CN106595598A - 一种宽视场恒地元光学遥感成像方法 - Google Patents

Abstract

一种宽视场恒地元光学遥感成像方法，其包含以下步骤：S1、建立恒地元分辨率成像模型：L＝(R+h)cosθ‑[(R+h)²cos²θ‑h²‑2Rh]^1/2；Res＝L*d/f；式中，L为折射率为1条件下的光程，θ为倾斜视角，h为相机平台高度，R为地球平均半径，Res为地元分辨率，d为相机探测器像平面上一个像元的尺寸，f为相机所构成的光学遥感成像系统的焦距；S2、根据恒地元分辨率成像模型设计光学遥感成像系统，采用线阵推帚式扫描方式对地成像，获得恒地元分辨率的条带图像；S3、计算条带图像的幅宽；S4、绕地球不同经、纬线圈多次成像，然后将相邻经、纬线圈的条带图像进行拼接，以实现图像的全球覆盖，从而获得等光程的宽视场恒地元图像。其优点是：在获取超宽刈幅对地光学遥感信息的同时，所成图像的全视场内地元分辨率均一、畸变量小。

Description

一种宽视场恒地元光学遥感成像方法

技术领域

本发明涉及对地光学遥感成像技术领域，具体涉及一种宽视场恒地元光学遥感成像方法。

背景技术

在对地光学遥感中，尤其是在相对地球运动的光学有效载荷中，为了获取更大范围的对地遥感信息，需要扩大光学相机可观测的视场角度，方式通常有以下三种：

一种是光机扫描方式，即通过扫描反射镜，在运动部件的带动下，按照预先设计的规则旋转扫描对地的物空间，实现大范围光学信息的获取；一种是光学相机随平台旋转，实现对地物空间的扫描，获取大范围光学信息；一种是在相机平台上，光学相机在驱动机构的带动下实现“侧摆”，完成对所关注物空间光学信息的获取。

然而由于光学视场不为零以及地球曲率等原因，在上述三种均采用传统几何光学成像模型的工作方式下对地成像时，都会引起光程的非线性变化，从而出现扫描带的两端宽度大于正射点处的宽度，如图1和图2所示。在对地光学遥感中，目前评价光学相机地元分辨率的指标均为正射点对应的指标。由图1可见，应用目前相机宽视场对地成像时，边缘视场的地元分辨率与正射点I的地元分辨率有着较大的差别，且偏离正射点的角度越大，差别就越大，在观测角度较大的宽视场对地遥感中尤其严重。这将导致地元分辨率不均一的缺点，对后续图像的定量化应用产生不利影响：如加大了尺度变换、尺度效应以及图像反演的难度，同时降低了遥感质量。

针对上述问题，需要提供一种新型的光学遥感成像方法，使得在不计地面起伏、不进行信息处理的情况下，可以实现在获取超宽刈幅对地光学遥感信息的同时，所成图像具有全视场内地元分辨率均一、畸变量小而稳定的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽视场恒地元光学遥感成像方法，可以在不计地面起伏、不进行信息处理的情况下，针对宽视场获取地元分辨率均一相等的图像信息。

一种宽视场恒地元光学遥感成像方法，其特征是，包含以下步骤：

S1、建立恒地元分辨率成像模型：

L＝(R+h)cosθ-[(R+h)²cos²θ-h²-2Rh]^1/2；

Res＝L*d/f；

式中，L为相机探测平面到地球表面的光束长度，取大气折射率为1，则光程亦为L，θ为倾斜视角，h为相机平台高度，R为地球平均半径，Res为地元分辨率，d为相机探测器像平面上一个像元的尺寸，f为相机所构成的光学遥感成像系统的焦距；

S2、根据恒地元分辨率成像模型设计光学遥感成像系统，对地成像获得恒地元分辨率的条带图像。

上述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其中，所述的步骤S2中：

所述的光学遥感成像系统采用线阵推帚式扫描方式对地成像。

上述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其中，所述的步骤S2以后还包含：

S3、计算条带图像的幅宽；

S4、绕地球不同经、纬线圈多次成像，然后将相邻经、纬线圈的条带图像进行拼接，以实现图像的全球覆盖，从而获得等光程的宽视场恒地元图像。

上述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其中，所述的步骤S3中：

所述的条带图像的幅宽计算方法是：

上式中，劣弧为所述条带图像的幅宽，φ为所述光学遥感成像系统的有效视场角。

采用本发明所述模型获得的条带图像，可以实现在获取超宽刈幅对地光学遥感信息的同时，所成图像具有全视场内地元分辨率均一、畸变量小而稳定的特点；本方法采用的模型较现有技术的模型在图像处理算法上更简洁，可以加快后续遥感产品的生成速度，缩短体系相应时间。

附图说明

图1是传统几何光学成像模型的对地扫描成像条带示意图。

图2是传统几何光学成像模型的侧摆成像地元示意图。

图3是本发明中等光程设计原理图。

图4是本发明中任意光束垂直像元瞬时视场中心轴线方向上的地元分辨率示意图。

图5是本发明中相机推帚扫描示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

S1、建立恒地元分辨率成像模型；

S2、根据恒地元分辨率成像模型设计光学遥感成像系统，获得恒地元分辨率的条带图像；

S3、计算条带图像的幅宽；

S4、绕地球不同经、纬线圈多次成像，然后将相邻经、纬线圈的条带图像进行拼接，以实现图像的全球覆盖。根据获得的条带图像的幅宽，将步骤S2获得的恒地元分辨率的条带图像进行左右相邻轨道的图像进行拼接，即可获得等光程的宽视场恒地元图像。

所述的光学遥感成像系统的光程设计原理如图3所示，O为地心；A为相机平台所在位置，可视为对地观测系统的质心；倾斜视角为θ；光程即为从质心A发出到达地球表面任意点的光束长度L与对应折射率的乘积，本实施例中，为方便说明，取大气折射率为1，则光程即为L。B为AO连线与地球表面的交点，相机到地面的高度为AB，令AB＝h，R为地球平均半径。

以下对步骤S1～S4进行进一步的具体解释：

步骤S1中的模型建立过程具体如下：

对于正射点B，即为AO连线与地球表面的交点；光程即为光束AB的长度L。正射点的倾斜视角为零，即θ＝0。因此相机至正射点的光程L＝h。

当倾斜视角发生变化，光束偏离正射方向θ角度后与地球表面的交点为C，∠CAO＝θ，此时光程L发生变化。BO＝CO＝R，AC＝L，在相机平台高度h与倾斜视角θ一定的情况下，光程L与倾斜视角θ存在以下关系：

L＝(R+h)cosθ-[(R+h)²cos²θ-h²-2Rh]^1/2 (1)

从以上关系式可见，在h与R为定量时，光束AC的长度L随θ的变化呈非线性变化。

如图4所示，设Res为光束AC垂直像元瞬时视场中心轴线方向上的地元分辨率；FG表示探测器像平面上一个像元，其尺寸为d；AF表示光学遥感成像系统焦距，大小为f；分辨率Res与光程L具有以下关系：

Res＝L*d/f (2)

在d与f比值一定的情况下，地元分辨率Res与L呈线性关系。

因此对于同一个光学遥感成像系统，只要满足像平面上所有像元在轨道上对地光学遥感时的倾斜视角θ相等，即可保证等光程效果，从而实现地元分辨率Res均一相等。

步骤S2的具体过程如下，应用上述式(1)和式(2)而设置的相机，工作于非同步地球轨道上，如图5所示，采用推帚式扫描方式对地成像，即可使像平面上所有像元在轨道上对地光学遥感时的倾斜视角θ相等，从而保证等光程效果进而获得恒地元分辨率的条带图像。

推帚式扫描也称为沿轨道扫描，飞行器向前沿V方向飞行的时候，光学遥感成像系统一次可以收集一条带的图像，如图5所示，图中一条圆弧代表一条带图像，光学遥感成像系统的有效视场角为φ。

步骤S3的具体包含以下过程：

如图3所示，对上述条带图像进行幅宽计算是为了便于对成像系统的幅宽指标进行量化评估。

具体的，过C点对AO作垂线BO’，即CO’⊥AO。将△ACO’以AO为旋转轴顺时针旋转Ω角度后，C点旋转至E点，∠CO’E＝Ω；∠CAE即为所述光学遥感成像系统的有效视场角，令∠CAE＝φ。

△CO’E为等腰三角形，CE为地球体被△COE所在平面截得的大圆的弦，该弦相对地球球心O的张角为∠COE，∠COE对应的大圆中的劣弧弧长即为相机的幅宽。令劣弧∠COE＝ω，

S＝Rω； (3)

在△CAE中，根据余弦定理有：

CE²＝AC²+AE²-2AC·AE·cos(∠CAE) (4)

即CE²＝L²+L²-2L²·cosφ

同理，△COE中，根据余弦定理有：

CE²＝OC²+OE²-2OC·OE·cos(∠COE) (5)

即CE²＝R²+R²-2R²·cosω

将(5)(6)两式联立可得：

2L²-2L²·cosφ＝2R²-2R²·cosω

对上式求解，可得：

ω＝arcos(1-(1-cosφ)L²/R²) (6)

根据式(7)即可计算得到本发明中新型恒地元分辨率几何光学模型对应的幅宽，即为所述条带图像对应的幅宽。

所述的步骤S4具体包含以下过程：为实现图像的全球覆盖，需要绕地球不同经、纬线圈多次成像，然后将相邻经、纬线圈的条带图像进行拼接。根据获得的条带图像的幅宽，将步骤S2获得的恒地元分辨率的条带图像进行相邻轨道的图像进行拼接，即可获得等光程的宽视场恒地元图像。

以下为本实施例中，光学遥感成像系统的技术参数以及运用上述成像方法后所获得的宽视场恒地元条带图像数据如下：

焦距(f)：1000mm；

探测器像平面像元尺寸(d)：0.03mm；

倾斜视角(θ)：40°；

地球平均半径(R)：6371km；

相机平台轨道高度(h)：1000km；

根据式(1)计算得到边缘视场的光程L为1387km；

根据式(2)计算得到边缘视场的垂直像元瞬时视场中心轴线方向上的地元分辨率Res为0.0416km；

根据式(7)计算恒地元分辨率光学遥感成像系统的幅宽：

当φ＝0时，幅宽最小；

当φ＝π/3时，

利用线阵推帚式扫描方式，即可使像平面上所有像元在轨道上对地光学遥感时的倾斜视角θ均为40°，同时取φ＝π/3，从而得到地元分辨率均为0.0416km且幅宽为1389km的宽视场恒地元条带图像。

综上，本发明的有益效果在于：(1)应用本发明中所设计的相机在采用推帚式扫描方式成像时，可以实现超宽刈幅对地光学遥感信息的获取，所获取的图像在不计地面起伏、不进行信息处理的情况下，具有全视场内地面分辨率均一、畸变量小而稳定的特点，轨内图像无重叠；(2)该相机获取图像的模型，较目前的模型在图像处理算法上更显简洁，该模型下的算法可以加快后续遥感产品的生产速度，在对缩短体系响应时间方面起到积极推进作用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种宽视场恒地元光学遥感成像方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、建立恒地元分辨率成像模型：

L＝(R+h)cosθ-[(R+h)²cos²θ-h²-2Rh]^1/2；

Res＝L*d/f；

式中，L为相机探测平面到地球表面的光束长度，取大气折射率为1，则光程亦为L，θ为倾斜视角，h为相机平台高度，R为地球平均半径，Res为地元分辨率，d为相机探测器像平面上一个像元的尺寸，f为相机所构成的光学遥感成像系统的焦距；

S2、根据恒地元分辨率成像模型设计光学遥感成像系统，对地成像获得恒地元分辨率的条带图像。

2.如权利要求1所述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其特征在于，所述的步骤S2中：

所述的光学遥感成像系统采用线阵推帚式扫描方式对地成像。

3.如权利要求2所述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其特征在于，所述的步骤S2以后还包含：

S3、计算条带图像的幅宽；

S4、绕地球不同经、纬线圈多次成像，然后将相邻经、纬线圈的条带图像进行拼接，以实现图像的全球覆盖，从而获得等光程的宽视场恒地元图像。

4.如权利要求3所述的宽视场恒地元光学遥感成像方法，其特征在于，所述的步骤S3中：

所述的条带图像的幅宽计算方法是：

上式中，劣弧为所述条带图像的幅宽，φ为所述光学遥感成像系统的有效视场角。