空间遥感图像退化机理及复原关键技术研究
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着科技的迅速发展，空间遥感技术得到了长足的发展，遥感器技术也日益成熟稳重，空间遥感影像在各个领域得到了广泛的应用。现阶段，航天遥感技术已经应用到各个领域，空间遥感图像在人类探索自然，改造自然的过程中，发挥了巨大的作用。例如，在2008年汶川大地震给我国造成了巨大的财产损失和人员伤亡，并在地表形成了大量的地震断层，而后科员人员充分利用航空遥感图像及台湾福卫-1星遥感图像对灾区的地貌进行了分析，从而分析灾害，指导救灾，并为以后的抗震救灾提供了指导。在海湾战争中，美国利用侦查卫星进行敌方地面信息的获取。从而为对敌的精确打击提供了第一手的资料，为战争赢得了先机。遥感图像还可以用来监控地球表面的变化，例如有学者利用EOS/MODIS卫星获取的图像来研究青藏高原的土地沙漠化程度并用来监测。航天相机获得的信息量大，成像的质量也相对较高，而且由于在太空中，没有国界的限制，因此，航天相机在商用、军用、民用中都占有重要的地位，全力支持航天的发展具有重要的现实意义。
我国近几年在航天遥感上的进步巨大，载人航天也得到了长足的发展，空间遥感技术更是日益增强。我国地形复杂，东西南北差异巨大，单靠人力或传统的监测方法是无法完成的，而且有由于我国国土面积己经远远超出了当前航天相机的地面覆盖宽度。因此，我国亟需研发大视场，高精度的空间遥感相机，以保障我国人民的生命和财产安全，保障我国的国土安全。
调制传递函数补偿作为增加遥感图像质量的一种方法，在处理退化后的遥感图像的过程中占有重要地位，目前各个国家均在研究利用该方法对遥感图像进行处理。由于受到内外因素的影响，在遥感图像成像时会使得图像的调制传递函数，在中频段呈现下降的现象，利用技术处理退化后的遥感图像，从而使得到的图像具有更高的分辨率，这可以缩短光学系统的研发周期，减小研发成本，充分发挥该类光学系统的功能。
综上所述，如何将获得的高分辨率航天遥感图像进行处理以提高观测到的图像的质量，是航天遥感系统中的重要研宄课题。获取高质量的航天遥感图像，需要对获得的遥感图像进行相关的处理，主要以图像复原为主。图像质量复原的过程是一般先将图像由空间域上转换到频率域，然后根据建立的点扩散函数（PSF）在频率域上进行卷积等操作，最后将频率域变为空间域，从而对图像进行复原。
1.2国内外研究现状
为了提高获得的空间遥感图像的分辨率，各个国家进行了多方面的研究和探索。通过研究发现，当空间遥感器的轨道高度和探测器像元的尺寸固定了后，随着空间相机的焦距的增长，该相机获得的遥感图像的分辨率也逐渐变高。然而空间遥感器的MTF主要由成像系统的相对孔径决定，尽管孔径越大，质量越大，获得的遥感图像质量越好，但是使得遥感器的制作成本加大，进一步使得其可靠性大大下降。因此协调好遥感器的微型化与图像的清晰化这一对矛盾，是遥感卫星和遥感技术发展的重点。
1.2.1国内外卫星开发现状
美国于2000年发射了一枚用于商业的遥感卫星IONOS，该卫星可以提供1m分辨率的全色波段（黑白）图像及4m分辨率的多光谱图像，由于该卫星的分辨率较高，故地面的一些中小型目标可以识别，例如地面上的车辆，坦克，战斗机等。该卫星的重量为726g，图1.1-（a）为该卫星的图片。
美国2001年发射的快鸟卫星，也是用于商业用途的。该卫星的在轨高度为450m，提供的遥感图像可以清晰的识别出建筑物的细节信息图1.1-（b）为该卫星在空间中的图片。
1.2.2遥感图像复原现状
1962年的国际环境科学大会上正式开始使用遥感一词，遥感技术主要是利用地面及空间的探测设备，用以探测并获取目标的信息，尤其是地球信息的一种技术，地球信息主要指海陆空三个方面的信息，火山喷发，地震等其他人类无法接近的自然现象。
尽管近几年卫星发射数量正逐渐增加，而且釆用了新的设计理念。得到的遥感图像的分辨率不足，可以在地面上用图像补偿的方式提高，空间遥感相机在设计时的物理功能上的不足，表现为MTF较低，在地面上经过图像复原处理后，可以有效的提高图像的MTF。
第二章退化图像复原概论
2.1空间遥感图像退化因素
图像复原作为图像处理的一个重要分支，兴起于20世纪50年代末60年代初，计算机用于处理空间探测器发回的图像处理的工作，早在1964年，计算机就用来对旅行者7号;卫星传送回地球的月球图像进行了处理，以校正卫星摄像机产生的图像畸变。而后，计算机处理图像技术日益发展起来。
从观测地面目标幵始，经空间遥感相机成像，到最终在地面获得遥感图像，经历了复杂的成像环节，受到了复杂的环境影响，从而导致了一定程度的降质。主要有以下几个因素导致了空间遥感图像的退化降质。
2.1.1影像移动
在成像过程，即曝光时间内，目标影像与成像介质之间会发生相对影像移动，这是影像位移。当TDICCD相机的行转移速率在成像期间与像移速度不一致，或搭载相机的飞行器飞行方向与相机的线阵方向不完全垂直时，将会导致沿轨或跨轨方向的影像移动。从而导致图像的几何失真，从而导致图像退化，尤其是当像移量很大时，图像质量将严重下降，有时甚至无法辨识。这种图像是没有实际用处的。因此受到影像移动而导致了图像的模糊，从而造成图像质量的下降。一般的，图像成像时的物体的高速运动会造成像移，假定成像时的运动为勾速的，速度为v，则某段时间间隔t内的退化模型为公式2.1。
当知道影响图像生成时的运动参数时，可以考虑直接利用该退化模型进行求解，但通常并不会有专门的仪器记录该数据，因此在空间遥感图像的复原工作中，通常无法利用该模型进行准确的图像复原。
2.2图像退化模型
基于成像理论，我们知道在图像的成像过程中，图像会产生退化，主要有两种图像退化模型：连续退化模型，离散退化模型。
在航天相机的成像过程中，地面的场景投影到某个平面上后，经过航天相机的成像系统在航天相机中显示出来。
在图像复原时，一般需要知道图像的一些参数，并能建立准确的图像退化模型以正确反映出图像的退化原因。原始图像I（x，y）经过指定的成像系统H中，成像系统响应I（x，y）的同时会有加性噪声n（x，y），此时系统的输出图像g（x，y），为退化后的图像。因此若知道了退化后的图像、进行卷积的加性噪声n（x，y），及系统的退化函数H，就能得到原始的图像I（x，y）。
假设系统H是一个线性的并且空间不变的系统，那么在空间域中图像退化的过程可以用公式2.3表示：
考虑到空间遥感系统在沿轨和跨轨方向的参数是略有不同的，因此在分析时，需要考虑到沿轨和跨轨两个方向。然而对于一般的推扫式成像技术，若在沿轨方向和跨轨方向由相移引起的不对称性相差很小，则可以将模型简化为利用某一方向的参数进行表示。下文中对遥感系统和遥感图像的参数进行描述时将详细表述由某一方向求取图像退化函数的过程。
第三章退化图像处理方案.........17
3.1图像复原参数获取方案.......17
3.1.1图像的参数.........17
3.1.2参数的获取方法........19
第四章遥感图像评价方案.......29
4.1传统的评价方法...........29
4.1.1传统评价方法对比...........29
4.1.2实验对比........31
第五章复原实验与效果评价........40
5.1靶图像复原效果及评价..........40
5.1.1图像参数的获得..............40
第五章复原实验与效果评价
在本章中，将对上文提到的点扩散函数求取的方案进行验证，分别对紀图像及某一空间遥感图像的部分区域进行了图像复原操作。分别研究了一下几个内容：（1）不同复原算法对退化图像的复原效果；（2）不同评价方法及体系的效果比较；（3）噪声条件下图像复原的效果及评价。勒图像是标准的含有刃边的图像，用该图像进行刃边选取方法的验证和复原评价的验证，可以为实际的应用提供参考。首先介绍革巴图像的复原实验。
5.1朝图像复原效果及评价
在遥感图像中，一般采用含有刃边的紀图像来评判图像参数选取的精确程度。图5.1为图像的原始图像及中心放大后的图像。
5.1.1图像参数的获得
观察勒图像，可以发现有较多的刃边区域可以选取，在此选取的刃边区域及放大后的图像如下图：
第六章总结与展望
本文以空间遥感图像的复原为主线，系统而又全面的介绍了空间遥感图像退化的机理、基于倾斜刃边法求取点扩散函数的图像复原及利用综合评价法对复原图像进行评价的过程。空间遥感系统如卡塞格林系统等所拍摄的图像在图像中频段普遍有MTF偏低的现象，这种现象反映在图像中就是图像的质量下降，因此需要在地面上进行图像复原工作以提高图像的质量。本文首先分析了遥感图像的退化机理，并对倾斜刃边法提取图像的复原参数的方法进行了介绍和实现，并对不同的实验图像进行了复原效果的对比。实验结果说明，利用倾斜刃边法求取空间遥感图像的点扩散函数并对其复原，将有效的提升图像质量，对复原后图像利用主客观方法评价，也证实了上述结论的正确性。
6.1论文工作总结
论文中对以下工作进行了详述：
（1）本文首先介绍了目前国内外在空间遥感卫星和遥感图像处理方面的发展现状，然后对空间遥感图像形成的影响因素进行了说明，从而得出改善空间遥感图像的两个方面是消除图像噪声及提高图像的细节表现力。
（2）对图像退化及复原的原理进行了描述，并针对遥感图像求取点扩散函数的方法进行了详细描述，针对空间遥感图像求取点函数的过程，提出了最优费米拟合的方案用于拟合边缘扩散函数ESF，并用于图像复原，收到了较好的复原效果。
（3）介绍了常见的图像评价算法用于空间遥感图像复原后的评价，并对各个评价方法的可靠性进行了实验对比和，并以此为基础，本文提出了适用于空间遥感图像复原的评价体系和一种有效的图像评价方案用于图像评价。经过对图像的主客观评价，验证了所提方案的有效性。
（4）采用改进的点扩散函数求取方案对遥感图像进行了复原参数的求取，然后利用提出的遥感图像复原评价体系和评价方案进行了复原效果评价，从而验证了图像复原的有效性。
6.2研究展望
本文提出了一种改进的费米函数拟合方案用于刃边法选取图像复原参数时的数据拟合，实验证明了该方案的有效性。然而，通过多组实验得知，即使在同一幅遥感图像上选取刃边区域用来获得点扩散函数，随着位置的不同，获得的点扩散函数仍有轻微的差异，从而造成的调制传递函数也有差异。这样，即使优化了点扩散函数的求取过程，由于选取区域的差异，所得的点扩散函数与调制传递函数仍有误差，而退化函数求取的精确与否与复原效果密不可分，如何能取到理想的刃边，就成了下一步研究的重点。在进行建模时，将跨轨方向和沿轨方向的参数认为是一个，这简化了计算，但若需要对图像进行精确复原，需要对两个方向的参数进行求解。
参考文献（略）