CN107462220B - 面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过分析月地关系与月基影像几何畸变的影响因素，着重考虑月下点的位置变化、地球曲率、地形起伏对大尺度半球影像的影响效应，提出面向月基对地观测影像的顾及月下点移动的投影极坐标几何表达方法。本方法致力于解决月基对地观测中半球影像的几何畸变问题，可以更好的保持月基平台对地观测影像的原始信息，并能利用少量的且不均匀的控制点进行较准确的地理编码。

Description

面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法

技术领域

本发明涉及对地观测领域，具体涉及一种面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法。

背景技术

目前，人类正面临着一系列前所未有的全球性环境变化问题，对人类发展带来巨大挑战。因此，全球性的对地观测研究也越来越受世界各国的重视。而当前基于星——机——地平台的遥感技术仍然只能对地球上有限区域的科学现象进行短暂观测，并且重复观测周期较长。对地球上大尺度、动态问题的细致和连续观测方面，仍难以满足全球变化科学问题全球尺度观测能力的需求。针对这一问题，郭华东院士提出月基平台对地观测的新思想，利用空间观测技术开展全球变化研究，月球基地成为一个理想场所。月球是地球唯一的自然卫星，是观测地球长期存在的稳定平台，为研究全球变化等科学现象提供更为理想的观测手段，可实现大尺度、长时间连续序列的星球尺度全球变化监测。

月基对地观测能够持续地获取地球星球尺度瞬时遥感影像，然而月基观测几何的复杂性给月基影像的几何校正带来了巨大的挑战，这种复杂性表现为月下点变化、地球曲率、地形起伏引起的半球尺度影像不同区域的几何形变差异，以及半球影像中大面积云、海覆盖引起的控制点稀疏和分布不均匀。在此情况下，将传统的针对卫星遥感图像的几何表达方法直接应用到月基半球影像，会引起观测信息的冗余或者缺失，并严重影响几何校正的精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开一种面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，包括以下步骤：定义月基对地观测影像投影极坐标系；建立所述月基对地观测影像投影极坐标和月基影像空间直角坐标系之间的转换关系；建立基于不同地球参考模型约束下的所述月基影像空间直角坐标系与地表地理坐标系之间的关系。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，所述月基对地观测影像投影极坐标系定义如下：

定义空间坐标系的原点O为坐标系的极点；

月下点o是月球上的布设的传感器与地球中心连线与地球表面的交点；

投影面S为垂直于月下点与地中心点连线oO且过空间坐标系原点的平面；

以月下点o指向地球北极点N的方向ON在平面S的投影方向为坐标系极轴0度方向；

对椭球面一点P，其弧长长度用l表示；

P点在S平面的投影点P′距极点O的长度OP′用ρ表示，则ρ为P点的极径，θ表示OP′到OA的角度，则θ为点P的极角。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，所述极角θ在大于等于0°小于360°的范围内。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，在所述建立所述月基对地观测影像投影极坐标和月基影像空间直角坐标系之间的转换关系步骤中，

月基观测地球表面上的任一点用空间直角坐标系(X,Y,Z)表示，则该点用投影极坐标系(ρ，θ)表达如下：

S：X·X₀+Y·Y₀+Z·Z₀＝0 (2)

其中，(X₀，Y₀，Z₀)为己知的月下点o的空间坐标值，(X′，Y′，Z′)为(X，Y，Z)垂直投影到平面S上的空间直角坐标，(X′_n，Y′_n，Z′_n)为北极点N在垂直投影到平面S上的坐标值。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，所述不同地球参考模型约束地球表面分别为标准球体、参考椭球体或顾及地表高度的参考椭球。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，采用标准球为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L，B)时，

所述大地坐标系(L，B)与所述月基影像空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝R·cos B·cos L (4)

Y＝R·cos B·sin L (5)

Z＝R·sin B (6)

其中，R为地球半径，R＝6370856m。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，所述投影极坐标中极径ρ与地球表面距离1的关系，用解析式表达如下

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，采用参考椭球体为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L，B)时，

所述大地坐标系(L，B)与所述月基影像空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝N·cos B·cos L (9)

Y＝N·cos B·sin L (10)

Z＝[N·(1-e²)]·sin B (11)

其中，N为卯酉圈曲率半径。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法中，采用顾及地表高度的参考椭球体为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L，B，H)时，

所述大地坐标系(L，B，H)与空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝(N+H)·cos B·cos L (12)

Y＝(N+H)·cos B·sin L (13)

Z＝[N·(1-e²)+H]·sin B (14)

其中，H代表观测地表的海拔高度。

本发明的面向月基对地观测的极坐标几何表达方法有利于月基对地观测遥感影像的几何校正，具体表现为以下几个方面：

1、影像真实表达。可以更准确的表达对地观测获取的影像、满足半球影像的特征，如月下点附近变形小，远离月下点影像变形逐渐增大；

2、满足空间分辨率需求的同时，节省空间。在重采样时，根据月基探测地球的真实影像特征(月下点密集，边缘点稀疏)，局部分块进行采样插值。既可以满足空间分辨率的要求，又可避免因依据单一分辨率规格进行插值造成的空间及信息的冗余，可以作为月基遥感影像的一种带几何信息的标准存储格式。

3、实现了少且不均匀控制点情况下的针对半球影像的地理编码。在地面控制点不足时，图像的几何校正精度较低，面对70％海域的地球-半球影像，极坐标表达法可根据少量且不均匀的控制点，解决月下点移动、地球曲率、地形起伏带来的几何畸变等问题，完成影像校正。

附图说明

图1是面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法的流程图。

图2是月基对地观测投影极坐标示意图。

图3是参考椭球体表面的任意一点P投影在影像极坐标表达平面S上的示意图。

图4是地球表面距离l与极径ρ的变化关系(采用标准球为地球参考模型)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法的流程图。图2是月基对地观测投影极坐标示意图。O为空间坐标系的原点、极坐标系的极点；o为月下点，即月球上的观测点与地球中心连线Oo与地球表面的交点；S为月下点与地中心点连线Oo且过原点O的垂直面，为影像投影极坐标表达平面；P为地球表面的任意一点；P＇为P点在S平面的投影点；OA为月下点与北极点ON在S平面的投影线，表示极坐标系的极轴0度方向；ρ为弧长在投影面极坐标下的极半径；l为地球表面P到o点的弧长L为P点的经度值，B为纬度值。

如图1所示，本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，包括以下步骤：

在步骤S1中，定义极坐标系，将地球表面的任意一点P表示为(ρ，θ)。具体而言，如图2所示，S为月下点与地中心点连线Oo且过原点O的垂直面，为影像正射投影后极坐标表达平面。面向月基对地观测遥感影像的极坐标系具体定义如下：

定义空间坐标系的原点O为极点；

月下点o是月球上的布设的传感器与地球中心连线与地球表面的交点；

以月下点o指向地球北极点N的方向ON在平面S的投影方向为坐标系极轴0度方向；

对椭球面一点P，其弧长长度用1表示；

P点在S平面的投影点P′距极点O的长度OP′用ρ表示，则ρ为P点的极径，θ表示OP′到OA的角度，则θ为点P的极角，其中0°≤θ＜360°。故P点可表示为(ρ，θ)，如图3所示。

在步骤S2中，建立月基对地观测影像投影极坐标和空间直角坐标系之间的转换关系。月基观测地球表面上的任一点用空间直角坐标系(X，Y，Z)表示，则该点用投影极坐标系(ρ，θ)表达如下：

S：X·X₀+Y·Y₀+Z·Z₀＝0 (2)

其中，(X₀，Y₀，Z₀)为己知的月下点o的空间坐标值，(X′，Y′，Z′)为(X，Y，Z)垂直投影到平面S上的空间直角坐标，(X′_n，Y′_n，Z′_n)为北极点N在垂直投影到平面S上的坐标值。

接下来，在步骤S3中，考虑不同地球参考模型约束下的月基影像空间直角坐标系与地理坐标系之间的关系。依据月基影像不同几何精度的要求，地球表面可以采用不同的地球参考模型来约束，本发明分别采用标准球体、参考椭球体、顾及高程的参考椭球三种情况约束地球表面。精确的地球参考模型能够实现更高精度的几何校正，但也增加了坐标转换的复杂性。

采用标准球为地球参考模型时，地表地理坐标系(以大地坐标系为例)(L，B)与空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝R·cos B·cos L (4)

Y＝R·cos B·sin L (5)

Z＝R·sin B (6)

R为地球半径，R＝6370856m，此时可以用解析式表达投影极坐标中极径ρ与地球表面距离1的关系，如下

此时1与ρ的变化关系表现为指数增长的趋势，如图4所示。

采用参考椭球体为地球参考模型时，大地坐标系(L，B)与空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝N·cos B·cos L (9)

Y＝N·cos B·sin L (10)

Z＝[N·(1-e²)]·sin B (11)

其中，N为卯酉圈曲率半径，此时可以建立大地坐标系(L，B)和S面投影极坐标(ρ，θ)一一对应关系。

采用顾及地表高度的参考椭球体为地球参考模型时，大地坐标系(L，B，H)与空间直角坐标系(X，Y，Z)的转换关系如下：

X＝(N+H)·cos B·cos L (12)

Y＝(N+H)·cos B·sin L (13)

Z＝[N·(1-e²)+H]·sin B (14)

其中，H代表观测地表的海拔高度，由于H的引入，投影极坐标(ρ，θ)与大地坐标系(L，B，H)转换时，有可能存在奇异点，即一个投影极坐标点对应多个大地坐标点，但此种情况出现几率很低。

本发明的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，在月基遥感影像坐标与大地坐标的转换关系中，引入所提出的投影极坐标表达，作为二者之间的中间坐标。该坐标的引入有两方面的优势：一方面月基遥感影像用所发明的投影极坐标表达，其空间分布特征十分接近月球对地观测直接获得的遥感影像，从而在将月基遥感图像配准到该投影极坐标时，能够建立统一校正模型参数，提高配准精度和效率，减少月基影像控制点极不均匀的影响；同时该表达方式能够有效减少月基影像在坐标转换时造成的信息丢失或者信息冗余，实现对地观测半球影像的信息保真，可以作为月基遥感影像的一种带几何信息的标准存储格式。

另一方面所发明的投影极坐标能够方便的与传统遥感影像地理坐标之间的建立对应转换模型，同时通过转换模型解决月下点移动、地球曲率、地形起伏带来的几何畸变等问题。最终满足高分辨率月基半球影像的几何定位精度要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

包括以下步骤：

定义月基对地观测影像投影极坐标系：

定义空间坐标系的原点O为坐标系的极点；月下点o是月球上的布设的传感器与地球中心连线与地球表面的交点；投影面S为月下点与地中心点连线oO且过空间坐标系原点的平面；以月下点o指向地球北极点N的方向ON在平面S的投影方向为坐标系极轴0度方向；对椭球面一点P，其弧长长度用l表示；P点在S平面的投影点P′距极点O的长度OP′用ρ表示，则ρ为P点的极径，θ表示OP′到OA的角度，则θ为点P的极角；

建立所述月基对地观测影像投影极坐标和月基影像空间直角坐标系之间的转换关系：

月基观测地球表面上的任一点用空间直角坐标系(X,Y,Z)表示，则该点用投影极坐标系(ρ，θ)表达如下：

S:X·X₀+Y·Y₀+Z·Z₀＝0 (2)

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为已知的月下点o的空间坐标值，(X′,Y′,Z′)为(X,Y,Z)垂直投影到平面S上的空间直角坐标，(X′_n,Y′_n,Z′_n)为北极点N在垂直投影到平面S上的坐标值；

建立基于不同地球参考模型约束下的所述月基影像空间直角坐标系与地表地理坐标系之间的关系，所述地球参考模型分别为标准球体、参考椭球体或顾及地表高度的参考椭球。

2.根据权利要求1所述的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

所述极角θ在大于等于0°小于360°的范围内。

3.根据权利要求1所述的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

采用标准球为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L,B)时，

所述大地坐标系(L,B)与所述月基影像空间直角坐标系(X,Y,Z)的转换关系如下：

X＝R·cosB·cosL (4)

Y＝R·cosB·sinL (5)

Z＝R·sinB (6)

其中，R为地球半径，R＝6370856m。

4.根据权利要求3所述的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

所述投影极坐标中极径ρ与地球表面距离l(弧长)的关系，用解析式表达如下

5.根据权利要求1所述的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

采用参考椭球体为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L,B)时，

所述大地坐标系(L,B)与所述月基影像空间直角坐标系(X,Y,Z)的转换关系如下：

X＝N·cosB·cosL (9)

Y＝N·cosB·sinL (10)

Z＝[N·(1-e²)]·sinB (11)

其中，N为卯酉圈曲率半径。

6.根据权利要求1所述的面向月基对地观测影像的投影极坐标几何表达方法，其特征在于，

采用顾及地表高度的参考椭球体为地球参考模型，所述地表地理坐标系为大地坐标系(L,B,H)时，

所述大地坐标系(L,B,H)与空间直角坐标系(X,Y,Z)的转换关系如下：

X＝(N+H)·cosB·cosL (12)

Y＝(N+H)·cosB·sinL (13)

Z＝[N·(1-e²)+H]·sinB (14)

其中，H代表观测地表的海拔高度，N为卯酉圈曲率半径。