CN104766328A - 基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，包括进行插值，使经纬度数据与原始影像具有相同的分辨率；根据卫星的升降轨方向和扫描方向确定第一个纠正像元的搜索起点，设定对纠正影像进行重采样的顺序，依次采用路径追踪的方式定位纠正影像的每个像元在原始影像中的位置，即搜索其在插值后的经纬度格网中的位置，获得与纠正影像像元最邻近的若干个采样点用于灰度重采样来去除影像的重叠现象。本方法计算效率好，充分利用原始影像信息，是一种严格的高精度中低分辨率卫星影像几何校正方法。

Description

基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法

技术领域

本发明涉及遥感影像技术领域，尤其是涉及一种基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法。

背景技术

蝴蝶结效应又叫Bowtie现象，是一种遥感图像中出现的数据重叠现象。Bowtie效应普遍存在于MODIS、AVHRR、FY-3等采用多探元交轨并扫方式成像的极地轨道中低分辨率卫星影像中，它是当探测器横向扫描超过一定角度时，由于探测器对地球观测的视野几何特性、地球表面的曲率、地形起伏和探测器运动中的抖动等因素的共同影响，相邻扫描带地面覆盖范围之间出现重叠的现象。

目前，Bowtie效应去除方法主要有星历表法和非星历表法。星历表法主要是根据卫星的星历表来生成标准地理网格，然后将数据按照其地理坐标投影到该网格上进行匹配，在地理定标的同时消除Bowtie效应。这种方法需要卫星的星历表，方法比较复杂，而且通常用户拿到的数据产品都不包含星历表，因此较少采用。

在没有卫星星历表的前提下，国内外的学者对去除卫星影像的Bowtie现象做了很多相关的研究。郭广猛(2003)，余均辉等(2004)，张娟等(2009)，李振等(2010)，王汉禹等(2014)提出利用影像相关的方法来确定MODIS影像相邻扫描带的重复行数，然后用重采样的方法去除影像的Bowtie效应；刘良明等(2007)提出基于统计的快速去除Bowtie效应的方法，利用探测器从左向右扫描过程中两边的重复行数关于星下点基本对称的假设，采用一个对称函数进行拟合，再根据这一规律去除其它影像的Bowtie效应。这些方法理论上并不严格，并且无法避免重复行数不稳定的问题。有些研究者提出可以利用卫星数据文件中附带的经纬度数据来辅助去除Bowtie效应。程亮等(2005，2007)根据MOD03纬度数据确定MODIS影像的重复行数，然后采用分形插值、Kriging插值方法对影像数据进行重采样。宋莎莎等(2010)则采用网函数内插对MODIS纬度数据进行插值，根据插值后的纬度数据计算影像的重复行数。这些方法都只在原始影像上去掉重复的像元，再用灰度内插的方法填补重叠区，没有解决从影像中央到影像两侧像元地面覆盖范围非线性增大的问题，而且后续应用仍需要进行几何校正处理。俄罗斯R&D ScanEx公司开发的Modistools模块(2004)利用几何校正去除Bowtie效应，但是必须在ENVI环境下使用，且运行速度很慢；蒋耿明等(2004)，徐萌等(2005)，梁志华(2012)均采用对经纬度数据进行插值后，再利用前向投影和后向投影相结合的方法，在进行几何校正的同时去除Bowtie效应，但计算复杂，需要消耗大量的时间。

发明内容

针对现有方法Bowtie效应去除效果不佳、速度慢的缺点，本发明提供了一种基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法。

本发明技术方案提供一种基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，用于对任一幅具有Bowtie效应的原始影像进行纠正，生成去除了Bowtie效应的纠正影像，所述原始影像采用多探元并扫方式成像，由若干个扫描带上下拼接而成，每个扫描带的行数等于探元的个数，包括以下步骤，

步骤1，对卫星数据文件中附带的经纬度数据分辨率低于卫星影像的分辨率的情况，进行插值，使经纬度数据与原始影像具有相同的分辨率；

步骤2，根据卫星的升降轨方向和扫描方向确定第一个纠正像元的搜索起点S0，包括将原始影像中经度最小、纬度最大的一角所对应的经纬度格网的中心作为S0；令搜索的当前位置S＝S0，称S所在的经纬度格网为当前格网，S所在的扫描带为Strip1；

步骤3，设定对纠正影像采用“S”形的顺序逐列进行重采样，根据顺序取纠正影像的一个像元为当前纠正像元，以该像元的经纬度坐标为搜索的目标点T；

步骤4，在原始影像的扫描带Strip1内从S出发，对T进行第一次路径追踪；若追踪结果为S与T在同一个经纬度格网内，则找到T所在的目标格网，转到Step.5，若S追踪到达Strip1经纬度格网的边界而T在边界外，转到Step.9；

步骤5，根据卫星的升降轨方向和扫描方向，以及当前重采样像元在纠正影像中的列的奇偶性，确定对T进行第二次路径追踪的新的扫描带Strip2，并更新搜索的当前位置S；

步骤6，在原始影像的扫描带Strip2内从S出发，对T进行第二次路径追踪；若追踪结果为S与T在同一个经纬度格网内，则找到T所在的目标格网，转到Step.7，若S到达Strip2经纬度格网的边界而T在边界外，转到Step.8；

步骤7，利用与T最邻近的8个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样后赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到Step.10；

所述与T最邻近的8个像元，是T在原始影像的重叠区内，在Strip1与Strip2中各搜索到的一个目标格网，取这两个目标格网的顶点共8个点；

步骤8，利用与T最邻近的4个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样后赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到Step.10；

所述与T最邻近的4个像元，是T在原始影像的非重叠区内，只在Strip1中搜索到一个目标格网，取这个目标格网的顶点共4个点；

步骤9，若T在原始影像边界外，给纠正影像赋无效值，并保留S在扫描带Strip1中的位置，转到Step.10；若T在其它扫描带上，则将Strip1更新为它的下一个新的扫描带，重新确定S的位置，返回步骤4；

步骤10，判断是否完成整幅影像的纠正，若未完成则保留当前纠正像元重采样结束时搜索的当前位置S不变，返回步骤3按顺序取纠正影像的下一个像元为当前纠正像元，以该像元的经纬度坐标为搜索的目标点T，进行下一个像元的重采样，若完成则结束循环。

而且，步骤1中进行插值时，在X方向利用相邻的4个点进行三次曲线插值加密，在Y方向利用前后2个点进行线性内插加密。

而且，步骤4和步骤6中路径追踪方式为，判断线段ST与当前格网的四边是否相交来确定搜索路径的前进方向，若与其中一边相交则搜索路径进入该边的相邻格网，并更新S为相邻格网的中心，反复进行判断搜索操作。

而且，步骤5和步骤9中路径追踪方式为，

新的扫描带确定方式如下，

①判断原始影像的特性，包括将原始影像中左上角的点命为0号点，按顺时针方向右上角、右下角、左下角的点依次为1、2、3号点；若原始影像角点中纬度最大的点为0号点或者1号点，令变量Nextscan＝1；若原始影像角点中纬度最大的点为2号点或者3号点，令变量Nextscan＝-1；

②判断当前纠正像元在纠正影像中所在列的奇偶性，如果在奇数列，令变量order＝1，如果在偶数列，令变量order＝-1；

③确定新的扫描带为Strip1+order×Nextscan；

当前位置S更新方式如下，

若是初次在上述确定的扫描带中进行搜索，则分两种情况，

①若order×Nextscan＝1，则更新S为该扫描带的第一行中经度最小的格网中心；

②若order×Nextscan＝-1，则更新S为该扫描带的最后一行中经度最小的格网中心；

若已在上述确定的扫描带中进行过搜索，则更新S为上一次在该扫描带的中进行搜索时S最终达到的位置。

本发明提出一种基于路径追踪的Bowtie效应快速去除方法，包括对原始经纬度数据的坐标插值，使经纬度数据与原始影像数据具有相同的分辨率，采用路径追踪的方式定位纠正影像的每个像元在原始影像中的位置，即搜索其在插值后的经纬度格网中的位置，获得与纠正影像像元最邻近的若干个采样点用于灰度重采样来去除影像的重叠现象。本方法计算效率好，充分利用原始影像信息，是一种严格的高精度中低分辨率卫星影像几何校正方法。

附图说明

图1为本发明实施例基于路径追踪的点位搜索的示意图。

图2为本发明实施例流程图。

具体实施方法

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例对任一幅具有Bowtie效应的原始影像进行纠正，生成去除了Bowtie效应的纠正影像。原始影像采用多探元并扫方式成像，由若干个扫描带上下拼接而成，每个扫描带的行数等于探元的个数。例如，1km分辨率的MODIS影像采用10个探元并扫成像，一景原始影像的大小为2030×1354，由203个扫描带上下拼接而成，每个扫描带有10行，每行1354个像元。原始影像第1行到第10行为第1个扫描带，第11行到第20行为第2个扫描带，依此类推。

参见图2，实施例提供的方法包括以下步骤，具体实施时本领域技术人员可采用软件方式实现自动运行：

Step.1对卫星数据文件中附带的经纬度数据分辨率低于卫星影像的分辨率的情况，进行插值，使经纬度数据与原始影像具有相同的分辨率；

目前中低分辨率卫星通常提供250m、500m和1000m三种分辨率的影像，因为卫星影像提供的经纬度格网是1000m分辨率的，因此搜索前可以先判断卫星数据文件中附带的经纬度数据分辨率是否低于卫星影像的分辨率的情况，是则要将经纬度数据插值成与原始影像具有相同的分辨率，例如为250m或500m。考虑到中低分辨率卫星的成像特性，卫星在轨道方向匀速飞行，Y方向的经纬度变化为线性变化；而在垂直轨道方向由于地球曲率的影响，从影像中央到影像两边，经纬度的变化率逐渐变大，即X方向的经纬度变化是非线性变化。本发明进一步提出，插值时，在X方向利用相邻的4个点进行三次曲线插值加密，在Y方向利用前后2个点进行线性内插加密，具体插值实现为现有技术，本发明不予赘述。在X、Y方向加密成格网后，对格网内部的点采用网函数(宋莎莎，2010)的方法插值。考虑到扫描带之间存在像点交错的现象，在对每个扫描带最后一行进行列加密时，不能利用下一个扫描带的数据进行内插，而应该利用当前扫描带的数据进行线性外推。

Step.2根据卫星的升降轨方向和扫描方向确定第一个纠正像元的搜索起点S0，令搜索的当前位置S＝S0，称S所在的经纬度格网为当前格网，S所在的扫描带为Strip1；

由于卫星升降轨方向和扫描方向的不同，以原始影像固定的一角(如影像的左上角)所对应的经纬度格网的中心作为S0可能会导致S0与搜索的目标点T之间距离较远，影响方法的计算效率。因此本发明进一步提出，将原始影像中经度最小、纬度最大的一角所对应的经纬度格网的中心作为S0，具体来说，对于降轨从左至右扫描的卫星为影像的右上角，对于降轨从右至左扫描的卫星为影像的左上角，对于升轨从左至右扫描的卫星为影像的左下角，对于升轨从右至左扫描的卫星为影像的右下角。这样选择S0，再配合Step.3中“S”形的纠正影像像元纠正顺序，就可以使得搜索的路径最短。

Step.3设定对纠正影像采用“S”形的顺序逐列进行重采样，根据顺序取纠正影像的一个像元为当前的重采样处理对象(即当前纠正像元)，以该像元的经纬度坐标为搜索的目标点T；

当纠正影像的一列自上而下进行重采样时，T的纬度逐渐减小，S的纬度也在路径追踪的过程中逐渐减小，所以当进入下一列重采样时，为了缩短ST，像元的纠正就应该采用自下而上的方式进行。因此，本发明采用“S”形的方式逐列对纠正影像像元进行纠正，第一列自上而下进行纠正，第二列自下而上进行纠正，第三列再自上而下进行纠正，依此类推。

Step.4在原始影像的扫描带Strip1内从S出发，对T进行第一次路径追踪。判断线段ST与当前格网的四边是否相交来确定搜索路径的前进方向，若与其中一边相交则搜索路径进入该边的相邻格网，并更新S为相邻格网的中心，反复操作直到S与T在同一个经纬度格网内(即找到T所在的目标格网)，转到Step.5，若S到达Strip1经纬度格网的边界而T在边界外(即T不在扫描带Strip1的成像范围内，无法使得S与T在同一个经纬度格网内)，转到Step.9；

路径追踪的原理是通过判断线段ST与当前格网的四边是否相交来确定搜索路径的前进方向，若与其中一边相交则搜索路径进入该边的相邻格网，并更新S为相邻格网的中心，如图1所示。

其中，判断线段ST与当前格网P₁P₂P₃P₄的某格网边P₁P₂是否有交点的条件为公式(1)和公式(2)，如果同时满足公式(1)和公式(2)的要求，则说明线段ST与线段P₁P₂有交点，同理计算ST与其它格网边的关系。

重复以上判断搜索操作，不断更新搜索的当前位置S，S沿着搜索路径逐渐趋近于T，直到S与T在同一个经纬度格网内(即找到T所在的目标格网)或者S到达Strip1经纬度格网的边界而T在边界外(即T不在扫描带Strip1的成像范围内)。最终，S经过的路径即为T的搜索路径，如图1中的箭头所示的路径。

Step.5根据卫星的升降轨方向和扫描方向，以及当前重采样像元在纠正影像中的列的奇偶性，确定对T进行第二次路径追踪的新的扫描带(记为Strip2)，并更新搜索的当前位置S；

(1)第二次路径追踪扫描带的确定

由于卫星升降轨方向和纠正影像像元纠正顺序的不同，第二次路径追踪的扫描带位置并不固定，但可以通过原始影像的特性与纠正影像像元所在列的奇偶性来判断，具体判断方法如下：

①判断原始影像的特性；

将原始影像中左上角的点命为0号点，按顺时针方向右上角、右下角、左下角的点依次为1、2、3号点。若原始影像角点中纬度最大的点为0号点或者1号点，说明原始影像从上往下纬度逐渐减小，令变量Nextscan＝1；若原始影像角点中纬度最大的点为2号点或者3号点，说明原始影像从上往下纬度逐渐增大，令变量Nextscan＝-1。

②判断当前纠正像元在纠正影像中所在列的奇偶性；

由于纠正影像采用了“S”形顺序进行纠正，第二次路径追踪的扫描带位置还跟当前纠正像元所在列的奇偶性有关。如果当前纠正像元在纠正影像的奇数列，令变量order＝1，纠正顺序自上而下，T的纬度逐渐减小；如果当前纠正像元在纠正影像的偶数列，令变量order＝-1，纠正顺序自下而上，T的纬度逐渐增大。

③确定第二次搜索的扫描带，一般扫描带采用带号标识，即Strip2＝Strip1+order×Nextscan。

(2)第二次路径追踪的搜索当前位置S的确定

若是初次在上述确定的扫描带中进行搜索，则分两种情况：

①若order×Nextscan＝1，则更新S为扫描带Strip2的第一行中经度最小(根据经度最小的角点判断)的格网中心；

②若order×Nextscan＝-1，则更新S为扫描带Strip2的最后一行中经度最小的格网中心。

若已在扫描带Strip2中进行过搜索，则更新S为上一次在Strip2中进行搜索时S最终达到的位置。

Step.6在原始影像的扫描带Strip2内从S出发，对T进行第二次路径追踪。路径追踪的方法与Step.4中的相同，直到S与T在同一个经纬度格网内(即找到T所在的目标格网)，转到Step.7。若S到达Strip2经纬度格网的边界而T在边界外(即T不在扫描带Strip2的成像范围内)，转到Step.8。

Step.7利用与T最邻近的8个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样，将其赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到Step.10；

像元纠正执行到Step.7，说明T在原始影像的重叠区内，会在Strip1与Strip2中各搜索到一个目标格网，取这两个目标格网的顶点，共8个点按逆距离加权方法进行灰度重采样，逆距离加权方法为现有技术，本发明不予赘述。

Step.8利用与T最邻近的4个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样，将其赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到Step.10；

像元纠正执行到Step.8，说明T在原始影像的非重叠区内，只会在Strip1中搜索到一个目标格网，取这个目标格网的顶点，共4个点按逆距离加权方法进行灰度重采样。

Step.9若T在原始影像边界外，给纠正影像赋无效值，并保留S在扫描带Strip1中的位置，转到Step.10。若T在其它扫描带上，则将Strip1更新为它的下一个新的扫描带，重新确定S的位置，返回步骤4；

若T在其它扫描带上，Strip1的下一个新的扫描带的确定方法与Step.5中Strip2的确定方法相同，即Strip1＝Strip1+order×Nextscan，S的重新确定方法也与Step.5中的相同。

①若order×Nextscan＝1，则更新S为新的扫描带Strip1的第一行中经度最小(根据经度最小的角点判断)的格网中心；

②若order×Nextscan＝-1，则更新S为新的扫描带Strip1的最后一行中经度最小的格网中心。

若已在新的扫描带Strip1中进行过搜索，则更新S为上一次在Strip1中进行搜索时S最终达到的位置。

Step.10判断是否完成整幅影像的纠正，若未完成则保留当前纠正像元重采样结束时搜索的当前位置S不变，返回Step.3按顺序取纠正影像的下一个像元为当前纠正像元，以它的经纬度坐标为搜索的目标点T，进行下一个像元的重采样，若完成则结束循环。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，用于对任一幅具有Bowtie效应的原始影像进行纠正，生成去除了Bowtie效应的纠正影像，所述原始影像采用多探元并扫方式成像，由若干个扫描带上下拼接而成，每个扫描带的行数等于探元的个数，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，对卫星数据文件中附带的经纬度数据分辨率低于卫星影像的分辨率的情况，进行插值，使经纬度数据与原始影像具有相同的分辨率；

步骤2，根据卫星的升降轨方向和扫描方向确定第一个纠正像元的搜索起点S0，包括将原始影像中经度最小、纬度最大的一角所对应的经纬度格网的中心作为S0；令搜索的当前位置S＝S0，称S所在的经纬度格网为当前格网，S所在的扫描带为Strip1；

步骤3，设定对纠正影像采用“S”形的顺序逐列进行重采样，根据顺序取纠正影像的一个像元为当前纠正像元，以该像元的经纬度坐标为搜索的目标点T；

步骤4，在原始影像的扫描带Strip1内从S出发，对T进行第一次路径追踪；若追踪结果为S与T在同一个经纬度格网内，则找到T所在的目标格网，转到0，若S追踪到达Strip1经纬度格网的边界而T在边界外，转到0；

步骤5，根据卫星的升降轨方向和扫描方向，以及当前重采样像元在纠正影像中的列的奇偶性，确定对T进行第二次路径追踪的新的扫描带Strip2，并更新搜索的当前位置S；

步骤6，在原始影像的扫描带Strip2内从S出发，对T进行第二次路径追踪；若追踪结果为S与T在同一个经纬度格网内，则找到T所在的目标格网，转到0，若S到达Strip2经纬度格网的边界而T在边界外，转到0；

步骤7，利用与T最邻近的8个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样后赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到0；

所述与T最邻近的8个像元，是T在原始影像的重叠区内，在Strip1与Strip2中各搜索到的一个目标格网，取这两个目标格网的顶点共8个点；

步骤8，利用与T最邻近的4个像元，按逆距离加权方法进行灰度重采样后赋值给纠正影像，并更新S为T所在的目标格网的中心，转到0；

所述与T最邻近的4个像元，是T在原始影像的非重叠区内，只在Strip1中搜索到一个目标格网，取这个目标格网的顶点共4个点；

步骤9，若T在原始影像边界外，给纠正影像赋无效值，并保留S在扫描带Strip1中的位置，转到0；若T在其它扫描带上，则将Strip1更新为它的下一个新的扫描带，重新确定S的位置，返回步骤4；

步骤10，判断是否完成整幅影像的纠正，若未完成则保留当前纠正像元重采样结束时搜索的当前位置S不变，返回步骤3按顺序取纠正影像的下一个像元为当前纠正像元，以该像元的经纬度坐标为搜索的目标点T，进行下一个像元的重采样，若完成则结束循环。

2.根据权利要求1所述基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，其特征在于：步骤1中进行插值时，在X方向利用相邻的4个点进行三次曲线插值加密，在Y方向利用前后2个点进行线性内插加密。

3.根据权利要求1或2所述基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，其特征在于：步骤4和步骤6中路径追踪方式为，判断线段ST与当前格网的四边是否相交来确定搜索路径的前进方向，若与其中一边相交则搜索路径进入该边的相邻格网，并更新S为相邻格网的中心，反复进行判断搜索操作。

4.根据权利要求1或2所述基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，其特征在于：步骤5和步骤9中路径追踪方式为，

新的扫描带确定方式如下，

①判断原始影像的特性，包括将原始影像中左上角的点命为0号点，按顺时针方向右上角、右下角、左下角的点依次为1、2、3号点；若原始影像角点中纬度最大的点为0号点或者1号点，令变量Nextscan＝1；若原始影像角点中纬度最大的点为2号点或者3号点，令变量Nextscan＝-1；

②判断当前纠正像元在纠正影像中所在列的奇偶性，如果在奇数列，令变量order＝1，如果在偶数列，令变量order＝-1；

③确定新的扫描带为Strip1+order×Nextscan；

当前位置S更新方式如下，

若是初次在上述确定的扫描带中进行搜索，则分两种情况，

①若order×Nextscan＝1，则更新S为该扫描带的第一行中经度最小的格网中心；

②若order×Nextscan＝-1，则更新S为该扫描带的最后一行中经度最小的格网中心；

若已在上述确定的扫描带中进行过搜索，则更新S为上一次在该扫描带的中进行搜索时S最终达到的位置。

5.根据权利要求3所述基于路径追踪的遥感影像Bowtie效应纠正方法，其特征在于：步骤5和步骤9中路径追踪方式为，

新的扫描带确定方式如下，

①判断原始影像的特性，包括将原始影像中左上角的点命为0号点，按顺时针方向右上角、右下角、左下角的点依次为1、2、3号点；若原始影像角点中纬度最大的点为0号点或者1号点，令变量Nextscan＝1；若原始影像角点中纬度最大的点为2号点或者3号点，令变量Nextscan＝-1；

②判断当前纠正像元在纠正影像中所在列的奇偶性，如果在奇数列，令变量order＝1，如果在偶数列，令变量order＝-1；

③确定新的扫描带为Strip1+order×Nextscan；

当前位置S更新方式如下，

若是初次在上述确定的扫描带中进行搜索，则分两种情况，

①若order×Nextscan＝1，则更新S为该扫描带的第一行中经度最小的格网中心；

②若order×Nextscan＝-1，则更新S为该扫描带的最后一行中经度最小的格网中心；

若已在上述确定的扫描带中进行过搜索，则更新S为上一次在该扫描带的中进行搜索时S最终达到的位置。