机载多光谱扫描仪用于工业温排水监测的技术方法技术

本发明专利技术公开了一种机载多光谱扫描仪用于工业温排水监测的技术方法，它是利用扫描型机载遥感影像数据和同步测量ＤＧＰＳ／ＩＭＵ（又称为ＰＯＳ系统）组合导航数据量化监测沿海工业基地温排水的方法。本发明专利技术集成应用ＰＯＳ系统数据、实验室辐射定标数据、机上高低温黑体数据，海面遥感影像数据，完成辐射校正、几何校正、航带拼接和制图，有效发挥了航空遥感技术的高分辨率和高精度潜力，能够监测温排水根据潮汐变化的扩散规律。本发明专利技术的技术应用对于核电等电力企业及沿海工业基地的规划和发展具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热电厂、核电站等沿海工业基地运行过程中排放冷却水的空间 分布信息的自动获取与分析
，特别是基于实现航空图像、实验室辐射定标结果、机上黑体定标数据、POS系统数据等多元数据集成的高分辨率遥感技术进行温排水量化监测方法，并应用于工程方案的选址及环境保护措施的制 定。
技术介绍
我国能源消费量居世界第二位，能源问题更加严峻。核动力也将再次成为化石燃料强有力的替代能源，未来3年内中国将开建9个核电站，16台核电机 组，装机容量在1000万千瓦以上，这意味着未来3年的核电建设总量将超过 过去23年的总和。电力企业运行需要大量的冷却水，同时也要排放大量的温 排水，势必对工业基地附近海域温度场造成影响，不同季节、不同潮汐状况下 影响情况不同。这种变化反过来也可能影响电力企业的运行。这些都需要客观 真实的海面温度场数据来说明。当前，卫星遥感技术在我国水环境监测中发挥极其重要的作用，但是受空 间分辨率和重访周期的制约对于电力企业温排水的定量化监测分析难以有效 进行。而航空遥感技术要满足这种应用需求，还需要解决成图质量和测量精度、 稳定性方面的问题，而且要尽可能提高作业效率。因此，需要研究针对温排水 监测的扫描型遥感成像数据处理方法。」
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有的温排水监测技术和方法中存在的缺陷或不 足，提供一种新的高分辨率的温排水遥感定量化监测技术方法，并用于取排水 口工程方案的选址及环保措施的制定。该专利技术能实现温排水的识别、信息提取 与量化分析，对温排水给附近海域造成的影响程度、范围以及是否降低电力企 业冷却水循环效率等进行评估。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术措施一种工业温排水的高分辨率遥感量化监测技术方法。其特征在于通过实 验室试验测试标定遥感器黑体源，基于机上高低温黑体进行遥感数据的辐射校 正，利用POS系统数据，构建扫描型遥感成像的几何粗校正模型，进行图像 几何畸变纠正、定位和航带拼接，以现场实测水温标定校正后的影像，根据能 够反映潮汐变化规律温度升高0.5度为区间，从而实现一种工业温排水高分辨 率遥感监测方法。本技术方法包含下列步骤1) 制定飞行计划，获取监测区的遥感数据。2) 热红外通道传感器的机上定标，采用内部温度参考源法，热遥感器附有 内部温度参考源，采用在旋转扫描镜角视场的两侧放置两个黑体辐射源的形 式，这两个黑体辐射源的温度被精确控制，并设置为地面监测目标的"最冷" 与"最热"，对于每一条扫描线，扫描器先记录冷参考源的辐射温度，然后扫 描地面，最后记录热参考源的辐射温度，所有的信号均记录下来，两个温度源 也随图像数据记录，用来推算整幅热图像的辐射温度，也可由一个绝对辐射值 作参考与其他热扫描仪输出值比对。转换公式基于这样一个假设，即普朗克函数在一定温度范围内近似为线性的。通过实验室辐射定标确定机上定标黑体的 辐射亮度与亮温的转换关系。3) 相对卫星平台，航空平台受到气流影响较大，姿态(侧滚角，俯仰角和 偏转角)变化剧烈；此外，飞机自身状态(如飞行速度变化、航高变化、航偏)以及摆扫式的工作模式等影响，导致机载多光谱影像几何畸变严重。DGPS/IMU组合导航与定位系统能以较高的精度和频率提供传感器的位置和 姿态，可直接测定影像的外方位元素，进行扫描型机载多光谱扫描仪影像的几 何校正。4) 测量获取GPS天线相位中心、IMU及机载传感器之间空间关系，直接 对POS系统获取的GPS天线相位中心的空间坐标^，y，Z)及IMU系统获取的 侧滚角、俯仰角、航迹角进行数据处理，获取航空影像像元成像瞬间的扫描行 中心点三维空间坐标(x"^，zO及其三个姿态角，实现无地面控制点辅助条 件下直接恢扫描型复航空遥感的成像过程。计算插值影像的四个角点坐标，然 后基于地面点坐标作影像的拼接。5) 根据完成辐射校正、几何校正、航带拼接的航空遥感数据，以外围均匀 海水表面水温为本底，以温升0.5度为区间，制作温度场分布图。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点第一，采用结合POS系统数据的方法，可以实现一种基于摆扫成像的高分辨率遥感方法手段，能够查清工业温排水的扩散规律。 第二， 采用实验室定标和机上定标结合的方法，提供了一种定量化数据分析的手段，解决多时相观测比较的难题。 第三，采用本专利技术的技术方法，实现航空红外传感器的数据获取和处理流程，有利于进行依据潮汐规律的遥感探测分析。 第四，采用本专利技术的技术方法，实现扫描型航空红外传感器的数据获取和处理流程，即实现高分辨率要求又兼顾了大视场扫描，从而提高效率。附图说明图1扫描型航空传感器的成像方式图2对地面和高低温黑体的扫描成像示意 图3为本专利技术的技术流程图4为扫描型传感器的原始影像(左)和经过几何校正后影像(右) 图5为利用本专利技术输出的海面温度场分布图 具体实施例方式下面结合附图，对本专利技术作进一步详细描述 第一步，遥感影像和参数测量数据获取。在执行一组飞行任务前，对遥感器进行实验室辐射定标，获得定标数据。 制定飞行计划，获取监测区遥感数据和同步POS系统数据，其中遥感数据中 包含高低温黑体测量数据。第二步，热红外遥感影像辐射校正。首先通过实验室辐射定标过程，确定高低温黑体的辐射亮度与亮温的关 系。机载热红外测量数据的辐射定标，通过传感器内的高低温黑体来完成，采 用下面的转换公式<formula>formula see original document page 7</formula>其中丄为辐亮度值，a力代表第f行第/列的像元，ZW为图像测量值，下标i/和丄分别代表对应高温黑体和低温黑体的测量值。 第三步，POS系统同步测量数据处理。利用POSPac软件，对获取的原始DGPS/IMU数据进行预处理。处理POS 数据文件要解决两个问题， 一是时间匹配问题和延迟处理；二是坐标系转换。根据触发文件(EVENT)，采用一次线性内插算法，提取POS数据中的传 感器姿态信息。首先对EVENT进行分割，判断若相邻触发事件时间间隔大于 IO倍的单位时间间隔，则认为这是一条航带的结尾，若相邻EVENT事件间隔 大于1.5倍的单位时间间隔，则认为这里存在漏行，需要填补。由于EVENT 触发的滞后性，需要判断外方位元素(EO)的偏移行数。若传感器与POS之间没有触发信息，则使用扫描影像记录的世界协调时 间(UTC)与POS记录的GPS时间进行对比，根据影像记录的起始和中止时 间，内插出每条扫描线的记录时间，然后从POS数据中提取相应的传感器姿 态信息，其中需要考虑GPS时间与UTC时间之间的误差。第四步，计算像空间到地面坐标系的旋转矩阵。像空间坐标系旋转到地面坐标系可分解为以下步骤像空间坐标系旋转到 传感器坐标系(旋转矩阵C/M^^);传感器坐标系旋转到IMU坐标系(旋转矩阵/CM^c); IMU坐标系旋转到局部地理坐标系(旋转矩阵G^fa/n';c);局部 地理坐标系旋转到地心坐标系(旋转矩阵EGM^/x);地心坐标系旋转到地面 坐标系(旋转矩阵AffiM^nbc)。则像空间坐标系旋转到地面坐标系的旋转矩阵第五步，计算扫描行的外方位元素。线元素设瞬时摄影中心在WGS84下的坐标(U，Z)，转为大地经讳度 W，Z，H)，再转为地面坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机载多光谱扫描仪用于工业温排水监测的技术方法，其特征在于它包括下列步骤：　（１）获取扫描型机载传感器影像和ＤＧＰＳ／ＩＭＵ组合导航数据；　（２）结合实验室辐射定标结果利用高低温黑体辐射源测量数据进行辐射校正；　（３）提 取与影像数据行对应的位置和姿态数据，根据由ＰＯＳ系统的导航角，计算像空间坐标系到地面坐标系的旋转矩阵ＭＩＭａｔｒｘ：　ＭＩＭａｔｒｘ＝ＭＥＭａｔｒｉｘ×ＥＧＭａｔｒｉｘ×ＧＩＭａｔｒｉｘ×ＩＣＭａｔｒｉｘ×ＣＩＭａｔｒｉｘ．其中，ＣＩ Ｍａｔｒｉｘ为像空间坐标系旋转到传感器坐标系的旋转矩阵，ＩＣＭａｔｒｉｘ为传感器坐标系旋转到ＩＭＵ坐标系的旋转矩阵，ＧＩＭａｔｒｉｘ为ＩＭＵ坐标系旋转到局部地理坐标系的旋转矩阵，ＥＧＭａｔｒｉｘ为局部地理坐标系旋转到地心坐标系的旋转矩阵，ＭＥＭａｔｒｉｘ为地心坐标系旋转到地面坐标系的旋转矩阵；　（４）根据扫描型传感器影像中心的共线方程进行几何粗纠正，得到地面点坐标，共线方程式为：　＊＊＊　其中，（Ｘ↓［ｓ］，Ｙ↓［ｓ］，Ｚ↓［ｓ］）是投影中心在地面坐标系中的 坐标，λ为摄影比例尺，θ为主光轴方向与像点摄影方向的夹角，ｆｓｉｎθ，０，－ｆｃｏｓθ是像点的像空间坐标，Ｍ为像空间坐标系到地面坐标系的旋转矩阵，对于扫描型传感器ｙ＝０，（Ｘ，Ｙ，Ｚ）是像点对应的地面点坐标；　（５）采用直接插值法进行 灰度重采样，得到粗纠正后的影像；　（６）基于地面点坐标的影像拼接；　（７）用海面实测温度对校正后数据进行标定，以外围均匀海温为本底，根据随潮汐变化的规律，以温度升高０．５度为区间制作温度场分布图。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：舒嵘，杨军，谢锋，王伟，
申请(专利权)人：上海航遥信息技术有限公司，中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]