王奮飛，任　鑫，劉建軍，李春來

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京　100012；2. 中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室，北京　100012)

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嫦娥二號CCD立體相機圖像質(zhì)量分析

王奮飛1,2，任鑫1,2，劉建軍1,2，李春來1,2

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京100012；2. 中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室，北京100012)

摘要：嫦娥二號衛(wèi)星作為我國第2顆成功發(fā)射的月球探測器，搭載的CCD立體相機在軌運行期間獲得覆蓋全月的7 m分辨率圖像，給月球科學(xué)家提供了重要的研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展了對CCD立體相機圖像質(zhì)量情況的全面分析，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法的選擇、圖像數(shù)據(jù)判讀和科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用等提供參考。從圖像客觀評價角度出發(fā)，得出嫦娥二號圖像與現(xiàn)有國外同分辨率數(shù)據(jù)的圖像質(zhì)量相當(dāng)。重點分析了需要注意的幾個質(zhì)量問題，如嫦娥二號圖像存在明顯的地域特征，圖像壓縮使質(zhì)量受損，存在一定的條帶噪聲，相鄰軌道間圖像定位偏差大等，這些質(zhì)量問題在后續(xù)圖像處理中需重點關(guān)注。

關(guān)鍵詞：嫦娥二號；CCD立體相機；圖像質(zhì)量；月球

2010年10月1日，作為我國探月二期工程的技術(shù)先導(dǎo)星嫦娥二號衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，直接進入奔月軌道，經(jīng)過1次軌道中途修正順利進入軌道高度為100 km的環(huán)月軌道。嫦娥二號其中一項重要的任務(wù)目標(biāo)是利用CCD立體相機在15 km近月點對嫦娥三號任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)開展高分辨率成像試驗，并且在100 km環(huán)月圓軌道，獲取分辨率優(yōu)于10 m的月球表面圖像。2010年10月24日，嫦娥二號衛(wèi)星上的兩線陣CCD立體相機首次開機工作，并成功獲取了前視與后視兩個視角的圖像數(shù)據(jù)。至2011年5月， 嫦娥二號衛(wèi)星CCD立體相機完成了對月球成像全部的探測任務(wù)。在整個任務(wù)期間，共獲取607軌圖像數(shù)據(jù)。文[1-2]介紹了嫦娥二號立體相機的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)；文[3]對在軌圖像數(shù)據(jù)進行了成像分析；文[4]對立體相機數(shù)據(jù)預(yù)處理方法與流程進行了說明，并初步評價了圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，本文對立體相機圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量問題進行全面的分析和總結(jié)，重點指出數(shù)據(jù)使用者在后續(xù)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用中需要注意的幾個問題，比如嫦娥二號月球圖像區(qū)域性特征、圖像噪聲、相鄰軌道間幾何定位偏差大等質(zhì)量問題。

1數(shù)據(jù)

1.1 CCD立體相機

CCD立體相機是搭載在嫦娥二號衛(wèi)星上的主要有效載荷之一，采用時間延時積分電荷耦合元件(Time Delay and Integration Charge Coupled Device, TDICCD)，以線陣推掃成像方式沿衛(wèi)星飛行方向獲取前視與后視兩個視角的兩線陣圖像條帶[1]。兩條線陣共用一套光學(xué)系統(tǒng)，平行安裝在焦平面上，像元數(shù)為6 144元，像元尺寸為10.1 μm × 10.1 μm，相機光軸與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系+Z軸平行。圖1給出了CCD立體相機在軌道高度為15 km和100 km的成像原理[5]，其空間分辨率隨軌道高度的變化有所不同：在100 km軌道上，空間分辨率約為7 m，成像幅寬約為43 km；在15 km軌道上，空間分辨率約為1.5 m，幅寬約為9.2 km。圖像數(shù)據(jù)在星上有不壓縮、2倍、4倍、8倍等4種壓縮模式。實際數(shù)據(jù)獲取過程中，100 km圖像采用8倍壓縮，15 km圖像采用4倍壓縮。CCD相機設(shè)置了16級、32級、48級、64級及96級五檔積分級數(shù)，0.7、1.0和2.0三檔增益，積分級數(shù)和增益的設(shè)置由光照條件和月表平均反射率等因素決定。

圖1CCD立體相機在軌道高度為15 km和100 km成像原理示意圖

Fig.1The schematic diagram of the CCD stereo camera imaging at the height of 15km and 100km

1.2 數(shù)據(jù)獲取情況

CCD立體相機在衛(wèi)星進入工作軌道后，光照條件允許(太陽高度角≥5°)的情況下，開機獲取圖像數(shù)據(jù)，實際拍圖過程中也獲取了極區(qū)附近太陽高度角小于5°的月面區(qū)域。CCD相機的開機工作時間見表1。

(1)在軌測試階段

北京時間2010年10月24日16時49分，嫦娥二號衛(wèi)星上的兩線陣CCD立體相機首次開機工作，并成功獲取了前視與后視兩個視角的圖像數(shù)據(jù)。北京時間2010年10月26日21時27分，嫦娥二號衛(wèi)星成功進入100 km × 15 km橢圓試驗軌道，對嫦娥三號任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)開展高分辨率成像試驗，經(jīng)過約2天的環(huán)月飛行，總共獲取了19軌圖像數(shù)據(jù)。

(2)100 km全月成圖

從2010年11月2日開始正式轉(zhuǎn)入長管運行階段，至2010年11月29日，CCD立體相機共獲取341軌數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在現(xiàn)有的軌道傾角下所有區(qū)域的數(shù)據(jù)完全覆蓋(除6軌數(shù)據(jù)有少量縫隙)。從2010年11月30日開始至12月20日，CCD立體相機對第1次覆蓋過程中的6處縫隙進行了補拍，獲得29軌補縫數(shù)據(jù)。至此，除南北極區(qū)，CCD立體相機實現(xiàn)了全月球圖像覆蓋，共獲取了370軌圖像數(shù)據(jù)。

實踐性知識不僅可以通過教師的言語表現(xiàn)，還可以通過身體語言展現(xiàn)。身體語言特指非詞語性的身體符號，包括目光和面部表情、身體動作和姿勢等。教師在和學(xué)生交流時，即使不說話，也可以憑借對方的身體語言來實現(xiàn)信息的傳遞，達(dá)到溝通目的。在技能教學(xué)過程中，教師經(jīng)常依賴手勢、表情等傳遞教學(xué)信息，表達(dá)情感和觀點。

(3)擴展任務(wù)

2011年1月23日至4月22日，衛(wèi)星處于側(cè)飛階段，CCD立體相機關(guān)機。從4月23日開始，逐步開展嫦娥二號的拓展任務(wù)。第1項拓展任務(wù)是調(diào)整衛(wèi)星的軌道傾角參數(shù)，對南北極極點漏洞進行補拍。至5月20日，獲得圖像數(shù)據(jù)168軌，實現(xiàn)了全月球圖像覆蓋。2011年5月20日，開始進行第2項拓展任務(wù)，衛(wèi)星調(diào)整軌道高度，再次降至近月點15 km軌道高度，對虹灣地區(qū)進行高分辨率成像，至5月23日，共獲取了16軌圖像數(shù)據(jù)。至此，CCD相機共獲取607軌圖像數(shù)據(jù)。隨后，CCD立體相機關(guān)機，進入第3項拓展任務(wù)，衛(wèi)星離開月球，飛向拉格朗日點。

2圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2.1與國外同類圖像質(zhì)量評價對比

圖像質(zhì)量是指人們對一幅圖像視覺感受的主觀反映。從判別方法來分，圖像質(zhì)量的評價可以分為主觀判別方法和客觀判別方法。主觀判別方法是指以人的視覺效果作為評判準(zhǔn)則，由觀察者對圖像質(zhì)量作出判斷?？陀^判別方法是指用可定量分析的數(shù)學(xué)模型表達(dá)人對圖像的主觀感受。主觀判別方法一般與視覺效果符合較好，但這些主觀標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成受判讀過程中人為因素的影響。而客觀判別方法從理論出發(fā)，經(jīng)過各種數(shù)學(xué)計算定量地分析，得到圖像質(zhì)量的科學(xué)指標(biāo)，其理論性強，快速穩(wěn)定，能給出定量數(shù)據(jù)。因此，本文從客觀評價角度對嫦娥二號立體相機圖像的質(zhì)量進行評價。常用的一些衡量客觀質(zhì)量評價指標(biāo)主要有灰度均值、灰度方差、灰度值動態(tài)范圍、信息熵、清晰度、邊緣強度等[6]。

為了更全面地評價嫦娥二號圖像，本文選取成像區(qū)域相同、成像條件相似、空間分辨率相近的圖像數(shù)據(jù)作為參考對比數(shù)據(jù)，分別計算嫦娥二號圖像和參考圖像的客觀評價指標(biāo)，并加以比較。對于100 km軌道高度獲取的7 m分辨率圖像，選取了嫦娥二號圖像的軌道號為第190軌，位于Apollo 15登月點附近的圖像數(shù)據(jù)，比較了相同地理位置的嫦娥二號圖像與日本月神號探測器(Selenological and Engineering Explorer, SELENE)7.4 m分辨率圖像，客觀評價指標(biāo)計算結(jié)果見表2。對于15 km軌道高度獲取的1.5 m分辨率圖像，選取了嫦娥二號圖像的軌道號為第239軌，與相同地理位置的美國月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO)1.5 m分辨率圖像進行比較，客觀評價指標(biāo)對比結(jié)果見圖2。

圖2美國月球勘測軌道飛行器數(shù)據(jù)與嫦娥二號圖像客觀評價指標(biāo)比較

Fig.2The comparison of the objective image quality indicators between US LRO and CE-2 data

圖像質(zhì)量客觀指標(biāo)的對比分析結(jié)果表明，嫦娥二號在100 km軌道高度獲取的7 m分辨率圖像，與日本SELENE 7.4 m分辨率圖像相比，嫦娥二號圖像在灰度均值、清晰度、邊緣強度等方面要優(yōu)于SELENE數(shù)據(jù)，在方差、平均梯度、信息熵等方面相當(dāng)；嫦娥二號在虹灣15 km軌道高度獲取的1.5 m分辨率圖像，與美國月球勘測軌道飛行器衛(wèi)星的1.5 m分辨率圖像相比，各項客觀評價指標(biāo)相當(dāng)。

但是，嫦娥二號圖像有幾個質(zhì)量問題在進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用時值得關(guān)注。主要有以下幾方面的問題：一是月球圖像具有明顯的地域性差異，選擇數(shù)據(jù)處理算法時需要考慮不同地域圖像的適應(yīng)性；二是部分區(qū)域圖像存在壓縮質(zhì)量受損以及圖像噪聲等問題，后期數(shù)據(jù)處理時需要考慮圖像去噪和圖像增強處理；三是相鄰軌道間圖像的平面位置偏差大，需要考慮采用攝影測量平差方法進行軌道優(yōu)化。

2.2月球圖像質(zhì)量地域性差異特征

(1)月球圖像具有明顯的地域特征，高地圖像的亮度、對比度、圖像層次和清晰程度、所包含的紋理信息等方面都明顯好于月海圖像(圖4)；

(2)無論是高地還是月海，高緯度地區(qū)的圖像質(zhì)量好于低緯度地區(qū)。

因此，在選擇圖像處理算法的時候必須充分考慮月球影像的數(shù)據(jù)特點及質(zhì)量的地域性特征。

圖3高地圖像 (左圖) 和月海圖像對比 (右圖)

Fig.3The comparison of images captured at the highland (left) and the mare (right)

2.3圖像壓縮和噪聲問題

嫦娥二號圖像在星上采用了圖像壓縮，地面解壓后的圖像帶來了一定的質(zhì)量損失，月海圖像較高的地區(qū)質(zhì)量損失明顯。此外，嫦娥二號影像有帶通噪聲和隨機噪聲(圖5)。后續(xù)圖像處理中需要考慮，比如在選擇圖像匹配算法的時候需要考慮圖像噪聲的影響，匹配算法對噪聲具有一定的魯棒性。

圖4高地圖像 (左圖) 和月海圖像對比 (右圖)

Fig.4The comparison of images captured at the highland (left) and the mare (right)

2.4相鄰軌道位置偏差問題

衛(wèi)星軌道與姿態(tài)的穩(wěn)定度和測量精度，對CCD圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量和幾何定位精度具有很大的影響。為了評估衛(wèi)星軌道與姿態(tài)對全月球圖像質(zhì)量的影響，尤其是幾何定位精度的影響，本文利用測控系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合CCD影像數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星在軌運行期間的軌道和姿態(tài)進行了系統(tǒng)的分析，以評價其對圖像數(shù)據(jù)初始定位結(jié)果的影響程度。

本文選取軌道號從301到640中的334軌前視圖像，除極點外這些數(shù)據(jù)對月球的覆蓋率在99%以上。相鄰軌道圖像在赤道處重疊度約為24%，隨著緯度的增加，重疊度亦增加。在相鄰軌道圖像的重疊區(qū)域提取同名像點，用于分析相鄰軌道數(shù)據(jù)的相對定位誤差。在334軌數(shù)據(jù)中，共選取了約22 000個均勻分布的同名像點，計算了這些同名像點在相鄰軌道圖像上的位置偏差，位置偏差的平均值為187.690 m，最大值為2 667.590 m，最小值為0.411 m，標(biāo)準(zhǔn)差為211.518 m，圖6給出了定位偏差的分布情況。可以看出，絕大部分區(qū)域超過了2像素(14 m)，占99.4%，不能滿足像素級 “無縫” 鑲嵌的要求，圖像數(shù)據(jù)需要在幾何定位的基礎(chǔ)上進行幾何配準(zhǔn)處理。

圖5嫦娥二號圖像局部地區(qū)存在條帶噪聲現(xiàn)象

Fig.5The stripe noises in the regional image of CE-2

圖6嫦娥二號相鄰軌道圖像初始定位結(jié)果偏差空間分布圖

Fig.6The spatial distribution of the location deviation in the initial positioning between adjacent images

3結(jié)語

本文從客觀評價角度對嫦娥二號圖像質(zhì)量進行了評價，得出其圖像質(zhì)量與國外同類數(shù)據(jù)相比質(zhì)量相當(dāng)，表明嫦娥二號相機數(shù)據(jù)具有較好的應(yīng)用前景。但是原始圖像質(zhì)量具有區(qū)域性特征，存在若干質(zhì)量問題，在后續(xù)圖像處理應(yīng)用特別是圖像匹配算法設(shè)計上要重點考慮。相鄰軌道圖像平面位置偏差分析表明，偏差的平均值為188 m，是原始圖像分辨率的幾十倍甚至近百倍。因此，采用原始的衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)全月圖像數(shù)據(jù)的無縫鑲嵌和高精度絕對定位，在后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中需要考慮采用攝影測量平差處理的方法，對原始的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，提高原始圖像數(shù)據(jù)的相對和絕對定位精度，以滿足各種應(yīng)用需要。

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CN 53-1189/PISSN 1672-7673

Image Quality Evaluation of the CCD Stereo Camera of Chang’E-2 Lunar Satellite

Wang Fenfei1,2, Ren Xin1,2, Liu Jianjun1,2, Li Chunlai1,2

(1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: renx@nao.cas.cn;2. Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

Key words:Chang’E-2; CCD stereo camera; Image quality; Moon

Abstract:The CCD stereo camera carried by the Chang’e-2, which is China’s second lunar probe satellite, successfully scanned the full coverage of the lunar surface at 7m spatial resolution during its operation. Those images are served as important data basis in relevant lunar scientific activities. However, till now, most studies have paid few attentions to its quality issues, which could introduce errors and uncertainties in the subsequent analysis, such as the image processing algorithm selection, the image interpretation and the scientific data application. In this study, we conducted a comprehensive objective assessment on the image quality of the CCD stereo camera. We found that the quality of the images captured by the Chang’e-2 is equivalent to that of foreign satellites at the same spatial resolution. We also analyzed several quality issues that needs special concern in the following image processing, such as the distinct geographic patterns exist in Chang’e-2 images, the image compression induced quality reduction, stripe noises, large location deviation between adjacent images.

基金項目：國家自然科學(xué)基金 (11273037) 資助.

收稿日期：2015-04-23；

修訂日期：2015-05-02

作者簡介：王奮飛，男，博士. 研究方向：月球遙感圖像處理算法. Email: renx@nao.cas.cn

中圖分類號：P236

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)01-0093-07