静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作方法

静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作方法静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作方法 技术应用第25卷第4期2018年8月地理信息世界GEOMATICS WORLD2018 8Vol 25No 4静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作 方法基金项目国家自然科学基金面上项目 41671409 资助作者简介霍门婕 1996 女 陕西渭南人 遥感科学与技术专业本科生 主要研究方向 为遥感科学与技术 E mail 503783288 qq 通讯作者童晓冲 1982 男 江西景德镇人 副教授 博士 主要从事静止轨道遥感数 据处理与时空剖分数据模型等研究工作 E mail txchr 163 xx 12 15霍门婕 石朗 童晓冲 信息工程大学 河南郑州450001 摘 要 地球静止轨道遥感卫星虽然处于相对于地球静止的状态 但由 于内部因素和其他外部环境的影响 它对地球的指向方向可能包含 几何误差 这个微小的误差在地球上将会造成一个显著的位置差异 为了有效地纠正该偏差 可以利用地球上海陆边界形成的特殊的模 板结构 进行高精度的地标匹配 达到纠正卫星指向的作用 本文介绍了静止轨道遥感卫星地标特征模板制作的方法 具体完成 了海陆边界的静止轨道投影网格化生成 静止轨道遥感数据在标称 条件下的海陆边界地表投影转换 设计了地标模板上特征点的提取 方法 完成了海陆边界矢量的特征区域选择 最后给出了地标数据 库的建立方式 相关静止轨道遥感卫星在使用该方法生成的地标特征模板后 在地 标匹配和定位精度检验方面取得了较高的准确性和稳定性 关键词 静止轨道卫星 地标模板 栅格化 地标库 标称网格 TP79 B 1672 1586 2018 04 0075 05The Methodof MakingHigh precision LandmarkFeature Templatefor GeostationaryOrbit RemoteSensing SatelliteHUOMenjie SHI Lang TONG Xiaochong Information EngineeringUniversity Zhengzhou450001 China Abstract The geostationary orbit remote sensing satelliteis ina stateof beingstationary withrespect tothe earth due tothe infl uenceof theinternal factorsand theexternal circumstances It maycontain ageometric errorfor thedirection of the earth and thesmall errorwill causea signifi cantdif ference inposition onearth In orderto correct the deviationef fectively a specialtemplate structureformed on the earth s sea land boundarycan beused toperform ahigh precision landmarkmatching tocorrectthesatellite pointingef fect This paperintroduces themethod ofmaking landmark feature templatefor geostationary orbit remotesensing satellite the pelationthe creationof geostationaryorbit projectionmesh of the sea land boundary the transformationof geostationaryorbit remotesensing datain thenominal conditionsoftheland surfaceprojection The extractionmethod offeature pointsonthe landmark templateis designed the featurearea selectionoftheland boundaryvector ispleted and theestablishment ofthe landmarkdatabase finally isgiven The relevantstationaryorbitremotesensingsatellite hasachieved highauracy andstability inthelandmarkmatching andpositioning auracytesting afterusing thelandmarkfeaturetemplate generatedby thismethod Key words geostationaryorbit satellite landmark template rasterize landmark library nominal grid引文格式霍门婕 石朗 童晓冲 静止轨道遥感卫星高精度地标特 征模板制作方法 J 地理信息世界 2018 25 4 75 79 0引言静止轨道遥感是遥感的一种特殊的方式 在36000km的静止 轨道对地成像 卫星平台相对于地球静止 1 代表性的静止轨道遥 感卫星有美国的GOES系列卫星 2 欧洲的MTG系列卫星 3 中国的 高分四号 4 风云二号 5 风云四号 6 等卫星系统 静止轨道遥感与传统遥感不同 它轨道高度高 分辨率较低 但是 具有很高的时间分辨率 7 能够形成对固定区域的持续性观测 静止轨道虽被称为静止 但是其在遥感观测的过程中 受外界环境 因素影响明显 难以保证高精度的对地指向 8 一个微小的指向误 差都会在地球上造成一个显著的位置差异 9 在这个过程中 常使用地面标志进行各种因素的综合消除 达到提 高指向精度的效果 一种有效的手段就是利用地球上海陆边界形成 的特殊的模板结构 进行高精度的地标匹配达到纠正卫星指向的作 用 8 在这个万方数据76地理信息世界GEOMATICS WORLD第25卷技术应用过程中 如何得到用于指向纠正的地标模板就 成为关键的问题 本文正是围绕该问题展开的 重点研究矢量化海 陆边界的静止轨道投影网格化方法 特征地标区域的生成与选择方 法 地标库的建立等 1海陆边界的静止轨道投影网格化方法海陆边界的静止轨道投影网格 化方法 是指按照静止轨道遥感卫星不同的成像方式 来制作与成 像方式对应的投影地标网格数据 这其中涉及到成像投影网格的计 算 矢量化海陆边界地标数据的投影与重采样等相关工作 其中 在地标数据的选择中 本文选择矢量化的海陆边界作为基础 这是因为静止轨道卫星的高度较高 分辨率普遍较低 而且由于 需要适应不同季节 时刻的地标参考 采用传统的影像地标参考适 应性较低 因此采用海陆分界的典型形状特征作为地标参考具有较 好的适用性和可靠性 本文的研究也正是基于该思想开展的 下面就具体的步骤进行讨论1 1成像投影标称网格的计算地标数据准 备的第一步 需要根据卫星的成像特点 选择恰当的投影方式 并 在特定的投影方式下 形成作为参考基准的标称网格数据 理想情况下 地球静止卫星的自旋轴与地球两极连线平行 对地球 进行正常扫描 通过光电转换系统将扫描的光能转换为电信号 影 像上的每一个像素都可以定位到一对坐标 从而形成的扫描影像就 是标称投影图像 但是由于太空环境复杂 静止卫星易发生漂移 此时需要进行轨道 姿态等的控制 给定一个卫星的固定平衡位置 将实际的卫星图像 投影到标称投影上 通过地心坐标系标称投影变换公式进行正反算 推导 从而建立一个平面位置到经纬度网的可逆映射方程 此时图 像坐标与地理经纬度一一对应 流程如图1所示 为下一步的地标提 取工作提供了较好的基础 的是面阵中心投影的方法 如高分四号的对地成像 4 二是扫描成像 为了快速获取大面积的遥感数据 特别是地球完整 圆盘数据 常采用线阵扫描成像方式 利用东西 南北两个方向的 快速扫描与步进完整大幅面区域的覆盖 2 这种成像方式采用的是 规范化地球静止投影 Normalized GeostationaryProjection NGP 2 并且这种投影还会因光线进 入东西 南北两个扫描镜的顺序不同而有所差异 如GOES R 葵花8号的成像方式 10 以扫描镜成像方式的静止卫星为例 说明其标称数据的基本思想令 卫星位于预设位置 在三轴姿态角恒为零 扫描镜光路无任何变形 的情况下 当东西镜按照理想驱动规律扫描 南北镜按照理想驱动 规律步进时 地球表面定位点的连线网格称为标称网格 根据标称网格的定义可以发现网格的格点是由东西镜 南北镜按照 固定角度步长 进行扫描 获得地面点坐标所构成的 将南北镜 东西镜的旋转角范围进行限定 如 0 n 1 0 m 1 令 i 0 i 1 i 0 n 1 j 0 j 1 j 0 m 1 1 图2地球表面的标称格数据Fig 2Nominal griddata ofthe earth s surface图1标称网格产生流程 11 Fig 1Nominal gridgeneration process 11 对于每一个旋转角组合 i j 理论上都存在一个 L B i j 与之对应 可以得到地球表面一个m n个点的格网 如图 2所示 1 2地标数据的投影与重采样地标数据准备的第二步 根据矢量的海 陆边界数据 结合成像投影 生成栅格化的海陆边界掩码数据 海陆掩码需要结合全球海岸线矢量数据和标称网格数据计算获得 其基本流程如图3所示 海陆边界模板的生成首先要获取标称格 然后从海陆边界数据集中 获取对应的经纬度信息 最后在标称格中进行查询 世界上有多种海陆边界数据集 根据不按照静止轨道遥感卫星的成 像规律 拍摄地球表面的区域数据主要有两种方式一是画幅成像 即采用面阵CCD CMOS对某区域进行一次性成像 这种情况往往面阵 较大 成像投影方式采用万方数据772018年第4期技术应用图3海陆 掩码文件生成流程Fig 3Sea andland maskfi legeneration process图4网格示意图Fig 4Schematic diagramof grid同的需要选择对应分辨率的数据集 其中全球海岸线数据集可 以用于提取海岸线的高分辨率经纬度 如果选取的一个经纬度在标 称格的经纬度范围内 则根据欧氏距离最小的原则可以确定该位置 就是海陆边界上的点 没有海陆边界数据集的存在 就无法精确对应每一点的坐标 也就 无法找出正确的边界信息 本项研究所采用的海陆边界基础数据全球海岸线矢量数据是全球一 致高分辨率海岸线数据库 Global Self consistent Hierarchical High resolution geographydatabase GSHHS 11 该数据库采用WGS84坐标系 数据包括了海岸线 岛屿 湖泊等地理 要素的内容 生成所需经纬度范围内的海岸线图像阶段首先 预设海岸线图像所 对应的经纬度范围和分辨率 并由此确定海岸线图像的高和宽 然 后 初始化海岸线图像 每个像素的值初始化为0 最后 结合海岸 线矢量数据 由海岸线的经纬度值确定其在海岸线图像上对应的像 素行列号 并根据此像素行列号将相应位置的像素值置为1 其中 在数据匹配生成海陆掩码文件阶段 需要完成下面几方面的 工作1 读入目标网格数据 获取每个目标网格的经纬度值 由于标称格网定义的是格网中心的格点值 而海陆掩码生成需要判 断矢量点在哪个网格内 因此采用均匀内插的方法计算得到每个标 称网格的4个角点坐标 位于中间部分的标称格4个顶点的坐标 利用周围4个网格已知的中 心点坐标内插得到 如图4中S点 三角形点 的坐标则是由相邻的4个 标称格的中心S1 S2 S3 S44个点 圆形点 的坐标取平均值得到 a四个角a Fouranglesb四条边b Foursides图5内插示意图Fig 5Schematic diagramof interpolationc中间点c Themiddle point4个角点的标称格坐标 如A点 由图5a中的a 1 a 2 a 3 a44个点的坐标求平均得出 4条边上的标称格坐标 如B1点 由图5b中的b 1 b 2 b 3 b44个点的坐标求平均得出 中间点的标称格坐标 如C点 由图5c中的c 1 c 2 c 3 c44个点的坐标求平均得出 2 将标称网格的每一个网格单元作为整体 按照每个网格单元4个 角点坐标建立空间索引 Grid index Grid index的大小预先设置 索引设置的时候 需要注意的是 每一个网格必须唯一属于一个Gri d index 对于那些跨了索引区域的网格单元 在相邻的Grid index区域都需要重复存储 避免使用时漏掉 如图6所示 根据标 称格4个顶点位置的分布 标称格至少在一个索引内 至多同时存在 于4个索引区域内 具体分成下面几种情况 情况1 表示的为标称 格4个顶点 图6a中的阴影格网 全在同一个索引区域 图6中的粗 线框 内 这种情况下 只需在本索引区域内存储该标称格即可 情况2 展示了标称格位于索引区域的边界线上 标称格在每个索 引区域内均有两个顶点 此时需要在上下两个索引区域中重复存储 该标称格 情况3 标称格位于索引区域的顶点上 在相邻4个索引区域内均 有一个顶点 因此在4个索引区域均要存储该标称格 霍门婕 等 静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作方法万方数 据78地理信息世界GEOMATICS WORLD第25卷技术应用角 如果50 130 且d i 3 d j 3 则认为当前点为角点 接下来在海陆边界模板上 以其为中 心扩展为21 21的地标块作为地标 并保存该点所对应的目标网格 的经纬度坐标 海陆边界模板的行列坐标 以及地标块的Hu矩特征 3 地标块扩展的大小可以参考相关文献 8 并结合生成的海陆边 界模板及所检测角点的分布来确定 若地标块窗口过小则不能正确描述地标的形状特征和结构 难以有 效识别地标 地标块窗口过大则计算量较大且窗口内会同时分布多 个角点 地标窗口对应的观测图像会存在像素被云覆盖的情况 也 必会影响匹配结果 而云分布的随机性导致没法确定云对窗口大小 选择的具体影响 4 特征点的分布对于后期全球海陆边界的匹配问题至关重要 如果 目标的分布过于集中 则很多区域无法完成匹配或者匹配结果精度 较低 因此 对于特征目标的选取应尽量均匀分布在遥感卫星图像 上 并且尽量分布于星下点两侧 保证全球范围内都存在有效特征 点的分布 2 2特征地标区域的应用方法对于卫星影像而言 云层是不可避免的 因素 云的出现具有一定的随机性 云量的厚度 高度 形态易受 天气 地理等自然因素的影响 卫星传感器接收到的影像中 有一部分的信息被云层遮挡 导致对 应的地物信息丢失 特征点不明显 或者被完全遮盖 导致地标匹 配无法实施 云层的出现对特征点的选取有较大影响 但是由于其属于自然气候 的不可控变化 因此 面对云层覆盖问题 我们应该在进行地标选 择之前进行严格有效的云检测来规避无效图像的使用 如图7所示 图7静止轨道卫星地标匹配规避气候影响的处理流程Fig 7The Processingfl owof geostationaryorbitsatellitelandmark matchesto avoidclimate impacta情形1a Caseoen图6建立索引的多种情形示意图Fig 6Multi casesschematic ofestablishing indexb情形2b Casetwoc情形3c Casethree3 给定所有的矢量节点 通过空间索引 判断其属于哪 一个网格单元 将该网格单元对应的像素激活为1 按照矢量数据的 节点顺序 激活所有处于矢量节点处的网格像素 4 采用Bresenha m线填充算法 12 首先计算填充起始点和目标点之间的行增量和列 增量绝对值 比较两绝对值的大小 取较大的方向为下一个起点的 方向 循环直至目标点 将填充过的所有网格像素激活为1 得到对 应投影标称下的海陆掩码文件 2特征地标区域的生成与应用方法2 1特征地标区域的生成方法地标 数据准备的第三步 是建立地标数据集 海陆边界模板的生成主要是为了完成海陆边缘特征提取 一般先对 遥感影像进行图像增强处理 然后进行特征点的选取 用于后续的 地标匹配算法 该算法要对海陆边缘图像进行逐像素的检测 特征 点多为海陆边界的拐点 角点 高曲率点 或者有特征的岛屿 湖 泊等地物 特征点的选择直接影响到后续地标匹配的精度和可靠性 自动由海陆边界模板生成地标控制点 以地标控制点为中心的一定 范围就是地标 所有的地标构成完整的地标数据集 该部分的技术难点在于地标控制点检测算法的实现以及地标的分布 问题 1 以每个海陆边界点为中心 以不同的尺度范围进行逐点分析海陆 边界点处的曲率 首先在3 3窗口内分析是否为一条直线上的点 然后再变换为较大窗口进行实验 窗口大小的选择看在多大的尺度 内计算边界点间的夹角 如取11 11窗口 并进行标记 将窗口 划分为4个象限 在每个象限中分别查找与当前中心点距离最远的同 标记像素A i 并计算两像素点之间的距离d i以及两像素间连线与水平轴的夹角 2 分析两象限A i A j与当前中心像素点之间的夹万方数据792018年第4期技术应用3地标 数据库的建立地标数据库一般由卫星传感器所观测区域的地标模板 的属性信息和图像信息组成 利用地标数据库中的有效地标与最新获取的卫星影像进行匹配 获 取不同的地物匹配系数 从而判定影像的定位效果 数据库中模板的分辨率 大小 数量 种类 位置将直接关系到地 标匹配的精度 并且全球不同地区的海陆分布 地形地貌以及气候 条件不尽相同 无法受用于统一的地标特征筛选规则 因此 针对 不同情况 应该采取多种地标筛选措施 当前遥感图像控制点数据库已经较为完善 但地标数据库的建立还 有待进一步研究 在前面地标库数据预处理中 我们知道矢量地标与栅格地标具有各 自的特点 对于道路一类的线状地物 矢量地标匹配具有较大优势 计算失误较少 而矢量数据的栅格化则可以方便地获取良好的位 置信息 并且地标属性明显 特征所在的位置则根据行列号转换为 相应的坐标 结合以上两种地标的特点 将矢量地标库与栅格地标库结合起来 针对全球不同地区的海陆边界形状和地貌特征 进行综合分析 其中 地标库的属性信息 应包括地标种类 岛屿 湖泊 沙漠 地标纹理性质 粗纹理 地标云覆盖情况 常年无云 常年遮 挡 地标匹配系数等 13 地标库的图像信息 应包括模板图像 分辨率 模板经纬度信息 模板大小 模板形状 模板的矩特征等 13 4结束语本文围绕静止轨道遥感卫星高精度地标特征模板制作方法展 开了研究 讨论了地标模板数据生成所需的数据 介绍了建立海陆 边界矢量信息与图像栅格信息之间的关系的方法 具体从生成标称 网格数据和生成栅格化的海陆边界掩码数据这两方面 完成了海陆 边界的静止轨道投影网格化生成 实现了静止轨道遥感数据在标称 条件下的海陆边界地表投影转换 接下来对遥感图像上提取合理的 地标特征点的方法进行了讨论 说明了地标控制点检测算法的实现 以及地标的分布问题 实现了海陆边界矢量的特征区域选择 还给 出了静止轨道卫星进行地标匹配时规避气候影响的处理流程 进一 步避免无效图像的使用以提高工作效率 最后阐述了地标数据库的 建立方法思路 本文设计的地标模板数据已经在我国某静止轨道遥感卫星数据的地 标匹配和定位精度检测中开展了业务化试验 效果显著 下一步 为了提升地标匹配的可靠性与精度问题 将进一步研究矢 量和栅格混合的地标模板制作方法 参考文献 1 钱辉 师春香 施进明 静止卫星标称投影解析方法及其 在FY2 C中的应用 J 遥感学报 xx 13 2 301 306 2 宋晶晶 美国首颗新一代地球静止轨道气象卫星登场 J 国 际太空 xx 12 29 35 3 Aminou DM Stark H Schumann W et al Meteosat ThirdGeneration Progression SpaceSegmentSyst