CN106248346A - 一种基于几何拓扑学的高精度遥感卫星对地覆盖分析方法 - Google Patents

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顾行发
余涛
王更科
吴晓洋
胡新礼
赵利民
李斌
魏曦
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Abstract

一种基于几何拓扑学的高精度遥感卫星对地覆盖分析方法。本发明利用几何拓扑学中的几何拓扑运算方法求得遥感卫星对地覆盖过程中每次过境覆盖区域及覆盖分析完毕后总的过境覆盖区域及百分比，比传统的网格点法复杂度要低且精度要高。本发明通过记录在过境过程中幅宽两点的轨迹数据集，利用轨迹数据集组成的几何图形与目标区域几何图形的交集求得每次过境的覆盖区域，以及历次过境覆盖区域几何图形求并得到总覆盖区域，通过记录的每次过境开始时间、结束时间等求得条带数据量，并根据每次过境覆盖区域与条带区域的百分比与条带数据量的乘积求得有效的数据量。通过本发明提出的新技术方案，势必为以后遥感卫星对地覆盖产生巨大影响。

Description

一种基于几何拓扑学的高精度遥感卫星对地覆盖分析方法
技术领域
本发明涉及航天遥感卫星对地覆盖分析领域，尤指一种利用几何拓扑关系运算进行遥感卫星对地覆盖效能综合分析的新方法。
背景技术
随着空间技术的发展，遥感卫星的数量越来越多，遥感卫星数据在各领域的应用也越来越广，然而，按照“天地统筹、协同建设”的思想，航天遥感卫星系统的发展势必对地面系统和应用系统的建设提出了更高的要求，建设多大规模与处理能力的地面系统和应用系统成为了亟需论证和解决的问题。航天遥感卫星对地覆盖效能分析正是解决这一问题的有效途径和方法。在卫星发射之前利用计算机仿真的方法对卫星的覆盖能力进行有效的分析和评估可以预测卫星的数据获取质量、规模、品种、规格和时效性，为地面系统和应用系统建设指标提供充分的依据。但是，现有的卫星覆盖能力解析法和数值计算法多存在计算精度不高、计算资源占用较大以及卫星多次过境重叠度无法计算等问题。本发明采用几何拓扑学中的几何拓扑运算方法，有效地解决了上述问题，大大提高了遥感卫星对地覆盖综合分析的效率。
发明内容
针对现有卫星对地覆盖方法精度不高，时间复杂度和空间复杂度较大的问题，本发明提出了一种基于几何拓扑学的高精度遥感卫星对地覆盖效能分析方法。该方法利用JTS(Java Transaction Service)拓扑套件中几何拓扑运算的方法，在全球二维平面直角坐标系中将目标分析区域理解成为一个几何图形A(A中可能存在多个非连通的闭合区域)，同时，按照一定的步长，将卫星每一飞行时刻幅宽左右两点组成一条线段B，通过计算线段B到几何图形A的距离distance来判断卫星是否处于过境状态。如下(1)为JTS中建立B到A的距离关系，(2)为求得B到A的距离distance。
DistanceOp distOp＝new DistanceOp(A，B)； (1)
double distance＝distOp.distance()； (2)
如果距离distance大于0，则表示线段B与目标分析区域几何图形A不相交，即处于非过境状态；如果距离distance等于0，则表示线段B与几何图形A相交或在其内部，即处于过境状态，记录此时刻幅宽左右两点的经纬度坐标(lat，lon)。随着卫星的飞行，逐步形成了一个从开始过境目标分析区域A到最后离开目标分析区域A的以幅宽左右两点集合为边界点的封闭区域。在全球二维平面直角坐标系下将封闭区域的经纬度(lat，lon)边界点集合转换为二维直角坐标系下的(x，y)点集合并按照顺时针或者逆时针方向将其进行首尾相接构成了卫星每一次过境轨迹的几何图形，进而通过几何拓扑求交运算得到该轨迹几何图形与目标分析区域几何图形的交集即为本次过境对目标分析区域的有效覆盖范围。
本发明提出了一种遥感卫星对地覆盖分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.构建目标区域几何图形；
b.卫星过境覆盖分析；
c.覆盖数据处理及统计。
进一步，其特征在于，利用的是几何拓扑关系运算进行遥感卫星对地覆盖效能综合分析。
进一步，其特征在于，步骤a：目标区域可以为规则区域、非规则区域和多个不相连的规则或非规则区域。
进一步，其特征在于，步骤b：采用了外接矩形过境判断和目标分析区域过境判断相结合的方法，目的是为了记录每一次过境的最后结束时间，利用幅宽两点组成线段是否离开目标区域外接矩形来判断每一次的过境结束，利用幅宽两点组成线段进入外接矩形后首次进入目标区域判断为每次过境的开始，当存在过境中断时，利用标识flag记录每次离开目标区域的时间，并将最后一次时间记录为过境结束时间，并从每次过境开始到过境结束记录幅宽两点的轨迹数据集。
进一步，其特征在于，步骤c：利用每次过境的幅宽两点轨迹数据集构成的几何图形与目标区域几何图形求得的交集作为每次过境的覆盖区域，利用每次覆盖区域组成的几何图形求得的并集作为总覆盖 区域。
本发明的基于几何拓扑学的遥感卫星对地覆盖分析方法具有以下优点：
1、利用拓扑几何的线面位置关系进行过境判断和覆盖轨迹数据处理，相比传统的网格覆盖分析方法中通过建立全球平面底图直角坐标系，将幅宽两点投影到坐标系中，建立直线方程，通过判断与直线相交的属于目标行政区域的网格来判断卫星瞬时幅宽所扫过的网格来进行过境判断和过境覆盖数据处理从而简化了算法的处理流程，极大的降低了时间复杂度。
2、利用拓扑几何的求交运算计算过境轨迹几何图形和目标区域几何图形的交集得到每一次对目标分析区域的有效覆盖范围，比传统网格点法(通过计算网格点的个数而导致部分非覆盖区域也被算作覆盖区域)的精度更高。
3、传统网格点法进行覆盖处理运算的过程中，网格覆盖次数、是否覆盖等大量网格数据都将存储在内存中，消耗大量的内存资源，而利用拓扑关系进行过境覆盖处理只需要记录边缘点数据即可，处理的数据也是各种边缘点数据，相对来说处理和存储的数据量大大减少，降低了内存资源的消耗。
4、通过矩形区域过境和目标区域过境相结合的方法，规避了卫星恰巧过境目标分析区域存在凹形部分或不连续部分的特殊情况，这是矩形网格算法中所不能的。
附图说明
图 1幅宽两点计算图
图 2基于几何拓扑的遥感卫星对地覆盖分析方法流程图
图 3目标区域几何图形A构建(以中国行政区域为例)
图 4瞬时过境判断图 (以中国行政区域为例)
图 5卫星对地覆盖图
图 6网格法与几何拓扑对地覆盖法对比图
具体实施方式
本发明的基于几何拓扑学的高精度遥感卫星对地覆盖分析方法包括目标区域几何图形构建、卫星过境覆盖区域计算和覆盖数据处理与分析。
进一步，所述目标区域几何图形构建，包括收集目标区域边界经纬度点(lat，lon)集合数据(按照边界顺时针或逆时针方向收集)和将数据转化到二维地图坐标系下，并根据二维地图坐标系下的点集合数据构建几何图形。
进一步，所述卫星过境覆盖区域计算，包括幅宽两点计算、利用(1)、(2)进行过境状态判断和过境时间段内幅宽两点坐标数据的记录。
其中如上图 a 1＝sinicosβ、a2＝cosisinβ、星下点经纬度幅宽两点R、L的计算公式如下：
纬度公式：
纬度公式：
经度λL公式：
经度λR公式：
当轨道倾角小于90°，卫星沿Z轴飞行方向大于0时，(5)式取“-”，(6)式取“+”，卫星沿Z轴飞行方向小于0时，(5)式取“+”，(6)式取“-”；当轨道倾角大于90°，卫星沿Z轴飞行方向大于0时，(5)式取“+”，(6)式取“-”，当轨道倾角大于90°，卫星沿Z轴飞 行方向小于0时，(5)式取“-”，(6)式取“+”。
进一步，所述覆盖数据处理及分析，包括利用JTS根据每次过境幅宽两点轨迹数据集合构建的几何图形A与目标区域几何图形B求得交集几何图形C＝A.intersects(B)即每次过境的覆盖区域、利用交集几何图形的面积及目标区域几何图形面积求得每次过境覆盖百分比、利用JTS根据历次过境交集C1、C2、C3……几何图形求得并集几何图形D＝(C1.union(C2)).union(C3)……即为最终的全部覆盖区域、根据全部覆盖区域D几何图形面积及目标几何图形面积求得总覆盖百分比、根据历次过境的结束时间、开始时间、卫星曝光时间、分辨率、幅宽长度、量化位数和波段数通过公式(7)求得每次过境的条带数据量和根据每次过境的覆盖面积、条带面积、求得的条带数据量通过公式(8)求得每次过境的有效数据量，其中条带数据量和有效数据量的公式如下：
条带数据量：Dband＝((Tend-Tstart)/Tsensor)*Lbreadth/resolution*Q*B (7)
Tend过境结束时间、Tstart过境开始时间、Tsensor曝光时间、Lbreadth幅宽长度、Q量化位数、B波段数
有效数据量：Dvalid＝(Svaild/Sband)*Dband (8)
Svaild有效过境面积、Sband过境条带面积。
如图 1所示，本发明的方法在实施中需要目标区域几何图形构建、卫星过境覆盖区域计算和覆盖数据处理与分析三个步骤。
如图 2所示，目标区域几何图形构建，以中国行政区域为例，首先分开收集台湾、海南、内陆等互不相连区域的数据，构成List<double[]>的数据集，每一个double数组为一个区域的数据集，这些数据集点顺序为顺时针或逆时针方向，然后将这些数据集利用JTS构建为多个闭合的几何图形Geometry。
如图 3所示，卫星过境判断图，在卫星过境覆盖区域计算的过程中，以中国行政区域为例，在图中点A处是过境中断地方，定义：卫星在绕地球一圈的过程中从幅宽两点组成的线段T首次进入目标区域到最终离开目标区域为一次过境，因此由于目标区域的不规则性，就会出现图中点A处的情况(线段T在一次过境中存在离开了目标区域又再次进入目标区域)，点A处的情况如果不加以处理，则经过点 A处的此次过境将会由于算法中设定的从进入目标区域到离开目标区域为一次过境而被默认为两次过境，故本发明中利用目标区域外接矩形过境判断和目标区域过境判断相结合的方法来处理点A处情况，首先由于目标区域外接矩形为规则区域，不会出现类似点A处的情况，故将算法中设定为：如果幅宽两点组成的线段连续经过外接矩形区域且离开了外接矩形区域，则一次过境结束，过境次数会加1，但此时如果记录当前时刻为过境结束时间就是错误的，因此还需要对目标区域在一次过境中何时最后一次出境进行判断，首先在算法中设定标识flag为true，当幅宽两点组成的线段T进入到目标区域时，即变为false，一旦线段T离开目标区域时，判断flag是否为false，如果是则记录此刻的时间Ltime且设置flag为true，通过标识flag的设置，即可有效的判断在一次过境中每次离开目标区域时的时刻，当线段T离开目标区域外接矩形时即可将最后一次离开目标区域的时刻记录为此次过境结束时间，在卫星过境的同时会记录从开始过境时刻到结束过境时刻每经过一个步长卫星幅宽两点的值，形成每次过境的幅宽轨迹数据集，最终形成历次过境的开始时间与结束时间集合和幅宽轨迹数据集。
如图 4所示，卫星对地覆盖图，通过对覆盖数据处理与分析，最后形成了卫星对地覆盖图，首先根据在卫星过境覆盖分析过程中获得的每次过境的幅宽轨迹数据集，将其构建为一个封闭的几何图形，然后与目标区域几何图形求交集，获得的几何图形即为此次过境的覆盖区域，由图 5可以看到几何拓扑法比传统的网格点法求得的覆盖区域更为准确，然后再对每次过境的覆盖区域几何图形求并集所得的几何图形即为总覆盖区域，用总覆盖区域几何图形的面积及目标区域几何图形的面积即为求出总覆盖百分比，然后根据历次过境的结束时间、开始时间、卫星曝光时间、分辨率、幅宽长度、量化位数和波段数通过公式(7)求得每次过境的条带数据量，然后根据每次过境的覆盖面积、条带面积、求得的条带数据量通过公式(8)求得每次过境的有效数据量，从而形成卫星对地的综合覆盖特性。
以上示例，仅为说明本发明的技术特征和可实施例，其目的是在于使该领域的技术人员能够了解本发明的内容并具体实施。由此，凡 根据本发明的构思作出的变换和修饰，均包含在本发明的权利要求范围内，依专利法提出申请。

Claims (5)

1.一种遥感卫星对地覆盖分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.构建目标区域几何图形；
b.卫星过境覆盖分析；
c.覆盖数据处理及统计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于利用的是几何拓扑关系进行覆盖分析而非传统的网格。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a：目标区域可以为规则区域、非规则区域和多个不相连的规则或非规则区域。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b：采用了目标分析区域过境判断和其外接矩形过境判断相结合的方法，目的是为了规避卫星轨迹恰好经过了目标分析区域的凹形区域或不连续区域而判断为卫星本次过境已经离开了目标分析区域的特殊情况，如图3中A处所示，利用卫星每一时刻载荷幅宽两点构成的线段是否离开目标区域外接矩形来判断每一次的过境结束与否，同时，利用该线段进入外接矩形并首次进入目标区域作为该次过境的开始，当存在过境中断时，利用变量LTime记录每次离开目标区域的时间，并将最后一次时间记录为过境结束时间，并从每次过境开始到过境结束记录幅宽两点的轨迹数据集。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c：利用步骤b得到的每次过境轨迹数据集构成的几何图形与目标区域几何图形通过几何拓扑运算求交得到本次实际的目标分析区域覆盖范围，进而利用每一次求得的实际目标分析区域覆盖范围，又通过几何拓扑运算求并得到所有分析卫星及载荷在某个时间段内对目标分析区域总的覆盖范围，然后根据历次过境的结束时间、开始时间、卫星曝光时间、分辨率、幅宽长度、量化位数和波段数通过公式(7)求得每次过境的条带数据量和根据每次过境的覆盖面积、条带面积、求得的条带数据量再通过公式(8)求得每次过境的有效数据量 。
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