CN106469249A - 一种卫星对地覆盖分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种遥感卫星覆盖分析方法，解算卫星覆盖特性时首先确定仿真区域范围，可用卫星的轨道参数及其上搭载的传感器种类和成像方式；其次将仿真区域采用几何拓扑学划分为等面积的网格；最后将卫星覆盖特性分析分为两类求解问题：规定时间段内的卫星覆盖特性分析(时间段分析)与完全覆盖所分析区域的卫星覆盖特性分析(全覆盖分析)。并通过二维可视化显示卫星覆盖特性。本发明的遥感卫星覆盖分析方法可以满足多卫星组网、高空间多时相观测，并且短时间内提供高精度的覆盖特性报告。
Description
技术领域
本发明涉及传感器成像领域，尤指一种遥感卫星对地覆盖分析方法。
背景技术
随着遥感数据在各领域的应用越来越广，近年来国内外遥感卫星的数量也得到了迅猛发展，如何从众多的遥感卫星中选取出快速、有效的应用资源成为了目前遥感应用的一大突出问题。快速准确的遥感卫星对地覆盖分析计算尤为重要，而传统的解析法和数值计算法多存在计算精度不高、占用计算机资源大、无法计算重叠和多星同时分析等缺点，特别是不能满足针对特定复杂多边形区域遥感卫星资源筛选的应用需求，也因此造成了时间和经济方面的巨大损失。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于几何拓扑与数值分析的遥感卫星对地覆盖分析方法，目的在于针对复杂多边形区域高精度、快速的求解卫星覆盖特性指标。
本发明提出了一种卫星对地覆盖分析方法，其特征在于，所述方法基于几何拓扑与数值分析进行遥感卫星对地覆盖分析，具体包括以下步骤：
(1)确定待分析覆盖区域，可用卫星的轨道参数及所述可用卫星上搭载的传感器种类和成像方式；
(2)将所述待分析覆盖区域采用几何拓扑学划分为等面积的网格；
(3)进行时间段分析或全覆盖分析；
(4)卫星覆盖特性分析，按照仿真步长计算卫星瞬时视场与所述待分析覆盖区域的关系，确定卫星当前覆盖特性；
(5)将每颗卫星的覆盖特性用二维数组的形式存储，并进行综合统计形成综合覆盖特性；
(6)采用二维可视化场景进行展示，同时形成综合覆盖特性报表和图表。
进一步，所述时间段分析为规定的时间段内的卫星覆盖特性分析；所述全覆盖分析为完全覆盖所述待分析覆盖区域的卫星覆盖特性分析。
进一步，所述待分析覆盖区域为多边形区域，形成仿真区域。
进一步，所述传感器种类和成像方式包括星载线阵CCD成像方式和星载SAR成像方式。
进一步，所述星载线阵CCD成像时每一次仿真步长通过同一投影中心同时聚焦成像，所述星载SAR成像从成像方式可以分为3种基本模式，条带式、扫描时和聚束式。
进一步，所述仿真步长为一相对固定的时间间隔，其决定卫星在轨飞行的仿真速度与覆盖特性分析的精度，其中，所述仿真步长与传感器轨道方向分辨率的大小以及仿真区域划分网格的大小相匹配。
进一步，所述轨道参数以卫星两行星历为标准，仿真步长采用SGP4算法进行卫星轨道的预测，并确定卫星的坐标位置。
进一步，所述卫星覆盖特性分析具体为：对卫星上有效传感器每一次仿真步长中沿轨道方向和垂直轨道方向的覆盖范围进行计算，由卫星的坐标位置结合传感器的成像方式确定所述仿真步长内卫星覆盖范围在地球表面的形状及边界点坐标。
进一步，所述时间段分析具体为：根据给定一段仿真时间来求解多卫星组网多传感器成像覆盖特性，包括仿真区域覆盖百分比，以及每一颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
进一步，所述全覆盖分析具体为：在仿真区域通过统计多颗卫星组网多传感器成像覆盖特性，直到仿真区域覆盖全部范围，计算每颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
进一步，覆盖分析可视化显示通过地图投影将地球表面平铺，显示待覆盖区域及每一颗待分析卫星覆盖特性情况。
进一步，每一颗卫星的有效覆盖范围用不同颜色表示；提供覆盖重叠次数的分析，并采用颜色比例尺的形式直观表示。
进一步，形成所述综合覆盖特性报表和图表具体为：将表示每颗卫星的覆盖特性的二维数组进行统计分析，并将综合覆盖特性中每颗卫星在仿真区域内过境次数、起止时间、历时和累计历时以及覆盖百分比等指标量化显示。
本发明还提出了一种卫星对地覆盖分析系统，其特征在于，所述系统包括待分析覆盖区域空间多边形化模块，轨道参数模型模块，卫星姿态模拟器模块，传感器成像模型模块，有效覆盖几何拓扑关系分析模块，统计分析模块，覆盖分析可视化模块。
进一步，所述待分析覆盖区域空间多边形化模块用于将仿真区域使用空间多边形表示，采用几何拓扑形成最小外接矩形，并按照经纬度进行网格的划分。
进一步，所述轨道参数模型模块用于确定卫星某时刻的坐标、方位、速度等参数。
进一步，所述卫星姿态模拟器模块用于模拟空间的仿真环境及提供传感器的位置、姿态以及星敏感器的光轴指向等信息。
进一步，所述传感器成像模块用于通过平行投影的几何关系分析投影性质的转换、严格仿射变换数学模型建立基于仿射变换的传感器成像模型。
进一步，所述有效覆盖几何拓扑关系分析模块用于根据传感器成像的边界点坐标确定在仿真区域被覆盖的网格，并实时更新每颗星表示覆盖特性的二维数组。
进一步，所述统计分析模块用于在时间段覆盖分析和全覆盖分析中对可用卫星表示覆盖特性的二维数组进行统计，得到分析结果并进行输出，并为可视化显示和图表输出提供相应数据。
进一步，所述覆盖分析可视化模块用于实现卫星轨道位置和多边形区域的绘制。
附图说明
图1为本发明轨道参数模型仿真流程图
具体实施方式
本发明提供一种卫星对地覆盖分析方法及系统，为便于本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种卫星对地覆盖分析方法，具体的，所述方法基于几何拓扑与数值分析进行遥感卫星对地覆盖分析，具体包括以下步骤：
(1)确定待分析覆盖区域，可用卫星的轨道参数及所述可用卫星上搭载的传感器种类和成像方式；
(2)将所述待分析覆盖区域采用几何拓扑学划分为等面积的网格；
(3)进行时间段分析或全覆盖分析；
(4)卫星覆盖特性分析，按照仿真步长计算卫星瞬时视场与所述待分析覆盖区域的关系，确定卫星当前覆盖特性；
(5)将每颗卫星的覆盖特性用二维数组的形式存储，并进行综合统计形成综合覆盖特性；
(6)采用二维可视化场景进行展示，同时形成综合覆盖特性报表和图表。
进一步，所述时间段分析为规定的时间段内的卫星覆盖特性分析；所述全覆盖分析为完全覆盖所述待分析覆盖区域的卫星覆盖特性分析。
进一步，所述待分析覆盖区域为多边形区域，形成仿真区域。
进一步，所述传感器种类和成像方式包括星载线阵CCD成像方式和星载SAR成像方式。
进一步，所述星载线阵CCD成像时每一次仿真步长通过同一投影中心同时聚焦成像，所述星载SAR成像从成像方式可以分为3种基本模式，条带式、扫描时和聚束式。
进一步，所述仿真步长为一相对固定的时间间隔，其决定卫星在轨飞行的仿真速度与覆盖特性分析的精度，其中，所述仿真步长与传感器轨道方向分辨率的大小以及仿真区域划分网格的大小相匹配。
进一步，所述轨道参数以卫星两行星历为标准，仿真步长采用SGP4算法进行卫星轨道的预测，并确定卫星的坐标位置。
进一步，所述卫星覆盖特性分析具体为：对卫星上有效传感器每一次仿真步长中沿轨道方向和垂直轨道方向的覆盖范围进行计算，由卫星的坐标位置结合传感器的成像方式确定所述仿真步长内卫星覆盖范围在地球表面的形状及边界点坐标。
进一步，所述时间段分析具体为：根据给定一段仿真时间来求解多卫星组网多传感器成像覆盖特性，包括仿真区域覆盖百分比，以及每一颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
进一步，所述全覆盖分析具体为：在仿真区域通过统计多颗卫星组网多传感器成像覆盖特性，直到仿真区域覆盖全部范围，计算每颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
进一步，覆盖分析可视化显示通过地图投影将地球表面平铺，显示待覆盖区域及每一颗待分析卫星覆盖特性情况。
进一步，每一颗卫星的有效覆盖范围用不同颜色表示；提供覆盖重叠次数的分析，并采用颜色比例尺的形式直观表示。
进一步，形成所述综合覆盖特性报表和图表具体为：将表示每颗卫星的覆盖特性的二维数组进行统计分析，并将综合覆盖特性中每颗卫星在仿真区域内过境次数、起止时间、历时和累计历时以及覆盖百分比等指标量化显示。
本发明还提出了一种卫星对地覆盖分析系统，其特征在于，所述系统包括待分析覆盖区域空间多边形化模块，轨道参数模型模块，卫星姿态模拟器模块，传感器成像模型模块，有效覆盖几何拓扑关系分析模块，统计分析模块，覆盖分析可视化模块。
进一步，所述待分析覆盖区域空间多边形化模块用于将仿真区域使用空间多边形表示，采用几何拓扑形成最小外接矩形，并按照经纬度进行网格的划分。
进一步，所述轨道参数模型模块用于确定卫星某时刻的坐标、方位、速度等参数。
进一步，所述卫星姿态模拟器模块用于模拟空间的仿真环境及提供传感器的位置、姿态以及星敏感器的光轴指向等信息。
进一步，所述传感器成像模块用于通过平行投影的几何关系分析、投影性质的转换、严格仿射变换数学模型建立基于仿射变换的传感器成像模型。
进一步，所述有效覆盖几何拓扑关系分析模块用于根据传感器成像的边界点坐标确定在仿真区域被覆盖的网格，并实时更新每颗星表示覆盖特性的二维数组。
进一步，所述统计分析模块用于在时间段覆盖分析和全覆盖分析中对可用卫星表示覆盖特性的二维数组进行统计，得到分析结果并进行输出，并为可视化显示和图表输出提供相应数据。
进一步，所述覆盖分析可视化模块用于实现卫星轨道位置和多边形区域的绘制。
更具体的，待分析覆盖区域空间多边形化模块需要将仿真区域使用空间多边形表示，接着采用几何拓扑形成最小外接矩形，在此基础上按照经纬度进行网格的划分，令等纬度间隔的网格点中每一纬度的点数与该纬度的余弦成正比，这样相当于用单位面积上网格点数近似相等的一个网格来覆盖全球(或预定统计区域)，从而平衡了全球(或预定统计区域)的统计特性。将仿真区域划分的网格用二维数组进行表示和存储；然后对二维数组中的每一个网格进行遍历，判断其所构成区域与仿真区域的空间拓扑关系，若其所构成区域50％以上的面积在仿真区域中，则标识为true，否则标识为false(只有标识为true的网格进行后续的覆盖分析)。在实现卫星轨道动态仿真的基础上，跟踪分析一颗或多颗卫星对待分析区域的每一次覆盖特性，然后对一颗或多颗卫星的覆盖二维矩阵进行综合，统计得出相应区域的覆盖特性指标。
轨道参数模型仿真流程图如图1所示，以美国Celestrak的两行轨道参数为输入参数，它以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系以及星历的起始时间来确定卫星某时刻的坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。并且根据卫星轨道六根数模拟卫星在给定时刻的空间位置、速度，以及星下点轨迹；在卫星轨道数据模拟基础上，根据不同遥感仪器的观测方式，模拟遥感仪器对地观测像元的地理经纬度、高程。地理坐标到地面惯性坐标系转换方法采用保角的圆锥投影。
卫星姿态模拟器模块模拟空间的仿真环境及飞行中的遥感卫星，提供传感器的位置、姿态以及星敏感器的光轴指向等信息，由俯仰、翻滚和偏航三个变量表示。
传感器成像模块从平行投影的几何关系分析、投影性质的转换、严格仿射变换数学模型等方面，建立基于仿射变换的传感器成像模型。根据线阵CCD和星载SAR成像方式，从轨道参数模型模块获得轨道及星下点信息，从而求得成像覆盖范围及边界点坐标。
有效覆盖几何拓扑关系分析模块是根据传感器成像的边界点坐标确定在仿真区域被覆盖的网格，并实时更新每颗星表示覆盖特性的二维数组。其中评估覆盖性能采用以下几个指标：覆盖重数、面积覆盖百分比、覆盖累计面积、时间覆盖百分比、最大重访时间和平均重访时间间隔等。地面上一点的覆盖重数是指该点在仿真时间内被卫星覆盖的次数。按照覆盖重数的不同可以分为单重覆盖和多重覆盖。面积覆盖百分比是指全球表面或指定区域被卫星覆盖的面积所占的百分比，包括瞬时的面积覆盖百分比和按时间累积的面积覆盖百分比。覆盖累积面积即卫星运动形成覆盖带的面积。地面上某点的时间覆盖百分比，就是该点被覆盖的累计时间在统计总时间中所占的百分比。地面点的时间覆盖百分比代表了该点被覆盖的时间概率。最大重访时间就等于单独一个点所遇到的最长的覆盖间隔时间，也就是最大覆盖间隙。平均重访时间是给定地面点遇到的所有覆盖间隙的平均长度。
统计分析模块作用是在时间段覆盖分析和全覆盖分析中对可用卫星表示覆盖特性的二维数组进行统计后得到分析结果进行输出，并为可视化显示和图表输出提供相应数据。
覆盖分析可视化模块通过使用Java中的OpenGL类库实现卫星轨道位置和多边形区域的绘制，并通过保角的圆锥投影实现球面三维坐标到二维的转化。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (21)
1.一种卫星对地覆盖分析方法，其特征在于，所述方法基于几何拓扑与数值分析进行遥感卫星对地覆盖分析，具体包括以下步骤：
(1)确定待分析覆盖区域，可用卫星的轨道参数及所述可用卫星上搭载的传感器种类和成像方式；
(2)将所述待分析覆盖区域采用几何拓扑学划分为等面积的网格；
(3)进行时间段分析或全覆盖分析；
(4)卫星覆盖特性分析，按照仿真步长计算卫星瞬时视场与所述待分析覆盖区域的关系，确定卫星当前覆盖特性；
(5)将每颗卫星的覆盖特性用二维数组的形式存储，并进行综合统计形成综合覆盖特性；
(6)采用二维可视化场景进行展示，同时形成综合覆盖特性报表和图表。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间段分析为规定的时间段内的卫星覆盖特性分析；所述全覆盖分析为完全覆盖所述待分析覆盖区域的卫星覆盖特性分析。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待分析覆盖区域为多边形区域，形成仿真区域。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器种类和成像方式包括星载线阵CCD成像方式和星载SAR成像方式。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述星载线阵CCD成像时每一次仿真步长通过同一投影中心同时聚焦成像，所述星载SAR成像从成像方式可以分为3种基本模式，条带式、扫描式和聚束式。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真步长为一相对固定的时间间隔，其决定卫星在轨飞行的仿真速度与覆盖特性分析的精度，其中，所述仿真步长与传感器轨道方向分辨率的大小以及仿真区域划分网格的大小相匹配。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨道参数以卫星两行星历为标准，仿真步长采用SGP4算法进行卫星轨道的预测，并确定卫星的坐标位置。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述卫星覆盖特性分析具体为：对卫星上有效传感器每一次仿真步长中沿轨道方向和垂直轨道方向的覆盖范围进行计算，由卫星的坐标位置结合传感器的成像方式确定所述仿真步长内卫星覆盖范围在地球表面的形状及边界点坐标。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述时间段分析具体为：根据给定一段仿真时间来求解多卫星组网多传感器成像覆盖特性，包括仿真区域覆盖百分比，以及每一颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述全覆盖分析具体为：在仿真区域通过统计多颗卫星组网多传感器成像覆盖特性，直到仿真区域覆盖全部范围，计算每颗卫星在仿真区域内过境的次数、起止时间、历时和累计历时等信息。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，覆盖分析可视化显示通过地图投影将地球表面平铺，显示待覆盖区域及每一颗待分析卫星覆盖特性情况。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，每一颗卫星的有效覆盖范围用不同颜色表示；提供覆盖重叠次数的分析，并采用颜色比例尺的形式直观表示。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述综合覆盖特性报表和图表具体为：将表示每颗卫星的覆盖特性的二维数组进行统计分析，并将综合覆盖特性中每颗卫星在仿真区域内过境次数、起止时间、历时和累计历时以及覆盖百分比等指标量化显示。
14.一种卫星对地覆盖分析系统，其特征在于，所述系统包括待分析覆盖区域空间多边形化模块，轨道参数模型模块，卫星姿态模拟器模块，传感器成像模型模块，有效覆盖几何拓扑关系分析模块，统计分析模块，覆盖分析可视化模块。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述待分析覆盖区域空间多边形化模块用于将仿真区域使用空间多边形表示，采用几何拓扑形成最小外接矩形，并按照经纬度进行网格的划分。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述轨道参数模型模块用于确定卫星某时刻的坐标、方位、速度等参数。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述卫星姿态模拟器模块用于模拟空间的仿真环境及提供传感器的位置、姿态以及星敏感器的光轴指向等信息。
18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述传感器成像模块用于通过平行投影的几何关系分析、投影性质的转换、严格仿射变换数学模型建立基于仿射变换的传感器成像模型。
19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述有效覆盖几何拓扑关系分析模块用于根据传感器成像的边界点坐标确定在仿真区域被覆盖的网格，并实时更新每颗星表示覆盖特性的二维数组。
20.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述统计分析模块用于在时间段覆盖分析和全覆盖分析中对可用卫星表示覆盖特性的二维数组进行统计，得到分析结果并进行输出，并为可视化显示和图表输出提供相应数据。
21.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述覆盖分析可视化模块用于实现卫星轨道位置和多边形区域的绘制。
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