低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法技术

本发明专利技术针对全球变化研究的需要和现有技术的不足，提出了一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法。处理过程为：(1)对待处理的低分辨率多源遥感图像进行解析，获得图像和对应的经纬度数据；(2)以解析出来的经纬度数据为基础，采用扫描线地理坐标插值法对原始图像进行几何粗定位；(3)以MODIS图像为基准进行图像自动匹配，并使用分块随机采样一致性方法和迭代最小二乘方法剔除误匹配点，最后使用多项式完成几何精校正；(4)以MODIS图像为基准和校正后的图像进行自动匹配，获得若干分布均匀的控制点用来计算精校正后图像的中误差，完成自动几何校正精度评价。

【技术实现步骤摘要】
低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法
本专利技术涉及图像处理技术，具体地说，是一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法。
技术介绍
遥感技术以其便捷、快速、能提供多尺度全球和区域地表的信息的优势，在全球变化问题研究中发挥着非常重要的作用。其中低空间分辨率(低分辨率)的遥感数据因具有长期持续观测、高时间分辨率、全球覆盖的特点成为全球变化研究中重要的数据源，这里的低空间分辨率数据主要指空间分辨率低于百米的数据。目前国内外几种常用的低空间分辨率多光谱遥感图像的传感器主要包括：(1)中分辨率成像光谱仪(MODIS)。MODIS是美国国家航空航天局(NASA)发射的TERRA和AQUA两颗卫星上的主要传感器之一，可获取来自大气、海洋、陆地表面的信息，可以实现1～2天覆盖全球一次。扫描角为±55°，扫描带宽约为2340km；共有36个光谱通道(0.4～14.3μm)；其中2个通道的星下点空间分辨率为250m，5个可见光、远红外通道的星下点空间分辨率为500m，其余29个通道的星下点空间分辨率为1km。(2)改进型甚高分辨率辐射仪(AVHRR)。AVHRR主要搭载于NOAA系列气象卫星上，是至今使用时间最长、应用最广的传感器。扫描角为±55.4°，扫描带宽约为2800km。AVHRR数据包括五个波段，一个可见光波段、近红外波段、中红外波段和两个热红外波段，星下点的分辨率为1.1KM。(3)可见光红外扫描辐射计(VIRR)和中分辨率光谱成像仪(MERSI)。VIRR和MERSI搭载于风云三号卫星(FY-3)上。FY-3卫星是我国的第二代极轨气象卫星，分两个批次。01批的FY-3A和FY-3B星为试验星，分别于2008年5月27日和2010年11月5日在太原卫星发射中心用“长征四号丙”运载火箭发射成功；02批卫星暂时还未发射。VIRR的扫描角为±55.4°，有10个光谱通道(0.43-12.5μm)，星下点空间分辨率为1.1km。FY-3/MERSI有20个波段，其中5个波段的星下点空间分辨率为250m，15个波段的星下点空间分辨率为1.1km。(4)可见光红外自旋扫描辐射计(VISSR)。VISSR搭载于风云三号卫星(FY-2)上。FY-2卫星是我国自行研制的自旋稳定的第一代静止气象卫星，分三个批次。01批的FY-2A和FY-2B星为试验星；02批的FY-2C、FY-2D和FY-2E星为业务卫星；03批的FY-2F已于2012年1月13日发射成功。FY2/VISSR共5个波段，其中可见光-近红外通道的星下点空间分辨率为1.25km，另外四个红外通道的星下点空间分辨率为5km。不同卫星、不同传感器的低空间分辨率遥感图像各自具有不同的观测波段、空间分辨率、时间分辨率、数据累计时段以及覆盖区域等特点。因此，覆盖全球的遥感监测，并非单一平台或传感器能胜任，单一使用某一种低分辨率数据往往并不能满足全球变化研究的需求，这就要求将多源遥感数据进行集成应用。然而，这些低空间分辨率遥感图像的数据获取平台、数据获取方法等不相同，使得不同低分辨率遥感图像的几何定位精度不相同。MODIS的标准数据产品已经在相关科研领域内得到了广泛的应用，几何精度优于一个像元，其它低空间分辨率遥感图像的几何精度在几个到十几个像元，相互之间的空间一致性较差，无法满足集成使用的要求。因此，集成应用首先要解决的是各种低分辨率遥感图像数据的空间一致性的问题。空间一致性是指两幅或者多幅遥感图像在地理空间具有一致性，不同图像上的相同地理位置对应相同的地物。目前，针对低分辨率气象卫星数据，主要采用地标匹配的方法进行几何校正，提高数据的几何精度。地标是指具有显著的地物，大多是湖泊、河流、海岸线、岛屿等，具有清晰的结构特征。该方法通常是人工在基准图像上选取地标点形成地标模板，然后使用灰度模板匹配的方法找到原始图像上对应位置，但是人工选择地标点耗时耗力，无法满足大数量数据快速处理的要求。也有学者采用已有的海岸线数据自动提取地标图像进行地标匹配，实现FY-2卫星遥感数据的自动几何精校正。但目前的研究都仅限于对各种不同低分辨率传感器数据的几何精度单独进行校正和优化，并没有综合考虑不同低分辨率遥感数据相互之间的空间一致性问题。
技术实现思路
本专利技术现有技术的不足，提出了一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正的方法，自动、快速的完成低空间分辨率多源遥感图像的空间一致性校正。本专利技术的技术方案如下：一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于包括以下步骤：(1)数据解析。解析不同传感器的数据存储格式，将不同数据文件中的图像数据和对应用于几何定位的经纬度数据提取出来；(2)几何粗定位。以解析出来的经纬度数据和卫星载荷扫描得到的相应原始图像数据为基础，采用扫描线地理坐标插值法对原始图像数据进行几何粗定位，使得图像的每个像素点都有经纬度坐标；(3)几何精校正。以MODIS图像为基准进行图像自动配准，实现低分辨率遥感图像几何精校正，使NOAA/AVHRR、FY-2/VISSR、FY-3/VIRR和FY-3/MERSI的图像都和MODIS图像具有相同或相近的几何精度，从而使所有低空间分辨遥感图像具有空间一致性；(4)自动几何精度评价。以MODIS图像为基准和精校正后的图像进行自动匹配，获得若干分布比较均匀的控制点，然后使用这些控制点计算精校正后图像的中误差。部分图像由于云、阴影等覆盖面积过大，导致处理后仍然无法满足空间一致性的要求，可以按照设定的中误差阈值自动剔除低精度的图像。本专利技术与现有技术相比具有下列优点：实现了NOAA/AVHRR、FY-3/VIRR、FY-3/MERSI、FY-2/VISSR多源遥感图像数据的解析、初步几何校正、图像自动配准的整体处理流程，实现了低分辨率多源遥感数据的自动空间一致性校正；无需人工干预，可以完成自动的批量处理，速度快、效率高；自动进行精度评价，自动剔除低精度的遥感图像；能为全球变化研究提供具有很好空间一致性的低空间分辨率多源遥感图像。附图说明图1低空间分辨多源遥感图像空间一致性校正流程图图2低分辨遥感图像几何粗定位流程图图3低分辨率遥感图像几何精校正流程图具体实施方式现在结合附图，描述本专利技术的一种具体实施方式。图1低空间分辨多源遥感图像空间一致性校正流程图，包括四个步骤：(1)数据解析。需要处理的低空间分辨率数据是1级数据，没有经过几何处理，图像数据和经纬度数据分别存储。经纬度数据存储了图像上像素点对应的经度和纬度坐标，用来进行几何定位。数据解析是针对不同传感器的数据存储格式，采用不同的方法将不同数据文件中的图像数据和对应的经纬度数据提取出来。NOAA/VHRR数据以L1B格式存储，L1B格式直接用二进制方式存储。前22016个字节是头信息，接下来是数据区域，分别存储定标系数、地理定位信息、地球观测数据，其中需要解析出的数据是地理定位信息中的经纬度数据和五个波段的地球观测数据。经纬度数据每行只有51个值，从每行的第25个像素点开始，每隔40个点采样一个点，直到2025个像素点为止。数据解析按照AVHRR的存储格式，以二进制方式读取5个波段的数据分别保存成5个TIF格式的文件，图像大小为2048*2048；读取经纬度数据保存TI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于包括如下步骤：(1)数据解析，解析不同传感器的数据存储格式，将不同数据文件中的图像数据和对应用于几何定位的经纬度数据提取出来；(2)几何粗定位，以解析出来的经纬度数据和卫星载荷扫描得到的相应原始图像数据为基础，采用扫描线地理坐标插值法对原始图像数据进行几何粗定位，使得图像的每个像素点都有经纬度坐标；(3)几何精校正，以MODIS图像为基准进行图像自动配准，实现低分辨率遥感图像几何精校正，使NOAA/AVHRR、FY?2/VISSR、FY?3/VIRR和FY?3/MERSI的图像都和MODIS图像具有相同或相近的几何精度，从而使所有低空间分辨遥感图像具有空间一致性；(4)自动几何精度评价，以MODIS图像为基准和精校正后的图像进行自动匹配，获得若干分布比较均匀的控制点，然后使用这些控制点计算精校正后图像的中误差；部分图像由于云、阴影等覆盖面积过大，导致处理后仍然无法满足空间一致性的要求，可以按照设定的中误差阈值自动剔除低精度的图像。

【技术特征摘要】
1.一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于包括如下步骤：(1)数据解析，解析不同传感器的数据存储格式，将不同数据文件中的图像数据和对应用于几何定位的经纬度数据提取出来；(2)几何粗定位，以解析出来的经纬度数据和卫星载荷扫描得到的相应原始图像数据为基础，采用扫描线地理坐标插值法对原始图像数据进行几何粗定位，使得图像的每个像素点都有经纬度坐标；(3)几何精校正，以MODIS图像为基准进行图像自动配准，实现低分辨率遥感图像几何精校正，使NOAA/AVHRR、FY-2/VISSR、FY-3/VIRR和FY-3/MERSI的图像都和MODIS图像具有相同或相近的几何精度，从而使所有低空间分辨遥感图像具有空间一致性；(4)自动几何精度评价，以MODIS图像为基准和精校正后的图像进行自动匹配，获得若干分布比较均匀的控制点，然后使用这些控制点计算精校正后图像的中误差；部分图像由于云、阴影覆盖面积过大，导致处理后仍然无法满足空间一致性的要求，可以按照设定的中误差阈值自动剔除低精度的图像。2.根据权利要求1中所述的一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于：步骤(1)中的数据解析，对于以L1B格式存储的AVHRR数据，以二进制方式读取5个波段的数据分别保存成5个TIF格式的图像文件，图像大小为2048*2048；读取经纬度数据，分别保存成TIF格式的经度图像和纬度图像，图像大小为51*2048，像素值分别为经度值和纬度值；对于以HDF格式存储的FY-2/VISSR数据，经纬度数据以二进制4字节浮点型方式单独存储，文件后缀名为“NOM”；将其按照二进制格式读取出来后，存储为TIF格式的经度和纬度图像，像素值为经度值和纬度值，经度图像和经度图像的大小和5km分辨率的图像数据大小一致；FY-2/VISSR的图像数据存储在HDF文件中，使用HDFGroup开源库读取需要处理的5个波段的图像数据；对于以HDF格式存储的FY-3/VIRR和FY-3/MERSI数据，使用HDFGroup开源库读取图像数据和对应的经纬度数据，并把经纬度数据分别保存成TIF格式的经度图像和纬度图像，经度图像和纬度图像大小分别和1.1km分辨率的图像大小一致。3.根据权利要求1中所述的一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于：步骤(2)中的几何粗定位分为以下三个步骤：(1)经纬度坐标插值，对于和原始图像大小不一致的经度和纬度图像，利用一定的插值方法对解析出来的经度和纬度图像进行插值，生成与原始扫描图像尺寸一致的经度和纬度图像；(2)地图投影，以插值得到的经、纬度图像为基础，选取某一种投影方式将其展开到一个平面上，从而得到一幅没有像素值，但是有经纬度坐标以及投影的空白图像；(3)投影后图像像素值重采样，采用前向映射和后向映射相结合的方法，具体做法为：首先采用前向映射方法将原始影像上的像素按照地理坐标映射到粗定位后影像上，使纠正后影像的大部分位置有像素值，对于没有像素值的位置，采用后向映射方法：在映射过程中，可用的确定参与映射的像素点以及映射后像素值的方法包括：最近邻方法、双线性方法、双三次卷积方法和归一化反距离加权插值方法。4.根据权利要求1中所述的一种低空间分辨率多源遥感图像空间一致性校正方法，其特征在于：步骤(3)中的几何精校正包括以下四个步骤：(1)基准图像制作，采用NASA地球观测站基于MODIS标准数据产品中的500米分辨率的地表反射率8天合成产品(MOD09A1)制作的分辨率为500m的全球基准图像；该基准图像以png格式存储，没有地理信息，只有图像左上、右下角的经纬度坐标；根据左上、右下角的经纬度坐标把该基准图像转换为有地理信息的TIF图像；并将该基准图像进行重采样，采样成1km和5km分辨率的两种图像，最终形成500m、1km、5km三种分辨率的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：单小军，赵涌泉，唐娉，郑柯，张正，唐亮，冯峥，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
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