CN106897962A - 大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法 - Google Patents

Abstract

大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，属于空间遥感探测技术领域。该方法主要包括：计算地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵；在OPC坐标系中的参考球面上建立圆盘投影网格；计算网格点、网格中心点的经纬度，并同时转化至GEO坐标系；建立二维数组N_p存储格点的实际被投影像点个数和二维数组R_p存储格点的实际被投影像点的总强度值；计算各像点卫星坐标系下的视向量，并逐步转化至OPC坐标系中，最终得到投影图像数据矩阵、网格点地理经纬度数据矩阵和网格点中心地理经纬度数据矩阵。该方法将时间序列的观测图像投影拼接至参考球面的同一网格中，所得的投影图像真实准确地描述观测对象的空间分布情况。

Description

大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法

技术领域

本发明属于空间遥感探测技术领域，具体涉及一种大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法。

背景技术

电离层是指地球表面以上60km至1000km的大气层，其主要成分包括电子、氧离子(占80％以上)、氢离子、氦离子及其他微量的重离子，离子成分主要由太阳中的紫外和X射线辐射导致的光化学过程控制，整体上呈现电中性。电离层的主要特性是对穿过电离层的无线电波产生反射、散射、吸收和折射等效应。电离层的变化会影响在电离层中传播的无线电波，进而影响地面通信、卫星通讯、卫星导航等。电离层中的氧离子在太阳辐射作用下会产生远紫外波段的辐射，通过对该辐射进行遥感成像，可以获取电离层状态。极光主要是由太阳风和地球磁层中的高能带电粒子沿地球磁场线注入高纬度地区，将高层大气分子或原子电离激发产生的发光现象，极光产生于地球的高磁纬地区上空即地球的南北两极区域，一般为大于磁纬60°的区域。极光卵的形状和位置对于解释地球空间环境活动状态具有非常重要的意义。

欧美国家已经发射了大量电离层遥感卫星，如美国DMSP卫星上的光谱成像仪SSUSI，TIMED卫星上的GUVI等，这些仪器都采用小视场跨轨扫描方式。为了研究和分析方便，都要将观测图像投影至参考球面的坐标网格内。对于大视场、不同观测模式图像的圆盘投影和拼接方法，目前还没有解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法。

大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、提取时间序列的观测图像的轨道参数计算地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵；

步骤二、根据投影球面空间分辨率、跨轨方向视场角F₁和沿轨方向视场角F₂，在投影圆盘坐标系OPC的参考球面上建立圆盘投影网格，得到沿轨方向的格点个数N，跨轨方向的格点个数M；

步骤三、计算投影圆盘坐标系OPC下的网格点经纬度矩阵和网格中心点的经纬度矩阵，并根据步骤一得到的地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵，将投影圆盘坐标系OPC的网格点经纬度矩阵和网格中心点经纬度矩阵转化为地心坐标系GEO的网格点经纬度矩阵和网格中心点的经纬度矩阵；

步骤四、建立存储格点的实际被投影像点个数的二维数组N_p[M×N]和存储格点的实际被投影像点的总强度值的二维数组R_p[M×N]；

步骤五、根据观测仪器主距、像元尺寸和仪器坐标系至卫星坐标系转换矩阵计算各像点在卫星坐标系下的视向量；

步骤六、根据卫星姿态计算卫星坐标系至轨道坐标系的转换矩阵，并将各像点在卫星坐标系下的视向量转化至各像点在轨道坐标系下的视向量；

步骤七、根据轨道参数计算轨道坐标系至地心坐标系GEO的转换矩阵，并将各像点在轨道坐标系下的视向量转化至各像点在地心坐标系GEO下的视向量；

步骤八、根据地心坐标系GEO至投影圆盘坐标系OPC的转化矩阵，将各像点在地心坐标系GEO下的视向量转化为各像点在投影圆盘坐标系OPC中的视向量；

步骤九、计算各像点在投影圆盘坐标系OPC中的视向量在参考球面上的投影像点的网格点坐标i和j，令N_p[i,j]＝N_p[i,j]+1，R_p[i,j]＝R_p[i,j]+I，I为当前被投影像点的强度；

步骤十、步骤四中的所有像点投影完成后，计算每个格点内的所有投影像点的强度平均值，得到网格点地理经纬度数据矩阵、网格点中心地理经纬度数据矩阵和投影图像数据矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，将时间序列的观测图像投影拼接至参考球面的同一网格中，所得的投影图像真实准确地描述观测对象的空间分布情况，为我国空间环境探测数据处理提供一种解决方案。

附图说明

图1为本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的坐标系设置示意图；

图2为本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的跨轨地心张角计算示意图，其中，(a)为视场范围未超出临边，(b)为视场范围超出临边；

图3为本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的沿轨地心张角计算示意图，其中，(a)为凝视成像模式，(b)为正向扫描成像模式，(c)为反向扫描成像模式；

图4为本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的网格坐标示意图；

图5为本发明的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

以极轨太阳同步轨道上的大视场远紫外成像仪为例：太阳同步轨道高度H＝830km，投影参考球面半径R_r＝6485.0km，地球平均半径R_E＝6375.0km，投影球面空间分辨率Δ＝10km，仪器跨轨视场角F₁＝130°，仪器沿轨视场角F₂＝10°，主距f＝18.18mm，探测器虚拟像元尺寸Δ_d＝0.035mm。仪器工作模式包括：磁纬度±60°之间的凝视成像模式，仪器光轴指向地心；南北两极磁纬度大于60°或小于-60°的区域进行沿轨道扫描成像，光轴扫描范围为ω₁＝60°，ω₂＝60°。

如图5所示，本发明的一种大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法的实施步骤如下：

步骤一、如图1所示，时间序列的轨道参数起始点为终止点为均位于地心坐标系GEO，通过提取时间序列的观测图像的轨道参数计算地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵，其中时间序列起点的轨道向量为投影圆盘坐标系OPC的X轴，投影圆盘坐标系OPC的X轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为时间序列的起点和终点的轨道向量确定的大圆面的法线为投影圆盘坐标系OPC的Z轴，投影圆盘坐标系OPC的Z轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为投影圆盘坐标系OPC的Y轴根据右手定则确定，投影圆盘坐标系OPC的Y轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为得到：

地心坐标系GEO至投影圆盘坐标系OPC的转换矩阵为：

投影圆盘坐标系OPC至地心坐标系GEO的转换矩阵为：

本发明定义投影圆盘坐标系OPC中XY平面中角度变化为经度，+X轴代表0°，相对于XY面的角度变化为纬度，XY面代表0°，向+Z轴方向为正纬度。

步骤二、如图2所示，根据投影球面空间分辨率Δ(单位：km)、跨轨视场角F₁和沿轨方向视场角F₂，在投影圆盘坐标系OPC中的参考球面上建立圆盘投影网格，得到沿Y方向(沿轨方向)的格点个数N，沿Z方向(跨轨方向)的格点个数M；

跨轨方向的格点数为沿轨方向的格点数为N＝N₁+N₂+1，

式中，[]代表四舍五入取整；

投影球面空间分辨率Δ对应于参考球面上的地心张角为δ＝Δ/R_r；

在参考球面上，当视场范围未超出临边(图2(a))，跨轨视场范围覆盖的地心张角的一半为当视场范围超过临边(图2(b))，跨轨视场范围覆盖的地心张角的一半为考虑到轨道面一般并不严格在一个大圆面内，为了保证时间序列内不同轨道位置的图像都能投影至网格内，应适当增大Φ_cr，增加量ΔΦ_cr视轨道偏移情况而定，对于极轨太阳同步轨道，ΔΦ_cr一般取Φ_cr的10％即可；

如图3所示，在沿轨方向，所有时间序列的图像覆盖范围的地心张角由两部分组成：

对于凝视成像模式(图3(a))：

对于正向扫描模式(扫描方向与卫星前进方向一致，如图3(b))：

对于反向扫描模式(扫描方向与卫星前进方向相反，如图3(c))：

步骤三、计算投影圆盘坐标系OPC内的网格点经度矩阵、网格点纬度矩阵、网格中心点的经度矩阵和网格中心点的纬度矩阵，并根据步骤一建立的投影圆盘坐标系OPC至地心坐标系GEO的转换矩阵转换，将投影圆盘坐标系OPC内的网格点经度矩阵、网格点纬度矩阵、网格中心点的经度矩阵和网格中心点的纬度矩阵分别转换为地心坐标系GEO内的网格点经度矩阵、网格点纬度矩阵、网格中心点的经度矩阵和网格中心点的纬度矩阵；

其中，投影圆盘坐标系OPC内网格点纬度矩阵为Λ[(M+1)×(N+1)]，网格点经度矩阵为Σ[(M+1)×(N+1)]，且有i＝0,1,…,M，j＝0,1,…,N。网格中心纬度矩阵为Λ_C[M×N]，网格中心经度矩阵为Σ_C[M×N]，且有∑[i,j]＝-N₂δ+jδ，i＝0,1,…,M-1，j＝0,1,…,N-1。

步骤四、建立二维数组N_p[M×N]用于存储格点的实际被投影像点个数和二维数组R_p[M×N]用于存储格点的实际被投影像点的总强度值；

步骤五、图像中某一像点P的坐标为[p_x，p_y]，像点P在仪器坐标系中的视向量为

其中，x_c、y_c分别为图像X方向和Y方向的中心坐标；

根据仪器坐标系与卫星坐标系的转换矩阵T₁计算像点在卫星坐标系下的视向量

T₁根据地面标定卫星基准立方镜和仪器上的基准立方镜之间的夹角计算，计算过程为现有技术。

步骤六、计算像点在轨道坐标系下的视向量

卫星坐标系至轨道坐标系的转换矩阵T₂为卫星坐标系至轨道坐标系的转换矩阵，根据卫星姿态计算，T₂表示为：

c_y＝cosθ_y,s_y＝sinθ_y,

c_r＝cosθ_r,s_r＝sinθ_r,

c_p＝cosθ_p,s_p＝sinθ_p

式中，θ_p为卫星俯仰角、θ_r为卫星滚动角和θ_y为卫星偏航角。

步骤七、轨道坐标系ORB的X轴为卫星飞行速度方向，轨道坐标系ORB的Z轴从卫星指向地心，轨道坐标系ORB的Y轴根据右手定则确定；

提取当前图像对应的轨道参数，令地心坐标系GEO中卫星轨道位置为卫星速度矢量为则轨道坐标系ORB的Z轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为轨道坐标系ORB的X轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为轨道坐标系ORB的Y轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为得到轨道坐标系ORB至地心坐标系GEO的转换矩阵T₃，T₃表示为：

然后计算像点在地心坐标系GEO下的视向量

步骤八、计算像点在投影圆盘坐标系OPC下的视向量

步骤九、如图4所示，计算像点在投影圆盘坐标系OPC下的视向量在投影圆盘坐标系OPC参考球面上的投影点的网格点坐标i和j，令N_p[i,j]＝N_p[i,j]+1，R_p[i,j]＝R_p[i,j]+I，I为当前被投影像点的强度；

步骤十、步骤四中的所有像点投影完成后，对每个格点内采用求平均值的方法获得每个格点内的强度，最终得到投影图像数据矩阵、网格点地理经纬度数据矩阵、网格点中心地理经纬度数据矩阵。

Claims (9)

1.大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、提取时间序列的观测图像的轨道参数计算地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵；

步骤二、根据投影球面空间分辨率、跨轨方向视场角F₁和沿轨方向视场角F₂，在投影圆盘坐标系OPC的参考球面上建立圆盘投影网格，得到沿轨方向的格点个数N，跨轨方向的格点个数M；

步骤三、计算投影圆盘坐标系OPC下的网格点经纬度矩阵和网格中心点的经纬度矩阵，并根据步骤一得到的地心坐标系GEO与投影圆盘坐标系OPC之间的转换矩阵，将投影圆盘坐标系OPC的网格点经纬度矩阵和网格中心点经纬度矩阵转化为地心坐标系GEO的网格点经纬度矩阵和网格中心点的经纬度矩阵；

步骤四、建立存储格点的实际被投影像点个数的二维数组N_p[M×N]和存储格点的实际被投影像点的总强度值的二维数组R_p[M×N]；

步骤五、根据观测仪器主距、像元尺寸和仪器坐标系至卫星坐标系转换矩阵计算各像点在卫星坐标系下的视向量；

步骤六、根据卫星姿态计算卫星坐标系至轨道坐标系的转换矩阵，并将各像点在卫星坐标系下的视向量转化至各像点在轨道坐标系下的视向量；

步骤七、根据轨道参数计算轨道坐标系至地心坐标系GEO的转换矩阵，并将各像点在轨道坐标系下的视向量转化至各像点在地心坐标系GEO下的视向量；

步骤八、根据地心坐标系GEO至投影圆盘坐标系OPC的转化矩阵，将各像点在地心坐标系GEO下的视向量转化为各像点在投影圆盘坐标系OPC中的视向量；

步骤九、计算各像点在投影圆盘坐标系OPC中的视向量在参考球面上的投影像点的网格点坐标i和j，令N_p[i,j]＝N_p[i,j]+1，R_p[i,j]＝R_p[i,j]+I，I为当前被投影像点的强度；

步骤十、步骤四中的所有像点投影完成后，计算每个格点内的所有投影像点的强度平均值，得到网格点地理经纬度数据矩阵、网格点中心地理经纬度数据矩阵和投影图像数据矩阵。

2.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤一中，时间序列起点的轨道向量为投影圆盘坐标系OPC的X轴，时间序列的起点和终点的轨道向量确定的大圆面的法线为投影圆盘坐标系OPC的Z轴，投影圆盘坐标系OPC的Y轴根据右手定则确定。

3.根据权利要求2所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤一中，时间序列的轨道参数起始点为终止点为投影圆盘坐标系OPC的X轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为投影圆盘坐标系OPC的Z轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为投影圆盘坐标系OPC的Y轴在地心坐标系GEO中的单位向量表示为得到：

地心坐标系GEO至投影圆盘坐标系OPC的转换矩阵为：

$T_{GEO-OPC}=\left[\begin{array}{ccc}{X}_{XOPC}& Y_{XOPC}& Z_{XOPC}\\ X_{YOPC}& Y_{YOPC}& Z_{YOPC}\\ X_{ZOPC}& Y_{ZOPC}& Z_{ZOPC}\end{array}\right]$

投影圆盘坐标系OPC至地心坐标系GEO的转换矩阵为：

$T_{OPC-GEO}=\left[\begin{array}{ccc}{X}_{XOPC}& X_{YOPC}& X_{ZOPC}\\ Y_{XOPC}& Y_{YOPC}& Y_{ZOPC}\\ Z_{XOPC}& Z_{YOPC}& Z_{ZOPC}\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤二中，跨轨方向的格点数沿轨方向的格点数为N＝N₁+N₂+1，

式中，[]代表四舍五入取整；

参考球面上的地心张角δ＝Δ/R_r；

当视场范围未超出临边，

当视场范围超过临边，

对于凝视成像模式：

${\mathrm{\Θ}}_0=-a\sin \left(\frac{R_E+H}{R_r}\sin \frac{F_2}{2}\right)+\frac{F_2}{2},{\mathrm{\Θ}}_{al}=acos\left(\frac{{\stackrel{\→}{P}}_1\·{\stackrel{\→}{P}}_2}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_1\right|\left|{\stackrel{\→}{P}}_2\right|}\right)+asin\left(\frac{R_E+H}{R_r}sin\frac{F_2}{2}\right)+\frac{F_2}{2},$

对于正向扫描模式：

${\mathrm{\Θ}}_0=-asin\left(\frac{R_E+H}{R_r}\sin \frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_1}{2}\right)+\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_1}{2},$

${\mathrm{\Θ}}_{al}=acos\left(\frac{{\stackrel{\→}{P}}_1\·{\stackrel{\→}{P}}_2}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_1\right|\left|{\stackrel{\→}{P}}_2\right|}\right)+asin\left(\frac{R_E+H}{R_r}sin\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_2}{2}\right)-\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_2}{2};$

对于反向扫描模式：

${\mathrm{\Θ}}_0=acos\left(\frac{{\stackrel{\→}{P}}_1\·{\stackrel{\→}{P}}_2}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_1\right|\left|{\stackrel{\→}{P}}_2\right|}\right)-asin\left(\frac{R_E+H}{R_r}sin\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_2}{2}\right)+\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_2}{2},$

${\mathrm{\Θ}}_{al}=a\sin \left(\frac{R_E+H}{R_r}sin\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_1}{2}\right)-\frac{F_2+2{\mathrm{\ω}}_1}{2};$

式中，Δ为投影球面空间分辨率，R_r为参考球面半径，H为轨道高度，R_E为地球平均半径，F₁为跨轨视场角，F₂为沿轨方向视场角，ω₁为起始扫描角，ω₂为结束扫描角，为时间序列的轨道参数起始点，为时间序列的轨道参数终止点。

5.根据权利要求4所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，Φ_cr取实际计算值的110％。

6.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤三中，

投影圆盘坐标系OPC内网格点纬度矩阵为Λ[(M+1)×(N+1)]，网格点经度矩阵为Σ[(M+1)×(N+1)]，且有i＝0,1,…,M，j＝0,1,…,N；

投影圆盘坐标系OPC内网格中心点纬度矩阵为Λ_C[M×N]，网格中心点经度矩阵为Σ_C[M×N]，且有∑[i,j]＝-N₂δ+jδ，i＝0,1,…,M-1，j＝0,1,…,N-1；

式中，参考球面上的地心张角为δ＝Δ/R_r，R_r为参考球面半径，Δ为投影球面空间分辨率。

7.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤五中，各像点卫星坐标系下的视向量T₁为仪器坐标系与卫星坐标系的转换矩阵，为图像中某一像点P在仪器坐标系中的视向量，P的坐标[px，py]， 其中x_c、y_c分别为图像X方向和Y方向的中心坐标，F为观测仪器主距，Δ_d为像元尺寸。

8.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤六中，各像点轨道坐标系下的视向量 为各像点卫星坐标系下的视向量，T₂为卫星坐标系至轨道坐标系的转换矩阵，T₂表示为：

$\begin{array}{c}{T}_2=\left[\begin{array}{ccc}{c}_y& -s_y& 0\\ s_y& c_y& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& c_r& -s_r\\ 0& s_r& c_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{c}_p& 0& s_p\\ 0& 1& 0\\ -s_p& 0& c_p\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}{c}_y{c}_p-s_y{s}_r{s}_p& -s_y{c}_r& c_y{s}_p+s_y{s}_r{c}_p\\ s_y{c}_p+c_y{s}_r{s}_p& c_y{c}_r& s_y{s}_p-c_y{s}_r{c}_p\\ -c_r{s}_p& s_r& c_r{c}_p\end{array}\right]\end{array}$

c_y＝cosθ_y,s_y＝sinθ_y,

c_r＝cosθ_r,s_r＝sinθ_r,

c_p＝cosθ_p,s_p＝sinθ_p

式中，θ_p为卫星俯仰角、θ_r为卫星滚动角和θ_y为卫星偏航角。

9.根据权利要求1所述的大视场空间对地观测图像的圆盘投影和拼接方法，其特征在于，所述步骤七中，各像点在地心坐标系GEO下的视向量 为各像点在轨道坐标系的视向量，T₃为轨道坐标系ORB至地心坐标系GEO的转换矩阵，T₃表示为：

$T_3=\left[\begin{array}{ccc}{X}_{XORB}& X_{YORB}& X_{ZORB}\\ Y_{XORB}& Y_{YORB}& Y_{ZORB}\\ Z_{XORB}& Z_{YORB}& Z_{ZORB}\end{array}\right]$

轨道坐标系ORB的X轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为轨道坐标系ORB的Y轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为轨道坐标系ORB的Z轴在地心坐标系GEO中的单位矢量为

地心坐标系GEO中卫星轨道的位置卫星速度矢量皆通过轨道参数确定。