CN104764465A - 一种遥感卫星地面分辨率的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，首先铺设扇形辐射状靶标、矩形靶标和黑色衬底；然后在无云天气时，对扇形辐射状靶标和矩形靶标区域，使用待测卫星进行成像，得到靶标图像；最后分析靶标图像，根据靶标实际成像效果，确定靶标边缘位置，计算扇形辐射状靶标圆心坐标，确定恰好可分辨位置坐标，计算得到地面分辨率。本发明方法与现有技术相比，本发明方法与现有技术相比，对靶标图像的圆心坐标、恰好可分辨率位置坐标进行了校准，避免了人眼目视带来的误差，实现了高分辨率卫星地面分辨率的精确测量，较现有方法精度更高、测量结果更稳定。

Description

一种遥感卫星地面分辨率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种卫星地面分辨率测量方法，特别是一种高分辨率的遥感卫星地面分辨率测量方法。

背景技术

地面分辨率是衡量遥感图像能有差别的区分开两个相邻地物的最小距离的能力，是反映遥感图像质量的重要指标。超过分辨率的限度，相邻两物体在图像上即表现为一个单一的目标。分辨率数值在地面上的实际距离，称为地面分辨率。

地面分辨率的测量，一般采用相机对黑白靶标进行成像，对靶标图像进行分析和计算，最终得到相机的地面分辨率。传统的地面分辨率测量方法中，例如靶标圆心位置的确定、恰好可分辨率位置的确定均为人眼目视判读，测量结果往往因人而异，测量结果不够稳定，精度不高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量结果稳定、精度高的一种遥感卫星地面分辨率测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，包括如下步骤：

(1)在地面黑色衬底上铺设扇形辐射状靶标和矩形靶标，记录扇形辐射状靶标和矩形靶标的经纬度信息、扇形辐射状靶标的白色靶标和黑色靶标外边缘弧长；所述的扇形辐射状靶标由多个扇形白色靶标和黑色靶标交替组成，且在相同的半径上白色靶标和黑色靶标具有相同的宽度；所述矩形靶标颜色为黑色；

(2)在无云天气时，对扇形辐射状靶标和矩形靶标区域，使用待测卫星进行成像，得到靶标图像后以靶标图像左上角像元为原点、水平方向为x轴、垂直方向为y轴建立靶标图像坐标系，记录靶标图像中n个白色靶标外边缘弧长的中心坐标，记为(x′_i,y′_i)，i＝1,2,…,n；

(3)任选两个白色靶标进行延长，得到两者交点作为初始圆心坐标(x'₀，y'₀)后以初始圆心坐标(x'₀，y'₀)为中心上下左右四个方向各外延一定宽度，得到正方形搜索区域，对正方形搜索区域内所有像元列从左侧开始依次向右进行编号，正方形搜索区域内最左侧一列记为第1列，对正方形搜索区域内所有像元行从上侧开始依次向下进行编号，正方形搜索区域内最上方一行记为第1行，正方形搜索区域内像元的坐标记为(x_j,k,y_j,k)，其中，j为正方形搜索区域内像元的第j行像元，k为正方形搜索区域内的第k列像元，j、k为正整数；

(4)计算正方形搜索区域内像元与n个白色靶标外边缘弧长的中心的距离为

$r_{i,j,k}=\sqrt{{({x^{,}}_i-x_{j,k})}^2+{({y^{,}}_i-y_{j,k})}^2}$

然后计算正方形搜索区域内像元对应的n个距离r_i,j,k的方差为

$S_{j,k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_{i,j,k}-A_{j,k})}^2,$

得到正方形搜索区域内各个像元对应的方差S_j,k并比较，将最小方差对应的像元坐标作为圆心坐标(x₀，y₀)，其中，

(5)在靶标图像中矩形靶标中心位置向上下左右各延伸一定宽度得到正方形中心区域，计算该正方形中心区域内所有像元的DN值并求均值后得到暗背景响应为其中，i＝1,2,…,a，a为正方形中心区域内像元总数；

(6)计算靶标图像中扇形靶标区域内第i个像元去除暗背景后的DN值为DN'_i＝DN_i-B，其中，DN_i为靶标图像中扇形靶标区域内第i个像元的原始DN值，i＝1,2,…,m，m为靶标图像中扇形靶标区域内像元总数；

(7)从圆心坐标(x₀，y₀)径向判断相邻的白色靶标和黑色靶标中半径相同像元的DN'值比，将第一个DN'比值小于等于设定阈值的白色靶标像元坐标记为(x_b,y_b)，黑色靶标像元坐标记为(x_w,y_w)，并计算恰好可分辨位置坐标(x，y)为

$x=\frac{1}{2}(x_w+x_b),y=\frac{1}{2}(y_w+y_b);$

(8)计算圆心坐标(x₀,y₀)到恰好可分辨位置坐标(x，y)的距离L为

$L=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2},$

计算(x′_i,y′_i)到圆心坐标(x₀,y₀)的距离后得到(x′_i,y′_i)到圆心坐标(x₀,y₀)的平均距离L'为

${\stackrel{\‾}{L}}^{\′}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{\′};$

(9)根据白色靶标和黑色靶标外边缘弧长d求出地面分辨率R为

$R=2d*L/{\stackrel{\‾}{L}}^{,}.$

所述的扇形辐射状靶标张角大于90度，一侧边缘与卫星飞行方向的夹角大于5度，弦径比范围为(1：15)-(1：35)，白色靶标和黑色靶标的对比度大于5：1，白色靶标和黑色靶标外边缘弧长大于载荷分辨率的1.2倍。

所述的扇形靶标的张角为110度，弦径比范围为1：26。

所述的矩形靶标长宽均大于30米，与扇形辐射状靶标的距离范围为50-100米。

所述的步骤(3)中的一定宽度为20个像元，步骤(5)中的一定宽度为2-5个像元。

所述的步骤(7)中的设定阈值为0.81。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法与现有技术相比，实现了高分辨率卫星地面分辨率的精确测量，较现有方法精度更高、测量结果更稳定；

(2)本发明方法与现有技术相比，对靶标图像的圆心坐标进行了校准，避免了人眼目视带来的误差；

(3)本发明方法与现有技术相比，更精确的计算了恰好可分辨率位置坐标，使测量结果精度更加准确与稳定。

附图说明

图1为本发明一种遥感卫星地面分辨率测量方法流程图；

图2为本发明辐射状分靶标卫星影像。

具体实施方式

本发明提出一种遥感卫星地面分辨率测量方法，如图1所示具体实现步骤如下：

第一步：对于分辨率测量需要铺设扇形辐射状靶标和矩形靶标；在地面黑色衬底上铺设扇形辐射状靶标和矩形靶标，记录扇形辐射状靶标和矩形靶标的经纬度信息、扇形辐射状靶标的高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标外边缘弧长。其中，扇形靶标的张角大于90度，一般此角度为110度，一侧边缘与卫星飞行方向的夹角大于5度，弦径比范围为1：15-1：35，一般采用1：26，包括高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标，且在相同的半径上高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标具有相同的宽度，高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标的对比度大于5：1，高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标外边缘弧长大于载荷分辨率的1.2倍；矩形靶标主要用于测量扇形辐射状靶标的暗背景响应信息，提高恰好可分辨位置坐标的计算精度，矩形靶标长宽均大于30米，保证可以得到准确的暗背景信息，与扇形辐射状靶标的距离范围为50-100米，矩形靶标为黑色。

第二步：在无云天气时，对扇形辐射状靶标和矩形靶标区域，使用待测卫星进行成像，得到靶标图像；

第三步：对靶标图像进行分析；

1、标记靶标外边缘位置，为增加靶标在遥感图像中对比度，一般将扇形辐射状靶标铺设于黑色沉底之上，在标记扇形辐射状靶标外缘标记点时，黑色靶标外缘标记点与衬底无法区分，因此只需标记白色靶标各外缘标记点。建立靶标图像坐标系，以靶标图像左上角点为原点建立坐标系。记录靶标图像中n个高反射率白色靶标外边缘弧长的中心坐标，记为(x′_i,y′_i)，i＝1,2,…,n，其中，n为所有白色辐射状靶标总数；

2、确定圆心

由于在实际布设靶标中，考虑到实际卫星的分辨率，减少布设工作量，扇形辐射状靶标圆心周边一般不铺设靶标，需要根据卫星成像情况，确定靶标圆心在卫星影像的位置。

1)初步确定靶标圆心位置

任选两个高反射率白色靶标进行延长，得到两者交点作为初始圆心坐标(x'₀，y'₀)；

2)确定搜索范围

圆心位置初值坐标并非是扇形辐射状靶标圆心的真实位置坐标，需要根据算法搜索和分析准确的圆心的真实位置坐标，首先需要设定圆心搜索范围，搜索范围为15-25个像元，一般为20像元。以初始圆心坐标(x'₀，y'₀)为中心上下左右四个方向各外延20个像元，得到正方形搜索区域，对正方形搜索区域内所有像元列从左侧开始依次向右进行编号，正方形搜索区域内最左侧一列记为第1列，对正方形搜索区域内所有像元行从上侧开始依次向下进行编号，正方形搜索区域内最上方一行记为第1行，正方形搜索区域内像元的坐标记为(x_j,k,y_j,k)，其中，j为正方形搜索区域内像元的第j行像元，k为正方形搜索区域内的第k列像元。

3)确定靶标圆心位置准确值

3.1)计算所有靶标外缘标记点坐标(x′_i,y′_i)与当前圆心坐标(x_j,k,y_j,k)的距离

$r_{i,j,k}=\sqrt{{({x^{,}}_i-x_{j,k})}^2+{({y^{,}}_i-y_{j,k})}^2};$

3.2)计算r_i,j,k的方差

$S_{j,k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_{i,j,k}-A_{j,k})}^2$

其中 $A_{j,k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i,j,k};$

3.3)计算正方形搜索区域内所有像元S_j,k的最小值S_min

S_min＝min(S_j,k)；

3.4)计算圆心坐标

S_min对应的圆心坐标记为(x₀,y₀)即为真实的扇形辐射状靶标圆心坐标值。

3、分析恰好可分辨位置

1)根据黑色矩形靶标计算暗背景；在靶标图像中黑色矩形靶标中心位置向上下左右各延伸2-5个像元得到正方形中心区域，得到该正方形中心区域内所有像元的DN值并求均值，得到暗背景响应为

其中a为正方形中心区域内像元总数。

2)扇形靶标区域内像元DN值去除暗背景

DN’_i＝DN_i-B

其中i＝1,2,…,m，m为扇形靶标区域的像元总数。

3)计算恰好可分辨位置坐标

根据瑞利判据对恰好可分辨位置进行判别。从圆心坐标(x₀,y₀)从内向外径向判断相邻的高反射率白色靶标和低反射率黑色靶标中半径相同像元的DN'值比，将第一个DN'比值小于等于0.81的高反射率白色靶标像元坐标记为(x_b,y_b)，低反射率黑色靶标像元坐标记为(x_w,y_w)，计算恰好可分辨位置坐标(x，y)为

$x=\frac{1}{2}(x_w+x_b)$

$y=\frac{1}{2}(y_w+y_b).$

4、计算地面分辨率

1)扇形圆心(x₀,y₀)到恰好可分辨位置的距离为L，

$L=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}$

2)计算扇形辐射状靶标外缘标记点(x′_i,y′_i)到扇形圆心(x₀,y₀)的距离L'_i，

$L_i^{\′}=\sqrt{{(x_i^{\′}-x_0)}^2+{(y_i^{\′}-y_0)}^2}$

然后求出扇形辐射状靶标外缘各标记点到原点的平均距离

${\stackrel{\‾}{L}}^{\′}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{\′}.$

3)根据扇形辐射状高反射率白色靶标或低反射率黑色靶标外边缘弧长d，求出地面分辨率R

$R=2d*L/{\stackrel{\‾}{L}}^{,}.$

本发明利用卫星对扇形辐射状靶标和矩形靶标成像，实现了高分辨率卫星地面分辨率的精确测量，克服了现有方法目视判读稳定度低、精度差的缺陷，测量精度更高，地面分辨率测量结果更为稳定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在地面黑色衬底上铺设扇形辐射状靶标和矩形靶标，记录扇形辐射状靶标和矩形靶标的经纬度信息、扇形辐射状靶标的白色靶标和黑色靶标外边缘弧长；所述的扇形辐射状靶标由多个扇形白色靶标和黑色靶标交替组成，且在相同的半径上白色靶标和黑色靶标具有相同的宽度；所述矩形靶标颜色为黑色；

(2)在无云天气时，对扇形辐射状靶标和矩形靶标区域，使用待测卫星进行成像，得到靶标图像后以靶标图像左上角像元为原点、水平方向为x轴、垂直方向为y轴建立靶标图像坐标系，记录靶标图像中n个白色靶标外边缘弧长的中心坐标，记为(x′_i,y′_i)，i＝1,2,…,n；

(3)任选两个白色靶标进行延长，得到两者交点作为初始圆心坐标(x'₀，y'₀)后以初始圆心坐标(x'₀，y'₀)为中心上下左右四个方向各外延一定宽度，得到正方形搜索区域，对正方形搜索区域内所有像元列从左侧开始依次向右进行编号，正方形搜索区域内最左侧一列记为第1列，对正方形搜索区域内所有像元行从上侧开始依次向下进行编号，正方形搜索区域内最上方一行记为第1行，正方形搜索区域内像元的坐标记为(x_j,k,y_j,k)，其中，j为正方形搜索区域内像元的第j行像元，k为正方形搜索区域内的第k列像元，j、k为正整数；

(4)计算正方形搜索区域内像元与n个白色靶标外边缘弧长的中心的距离为

$r_{i,j,k}=\sqrt{{({x^{\text{'}}}_i-x_{j,k})}^2+{({y^{\text{'}}}_i-y_{j,k})}^2}$

然后计算正方形搜索区域内像元对应的n个距离r_i,j,k的方差为

$S_{j,k}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(r_{i,j,k}-A_{j,k})}^2,$

得到正方形搜索区域内各个像元对应的方差S_j,k并比较，将最小方差对应的像元坐标作为圆心坐标(x₀，y₀)，其中，

(5)在靶标图像中矩形靶标中心位置向上下左右各延伸一定宽度得到正方形中心区域，计算该正方形中心区域内所有像元的DN值并求均值后得到暗背景响应为其中，i＝1,2,…,a，a为正方形中心区域内像元总数；

(6)计算靶标图像中扇形靶标区域内第i个像元去除暗背景后的DN值为DN'_i＝DN_i-B，其中，DN_i为靶标图像中扇形靶标区域内第i个像元的原始DN值，i＝1,2,…,m，m为靶标图像中扇形靶标区域内像元总数；

(7)从圆心坐标(x₀，y₀)径向判断相邻的白色靶标和黑色靶标中半径相同像元的DN'值比，将第一个DN'比值小于等于设定阈值的白色靶标像元坐标记为(x_b,y_b)，黑色靶标像元坐标记为(x_w,y_w)，并计算恰好可分辨位置坐标(x，y)为

$x=\frac{1}{2}(x_w+x_b),$ $y=\frac{1}{2}(y_w+y_b);$

(8)计算圆心坐标(x₀,y₀)到恰好可分辨位置坐标(x，y)的距离L为

$L=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2},$

计算(x′_i,y′_i)到圆心坐标(x₀,y₀)的距离后得到(x′_i,y′_i)到圆心坐标(x₀,y₀)的平均距离为

${\stackrel{\‾}{L}}^{\text{'}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{\text{'}};$

(9)根据白色靶标和黑色靶标外边缘弧长d求出地面分辨率R为

$R=2d*L/{\stackrel{\‾}{L}}^{\text{'}}.$

2.根据权利要求1所述的一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于：所述的扇形辐射状靶标张角大于90度，一侧边缘与卫星飞行方向的夹角大于5度，弦径比范围为(1：15)-(1：35)，白色靶标和黑色靶标的对比度大于5：1，白色靶标和黑色靶标外边缘弧长大于载荷分辨率的1.2倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于：所述的扇形靶标的张角为110度，弦径比范围为1：26。

4.根据权利要求1或2所述的一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于：所述的矩形靶标长宽均大于30米，与扇形辐射状靶标的距离范围为50-100米。

5.根据权利要求1或2所述的一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的一定宽度为20个像元，步骤(5)中的一定宽度为2-5个像元。

6.根据权利要求1或2所述的一种遥感卫星地面分辨率的测量方法，其特征在于：所述的步骤(7)中的设定阈值为0.81。