CN102346922B

CN102346922B - 航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法

Info

Publication number: CN102346922B
Application number: CN 201010241104
Authority: CN
Inventors: 顾行发; 余涛; 臧文乾; 胡新礼; 郭红; 周珂; 赖积保; 谢东海
Original assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS; Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102346922A

Abstract

本发明公开了一种航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，具体为：1)在空间直角坐标系下构建三维地球模型；2)根据航天平台的参数，在三维地球模型中构建航天平台；3)根据航天平台上传感器参数，确定传感器发出的光线的空间位置和方向；4)对三维地形场景和航天平台上传感器发出光线进行求交计算，获取航天遥感影像在地形起伏状态下的影像几何变形；5)运用3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。本发明分析了航天遥感平台飞行过程中影像获取时几何畸变产生的原因，以有效的图形表示形式上来揭示航天遥感影像几何畸变产生的物理现象。通过人机数据和图形交互，支持航天遥感成像机理的研究。

Description

航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法

技术领域

本发明涉及航天遥感成像领域，尤指一种航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法。

背景技术

随着计算机图形学和虚拟现实技术的深入发展，三维可视化技术已经在很多领域得到广泛应用，通过用三维图形实时互动地显示仿真过程和仿真结果，能给用户以更全面、更直观的信息，并为不同领域专家提供相互沟通和交流的平台。我国航天遥感发展到当今，对遥感成像的可视化仿真技术也提出了要求，即通过将卫星和传感器的各种参数运用于计算机图形学和图像处理技术。

陈宏敏等在《基于实时测控数据驱动的航天可视化仿真系统》中，以我国嫦娥一号卫星首次月球探测工程为背景，分析和研究了基于实时测控数据驱动的可视化仿真系统需求实现的功能，并针对过去实时视景仿真系统中视点设计适应性差、缺乏灵活性等弊病，提出了可应用于航天探测视景仿真的通用视点设计步骤，实现对三维视景灵活多变的实时渲染显示。

刘维等在《基于Open Inventor的航天可视化系统》中，对可视化及其应用作了深入的研究，并分析了一般意义的可视化系统的布局和建构，并结合航天器飞行目标的运动特性，参照STK软件的相关实践经验，将航天任务仿真计算和航天场景的可视化进行了分离，构建一套以场景仿真为核心的、具有可扩展特性的分布式航天任务仿真可视化的系统框架，最后利用Open Inventor实现了相应的三维可视化仿真系统。能够满足常规的航天任务可视化仿真，并在此基础上设计实现比较专业的航天任务可视化仿真。

蓝朝桢等在《航天任务实时3维可视化仿真》中，将3D可视化仿真技术应用于航天任务中，提出了航天器对象层次3D建模方法；研究了航天器在空间环境下运行的实时3D可视化仿真技术，能够直观表现航天器运行时的位置、姿态、部件工作状况以及空间环境等，为指挥和技术人员分析掌握航天器的运行情况提供监测手段。

以上文章设计了航天器运行和工作状况的三维可视化仿真方法，并得到了很好的应用。但是针对航天遥感传感器成像几何畸变仿真模拟涉及较少，没有对探元级别的成像几何畸变原理进行研究和模拟实现。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明从航天遥感载荷探元成像机理出发，结合计算机三维可视化仿真技术，提供一种模拟真实环境下航天载荷成像的几何畸变的方法。

为实现上述目的，本发明的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，具体步骤为：1)在空间直角坐标系下构建三维地球模型，加载DEM数据模拟不同地表的起伏状况；2)根据航天平台的参数，在三维地球模型中构建航天平台；3)根据航天平台上传感器参数，确定传感器发出的光线的空间位置和方向；4)对三维地形场景和航天平台上传感器发出光线进行求交计算，获取航天遥感影像在地形起伏状态下的影像几何变形；5)运用3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。

进一步，所述航天平台为卫星，航天平台的参数包括平台高度、姿态控制、稳定度和飞行时间。

进一步，所述姿态控制包括翻滚控制精度、俯仰控制精度和偏航控制精度；所述稳定度包括翻滚角速度、俯仰角速度和偏航角速度。

进一步，步骤1)和步骤2)采用JAVA3D或openGL或Direct3D技术进行三维地形场景和航天平台的构建。

进一步，所述航天平台上传感器参数包括扫描方式、传感器视场角(FOV)和传感器探元大小。

进一步，步骤3)中通过计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，模拟由传感器探元发出的光线在步骤1)中构建的三维地形场景中所能拍摄到的地面位置和范围。

进一步，步骤4)中三维地形场景和投射光线求交计算具体为：判断投射光线所在射线与三维地形场景中所在平面是否相交并计算交点，该交点即为传感器在起伏地形上的投影点，从而确定传感器探元空间采样地物点与影像像元的对应关系，确定影像像元在地球表面的投影位置，对传感器的探元进行逐个模拟，直到模拟全部传感器探元在地面上的投影定位，求出航天遥感影像在地形起伏状态下的影像几何变形。

进一步，所述传感器探元组合成线阵传感器单元，通过所述航天平台和传感器参数，以时间序列模拟从线阵传感器单元中探元发出的光线在地面上的投影，模拟传感器在起伏地形上形成的多条扫描条带成像。

进一步，步骤5)中3D图形可视化技术包括openGL、Directe3D和JAVA3D技术。

根据传感器内、外方位元素模拟由传感器位置和姿态确定的投射光线；3)对三维地形场景和投射光线进行求交计算，获取遥感影像在地形起伏状态下的影像覆盖的几何变形；4)运用计算机3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。

进一步，步骤1)中选取地形起伏变化明显的DEM数据，以JAVA3D或openGL或Direct3D技术进行三维地形场景的构建。

本发明分析了航天遥感平台飞行过程中影像获取时几何畸变产生的原因，建立了基于平台姿态变化、轨道高度变化、地球自转、地形起伏、卫星平台侧摆、扫描非线性、卫星偏流角等因素影响的几何畸变模型，结合计算机可视化仿真技术，将三维地球模型、卫星轨道参数、DEM数据、平台姿态参数、传感器参数等科学数据映射成统一坐标系下的三维可视化对象，以有效的图形表示形式上来揭示航天遥感影像几何畸变产生的物理现象。通过人机数据和图形交互，支持航天遥感成像机理的研究。

附图说明

图1为本发明的航天遥感载荷成像几何畸变仿真方法的流程图；

图2为卫星载荷在三维虚拟空间中采样过程；

图3为航天平台参数输入界面；

图4为传感器参数输入界面；

图5为射线与三角形求交算法示意图；

图6为航天遥感载荷成像几何畸变图形。

具体实施方式

本发明的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法是基于航天遥感成像原理和光线追踪技术，结合计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，可以模拟由航天平台上传感器探元发出的光线在DEM三维场景中的所能拍摄到的地面位置和范围，进而获得由于航天平台姿态变化、传感器倾斜和地形起伏影响的遥感影像几何变形。

航天遥感载荷成像几何畸变仿真流程图如图1所示，在空间直角坐标系下构建三维地球模型，加载DEM数据模拟不同地表的起伏状况；根据航天平台的参数，在三维地球模型中构建航天平台；根据航天平台上传感器参数，确定传感器发出的光线的空间位置和方向；对三维地形场景和航天平台上传感器发出光线进行求交计算，获取航天遥感影像在地形起伏状态下的影像几何变形；运用3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现。对本发明的仿真方法具体介绍如下：

遥感图像产生几何畸变的原因：

地物目标发出的电磁波被卫星上所载传感器接收，这些电磁波上记录和传达了地物目标的信息，这是遥感图像成像的过程也是它的内在规律。在这个过程中图像的几何畸变也随即产生了。其中原因很多，主要表现在以下几个方面：

(1)卫星位置和运动状态变化的影响

卫星围绕地球按椭圆轨道运动，引起卫星的航高和飞行速度的变化，导致图像对应产生偏离与在卫星前进方向上的位置错动。另外，运动过程中卫星的偏航、翻滚和俯仰的变化也能引起图像的畸变。

以上的误差总的来说，都是因为传感器相对于地物的位置、姿态和运动速度变化产生的，属于外部误差。此外，由于传感器本身的原因产生的误差，即内部误差，这类误差一般很小，通常人们不作考虑。

(2)地球自转的影响

大多数卫星都是在轨道运行的降段接收图像，即当地球自西向东自转时，卫星自北向南运动。这种相对运动的结果会使卫星的星下位置产生偏离，从而使所成图像产生畸变。

(3)地球表面曲率的影响

地球的表面是不规则的曲面，这使卫星影像成像时像点发生移动，像元对应于地面的宽度不等。特别是当传感器扫描角度较大时，影响更加突出。

(4)地形起伏的影响

当地形存在起伏时，使原来要反映的，理想的地面点被垂直在其上的实际某高点所代替，引起图像上像点也产生相应的偏离。

1.三维场景构建

在空间直角坐标系下构建三维地球模型，加载DEM数据模拟不同地表的起伏状况。基于上述方法构建的三维场景体现了地球曲率与地形起伏，模拟了真实的地理环境。图2为卫星载荷在三维虚拟空间中采样过程，从图中可以看出由于地球曲率影像扫描条带的变形情况。

2.航天平台构建

卫星是搭载航天遥感传感器的平台，其位置和姿态参数决定了传感器成像在地面的几何变形。本发明考虑了平台高度，姿态控制(翻滚控制精度、俯仰控制精度和偏航控制精度)、稳定度(翻滚角速度、俯仰角速度和偏航角速度)和模拟飞行时间。基于以上参数控制，在上述三维场景中构建航天平台，可以模拟真实轨道下卫星抖动影响的遥感影像几何变形状况。图3为航天平台参数输入界面。根据稳定度参数，运用卫星抖动模拟函数，模拟了仿真飞行时间内卫星三个姿态角的抖动情况，其各自抖动幅度随时间的变化以各自稳定度曲线表示，进而可以计算出仿真时间内不同时间段卫星在空间中的姿态角(翻滚角、俯仰角和偏航角)。根据已经确定的卫星的姿态角，可以计算出传感器发出的逆向光线的初始位置和方向向量。

3.传感器发出光线的确定

由于本发明是为了模拟传感器成像的几何变形，这里只考虑了与几何相关的传感器参数：扫描方式(推扫、摆扫)、传感器视场角(FOV)、探元大小等。由于本发明应用了计算机图形学中光线追踪算法模拟传感器成像几何，通过设定的传感器参数，确定有传感器发出的光线的空间位置和方向，在下一步传感器成像过程模拟中，将跟踪设定好位置和方向的光线在空间三维场景中相交情况，模拟传感器探元在地面投影的几何位置和分布。图4为传感器参数输入界面。

传感器投影中心在空间坐标系中的位置与姿态决定了发射光线的位置与方向。内、外方位元素描述了投影中心的位置和姿态，内方位元素描述投影中心与影像像元之间相关位置的参数，外方位元素度确定投影光束在投影瞬间的空间位置和姿态的参数。内方位元素一般视为已知，有制造厂家测得，外方位元素中飞行姿态参数在本体坐标系中描述，其空间姿态的三个参数是：翻滚(RoII)为绕本体坐标系Y轴(飞行方向)的旋转，俯仰(Pitch)为绕本体坐标系X轴(飞机横轴)的旋转，航偏(Yaw)为绕本体坐标系Z轴(右手规则确定)的旋转，曝光位置由投影中心在地面坐标系中的位置决定。

由以上可知，根据传感器内方位元素和FOV(传感器视场角)可确定光线在影像坐标系(以传感器投影中心位置为原点，航天平台飞行方向为X轴，垂直于影像方向指向天空为Z轴，X轴与Z轴的叉乘确定Y轴)下的位置和方向，设某点在影像(OXYZ)坐标系下的坐标为X，Y，Z；在地面(Oxyz)坐标系下的坐标为x，y，z。从OXYZ坐标系到Oxyz坐标系的转换为：

这里的θ和

分别是叶片法向在世界坐标系Oxyz下的天顶角和方位角(由外方位元素确定)。x，y，z为此点在叶片右手局部坐标系下的坐标分量，经上述转换矩阵，得到该点在右手地面坐标系下的坐标分量x，y，z。

由于投射光线的初始位置和方向是通过局部坐标系下传感器的物理参数确定的，为了与全局坐标系下的场景进行求交运算，有必要把投射光线的位置和方向转换到统一的全局坐标系下。通过以上坐标转换公式，可将影像坐标系下的投射光线位置和方向转换到地面全局坐标系(坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点)下，进行与地面坐标系下的三维地形场景的求交运算。

4.传感器成像几何畸变模拟

光线追踪算法是计算机图形学中经典的全局光照算法，模拟了空间光线在三维场景中的运行轨迹和碰撞相交，在图形学的渲染中，主要运用的是有视点射出的光线，逆向追踪直至达到光源。本发明主要利用逆向光线追踪算法，计算由传感器探元发出的光线与地面相交是的交点，由于航天线阵CCD相机是多中心投影，因此，根据每个像元的iFOV(扫描瞬时视场角)和其观测几何参数，沿像元边框发射离散光子，每个光子的与地面的交点通过求交运算算法计算得到，记录光子发射序号以便重构传感器探元在地面投影的几何形状，其投影的覆盖的几何形状即为传感器采样的真实区域。

由于卫星载荷视场覆盖范围大，计算过程中涉及到的DEM数据非常庞大，这里采用视域剔除算法，只针对卫星覆盖到的地球表面数据进行加载计算。首先判断从卫星载荷发出的光线与地球表面哪些区域相交，加载本区域的数据参与计算，将DEM数据载入三维场景，构建三角网，为以下光线追踪算法提供数据准备。

三维场景中的最小面元以三角形基元表示，具体算法如下：

射线与多边形的求交算法基本都是先求出射线与多边形所在平面求交，然后判断交点是否在多边形内。但是针对计算机各种运算所需时间和空间代价的不同，可以进行人为的优化，但总体来说运行效率相差不大。如图5所示，本发明选取一种比较高效的线面求交算法，具体步骤如下：

设射线方程为R(t)＝O+tD，t≥0，其中0表示射线的端点，D表示射线的方向向量。三角形内的一个点T(u，v)由下式给出：

T(u，v)＝(1-u-v)V₀+uV₁+vV₂，u≥0，v≥0，u+v≤1，求射线与平面的交点，联立以上两方程，得O+tD＝(1-u-v)V₀+uV₁+vV₂，即

[\begin{matrix} - D, & V_{1} - V_{0}, & V_{2} - V_{0} \end{matrix}] [\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = O - V_{0}

设E₁＝V₁-V₀，E₂＝V₂-V₀，T＝O-V₀得

[\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = \frac{1}{|\begin{matrix} - D, & E_{1}, & E_{2} \end{matrix}|} [\begin{matrix} | T, & E_{1}, & E_{2} | \\ | - D, & T, & E_{2} | \\ | - D, & E_{1}, & T | \end{matrix}]

由于|A，B，C|＝-(A×C)·B＝-(C×B)·A，所以

[\begin{matrix} t \\ u \\ v \end{matrix}] = \frac{1}{(D \times E_{2}) \cdot E_{1}} [\begin{matrix} (T \times E_{1}) \cdot E_{2} \\ (D \times E_{2}) \cdot T \\ (T \times E_{1}) \cdot D \end{matrix}] = \frac{1}{P \cdot E_{1}} [\begin{matrix} Q \cdot E_{2} \\ P \cdot T \\ Q \cdot D \end{matrix}]

其中P＝D×E₂，Q＝T×E₁。

于是得到射线与三角形所在平面的交点。如果解满足条件t＞＝0、0＜＝u＜＝1且0＜＝v＜＝1，就说明射线与三角形相交。

交点为：

[\begin{matrix} x \\ y \\ z \end{matrix}] = [\begin{matrix} x_{A} \\ y_{A} \\ z_{A} \end{matrix}] + u [\begin{matrix} x_{B} - x_{A} \\ y_{B} - y_{A} \\ z_{B} - z_{A} \end{matrix}] + u [\begin{matrix} x_{C} - x_{A} \\ y_{C} - y_{A} \\ z_{C} - z_{A} \end{matrix}]

其中，(x_A、y_A、z_A)，(x_B、y_B、z_B)，(x_C、y_C、z_C)分别表示与光线相交的地面三角形基元的三个点，(x、y、z)是光线与地形表面的交点，即传感器像元在起伏地形上的投影点。

在传感器发射光子时，对每一个光子进行编号，通过光子编号，记录模拟像元在遥感影像中的位置，根据像元的位置关系将地面上的投影交点重构成数字遥感影像矩阵，这样就模拟了航天遥感影像0级产品产生的全过程，进行了传感器像元在地面上的投影面积和几何形变的可视化仿真。

由于航天遥感CCD相机扫描方式分为推扫和摆扫，本发明中将数个(要仿真的传感器线阵探元数量)探元组合成线阵传感器单元。以此单元为基础，通过上述平台和传感器参数，以时间序列模拟从线阵单元中探元发出的光线在地面上的投影，模拟传感器扫描条带。通过传感器成像时间的设定，可以模拟卫星运行过程中传感器在地面形成的成像过程，体现了航天遥感传感器的条带扫描特性。经本发明的仿真方法得到的的航天遥感载荷成像几何畸变，如图6所示。

通过本发明模拟的遥感影像，体现了平台姿态变化、轨道高度变化、地球自转、地形起伏、卫星平台侧摆、扫描非线性、卫星偏流角等因素造成的成像几何变形，通过平台姿态、传感器FOV及其稳定度的设置，模拟了由于平台抖动造成的噪声和双眼皮效果。

(1)双眼皮效果模拟

由于地球曲率和载荷投影的影响，在卫星扫描条带边缘会出现条带重叠的现象，俗称“双眼皮”。本发明基于卫星载荷成像机理出发在地球模型上进行扫描模拟，很好的表现出了现实采样的“双眼皮”现象。

(2)地球曲率与摆扫角影响

由于地球曲率与摆扫成像特点，在扫描条带远端影像像元会出现拉伸现象。

(3)地形起伏影响

由于地形起伏影响，卫星载荷探元在地表的投影会出现不规则的几何畸变，本发明直观的模拟了畸变的现象。

(4)轨道高度影像

由于卫星在太空中飞行轨道高度会出现变化，造成扫描条带间重叠或断裂的现象。

(5)偏流角影响

卫星载荷在成像过程中，由于地球本身的自转，使得卫星的运动方向和载荷实际成像方向并不相同，两者之间的夹角即为偏流角。

通过航天遥感载荷成像几何畸变的可视化仿真，可使用户更直观地了解航天遥感载荷成像几何畸变产生的机理和表现情况，协助他们揭示航天遥感载荷成像机理、优化遥感数据校正算法、制定卫星载荷设计方案。相比数据和文本而言，计算机三维可视化技术能给人更全面、更直观的信息，从这一意义上讲，可视化仿真为不同领域专家提供了相互沟通和交流的平台。通过可视化技术将航天遥感载荷成像几何畸变仿真中的数字信息变为直观的、以三维图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程，并呈现在研究人员面前，使研究人员能够知道系统中变量之间、变量与参数之间、变量与外部环境之间的关系，直接获得系统的静态和动态特性，实时地跟踪并有效地驾驭数据模拟与实验过程。简洁地说，实现了仿真结果可视化与仿真计算过程可视化。仿真计算过程的三维可视化可以在仿真实时运行过程中展示模型中的实体运动及其相应属性的动态变化规律，使研究人员对系统模型得到概念化及形象化的理解，知道系统已经发生的或将要发生的变化，从而使航天卫星载荷成像模型和卫星设计建立在更加科学的基础上，提高卫星载荷的总体设计水平和自动化水平，缩短研制和试验周期，提高研制和试验质量，节省研制和试验经费，同时使其具备对外展示的功能，建立了一个综合的信息表达平台。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims

1.一种航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，具体步骤为：1)在空间直角坐标系下构建三维地球模型，加载DEM数据模拟不同地表的起伏状况；2)根据航天平台的参数，在三维地球模型中构建航天平台；3)根据航天平台上传感器参数，确定传感器发出的光线的空间位置和方向；4)对三维地形场景和航天平台上传感器发出光线进行求交计算，即通过判断投射光线所在射线与三维地形场景中所在平面是否相交并计算交点，该交点即为传感器在起伏地形上的投影点，从而确定传感器探元空间采样地物点与影像像元的对应关系，确定影像像元在地球表面的投影位置，对传感器的探元进行逐个模拟，直到模拟全部传感器探元在地面上的投影定位，求出航天遥感影像在地形起伏状态下的影像几何变形；5)运用3D图形可视化技术，将结果在计算机的虚拟环境中再现；其中步骤4)中所述传感器探元组合成线阵传感器单元，通过所述航天平台和传感器参数，以时间序列模拟从线阵传感器单元中探元发出的光线在地面上的投影，模拟传感器在起伏地形上形成的多条扫描条带成像。

2.如权利要求1所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，所述航天平台为卫星，航天平台的参数包括平台高度、姿态控制、稳定度和飞行时间。

3.如权利要求2所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，所述姿态控制包括翻滚控制精度、俯仰控制精度和偏航控制精度；所述稳定度包括翻滚角速度、俯仰角速度和偏航角速度。

4.如权利要求1-3任一所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)采用JAVA3D或openGL或Direct3D技术进行三维地形场景和航天平台的构建。

5.如权利要求3所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，所述航天平台上传感器参数包括扫描方式、传感器视场角和传感器探元大小。

6.如权利要求1所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，步骤3)中通过计算机图形学中坐标转换和投影转换算法，模拟由传感器探元发出的光线在步骤1)中构建的三维地形场景中所能拍摄到的地面位置和范围。

7.如权利要求1所述的航天遥感载荷成像几何畸变三维可视化仿真方法，其特征在于，步骤5)中3D图形可视化技术包括openGL、Directe3D和JAVA3D技术。