一种光学遥感影像质量综合评价方法

摘要

本发明涉及一种光学遥感影像质量综合评价方法，其包括以下步骤：1）根据理论地面分辨率和地物光谱反射率特性，估算实际地面分辨率GSDreal；2）根据不同空间频率(u,v)地物的辐射响应建立光学调制传递函数MTF；3）根据地物反射率特性R、平均信噪比SNRmean，求解基于连续空间频率的信噪比SNR(u,v)；4）建立综合地面分辨率GSDreal、光学传递函数MTF、信噪比SNR于一体的光学遥感影像质量评价指标：5）根据设定的阈值，采用评价指标P对不同的光学遥感影像进行质量评价，具体过程为：在某一空间频率(u,v)同时计算不同的光学遥感影像的评价指标P，评价指标P大于设定的阈值，表明其所对应的光学遥感影像的质量好，则采用该质量好的光学遥感影像进行目标信息提取及几何纠正。本发明可以广泛应用于光学遥感影像质量评价中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种质量评价方法，特别是关于一种光学遥感影像质量综合评价方法。

背景技术

航空航天光学遥感影像以其信息量丰富、覆盖面积大等特点，已经广泛应用于农 业、林业、环境、地质、海洋、气象、测绘等各个领域。光学遥感影像质量优劣直接 关系到遥感影像信息获取的准确性，也是遥感影像信息提取与应用的关键。随着光学、 微波、激光雷达等航空航天遥感成像技术的日益完善与发展，遥感影像数量飞速增长， 遥感影像质量评价的重要性日益突出，如果全都依靠人工主观评价，不仅耗时耗力， 而且不准确、不客观。现有技术中常用的MTF、SNR、GSD等指标都是从辐射和几何的某 个方面对遥感影像质量进行评价，建立集几何辐射一体化的遥感影像质量综合评价模 型是航空航天光学遥感成像系统设计、遥感影像处理与应用的重要依据与基础保障， 对微波、激光雷达等遥感影像质量评价也具有一定借鉴意义。

光学遥感影像由于在成像过程中受到大气、光照、温度、传感器以及地物特性等 多种因素影响，普遍存在几何误差与信息混淆。定量、客观、综合的评价遥感影像总 体质量是一项复杂的系统工程。光学遥感影像质量至少包括几何质量和辐射质量两个 方面：

1、在几何质量方面，主要表现为地面几何分辨率。地面几何分辨率作为评价光学 系统成像质量的重要手段而被广泛使用，并形成了比较完善的测量标准，主要反应了 遥感成像系统分辨地物细节的能力，单位为“线对/毫米”。遥感影像的理论地面分辨 率GSD_theory是成像传感器一个像元所对应的地面尺寸,以单位长度所包含的像素个数 （单位是“线对/毫米”）可表示为如公式（1）所示，当像元尺寸a、镜头焦距f和 遥感器飞行高度H一定的情况下，GSD_theory为一固定数值，而遥感影像的实际地面分辨 率GSD_real一般是采用人工判读的方式获得。GSD_real与地物的辐照度、反射率、对比度 等因素有关，且GSD_real小于GSD_theory。一般地，GSD（以“线对/毫米”为单位）越大， 说明遥感影像的分辨率越高，遥感影像的质量越优：

${\mathrm{GSD}}_{\mathrm{theory}}=\frac{f}{a·H}---\left(1\right)$

2、在辐射质量方面，主要表现为辐射响应和噪声水平。目前，普遍采用的遥感影 像辐射质量评价指标是光学传递函数(Optical Transfer Function,OTF)和信噪比 （Signal Noise Ratio,SNR）。根据幅值和相位的不同，OTF又可分为调制传递函数 （Modulation Transfer Function,MTF）和相位传递函数（Phase Transfer Function， PTF）。在实际测量与应用中，主要采用MTF来代表OTF。MTF反应了遥感成像系统对 不同空间分辨率地物的辐射响应能力，因此，MTF是空间频率u、v的函数。MTF(u,v) 可以利用刃边法、线对法、点源法等方法测得，通过对遥感影像空间域内点扩散函数 f(x,y)的傅立叶变换计算得到（如公式（2）所示），但是MTF无法反映遥感影像的 另一个重要的辐射特性——噪声水平，且不能全面的衡量遥感影像真实的几何分辨率 水平。一般地，MTF越大，说明遥感影像对地物的辐射响应能力越强，遥感影像的质 量越优：

MTF(u,v)＝FFT(f(x,y))    （2）

式中，FFT表示傅立叶变换。

遥感影像的SNR是遥感影像信息与噪声之比，SNR具有多种表现形式，例如平均 信噪比、峰值信噪比等。无论何种形式的SNR，其基本计算方法都是信号与噪声之比， 例如遥感影像的平均信噪比（SNR_mean），即整个成像传感器芯片的总信号功率Power_signal与总噪声功率Power_noise之比（如公式（3）所示）。SNR反应了在遥感影像的有效信息中 的噪声水平，但是无法反应遥感影像的辐射响应特性。一般地，SNR越小，说明遥感 影像的噪声水平越低，遥感影像的质量越优：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{mean}}={\mathrm{Power}}_{\mathrm{signal}}/{\mathrm{Power}}_{\mathrm{noise}}---\left(3\right)$

目前，常用的无论是地面分辨率GSD、调制传递函数MTF和平均信噪比SNR_mean， 分别从几何分辨率、基于连续空间频率的辐射响应能力和基于零空间频率的噪声水平 三个方面，评价遥感器反映地物信息的能力和记录地物信息的准确性，都无法综合的 衡量遥感影像的总体质量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种光学遥感影像质量综合评价方法，其集 地面分辨率、光学传递函数和信噪比于一体，能够省时省力、客观、准确、全面衡量 光学遥感影像质量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光学遥感影像质量综合评价方 法，其包括以下步骤：1）根据理论地面分辨率和地物光谱反射率特性，估算实际地面 分辨率GSD_real；2）根据不同空间频率(u,v)地物的辐射响应建立光学调制传递函数 MTF；3）根据地物光谱反射率特性的函数、平均信噪比SNR_mean,求解基于连续空间频 率的信噪比SNR(u,v)；4）建立综合地面分辨率GSD_real、光学传递函数MTF、信噪比SNR 于一体的光学遥感影像质量评价指标：

P(u,v)＝F(GSD_real(u,v),MTF(u,v),SNR(u,v))

＝(a₁·GSD_real(u,v)+b₁)·(a_2·MTF(u,v)+b₂)·(a₃·SNR(u,v)+b₃)

式中，F表示P(u,v)与GSD_real(u,v)、MTF(u,v)、SNR(u,v)的映射函数关系，a₁、b₁、 a₂、b₂、a₃、b₃分别为模型的线性调节因子；5）根据设定的阈值，采用评价指标P对 不同的光学遥感影像进行质量评价，具体过程为：在某一空间频率(u,v)同时计算不同 的光学遥感影像的评价指标P，评价指标P大于设定的阈值，表明其所对应的光学遥 感影像的质量好，则采用该质量好的光学遥感影像进行目标信息提取及几何纠正。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用基于连续空 间频谱的系统分析思路，将光学遥感成像系统的几何和辐射特征参量有机结合，提出 了一种能够反映光学遥感成像系统综合性能的评价指标，因此能够弥补现有光学遥感 成像系统质量评价指标不完整，不同性能指标参数之间相互孤立的缺陷。2、本发明将 几何分辨率、基于连续空间频率的辐射响应能力和基于零空间频率的噪声水平三个方 面于一体，准确评价遥感器反映地物信息和记录地物信息的能力，因此能够综合衡量 遥感影像的总体质量，为实现光学遥感成像系统的全面、综合、定量评价提供了可行 的方法。本发明可以广泛应用于光学遥感影像质量评价中。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明实施例一维连续归一化空间频率下遥感影像综合质量的评价指标 P。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明将光学遥感影像的实际地面分辨率GSD_real、调制传递函数MTF和信噪比 SNR分别表示成为空间频率(u,v)的函数，并建立一种综合地面分辨率、调制传递函数 以及信噪比于一体的光学遥感影像质量综合评价指标P：

P＝F(GSD_real(u,v),MTF(u,v),SNR(u,v))    （4）

式中，F表示综合评价指标P与GSD、MTF、SNR的映射关系函数。

如图1所示，基于上述光学遥感影像质量综合评价思想，综合地面分辨率、光学传 递函数和信噪比于一体，本发明提出了一种光学遥感影像质量综合评价方法，包括以 下步骤：

1、根据理论地面分辨率和地物光谱反射率参数，估算实际地面分辨率；

当成像传感器的像元尺寸a、镜头焦距f和遥感器飞行高度H一定的情况下， GSD_theory为一个固定的数值。而实际地面分辨率GSD_real不仅取决于理论地面分辨率 GSD_theory，而且是地物反射率特性R随不同空间频率(u,v)变化作用的结果。因此，可以 将GSD_real表示为理论地面分辨率和地物光谱反射率特性的函数，即：

GSD_real(u,v)＝GSD_theory·R(u,v)    （5）

式中，GSD_theory为遥感器的理论空间分辨率，R(u,v)表示在空间频率(u,v)处的归一 化功率谱密度：

$R(u.v)=\mathrm{Norm}\{\frac{1}{A}\int \int [r(x,y)\otimes r^{*}(x,y)]\times \exp [j2\pi (\mathrm{xu}+\mathrm{yv})\left]\mathrm{dxdy}\right\}---\left(6\right)$

式中，Norm表示归一化处理，A表示遥感影像空间区域，r(x,y)表示(x,y)处地物 的局部反射率，r^*(x,y)是r(x,y)的共轭函数，表示空间相关处理，(x,y)表示遥感影 像空间域位置。

2、根据不同空间频率(u,v)地物的辐射响应建立光学调制传递函数MTF。

MTF(u,v)＝Norm[FFT(PSF(x,y))]    （7）

式中，FFT表示傅立叶变换，Norm表示归一化处理，PSF(x,y)表示遥感影像空 间域(x,y)上的点扩散函数。

3、根据地物光谱反射率特性的函数、平均信噪比SNR_mean，求解基于连续空间频 率的信噪比SNR(u,v)：

SNR(u,v)＝R(u,v)·SNR_mean    （8） 式中,R(u,v)表示在空间频率(u,v)处的归一化功率谱密度函数.

4、建立综合地面分辨率GSD_real、光学传递函数MTF、信噪比SNR于一体的光学 遥感影像质量评价指标P：

$P(u,v)=F({\mathrm{GSD}}_{\mathrm{real}}(u,v),\mathrm{MTF}(u,v),\mathrm{SNR}(u,v))$

$=(a_1·\mathrm{GS}{D}_{\mathrm{real}}(u,v)+b_1)·(a_2·\mathrm{MTF}(u,v)+b_2)·(a_3·\mathrm{SNR}(u,v)+b_3)$（9）

式中，F表示P(u,v)与GSD_real(u,v)、MTF(u,v)、SNR(u,v)的映射函数关系，a₁、 b₁、a₂、b₂、a₃、b₃分别为模型的线性调节因子，可以根据不同的遥感器特性进行设 定，评价指标P的单位为dB。

5、根据设定的阈值，采用评价指标P对不同的光学遥感影像进行质量评价，具体 过程为：在某一空间频率(u,v)同时计算不同的光学遥感影像的评价指标P，评价指标 P大于设定的阈值，表明其所对应的光学遥感影像的质量好（此光学遥感影像所包含 的信息量就越丰富），则采用该质量好的光学遥感影像进行目标信息提取、几何纠正等， 阈值可以根据实际实验需要进行确定，本发明实施例的阈值可以为0.8。同时，可根据 评价指标P值，进行不同光学遥感影像质量优劣对比，光学遥感影像的P值越大，其 质量越优。

下面以一景遥感影像为实施例对本发明光学遥感影像质量综合评价方法进行说 明：首先由该景影像的归一化功率谱密度与理论地面分辨率，计算该景影像的实际地 面分辨率，例如实际地面分辨率为2米；然后计算该景影像的光学调制传递函数MTF， 例如归一化截止空间频率处的MTF为0.1211；其次由地物反射率特性R和该景影像的 平均信噪比SNR_mean，计算基于连续空间频率的信噪比SNR(u,v)；最后设置模型线性调 节因子，例如a₁=1、b₁=0、a₂=1、b₂=0、a₃=1、b₃=0，根据公式（9）计算得到光学遥 感影像质量评价模型的评价指标P。如图2所示为一维空间频率情况下的遥感影像综合 质量评价指标P结果，横坐标表示一维空间频率，纵坐标表示评价指标P，例如：在 一维归一化空间频率为0.499时，其所对应的评价指标P为4.432，根据设定的阈值（例 如0.8）对一景遥感影像的质量进行评价，当评价指标P大于0.8时表明此一景遥感影 响的质量好，可以采用此一景遥感图像的信息进行目标信息提取、几何纠正等。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施方法的各步骤等都是可以有所变化的， 凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护 范围之外。