基于薄板样条函数的HY-1B卫星L1B数据几何校正方法研究

1、基于薄板样条函数的HY-1B卫星L1B数据几何校正方法研究第28卷第5期2021年10月海洋通报MARINESCIENCEBULLETIN,o1.28.No.50ct.2021基于薄板样条函数的HY一1B卫星LIB数据几何校正方法研究彭海龙,邹斌,刘士斌,(1.国家卫星海洋应用中11,北京100081;2.中国科学院对地观测与数字地球科学中心,北京100086)摘要:将HY-IBLIB产品中已有的经纬度数据抽样作为控制点,根据控制点的图像坐标和经纬度坐标间的对应关系,基于薄板样条函数的坐标变换关系对HY-1BL1B数据进行了几何校正.并与陆地矢量边界进行了比较,结果说明该方法能较好地完成HY-

2、1B卫星LIB数据的几何校正.关键词:HY-1B;薄板样条函数;几何校正中图分类号:TP751文献标识码:A文章编号:10016932(2021)050106-042007年4月l1日中围发射的HY.1B卫星是中国第一颗海洋卫星HY.1A的后续星,其有效载荷为一台十波段水色水温扫描仪(COCTS)和一台四波段海岸带成像仪(CZI).该卫星是在HY一1A卫星根底上研制的,除波段的增益和中心波长位置有所变化外,其根本特性参数和扫描机制与HY一1A卫星相似,其观测能力和探测精度进一步得到增强和提高.HY一1B卫星主要是用于探测叶绿素,悬浮泥沙,可溶有机物及海洋外表温度等要素和进行海岸带动态变化监测.

3、HYlB卫星数据采用HDF(HierarchicalDataFormat)4.2格式,HDF数据格式是美国国家超级计算应用中心(NCSA)于1987年开发的一套文件格式,它将多种类型的数据,例如图像接收数据,地理位置,轨道参数和仪器噪声等全部存储在一个HDF文件中.HY一1B按接收和处理过程又可分为L0,L1A,L1B,L2A,L2B,L2C和L3级等产品.对HY一1B数据的处理是一个复杂的过程,其中几何校正是进一步处理和定量研究的重要根底之一.HY.1B卫星数据经辐射校正之后生成L1B产品,LIB产品的HDF文件中已经包含有经度和纬度数据,可以利用这些数据进行卫星影像的几何校正.本文基于抽样

4、后的经纬度坐标作为已有控制点,使用薄片样条变换函数方法进行了HY一1B卫星LIB影像的几何校正,并将校正结果与陆地矢量边界进行了比较.1HY_1BL1B影像几何校正方法1.1Hy-1BLIB影像与经纬度对应坐标对利用HDF文件中所包含的经纬度数据作为控制点进行几何校正,首先需要建立控制点的图像坐标和经纬度坐标间的对应关系,HY一1BLIB的图像坐标和经纬坐标间不是一一对应的,分辨率1100m的HY一1BCOCTS图像中每条扫描行图像像元数为1664,每条扫描行有166个经纬度坐标对,第一个经纬度坐标对对应图像像元号为7,以后每隔10个像元点给出一个经纬度坐标对,分辨率250m的HY一1BCZI

5、图像中每条扫描行图像像元数为2048,每条扫描行有102个经纬度坐标对,第一个经纬度坐标对对应图像像元号为14,以后每隔20个像元点给出一个经纬度坐标对,根据上述关系可以确定图像坐标即像元行列值与经纬度坐标问的对应关系.由于HDF文件中的经纬度数据对应图像上的坐标位置排列规那么,将此经纬度数据进行抽样,抽样为20列×40行的矩阵为控制点(cP)矩阵.如果图像的最后一行所对应的经纬度数据未包含在控制点(CP)矩阵中,需单独对最后一行经纬度数据进行抽样并参加到控制点(CP)矩阵中,同样需要将图像第一列和最后一列所对应的经纬度数据进行抽样并参加到控制点(CP)矩阵中.图1(a)为收稿日期:

6、20210407收修改稿日期:202107.295期彭海龙等:基于薄板样条函数的HY-1B卫星L1B数据几何校正方法研究107控制点(CP)矩阵在影像坐标系的位置图.图l(b)为控制点(CP)矩阵在影像坐标系局部放大图,可以看到控制点均匀的分布影像上.图1(c)为控制点(cP)矩阵在WGS84坐标系下,等经纬度投影的几何位置图.(a)(b)(c)图11.1KmHY-IBCOCTSL1B抽样控制点的图像坐标和经,纬度坐标的对应关系(a)控制点矩阵在影像坐标系的位置图;(b)控制点矩阵在影像坐标系局部放大图;(c)控制点矩阵在WGS84坐标系下,等经纬度投影的的几何位置图Fig.1Correspo

7、ndingrelationshipfroml,1KmHY一1BCOCTSL1BsamplingcontrolpOintimagecoordinatestolatitudeandlongitudecoordinates1.2薄板样条函数变换式有了控制点的图像坐标和经,纬坐标间的对应关系,就可以近似地确定所给的图像坐标系和应输出的地图坐标系之间的坐标变换式.坐标变换式经常采用图像仿射变换,Polynomial多项式变换,径向基函数(radialbasisfunction,aBE)变换等变换模型.薄板样条函数(thinplatespline,TPS)是最常用的具有代表性的径向基函数,薄板样条曲线插值

8、特定的点使其最小化一个近似曲率,其函数形式如下:'=fx(X,)=a0+Ix+a2+(JI(,)一(,)II),(1)i=IY'=L(x,)=bo+blx+b2y+(II,y)-(xi,)II),(2)i=1式中:,是源影像中的点,(',Y')是几何校正后影像中对应的位置;a0,a1,a2和bo,b1,b2是仿射变换系数;,是第i个对应锚点对的系数;(,Y)是原影像中定义的一个控制点;(.)是TPS核函数,其采用如下形式:(r)=rlogr(3)式(1)和(2)中的多项式项(口0+alx+a2y)和(bo+x+b2Y)采用仿射变换,一种线性变形.另一方面,等式中

9、的和项为非线性变形.由于TPS等式中包含了2(+3)个未知数(ao,口1,a,bo,b2,和),我们在进行影像几何校正之前必须首先确定这些未知数.然而,我们仅有个对应的锚点对,因此有2N个等式.这就产生了一个病态线性方程求解问题,要解这个方程,必须强SUCH入下面两套额外的约束方程:(4)(5)0=0I0=0II日O=O=X瑚108海洋通报28卷式中:未知系数(口o,al,a2,b0,bl,b2,和)可从控制点的图像坐标值和地图坐标值中根据最小二乘法求出.1.3影像灰度重采样一旦确定了未知系数,就可以完成几何校正了.可以对原影像中的每一个像元运用式(1)和式(2)得到校正后的影像.然而,前向映

10、射不能产生很好的结果,因为在校正后的影像中会有很多孔洞.实际工作中,使用后向映射的方法使校正后的影像中的每一个像元位置到源影像和前面的孔洞.X=,Y'),Y=',Y')(6)和能通过互换(X,Y)和(X.,Y.)确定,在式(1)和(2)中使用校正后的影像中的锚点(,Y)替换源影像中的锚点(X,Y).使用后向映射的方法,校正后的影像中的任意像素都能在源影像中找到它的位置,灰度值由源影像对应像素的灰度值确定.对式(6)进行位置映射能定位到源影像的亚像素,因此需要采用影像灰度的双线性插值.2算法试验利用薄板样条函数几何校正方法在根本配置CPU2.83GHz,2.00GB内存的

11、计算机上对2021年7月(c)(d)图21.1KmHY.1BCOCTSL1B影像TPS几何纠正结果及局部效果图(a)轨道号6437利用TPS几何校正结果;(b)轨道号6437几何校正的局部效果;(C)轨道号6893利用TPS几何校正结果;(d)轨道号6893几何校正的局部效果Fig.2WholeandpartialeffectofGeometricCorrectionfor1.1KmHYlBCOCTSLIBimagebasedonTPS5期彭海龙等:基于薄板样条函数的HY-1B卫星L1B数据几何校正方法研究1095日02:00:20(UTC)包含中国沿海地区轨道号6437的1.1km分辨率CO

12、CTSLIB影像H1BCLR080705022006437.L1B.HDF文件和2021年8月6日02:00:47(UTC)境外澳大利亚沿海地区轨道号6893的1.1km分辨率COCTSL1B影像1BCLD080806O24706893.LIB.HDF进行了几何校正.几何校正的投影方式采用了气象,海洋学中常用的等经纬度投影,这种投影越向两极地区图像变形越大,因此适用于中低纬地区,符合对大范围研究的要求.图像均为假彩色RGB合成图(R:通道6,G:通道7,B:通道3),经纬度抽样矩阵选取为20列×40行,轨道号为6437的含中国沿海地区影像,校正前的图像大小均为l664×62

13、96个象素点,校正后的图像大小为5128×6216个象素点,校正时间约2min6S,校正后的与矢量叠加的图像如图2(a)所示,局部图像如图2fb)所示.通过局部图像同矢量叠加的结果可以看出,几何校正结果同中国陆地边界较好的重合.轨道号为6893的境外澳大利亚沿海地区影像,校正前的图像大小均为1664×6295个象素点,校正后的图像大小为4650×6287个象素点,校正时间约为1min57S,校正前的图像如图I(a)所示;校正后的图像如图2(c)所示,局部图像如图2(d)所示.通过局部图像同矢量叠加的结果同样可以看出,几何校正结果同澳大利亚的陆地轮廓重合较好.3结论

14、由于本文没有采用地面控制点,而是用HY.1BL1B数据提供的空间定位数据进行几何校正,其空间定位采用的是WGS84经纬度坐标系统,因此HY一1BLIB影像的几何校正精度主要取决于探测器对空间定位的精度.试验结果说明,使用TPS可以得到较好的几何校正结果.通过试验发现,当抽样矩阵为20列×40行时,其几何校正速度和效果都比较满意,提高抽样矩阵行列值对几何校正精度提高无明显效果,但当控制点数量比较多的时侯,其计算可能会非常耗时.参考文献:1郭广猛.关于MODIS卫星数据的几俐校正方法J.遥感信息2002(3):2728.【21韩崇昭,朱洪艳,等着.多源信息融合M】.清华大学出版社.200

15、6f3J蒋耿明,刘荣高,牛铮,等.MODIS1B数据几何纠正方法研究和软件实现fJ7.遥感,2004,8(2):7884f4付必涛,等.MODIS数据几何校正算法设计及其IDL实现J.遥感信息2007(2):2123.5叶晶,严卫,等.利用加权平均法进行多轨MODIS数据拼图J1.遥感信息2007(1):27.28.作者简介:彭海龙(1976),男,硕士,副研究员,主要从事海洋遥感与地理信息系统的应用研究.电子邮箱: GeometriccorrectionforHY-1BLIBdatabasedonthethinplatesplinemethodPENGHai

16、long,ZOUBin,L1-UShi.bin(1.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China2.TheCenterforEarthObservationandDigitalEarth,Seijing100086,China)Abstract:UsingcorrespondingrelationshipofimagecoordinatesandlatitudeandlongitudecoordinatesofcontrolpointswhichsampledfromHY一1BL1Bproduct,geometriccorrectionforHY一1BL1BdatabasedontheThinplateSplinefunction