CN103810679A - 一种地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法，涉及微波遥感领域，包括以下步骤：确定卫星微波遥感系统参数；设置目标区域参数；通过过采样获得地球同步轨道卫星对地观测实测数据，利用重采样获得完整的微波遥感图像；使用投影球方法处理微波遥感图像，去除采样过程中因地球曲率引入的图像信息误差；对坐标投影后的图像进行维纳滤波，提高图像空间分辨率；对维纳滤波处理后的图像进行逆傅里叶变换和坐标变换，获得分辨率增强后的图像。利用本发明可以得到分辨率更高的地球同步轨道卫星微波遥感图像，特别适用于位于远离星下点地区、探测跨度较大的图像，实现效率更优，具有更强的适应性和兼容性。

Description

一种地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法

技术领域

本发明涉及一种微波遥感图像处理方法，具体来说，是一种地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法。

背景技术

分辨率增强是地球同步轨道卫星微波遥感中图像处理的重要方法，可以提高遥感图像的空间分辨率。地球同步轨道卫星位于距地面36000km轨道，卫星轨道周期与地球自转周期相同，方向一致，且轨道平面与赤道平面重合。地球同步轨道卫星具有高时效性及连续探测的能力，但是由于轨道高度较高，地球同步轨道卫星微波遥感图像通常仅具有较低的空间分辨率。50-70GHz是地球同步轨道微波遥感中的重要频段，该频段对氧气具有较高的敏感性能够更好地观测大气的垂直结构，同时也能够与其他高频频段结合进行多频段观测。但是，多频段联合观测需要各频段观测数据空间分辨率一致，这就对50-70GHz频段遥感数据的空间分辨率提出了较高的需求。分辨率增强正是利用低频段图像中的过采样信息重建获的高分辨率图像的一种方法。

分辨率增强方法包括BG（Backus-Gilbert），SIR（Scatterometer ImageReconstruction）以及维纳滤波。BG方法去除天线方向图影响获得逆矩阵重建亮温数据。SIR方法则通过迭代运算寻找估计亮温的最优解。而维纳滤波则是利用滤波和傅里叶变换理论在频率域对图像进行处理，重建图像亮温。

目前，这些理论都已在低轨卫星的遥感数据中广泛应用，对于地球同步轨道卫星微波遥感图像目前仅使用过SIR和维纳滤波。但是，由于地球同步轨道卫星天线方向图的瞬时视场会随探测位置变化，降低了维纳滤波分辨率增强效果；SIR方法虽然可以考虑地理几何关系但它需要一定的计算时间进行迭代运算，不利于发挥地球同步轨道高时效性、高连续性的探测优势。因此，如何找到一种具有高计算效率同时又能保证计算精度更好的提高空间分辨率的成为该领域的研究重点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法，它具有计算效率高、适用性强的特点，可以应用于受地球曲率影响的各种地球同步轨道卫星图像的分辨率增强中，特别在探测区域远离星下点地区、探测跨度较大的遥感图像，仍能提高较高的空间分辨率。

本发明一种地球同步轨道卫星微波遥感图像分辨率的增强方法，通过以下步骤实现：

步骤一：地球同步轨道卫星微波遥感系统参数与目标区域地理位置参数。

步骤二：获取微波遥感图像；

a、获得在地球坐标系中以地球表面点C(x₀,y₀)为瞬时视场中心的采样矩阵；

使用高斯函数近似采样矩阵

并利用空间分辨率：

${\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)=\frac{1}{{2\mathrm{\πD}}^2}\exp \{-\frac{1}{2}[\frac{{\left({x-x}_0\right)}^2}{D^2}+\frac{{\left({y-y}_0\right)}^2}{D^2}\left]\right\}---\left(1\right)$

式（1）中，D为空间分辨率；x、y为瞬时视场内的点在地球坐标系中的坐标；x₀、y₀为点C在地球坐标系中的坐标。

b、利用采样矩阵

对探测地区进行采样；

通过采样矩阵与地面相应位置地球表面亮温乘积的积分来描述搭载在卫星上的天线探测地球表面亮温的过程，即：

$t_A(x_0,y_0)={\∫\∫}_C{\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)t_B(x,y)\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中，t_A为采样后的地表亮温，t_B为地表真实亮温；

将式（2）等价表示成

与t_B(x,y)的卷积，即：

$t_A(x_0,y_0)={\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)\⊗t_B(x,y)---\left(3\right)$

从而，获得地球同步轨道卫星测得的原始探测图像。

c、对原始探测图像进行重采样，生成微波遥感图像。

步骤三：建立投影球坐标系；

投影球坐标系以卫星为球心，投影球坐标系中各点由投影球坐标系的方位角和仰角来定义，并将卫星与地球连线中点坐标定义为(0°,0°)；

步骤四：将微波遥感图像投影在投影球坐标系中，得到：

式（4）中，t_A(x₀,y₀)、

和

分别是t_A(x₀,y₀)、

和t_B(x,y)投影到投影球坐标系后的表示形式；

将式（4）等价为

与

的卷积，得到：

式（5）中，

为探测噪声。

步骤四：对投影后的微波遥感图像进行去卷积处理，重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像；

步骤三中式（5）在频域得到：

T_A(u,v)＝H(u,v)T_B(u,v)+N(u,v)  （6）

其中，T_A(u,v)，H(u,v)，T_B(u,v)和N(u,v)分别是

和的在频域中对应的表示形式；

根据式（6）得到维纳滤波算子W(u,v)为：

$W(u,v)=\frac{H{(u,v)}^{*}}{{\left|H(u,v)\right|}^2+\frac{{\mathrm{NE\ΔT}}^2}{P_{\mathrm{TATA}}(u,v)}}---\left(7\right)$

式（7）中，NEΔT²为辐射计噪声；P_TATA(u,v)为频域中微波遥感图像T_A(u,v)的功率谱密度。

通过W(u,v)重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像：

T_C(u,v)＝W(u,v)T_A(u,v)     （8）

步骤五：对频域中的高分辨率微波遥感图像变换到投影球坐标系，再将高分辨率地球表面亮温图像变换到地球表面的地球坐标系，得到最终的分辨率增强结果。

本发明的优点：

1、本发明地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法，用于地球同步轨道卫星的分辨率增强，针对维纳滤波技术提供率投影球方法有效的去除了地球曲率对天线瞬时视场的影响。

2、本发明地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法，可计算获得更高的图像空间分辨率，有效提高了计算精度。

3、本发明地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法，保留了维纳滤波计算速度快、运算效率高的优势，有利于地球同步轨道卫星高时效性、持续探测的探测优势的发挥，为今后的地球同步轨道微波遥感探测提供更精确的数据。

附图说明

图1为本发明地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法整体流程图；

图2为地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法中使用投影球前后瞬时视场对照图；

图3为本发明地球同步轨道卫星微波图像分辨率的增强方法投影球坐标系-地球坐标系坐标变换示意图；

图4（a）为(20°E,20°N)位置处，空间分辨率为1km的高分辨率人工合成图像；

图4（b）为(20°E,20°N)位置处，对人工合成图像进行采样后获得的微波遥感图像；

图4（c）为(20°E,20°N)位置处，使用传统维纳滤波方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

图4（d）为(20°E,20°N)位置处，使用了投影球进行图像坐标投影后再通过维纳滤波方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

图5（a）为(20°E,20°N)位置处，空间分辨率为1km的高分辨率卫星图像。

图5（b）为(20°E,20°N)位置处，对卫星图像进行采样后获得的微波遥感图像。

图5（c）为是(20°E,20°N)位置处，使用传统维纳滤波方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

图5（d）为是(20°E,20°N)位置处，使用本发明方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

图6（a）为是(35°E,35°N)位置处，空间分辨率为1km的高分辨率卫星图像。

图6（b）为(35°E,35°N)位置处，对卫星图像进行采样后获得的微波遥感图像。

图6（c）为是(35°E,35°N)位置处，使用传统维纳滤波方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

图6（d）为是(35°E,35°N)位置处，使用本发明方法进行分辨率增强获得的高分辨率微波遥感图像。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供的一种地球同步轨道卫星微波遥感图像分辨率的增强方法，如图1所示，通过以下步骤实现：

步骤一：地球同步轨道卫星微波遥感系统参数设置，包括探测频率f（54GHz）、空间分辨率（瞬时视场宽度）D（94km）、采样间隔Δs（10km）、噪声（0.5K）、探测范围1000km×1000km；以及目标区域地理位置参数，包括目标区域中心位置坐标(20°E,20°N)。

步骤二：根据步骤1中的参数，通过下述方法获取微波遥感图像；

a、获得在地球坐标系（x，y）中以地球表面点C为瞬时视场中心的采样矩阵；

使用高斯函数近似采样矩阵

并利用空间分辨率：

${\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)=\frac{1}{{2\mathrm{\πD}}^2}\exp \{-\frac{1}{2}[\frac{{\left({x-x}_0\right)}^2}{D^2}+\frac{{\left({y-y}_0\right)}^2}{D^2}\left]\right\}---\left(1\right)$

式（1）中，x、y为瞬时视场内的点在地球坐标系中的坐标；x₀、y₀为点C在地球坐标系中的坐标。

b、利用步骤a中的采样矩阵

对探测地区进行采样；

通过采样矩阵与地面相应位置地球表面亮温乘积的积分来描述搭载在卫星上的天线探测地球表面亮温的过程，即：

$t_A(x_0,y_0)={\∫\∫}_C{\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)t_B(x,y)\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中，t_A为采样后的地表亮温，t_B为地表真实亮温；

令

不随瞬时视场中心点C的变化而改变，根据卷积的概念，则式（2）可以等价表示成与t_B(x,y)的卷积，即：

$t_A(x_0,y_0)={\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)\⊗t_B(x,y)---\left(3\right)$

因此，通过上述卷积计算，可获得地球同步轨道卫星测得的原始探测图像。

另外，由于地球同步轨道卫星微波遥感图像空间分辨率较低，不利于数据提取和利用。因此本发明中采用对探测地区进行过采样，即使采样间隔Δs小于瞬时视场大小D，从而使瞬时视场相互重叠，增加探测图像信息。

c、步骤a中得到的原始探测图像中各象元点不能正确的对应到相应的地理坐标上，因此需对原始探测图像通过线性插值方法进行重采样，以纠正原始探测图像的几何变形，最终生成一个完整的微波遥感图像。

由于微波图像分辨率增强是根据采样矩阵对原低空间分辨率图像进行重建的过程，对于地球同步轨道卫星微波遥感图像，因为地球曲率的影响，它的采样矩阵会随着采样点地理位置不同发生变化，如图2所示，为地球表面星下点(0°E,0°N)和A点(20°E,20°N)的瞬时视场，可以发现它从圆形变为椭圆形，长短轴比r_ellipse的变化可表示为：

r_ellipse＝1/sin[90°-(α+β)]    （4）

其中，α和β分别是采样点与卫星O、地球球心O’的连线与OO’的夹角。可见，随着采样点地理位置远离星下点，天线半功率波束宽度的地球表面投影形变越严重，采样矩阵的变化也会越大。

步骤2中式（3）表示了采样矩阵变化时的采样过程，采样矩阵随着瞬时视场中心点C(x₀,y₀)发生变化，因此整个采样过程已经不能被表示为

与t_B(x,y)的卷积形式，这直接导致探测区域远离星下点地区、探测跨度较大的遥感图像的分辨率增强效果的降低。

因此本发明通过下述步骤来解决上述问题。

步骤三：建立投影球坐标系；

投影球坐标系以卫星为球心，投影球坐标系中各点由投影球坐标系的方位角和仰角

来定义，并将卫星与地球连线中点坐标定义为(0°,0°)。

步骤四：将微波遥感图像投影在投影球坐标系中；

投影球坐标系是一个以遥感卫星所在位置为球心的球坐标系，天线方向图在投影球坐标系上投影保持不变，投影到投影球坐标系的微波遥感图像采样矩阵不会发生变化，因此本发明通过傅里叶变换将微波遥感图像投影到投影球坐标系上，如图3所示，为：

$F\left[t_A(x_0,y_0)\right]=F\left[{\∫\∫}_C{\stackrel{\‾}{G}}_{C(x_0,y_0)}(x,y)t_B(x,y)\mathrm{dxdy}\right]---\left(5\right)$

其中，F表示傅里叶变换；

从而有

式（6）中，t_A(x₀，y₀)

和

分别是t_A(x₀,y₀)、

和t_B(x,y)投影到投影球坐标系后的表示形式。

在上述遥感图像投影在投影球坐标系的过程中，需要进行地理位置的坐标变换，具体为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt{r_{\mathrm{dr}}^2-{2r}_{\mathrm{dr}}\sin x\cos y+{\sin }^{2}x}}{\cos x}---\left(7\right)$

式（7）、（8）中，r_dr是卫星到地心距离与地球半径的比值，(x,y)表示探测点在地球坐标系的坐标，

表示投影球坐标系上探测点对应的点坐标。

在投影球坐标系上，

不会随瞬时视场中心点的变化而改变，采样过程仍可表示为

与

的卷积形式，如式（9），可以正常的使用一般的分辨率增强方法对该坐标系上的遥感图像进行分辨率增强处理。

在实际应用中，需要考虑噪声的影响，因此将式（6）写为如下形式：

式（10）中，

为探测噪声；

步骤四：对投影后的微波遥感图像进行去卷积处理，重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像；

步骤三中式（10）进行傅里叶变换，在频域得到：

T_A(u,v)＝H(u,v)T_B(u,v)+N(u,v)  （11）

其中，T_A(u,v)，H(u,v)，T_B(u,v)和N(u,v)分别是

和的在频域中对应的表示形式。

根据式（11）可得到维纳滤波算子W(u,v)为：

$W(u,v)=\frac{H{(u,v)}^{*}}{{\left|H(u,v)\right|}^2+\frac{{\mathrm{NE\ΔT}}^2}{P_{\mathrm{TATA}}(u,v)}}---\left(12\right)$

式（12）中，NEΔT²为辐射计噪声，P_TATA(u,v)为频域中微波遥感图像T_A(u,v)的功率谱密度。

最终，通过W(u,v)重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像：

T_C(u,v)＝W(u,v)T_A(u,v)  （13）

步骤五：将步骤四得到的频域中的高分辨率微波遥感图像恢复为正常微波遥感图像，完成空间分辨率增强；

对频域中的高分辨率微波遥感图像T_C(u,v)进行反傅里叶变换，从频域变换到投影球坐标系，得到：

其中，F^-1表示傅里叶逆变换。

再将高分辨率地球表面亮温图像变换到地球表面的地球坐标系，得到最终的分辨率增强结果t_C(x,y)。

下面通过仿真实验对本发明进一步说明。

仿真1：进行人工合成图像分辨率增强对比实验；

给出天线探测频率f＝54GHz，天线直径2.7m，天线半功率波束宽度ω＝0.15°，能够在星下点提供94km的空间分辨率图像，辐射计噪声为0.5K高斯分布白噪声；目标区域面积范围大小为1000km×1000km，目标区域中心位置为(20°E,20°N)。

人工合成图像如图4（a）所示，空间分辨率为1km的高分辨率图像。对图像进行过采样，采样间隔Δs＝10km，经过采样和重采样后获得如图4（b）所示的人工合成采样后图像。

图4（c）所示为使用传统维纳滤波方法的计算结果，图4（d）所示为使用了投影球进行图像坐标投影后的分辨率增强计算结果，其具体图像性能参数如下表所示。

表一仿真1图像性能参数评价结果

从表一可以看出，使用投影球处理的人工合成图像具有更高的空间分辨率，图像相关性较高，较传统的维纳滤波方法更具优势。同时，通过观察对比图4（c）和图4（d）的图像可以发现，使用投影球处理后图像对比度更接近原始高分辨率图像，两个高亮点区分度更强。

仿真2：进行微波遥感图像分辨率增强对比实验

给出天线探测频率f＝54GHz，天线直径2.7m，天线半功率波束宽度ω＝0.15°，能够在星下点提供94GHz的空间分辨率图像（瞬时视场宽度），辐射计噪声为0.5K高斯分布白噪声；目标区域中心位置为(20°E,20°N)和(35°E,35°N)，目标区域面积范围大小为1000km×1000km。

遥感图像如图5（a）、6（a）所示，空间分辨率为1km的高分辨率图像。对图像进行过采样，采样间隔Δs＝10km，经过过采样和重采样后获得如图5（b）、6（b）所示的微波遥感图像。

图5（c）、6（c）所示为使用传统维纳滤波方法的计算结果，图5（d）、6（d）所示为使用了投影球进行图像坐标投影后的分辨率增强计算结果，其具体图像性能参数如下表所示：

表二仿真2图像性能参数评价结果

表二可以看出，使用投影球后分辨率增强效果有所提高，获得分辨率更高、较原图像相关性更高。同时，比较两个地点(20°E,20°N)和(35°E,35°N)的遥感图像处理结果可以发现，距离星下点较远处的(35°E,35°N)区域在使用投影球后，分辨率提高效果更明显。

Claims (2)

1.一种地球同步轨道卫星微波遥感图像分辨率的增强方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

步骤一：地球同步轨道卫星微波遥感系统参数与目标区域地理位置参数；

步骤二：获取微波遥感图像；

a、获得在地球坐标系中以地球表面点C(x₀,y₀)为瞬时视场中心的采样矩阵；

使用高斯函数近似采样矩阵

并利用空间分辨率：

${\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)=\frac{1}{{2\mathrm{\πD}}^2}\exp \{-\frac{1}{2}[\frac{{\left({x-x}_0\right)}^2}{D^2}+\frac{{\left({y-y}_0\right)}^2}{D^2}\left]\right\}---\left(1\right)$

式（1）中，D为空间分辨率；x、y为瞬时视场内的点在地球坐标系中的坐标；x₀、y₀为点C在地球坐标系中的坐标；

b、利用采样矩阵

对探测地区进行采样；

通过采样矩阵与地面相应位置地球表面亮温乘积的积分来描述搭载在卫星上的天线探测地球表面亮温的过程，即：

$t_A(x_0,y_0)={\∫\∫}_C{\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)t_B(x,y)\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中，t_A为采样后的地表亮温，t_B为地表真实亮温；

将式（2）等价表示成

与t_B(x，y)的卷积，即：

$t_A(x_0,y_0)={\stackrel{\‾}{G}}_C(x,y)\⊗t_B(x,y)---\left(3\right)$

从而，获得地球同步轨道卫星测得的原始探测图像；

c、对原始探测图像进行重采样，生成微波遥感图像；

步骤三：建立投影球坐标系；

投影球坐标系以卫星为球心，投影球坐标系中各点由投影球坐标系的方位角和仰角

来定义，并将卫星与地球连线中点坐标定义为(0°,0°)；

步骤四：将微波遥感图像投影在投影球坐标系中，得到：

式（4）中，t_A(x₀，y₀)

和

分别是t_A(x₀,y₀)、

和t_B(x,y)投影到投影球坐标系后的表示形式；

将式（4）等价为

与

的卷积，得到：

式（5）中，

为探测噪声；

步骤四：对投影后的微波遥感图像进行去卷积处理，重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像；

步骤三中式（5）进行傅里叶变换，在频域得到：

T_A(u，v）＝H(u，v)T_B(u，v)+N(u，v)  (6)

其中，T_A(u,v)，H(u,v)，T_B(u,v)和N(u,v)分别是

和

的在频域中对应的表示形式；

根据式（7）得到维纳滤波算子W(u,v)为：

$W(u,v)=\frac{H{(u,v)}^{*}}{{\left|H(u,v)\right|}^2+\frac{{\mathrm{NE\ΔT}}^2}{P_{\mathrm{TATA}}(u,v)}}---\left(8\right)$

式（8）中，NEΔT²为辐射计噪声；P_TATA(u,v)为频域中微波遥感图像T_A(u,v)的功率谱密度。

通过W(u,v)重建得到频域中的高分辨率微波遥感图像：

T_C(u,v)＝W(u,v)T_A(u,v)   （9）

步骤五：对频域中的高分辨率微波遥感图像变换到投影球坐标系，再将高分辨率地球表面亮温图像变换到地球表面的地球坐标系，得到最终的分辨率增强结果。

2.如权利要求1所述一种地球同步轨道卫星微波遥感图像分辨率的增强方法，，其特征在于：步骤二中采样的间隔Δs小于瞬时视场大小D。

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