一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，包括：根据地球同步轨道卫星的轨道数据预先计算出逐像素中心位置的经度和纬度，并存储于栅格数据文件中；将高分辨率数字高程数据作为几何精校正基准数据，在地球同步轨道卫星扫描区域内，沿海岸线生成高密度的地标点；通过开源科学计算库读取地球同步轨道卫星原始遥感影像数据，并输出为地理空间数据GeoTIFF格式；根据开源科学计算库将所获取的栅格数据文件信息和相关地理投影信息，以地理空间元数据的方式更新到存储有卫星影像的GeoTIFF文件中；通过地理空间数据作为遥感影像重投影的基本信息，完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何校正。同步轨道卫星遥感影像的几何校正。同步轨道卫星遥感影像的几何校正。

【技术实现步骤摘要】
一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法


[0001]本专利技术涉及卫星对地观测影像处理领域或数据分析，尤其涉及一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法。

技术介绍

[0002]地球同步轨道卫星(Geosynchronous Satellite)，又称地球静止卫星，是运行周期与地球自转周期相同的人造地球卫星。与通常用于对地观测的太阳同步轨道卫星不同，地球同步轨道卫星每天相同时刻经过地球上相同地点上空。对于地面观测者而言，地球同步轨道卫星位置相对静止，总是位于相同天顶角和方位角方向上。
[0003]卫星对地观测所采集的影像称为遥感影像。无论是太阳同步轨道卫星还是地球同步轨道卫星所采集的遥感影像都存在一定程度的几何形变，包括系统性和非系统性几何形变两类。系统性几何形变来自于卫星传感器本身，可以使用特定传感器建立的数学模型进行校正；非系统性几何形变不确定性较大，来源也比较复杂。卫星飞行瞬时姿态的变化可导致遥感影像的几何形变，地球曲率及空气折射和地形变化等也可形成遥感影像像素的不规则位移，形成几何形变。地球同步轨道卫星的高度通常为35,786公里，上述任何因素的细微变化都可能导致遥感影像产生较大不规则几何形变，使地球同步轨道卫星所采集遥感影像的像素空间位置偏移数百米乃至千米之多。几何校正，就是通过特定算法，建立复杂数学模型，消除遥感影像系统性和非系统性几何形变的过程。
[0004]商用遥感影像处理软件一般都提供仿射变换(Affine transform)、多项式(Polynomial)、局部三角网(Delaunay Triangulation)等三种常用几何校正模块，供用户在图形界面下通过地面控制点(Ground Control Point，GCP)方式完成卫星影像的几何校正。
[0005](1)仿射变换是一种笛卡尔坐标系内的二维坐标线性变换，在几何变换过程中遥感影像像素间的相对位置保持不变，影像整体保持了的“平直性”和“平行性”。其齐次坐标矩阵表示形式为：
[0006][0007](2)多项式变换则是通过选择一个二次或高次多项式近似描述遥感影像校正前后对应像素的坐标关系，利用控制点的特定地图投影坐标和参考坐标系中的坐标，采用最小二乘法原理求解出多项式的系数，再以确定系数的多项式对遥感影像进行几何校正。常用的多元齐次多项式模型可表示为：
[0008][0009](3)局部三角网几何校正法是采用局部三角网将遥感影像空间划分成若干区块，对各块使用不同校正函数。首先依据遥感影像的地貌复杂程度和GCP点的空间分布决定影像区块的大小；然后选择部分GCP点构成局部三角形，每个三角形的顶点都是控制点；在建立每个三角形顶点几何校正前后坐标之间的函数关系后，对三角形所包含区域的影像像素进行局部校正；最后，对影像中所有局部三角形区域进行几何校正。
[0010]上述三种方法的优点在于可控性强，只要用户提供的GCP几何精度足够高、控制点数量足够多，就可以将通过平移或橡皮拉伸的方式，逐像素重采样完成遥感影像的几何校正；缺点在于上述过程需要大量用户交互操作，耗时，人力成本较高，且容易引进人为误差，难以用于海量卫星影像数据处理。
[0011]本专利技术基于开源科学计算库h5py、GDAL和Numpy，在没有地面控制点和用户手工参与的情况下，可完成地球同步轨道卫星遥感数据的自动几何校正，并支持高性能计算环境下的并行运算。首先，使用数学模型预先计算出逐像素中心位置的经度(lon)和纬度(lat)，并用卫星星历数据完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何粗校正；然后，使用高精度的数字高程数据(DEM)或栅格化的大比例尺海岸线空间数据作为参考，采用相位相关校正算法，对地球同步轨道卫星遥感数据实施动态几何精校正。整个过程中不需要提供控制点GCP数据，也不需要人机交互，大幅提高了卫星遥感影像几何校正的效率；同时，由于采用了频率域空间相位特征匹配，可获得较好的信噪比并输出最大峰值，与空间域的传统几何校正方法相比，具有精度高、可靠性好等优点。

技术实现思路

[0012]本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法。
[0013]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，包括：
[0014]根据地球同步轨道卫星的轨道数据预先计算出逐像素中心位置的经度和纬度，并存储于栅格数据文件中；
[0015]将高分辨率数字高程数据作为几何精校正基准数据，在地球同步轨道卫星扫描区域内，沿海岸线生成高密度的地标点；
[0016]通过开源科学计算库读取地球同步轨道卫星原始遥感影像数据，并输出为地理空间数据GeoTIFF格式；
[0017]根据开源科学计算库将所获取的栅格数据文件信息和相关地理投影信息，以地理空间元数据的方式更新到存储有卫星影像的GeoTIFF文件中；
[0018]通过地理空间数据作为遥感影像重投影的基本信息，完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何校正。
[0019]在本专利技术的一个较佳实施例中，还包括：
[0020]通过傅里叶变换，将生成的地球同步轨道卫星遥感影像数据和基准数据，从空间域转换到频率域空间，计算其在傅里叶频率域空间的互功率谱；
[0021]通过反向傅里叶变换得到地球同步轨道降临遥感影像和基准数据在(x,y)方向的位移；
[0022]每一地标点在(x,y)方向上的位移计算完成后，进一步计算遥感影像的平均位移，
[0023]将位移像素浮点型个数转换成影像坐标值，完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何二次精校正。
[0024]在本专利技术的一个较佳实施例中，通过开源科学计算库读取地球同步轨道卫星原始遥感影像数据，并输出为地理空间数据GeoTIFF格式，具体包括：
[0025]通过开源科学计算库进行数据读取，将地球同步轨道卫星遥感影像的波段数据转换为开源科学计算库Numpy数组；
[0026]采用Numpy的高级索引功能，将特定波段的原始数值转换为大气顶反射率和大气顶亮温数据；
[0027]使用开源科学计算库将转换好的大气顶反射率和大气顶亮温亮温的波段数据存储为地理信息系统和遥感通用的GeoTiff格式。
[0028]在本专利技术的一个较佳实施例中，根据地球同步轨道卫星的轨道数据计算遥感影像逐像素中心位置的经度和纬度，具体包括：
[0029]S101：将遥感影像的行列数(col,row)转换成(x,y)。
[0030]计算公式如下：
[0031][0032][0033]式中COFF、CFAC和LOFF、LFAC分别为地球同步轨道卫星遥感影像逐像素的列偏移量、列比例因子和行偏移量、行比例因子；
[0034]根据S101计算出的(x，y)，计算中间变量S
d
，S
n
，S1，S2，S3，S
xy
；
[0035]计算逐像元中心点的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，其特征在于，包括：根据地球同步轨道卫星的轨道数据预先计算出逐像素中心位置的经度和纬度，并存储于栅格数据文件中；将高分辨率数字高程数据作为几何精校正基准数据，在地球同步轨道卫星扫描区域内，沿海岸线生成高密度的地标点；通过开源科学计算库读取地球同步轨道卫星原始遥感影像数据，并输出为地理空间数据GeoTIFF格式；根据开源科学计算库将所获取的栅格数据文件信息和相关地理投影信息，以地理空间元数据的方式更新到存储有卫星影像的GeoTIFF文件中；通过地理空间数据作为遥感影像重投影的基本信息，完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何校正。2.根据权利要求1所述的一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，其特征在于，还包括：通过傅里叶变换，将生成的地球同步轨道卫星遥感影像数据和基准数据，从空间域转换到频率域空间，计算其在傅里叶频率域空间的互功率谱；通过反向傅里叶变换得到地球同步轨道降临遥感影像和基准数据在(x,y)方向(行和列)的位移；每一地标点在(x,y)方向上的位移计算完成后，进一步计算遥感影像的平均位移，将位移像素浮点型个数转换成影像坐标值，完成地球同步轨道卫星遥感影像的几何二次精校正。3.根据权利要求1所述的一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，其特征在于，通过开源科学计算库读取地球同步轨道卫星原始遥感影像数据，并输出为地理空间数据GeoTIFF格式，具体包括：通过开源科学计算库进行数据读取，将地球同步轨道卫星遥感影像的波段数据转换为开源科学计算库Numpy数组；采用Numpy的高级索引功能，将特定波段的原始数值转换为大气顶反射率和大气顶亮温数据；使用开源科学计算库将转换好的大气顶反射率和大气顶亮温亮温的波段数据存储为地理信息系统和遥感通用的GeoTiff格式。4.根据权利要求1所述的一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，其特征在于，根据地球同步轨道卫星的轨道数据计算遥感影像逐像素中心位置的经度和纬度，具体包括：S101：将遥感影像的行列数(col,row)转换成(x，y)。计算公式如下：计算公式如下：式中COFF、CFAC和LOFF、LFAC分别为地球同步轨道卫星遥感影像逐像素的列偏移量、列
比例因子和行偏移量、行比例因子；根据S101计算出的(x,y)，计算中间变量S
d
，S
n
，S1，S2，S3，S
xy
；计算逐像元中心点的经纬度。5.根据权利要求4所述的一种提高地球同步轨道卫星对地观测影像几何校正精度的方法，其特征在于，根据计算出的(x，y)，计算中间变量S
d
，S
n
，S1，S2，S3，S
xy
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爽，姚静，罗光杰，诸云强，申朝永，
申请(专利权)人：贵州师范学院，
类型：发明
国别省市：