程的全过程仿真体系。 0.91,非常接近1。由于在仿真模拟过程中,存在多种不确定 因素的影响,使得仿真模拟数据与真实数据存在淏差。例如 案 LAI反演模型的影响:由于地面物理参数与模型输入参数之间 丰衍射受限 残余几何相差 存在必然的误差,模型的参数是相对的真实,只能尽量将这个 MTF效果 MTF效果 参数确定在正确的范围内;模拟地面全波段光谱影响:由于取 倌为线性插值法,未考虑其他因索的影响,故会造成相应误差。 探测器 系统 探測器空间效应探测器封间效应探测器像多效应 MTF敕果 MTF效果 MTF效果 电子线路 系纥 前置放人器 后置放人器 提举电路 MTF效果 MTF效果 MTF效果 图8主要调制数三维效果 图5庶始数据 图6仿真数据 参考文献 4.2几何特性分析 [1 ELLROD G P, GULTEPE I Inferring low cloud base heights at night 对于几何特性分析,这甲重点分析平台抖动对图像质量的 for aviation using satellite infrared and surface temperature data[ J] 影响,发现横向振动对推扫型CCD相机成像质量影响最大,会 Pure and Applied Geophysics, 2007, 164(6-7): 1193-120.5 出现弥散斑现象,抖动过人时还会出现CCD接收器与靼标错[2 SARAF A K, RAWAT V,DASJ,eta. Satellite detection of thermal 位现象 precursors of Yamnotri, Ravar and Dalbandin earthquakes[ J. Natu 在曝光时间内,探测器阵列上图像的像移量δdn= ral hazards,2012,61(2):861-872 Hl其中:为成像传感器相对于地面目标的运动速度;〃为相[3. BLOISI E, EBANISTA C, FALCONE L,etal. Infrared image analysis 机距地面的高度;∫为光学系统焦距。调制传递两数为 and elaboration for archaeology: the case study of a medieval capsella MTF hift = sin( f,shift)/f, S hf om Cimitile, Italy [J]. Applied Physics B: Lasers and Optics 在不同的振动频率下,随着振动频率的增加,探测器阵列 010,101(1-2):471-479 图像的像移量越大,图像模糊越严重。以北京地区某机场为[4赵云丰,尹怡欣,付冬梅,等,有效的红外与可见光图像融合方法 实验区,模拟卫星图像的抖动效果如图7所示。 研究[J,计算机应用研究,2009,26(5):1968-1970 熊金国,王丽涛,王世新,等.植被水分遙感监测处理系统的建立 及应用[J].计算机应用研究,2009,26(5):1819-1821,1831 [6顾有林,乔延刈,易维宁,等.卫星影像在热红外场景仿真中的应 用[J].红外与激光工程,2008,37(2):24 (a)无振动 b)振动 c)振动 d)振动 7。杨員军,柳钦火,黄华国,等.基于场景模型的热红外遙感成像模 频率=170Hz 频率=480Hz 频率=1025Hz 拟方法「J.红外与毫亳米波学报,2007,26(1):15-21 图?不同振动频率下仿真图像效果 8桑农,陈艳菲,张天序,等.一和实用的紅外图像模拟生成方法 4.3辐射特性分析 J].华中科技大学学报:自然科学版,205,33(5):55-57 理想传感器认为是线性不变系统,对于线性空间不变系「9徐购,航天光学遥感器的系统仿具技术研究「D1北京:北京理工 统,只要知道各单元的传递函数,总体的传递函数可由各单元 大学,200 的谎制传递函数相乘得到 I0]左月萍,张建奇红外成像系统仿真技术的现状与未来[J].红外 MTFensor = MTF optical Mtf detectcrMtfelectromics 与激光工程,2001,30(4):203-207 其中:MTF表示光学系统MF;MTF表示探测系统】国良,热红外遥感LM,北京:电子工业出版社.06 MTF;TF。表示电子系统MTF。各系统的主要调制传递12】刘强,陈良富,柳软火,,作物冠层的热红外辐射传输模型[ 函数三维效果如图8所小。 遥感学报,2003,1(3):161-167 13 LI Xiao-wen, STRAHLER A H Geometric-optical modeling of a con 5结束语 fer forest canopy[J. IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,1985,GE23(5):705-721 本文在已有研究的基础上,将地面场景模拟、大气辐射模[141 GU De-gui, GILLESPIE A. Topographic normalization of landsat TM 拟、遥感器模拟集于一体,提出了人空地一体化热红外遥感图 images of forest based on subpixel sun-canopy-sensor geometry[ J] 像仿真慰想,川发∫大空地一体化热红外遥感图像仿真系统 Remote Sensing of Environment, 1998, 64(2): 166-175. 分析结果表明该体系将促进卫星图像质量和遥感产品质量的[14 BERK A, ANDERSON G F, ACHARYAP K, t al. MOdtran4U3 提升,提高遥感卫早的服务能力 er's manual[ R. 1999 但该体系仍有待进一步扩展,将模型向应用环节延伸,形[15 MAIIULIKAR SP, RAOG A, SONAWANE IIR,eta. Infrared signa 成一套规范化的热红外遥感模拟图像评价、真实性检验和应用 ture studies of aircraft and helicopters[ C//Proc of PIERS. 2009: 18 效果分析的技术体系,实现热红外遥感图像成像机理和应用过

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