CN105182315A - 获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法，是利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径及光学遥感卫星下传的辅助数据计算位于光学遥感卫星上的光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角；根据光学遥感卫星到地面的距离，获得大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率。本发明采用星下点对应的实际曲率半径，通过光学遥感卫星的侧滚和俯仰角度计算光学遥感器的视线偏角，用于适应各种卫星机动时的摆角计算。考虑偏角对光学遥感卫星到地球的距离，用几何三角关系计算光学遥感卫星到地球表面目标点的距离。针对大摆角时修正光学遥感卫星遥感图像对应的地面分辨距离，得到准确的地面分辨距离。

Description

获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星的遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种光学遥感卫星大摆角条件下严密计算遥感图像的地面分辨率方法。

背景技术

光学遥感卫星是通过装载在卫星上的光学遥感器来获取地面的图像，这些图像在国民经济建设和国防安全都能发挥巨大的作用，因此光学遥感卫星得到了快速发展。随着应用的深入和需求的扩展，具有大摆角的光学遥感卫星的遥感图像可以十分灵活地获取较大范围内地表的数据，在应急减灾、突发事情信息获取等发面发挥独特的作用。大摆角是指光学遥感器的视线方向能够在俯仰和侧滚进行任意较大角度的摆动，能够不改变光学遥感卫星轨道而获取地面感兴趣区域的图像。但是由于大摆角光学遥感卫星采用了能对俯仰和侧滚进行大角度的摆动，给遥感图像的地面分辨率计算带来了一定的困难。此处的大摆角是指光学遥感卫星对地球表面观测的视线方向偏离光学遥感卫星正下方的偏角角度大于15度以上。

遥感图像地面分辨率是是指图像的一个像素对应着地面的几何尺寸，光学遥感图像的分辨率和光学遥感器的焦距、CCD大小、光学遥感器距离地面点的长度等参数密切相关。在没有摆角的情况下，光学遥感器距离地面点的长度就等于光学遥感卫星的飞行高度，它是一个较为固定参数，但是在光学遥感卫星有摆角尤其是较大摆角时，光学遥感器到目标点的距离就变化的较为复杂。

目前对光学遥感卫星的遥感图像分辨率的计算，还是基本沿袭了传统胶片摄影时代的计算方法，如史光辉(史光辉、崔庆丰，卫星摄影地面分辨率的预估，光学机械，1990年第5期，总第116期，7～12)把通过卫星摄影获取地面信息的过程看作一个系统，分析了影响地面分辨率的因素，由此可以在给定条件下估计卫星摄影的地面分辨率，并没有具体给出如何计算地面分辨率。李大耀(李大耀，有关航天遥感图像地面分辨率的札记，航天返回与遥感，第20卷第2期，1999年6月：50～53)对有关航天遥感图像地面分辫率的几个问题进行了讨论，给出了有关航天遥感图像地面分辨率的几点认识，具体给出了胶片型相机图像的地面线对分辨率计算方法，以及无摆角时的CCD相机地面分辨率计算公式。朱广绩(朱广绩、何大雄，卫星扫描辐射计的地面分辨率的计算，中国空间科学技术，1986年2月，第1期：32-39.给出了计算卫星扫描辐射计的地面分辫率的精确方法。在计算中分别考虑了把地球作为球体和旋转椭球体两种情况，通过联立五个方程求解地面点的坐标，再通过四次计算分别图像像素的四角对应的地面点位置，从而计算卫星扫描辐射计的地面分辨率。非常复杂而耗时，不实用。李欢(李欢，向阳，冯玉涛，运动补偿成像光谱仪的地面分辨率，光学精密工程，第17卷第4期，2009年4月745～751)给出了运动补偿成像光谱仪的地面分辨率计算方法，由于运动补偿的成像光谱仪在不同观测角时的观测距离不同，所以其地面分辨率将随观测角而变，推导得到了卫星到地面点的距离，给出了地面分辨率和望远系统焦距选择的一般表达式。但是没有给出摆角的计算公式以及摆角对地面分辨率的影响，而且计算中也将地球作为圆球进行了近似。

可见现有的光学遥感卫星图像的分辨率计算方法有的根本没有考虑摆角的影响，这着对于小摆角时采用卫星高度计算可以较好地近似。但随着摆角的增大，分辨率的计算误差会越来越大。有的方法虽然考虑了摆角对卫星到地球的距离影响，但是没有修正由于摆角对地面分辨率的影响，或者对摆角的计算和地球球形上没有严密计算。为此需要严密地计算卫星摆角时卫星到地面目标点的距离和摆角对地面分辨率的影响，还需要顾及地球是是一个旋转椭球以及摆角的如何计算。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种获取大摆角光学遥感卫星遥感图像地面分辨率的方法。该方法充分考虑了地球的旋转椭球特性和光学遥感卫星摆角的影响，可以快速而严密地得到计算图像的地面分辨率。

(二)技术方案

本发明提供一种获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法。该方法包括步骤如下：

步骤1：利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径；

步骤2：利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算位于光学遥感卫星上的光学遥感器视线方向偏离星下点的偏角；

步骤3：根据光学遥感卫星到地面的距离，获得大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法具有以下有益效果：

(1)将地球作为旋转椭球考虑，而不是用圆球进行近似，并严密计算光学遥感卫星星下点对应的实际曲率半径；

(2)通过光学遥感卫星的侧滚和俯仰两个角度来计算光学遥感器的视线摆角，可以很好地适应各种卫星机动时的摆角计算。

(3)考虑了摆角情况下对光学遥感卫星到地球的距离影响，通过严密的几何三角关系计算光学遥感卫星到地球表面目标点的距离。

(4)针对大摆角时光学遥感卫星遥感图像对应的地面分辨距离进行了修正，得到了准确的地面分辨距离。

附图说明

图1为本发明获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法的实施例流程图；

图2为光学遥感卫星有摆角时，光学遥感卫星和地球表面目标点的几何关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

请参阅图1示出本发明获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法，该方法的步骤如下：首先利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算并获得光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径以及位于光学遥感卫星上的光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角；而后计算光学遥感卫星到地面的距离，最终可以实现大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的准确计算。

请参阅图2为光学遥感卫星有摆角时，光学遥感卫星和地球表面目标点的几何关系，获取光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径的步骤如下：

步骤11，从光学遥感卫星下传的辅助数据中读取星下点的纬度B；

步骤12，光学遥感卫星和地球表面目标点的几何关系，获得光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径。根据地球表面目标点和星下点的纬度B，构建光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径模型；所述地球表面目标点是地球椭球的长半轴长度a、地球椭球的短半轴长度b；所述地球曲率半径R模型的如下表示：

$R=\frac{a^{2}b}{a^2{\cos }^{2}B+b^2{\sin }^{2}B}---\left(1\right)$

公式1中，sin为三角正弦函数，cos表示三角余弦函数，a为地球椭球的长半轴长度值及b为地球椭球的短半轴长度值可根据具体采用的椭球进行赋值，例如选用我国的北京-1954椭球，则a取6378245米，b取6356863.02米。

其中，所述视线偏角是利用从光学遥感卫星下传的辅助数据中读取的俯仰角α和光学遥感卫星的侧摆角ω，获得光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角θ，图2中也给出了视线偏角θ，所述视线偏角θ计算公式为：

θ＝cos^-1(cosαcosω)(2)

公式2中，cos^-１表示反三角余弦函数。

其中，所述光学遥感卫星到地面的距离是根据星下点曲率半径R、光学遥感卫星的高度H及视线偏角θ计算光学遥感卫星到地面目标点的距离S，如图2中也示意地给出了光学遥感卫星到地面目标点P的距离，所述距离的计算公式为：

$S=(H+R)cos\mathrm{\θ}-\sqrt{R^2{\cos }^2\mathrm{\θ}-H^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{HRsin}}^2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

公式3中，cos表示三角余弦函数，sin为三角正弦函数，表示进行平方根运算。

其中，所述大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率是根据光学遥感器的电荷耦合元件(CCD)尺寸d的大小、光学遥感器的焦距f、光学遥感卫星到地面距离S，构建光学遥感器的电荷耦合元件像元对应的地面分辨率模型，获得光学遥感器的电荷耦合元件像元对应的地面分辨率GSD并计算公式为：

$GSD=\frac{dS}{fcos\mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

公式4中，d为光学遥感器的电荷耦合元件尺寸大小由遥感器的研制方提供，f为光学遥感器的焦距也由光学遥感器研制方提供，S为光学遥感卫星到地面距离，θ为光学遥感器视线方向偏离星下点的偏角由步骤B计算得到。

为了验证本实施例的效果，以某颗光学遥感卫星为例来计算不同摆角情况下的地面分辨率。该光学遥感器的电荷耦合元件大小为8.00um，焦距为2.00m，光学遥感卫星高度为650.00km，地球椭球采用北京-1954，当光学遥感卫星的星下点为北纬40.00度时，可以计算处该星下点的地球曲率半径为6374383.58m，而不同摆角条件下计算分辨率的结果如下表所示：

从上表可以看出摆角不同时，地面分辨率变化还是比较大的。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明获得大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。例如：

步骤1中，对于地球参考椭球的长半轴a和短半轴b可以根据具体定位的要求进行设定，例如我国现在要求使用的CGCS2000参考椭球则a取6378137米，b取6356752.31米。

综上所述，本发明获得大摆角光学遥感卫星遥感图像地面分辨率的方法中将地球作为旋转椭球考虑，并严密计算光学遥感卫星星下点对应的实际曲率半径；而光学遥感器的视线摆角的通过光学遥感卫星的侧滚和俯仰两个角度来计算的，能适应各种条件下摆角的计算。光学遥感卫星到地球表面目标点的距离是通过严密的几何三角关系计算得到的，并且修正了有摆角情况下遥感图像对应的地面分辨距离。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率的方法。该方法包括步骤如下：

步骤1：利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径；

步骤2：利用光学遥感卫星下传的辅助数据计算位于光学遥感卫星上的光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角；

步骤3：根据光学遥感卫星到地面的距离，获得大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率。

2.根据权利要求1所述的方法，获取光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径的步骤如下：

步骤11a，从光学遥感卫星下传的辅助数据中读取星下点的纬度B；

步骤11b，根据光学遥感卫星和地球表面目标点的几何关系，获得光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径。

3.根据权利要求2所述的方法，根据地球表面目标点和星下点的纬度，构建光学遥感卫星星下点对应的地球曲率半径模型。

4.根据权利要求3所述的方法，所述地球曲率半径R模型表示如下：

$R=\frac{a^{2}b}{a^2{\cos }^{2}B+b^2{\sin }^{2}B}---\left(1\right)$

公式1中，sin为三角正弦函数，cos表示三角余弦函数，a为地球椭球的长半轴长度值，b为地球椭球的短半轴长度值，根据选用的椭球对a、b进行赋值，B为星下点的纬度。

5.根据权利要求1所述的方法，所述视线偏角是从光学遥感卫星下传的辅助数据中读取的光学遥感卫星的俯仰角和光学遥感卫星的侧摆角，用于获得光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角。

6.根据权利要求5所述的方法，所述视线偏角θ计算公式为：

θ＝cos^-1(cosαcosω)(2)

公式2中，cos^-1表示反三角余弦函数，α为光学遥感卫星的俯仰角，ω为光学遥感卫星的侧摆角。

7.根据权利要求1所述的方法，所述光学遥感卫星到地面的距离是根据星下点曲率半径、光学遥感卫星的高度及视线偏角计算光学遥感卫星到地面目标点的距离。

8.根据权利要求7所述的方法，所述距离S的计算公式为：

$S=(H+R)cos\mathrm{\θ}-\sqrt{R^2{\cos }^2\mathrm{\θ}-H^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{HRsin}}^2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

公式3中，H为光学遥感卫星的高度、R为星下点曲率半径、θ为视线偏角，cos表示三角余弦函数，sin为三角正弦函数，表示进行平方根运算。

9.根据权利要求1所述的方法，所述大摆角光学遥感卫星的遥感图像地面分辨率是根据光学遥感器的电荷耦合元件尺寸的大小、光学遥感器的焦距、光学遥感卫星到地面距离，构建光学遥感器的电荷耦合元件像元对应的地面分辨率模型，获得光学遥感器的电荷耦合元件像元对应的地面分辨率。

10.根据权利要求1所述的方法，所述光学遥感器的电荷耦合元件像元对应的地面分辨率GSD的计算公式为：

$GSD=\frac{dS}{fcos\mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

公式4中，d为光学遥感器的电荷耦合元件尺寸，S为光学遥感卫星到地面距离，f为光学遥感器的焦距，θ为光学遥感器视线方向偏离星下点的视线偏角。