CN104252624A - 一种星载区域点目标图像的定位和提取方法 - Google Patents

Abstract

一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，该方法读取卫星图像的辅助数据，计算卫星图像的当前行列号、判断卫星星历跳变及星历跳变周期、计算相机行周期等；提出了一种基于参数更新与地理信息真实和预测计算的算法，保证了定位精度的稳定性和实时性；判断区域点目标是否在当前检测范围内，计算其对应的预测起始行列号；并与实时行列号进行比较，根据点目标提取格式输出结果；循环计算，直至任务结束。该方法克服现有技术的不足，可利用现有几种卫星定位模型，实现了卫星开机后，在轨卫星任意时刻遥感图像的定位，完成星载区域点目标图像的实时提取或者非实时提取，为在轨图像高级别处理提供了选择。

Description

一种星载区域点目标图像的定位和提取方法

技术领域

本发明涉及一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，属于遥感卫星图像处理技术领域，用于遥感卫星搭载的线性推扫式相机成像数据的在轨定位和提取。

背景技术

随着国内外遥感卫星的不断发射，卫星遥感的大面积、短周期和低成本等特点使其成为遥感发展的主导方向，遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、辐射分辨率和光谱分辨率不断提高，在轨数据量剧增。

线阵推扫式光学相机是目前光学遥感卫星传感器的主流，线阵推扫式光学相机随卫星沿着预先定义好的轨道向前推进动态成像，逐条扫描后形成一幅二维图像。在某摄影瞬间，图像上对应的行与所摄地面存在严格的中心投影关系。

在遥感卫星图像处理技术领域，需要处理的数据量越来越大，如何充分利用这些遥感数据是我们面临的一个难点和不足；其中有针对性的选择图像，在轨实时或者非实时进行特定处理，成为一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载区域点目标图像定位和提取方法，能够保证定位精度稳定性，完成高分辨率在轨光学遥感图像实时和非实时的定位和提取，为在轨图像高级别处理提供了选择。

本发明的技术方案如下：一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，步骤如下：

(1)读取卫星图像的辅助数据，计算卫星图像的当前行列号，计算相机的行周期；从辅助数据中判断有效的卫星星历，在卫星星历跳变时刻，存储卫星星历，并转步骤(2)；在未发生卫星星历跳变时，重复步骤(1)并在后续每次卫星星历跳变时刻更新卫星星历；

(2)根据当前有效的卫星星历计算卫星图像上左右两个角点在WGS84坐标系下的地理信息，同时根据计算的相机行周期和星历跳变周期，插值计算下一次卫星星历跳变时刻前的卫星星历，并计算跳变时刻前卫星图像上左右两个角点在WGS84坐标系下的地理信息；进而根据上述四个角点的地理信息，计算出卫星星历跳变周期内成像的中心点地理信息；

(3)根据步骤(2)确定的四个角点的地理信息以及完成步骤(2)处理需要的时间，确定能够提取的区域点目标的范围；

(4)判断预设区域点目标是否在步骤(3)确定的能够提取的区域点目标的范围内；若不在，则在下一个卫星星历跳变时刻，转步骤(2)重复进行；否则，计算区域点目标的预测起始行列号，并将该预测起始行列号与步骤(1)中计算的卫星图像当前行列号进行比较，若二者不同，则不输出，继续比较，若二者相同，则按照提取格式输出图像；

(5)进入下一个卫星星历跳变时刻时，根据步骤(4)提取格式，如果提取图像还没有输出完，则继续输出提取图像；如果输出完，则转步骤(2)重复进行，直至任务结束。

所述步骤(1)中根据相机的正逆程来计算卫星图像当前行列号，行号从0一直递增，即图像的高度，列号从0递增到行长的最大值，即图像的宽度。

所述步骤(1)中从辅助数据中判断有效的卫星星历过程如下：

首先读取第一帧辅助数据，将后续读取的每帧辅助数据与第一帧辅助数据依次进行比较，第一次比较不同的那帧辅助数据记为第一包有效的卫星星历；同理，第二次比较不同的那帧辅助数据记为第二包有效的卫星星历，按照同样方法判断辅助数据中的所有有效卫星星历。

当所述的定位和提取方法是针对实时读取的卫星图像辅助数据进行的实时处理时，卫星星历跳变周期Tj>5*Tz；其中5*Tz为步骤(2)处理完成所需的时间。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明针对目前遥感卫星在轨图像处理需求，形成针对星载区域点目标图像的在轨实时或非实时定位和提取；通过该方法可以在轨定位区域点目标，可以在星上对感兴趣区域进行提取，并完成图像融合、变化检测、目标监测和识别以及数据合成、平滑和填补等后续高等级处理，达到实时以及准实时传输；

(2)本发明为在轨图像处理提供了选择，在轨图像由于数据量大，往往不在星上进行高等级处理，如果可以完成在轨数据实时处理，直接面向用户，提高效率，节省地面站等相关设备。

(3)本发明中提出了参数更新与地理信息真实和预测计算的方法能够保证图像数据到达前，已经提前计算出感兴趣区域的预测起始行列号，保证不会丢失需要检测的区域点目标图像。

(4)本发明可以在现有FPGA硬件平台(仅仅需要高速接口、FPGA即可；如果需要更高的定位精度，需要外挂FLASH)上实现，具有非常好的系统扩展性，为在轨图像处理提供了选择。

附图说明

图1是完成定位后进行区域点目标图像提取的示意图；

图2是本发明的整体算法处理流程图；

图3是本发明的一种星载区域点目标图像的实时定位和提取过程框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实现示例来说明本发明的具体实现：

图1是本完成定位后，进行区域点目标图像提取的示意图；在轨图像中包含辅助数据和图像部分，其中图像部分有6个点目标，在轨图像从上至下依次经过6个点目标；当到达第一个点目标时，提取出的图像大小如右图点目标1；同理，依次提取后续5个点目标图像；图中提取图像的大小的不同是由点目标提取图像输出要求决定的。

如图2所示，本发明实现步骤如下：

(1)读取卫星图像的辅助数据：计算卫星图像的当前行列号，计算相机的行周期；从辅助数据中判断有效的卫星星历；在卫星星历跳变时刻，存储卫星星历，并转步骤(2)；在未发生卫星星历跳变时，重复步骤(1)并在后续每次卫星星历跳变时刻更新卫星星历；

读取卫星图像的辅助数据时，根据相机的正逆程来计算卫星图像当前行列号；其中，行周期的计算，从辅助数据中判断星历跳变，存储卫星星历，更新卫星星历的处理是在第一次完成该步骤(1)后，以后每一个步骤中均需要计算，即步骤(1)与步骤(2)、(3)、(4)、(5)是并行计算的；其中，更新卫星星历是在每一次星历跳变后完成更新；

如图3所示，接收星载图像，实时读取卫星图像的辅助数据，将第一次不同的一帧辅助数据记为第一包卫星星历，记为0s时刻；同时，根据计算卫星图像的当前行列号，计算的相机行周期，完成卫星星历更新；第二次不同时的一帧辅助数据记为第二包卫星星历，将第二次跳变时刻记为1s时刻；按顺序保证存储五包卫星星历，第六次将第一包卫星星历更新依此类推，不断更新卫星星历。

上述卫星星历参数包括卫星在当前图像行时刻的GPS信息(绝对定位时间，X方向、Y方向、Z方向的位置、速度和加速度等)，姿态信息(滚动角、俯仰角、偏航角以及其各自的角速度等)等。

根据相机的一次正程+逆程的时间计算相机的行周期，行周期假设为Th；

(2)在卫星星历跳变时刻，根据当前有效的卫星星历计算卫星图像上左右两个角点(例如图3中的A、B)在WGS84坐标系下的地理信息，同时根据计算的相机行周期和星历跳变周期，插值计算下一次卫星星历跳变时刻前的卫星星历，并计算跳变时刻前卫星图像上左右两个角点(C、D)在WGS84坐标系下的地理信息；此时C、D的下一行对应处的点是下一次跳变周期的A、B点，此处定义为A’，B’；进而根据上述四个角点(A、B、C、D)的地理信息，计算出卫星星历跳变周期内成像的中心点地理信息；

跳变时刻对应的卫星星历对应于当前图像行，根据当前图像行左右角点的位置可以计算出此刻左右角点的地理信息；此时计算的当前时刻左右角点的地理信息是根据卫星辅助数据直接计算出来，其定位精度与定位模型精度相关；也就是说，上述左右两个角点在在WGS84坐标系下的地理信息可以通过卫星定位模型计算，卫星定位模型的类型有多种，例如可以按照严密模型来实现，对于非严密模型可以精简部分步骤后适用；

对于定位模型来说，其根据卫星星历每次计算相应坐标点的地理信息的时间假设为Tz。

根据行周期Th和星历跳变周期Tj等完成卫星星历插值更新；插值时，需要判断当前有效的星历数据包，根据数据包个数选择对应的插值算法，如果卫星星历数据包少于5个，选择线性插值算法，否则选择拉格朗日插值算法；

(3)根据步骤(2)确定的四个角点的地理信息以及步骤(2)处理完成需要的时间确定能够提取的图像块(即区域点目标的范围)；

由于每一次计算四个角点和中心点的地理信息需要一定的时间，此处约等于5*Tz，对于每一次跳变周期内的区域点目标，在5*Tz时刻内对应的图像数据是无法完成实时提取的，所以对于每一次跳变周期的前5*Tz的实时提取是在上一次跳变周期内完成点目标判断并提取；每一次跳变周期的5*Tz后的实时提取是在本次跳变周期内完成点目标判断并提取；

当选择实时处理时，整个计算过程中需要保证Tj>5*Tz，通常Tj的大小在秒级，Tz的大小可以控制在毫秒级以内，实际测试如果Tj为1秒，则Tz根据计算平台和定位模型的不同有一定的差异，需要保证在Tj/5以内即可，比较容易满足。特殊情况下，如果Tz的时间比较大，可以通过增加Tj的大小来满足图像的实时提取，本方法同样适用，但是这样会降低定位精度。

(4)判断预设区域点目标是否在步骤(3)确定的图像块内，若不在，则在下一个卫星星历跳变时刻，转步骤(2)重复进行；否则，计算区域点目标的预测起始行列号，并将该预测起始行列号与计算的卫星图像当前行列号进行比较，若二者不同，则不输出，若二者相同，则按照提取格式输出图像；

(5)进入下一个卫星星历跳变时刻，根据步骤(4)提取格式，如果提取图像还没有输出完，则继续输出提取图像；如果输出完，则转步骤(2)重复进行，直至任务结束。

预设区域点目标图像信息包含区域的经纬度、高程、提取图像大小、检测使能信号以及其它关心的地理信息值，其中提取图像大小用于提取图像大小等特征的控制，包括图像的宽度和高度以及光谱分辨率等，检测使能信号在点目标检测前默认为0，检测到该信号后置为1；

计算区域点目标图像的预测起始行列号方法为：假设卫星在一个跳变周期范围内做匀速运动，根据Tj、Th和跳变周期内的四个角点(A、B、C、D)和中心点的经纬度，以及四个角点(A、B、C、D)的在图像坐标系下的行列号坐标，可以按照位置比例映射关系求出区域点目标的预测行列号。

本发明方法主要用于遥感卫星图像的定位和提取，但是对于类似于遥感卫星的星历参数的卫星图像具有适用性，可用于其区域点目标图像的定位和提取；方法适用于实时和非实时处理提取；实时提取时，需要实时读取卫星图像的辅助数据，实时比较预测起始行列号和实时计算行列号；非实时提取时，可以实时或者非实时读取卫星图像的辅助数据，实时或者非实时比较预测起始行列号和实时计算行列号。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，其特征在于步骤如下：

(1)读取卫星图像的辅助数据，计算卫星图像的当前行列号，计算相机的行周期；从辅助数据中判断有效的卫星星历，在卫星星历跳变时刻，存储卫星星历，并转步骤(2)；在未发生卫星星历跳变时，重复步骤(1)并在后续每次卫星星历跳变时刻更新卫星星历；

(2)根据当前有效的卫星星历计算卫星图像上左右两个角点在WGS84坐标系下的地理信息，同时根据计算的相机行周期和星历跳变周期，插值计算下一次卫星星历跳变时刻前的卫星星历，并计算跳变时刻前卫星图像上左右两个角点在WGS84坐标系下的地理信息；进而根据上述四个角点的地理信息，计算出卫星星历跳变周期内成像的中心点地理信息；

(3)根据步骤(2)确定的四个角点的地理信息以及完成步骤(2)处理需要的时间，确定能够提取的区域点目标的范围；

(4)判断预设区域点目标是否在步骤(3)确定的能够提取的区域点目标的范围内；若不在，则在下一个卫星星历跳变时刻，转步骤(2)重复进行；否则，计算区域点目标的预测起始行列号，并将该预测起始行列号与步骤(1)中计算的卫星图像当前行列号进行比较，若二者不同，则不输出，继续比较，若二者相同，则按照提取格式输出图像；

(5)进入下一个卫星星历跳变时刻时，根据步骤(4)提取格式，如果提取图像还没有输出完，则继续输出提取图像；如果输出完，则转步骤(2)重复进行，直至任务结束。

2.根据权利要求1所述的一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中根据相机的正逆程来计算卫星图像当前行列号，行号从0一直递增，即图像的高度，列号从0递增到行长的最大值，即图像的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中从辅助数据中判断有效的卫星星历过程如下：

首先读取第一帧辅助数据，将后续读取的每帧辅助数据与第一帧辅助数据依次进行比较，第一次比较不同的那帧辅助数据记为第一包有效的卫星星历；同理，第二次比较不同的那帧辅助数据记为第二包有效的卫星星历，按照同样方法判断辅助数据中的所有有效卫星星历。

4.根据权利要求1所述的一种星载区域点目标图像的定位和提取方法，其特征在于：当所述的定位和提取方法是针对实时读取的卫星图像辅助数据进行的实时处理时，卫星星历跳变周期Tj>5*Tz；其中5*Tz为步骤(2)处理完成所需的时间。