CN108198166B - 一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法和系统，(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；(3)根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。本发明实用性强，可以根据任意兴趣点的经纬度信息直接计算出该点在高分四号影像的地面分辨率。

Description

一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法和系统
技术领域
本发明涉及一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法和系统，本发明属于遥感图像处理领域，具体涉及根据卫星不同指向计算高分四号影像地面分辨率，其他地球同步轨道卫星影像地面分辨率计算也可参照使用。
背景技术
高分四号卫星是中国第一颗地球同步轨道遥感卫星，定点在距地面约36000公里高度的赤道上空，通过指向控制对中国及其周边国家进行拍摄。卫星影像涵盖可见光全色、可见光多光谱和中波红外波段，其中全色和多光谱星下点分辨率优于50m，中波红外星下点分辨率优于400m。高分四号卫星对不同区域成像时探元大小和相机焦距固定不变，而卫星高度较高并且幅宽范围较大，因此物距变化较大，从而导致不同区域卫星影像的分辨率并不一致，成像区域离星下点距离越远物距越长，分辨率越低。
何红艳研究侧摆对卫星及CCD相机系统参数的影响中提出了卫星侧摆导致地面分辨率随侧摆角度增大而下降，并且径向(扫描方向)下降速度比切向(飞行方向)快。程少园研究大视场空间相机侧摆成像时几何参数分析时全面考虑了地球曲率和投射角的基础上改进了大视场空间相机几何参数的计算方法，提高了地面分辨率的计算精度。目前研究都是基于线阵推扫相机，虽然考虑了地面分辨率在二维空间(径向和切向)的变化，但仅探讨了相机在一维空间(径向)的侧摆情况。高分四号卫星的轨道特点决定了卫星成像时具备不同指向拍摄的能力，即在二维空间侧摆拍摄的能力，在径向和法向两个方向上可以同时侧摆，以往的研究成果需要近一步改进才可以计算出地面分辨率。同时考虑到高分四号卫星为面阵相机，同一时间成像的每个探元对应的地面分辨率都不一致，从这一点看，以往的研究并没有涉及。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，高分四号卫星是中国第一颗地球同步轨道遥感卫星，可以拍摄全球三分之一的区域，这种大范围的拍摄能力也造成了卫星影像地面分辨率随空间位置变化。高分四号卫星遥感影像星下点地面分辨率优于50m(可见光影像)和400m(中波红外影像)，而随着影像拍摄的兴趣点远离星下点，地面分辨率逐渐降低，本发明的目的在于根据空间位置变化计算高分四号卫星遥感影像的地面分辨率。可以根据经纬度信息确定二维方向的侧摆角度，从而计算出影像地面分辨率相对于星下点径向和切向的变化；同一景影像中不同像元的地面分辨率不一致，本发明可以根据经纬度信息计算出任一像元的分辨率；相比较于以侧摆角的变化探究地面分辨率的变化，本发明以经纬度的空间变化计算地面分辨率的变化更合理。
本发明解决的技术方案为：一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，步骤如下：
(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；
(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；
(3)根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；
(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；
(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；
(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。
所述步骤(1)中根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角θi+1步骤如下：
Figure BDA0001497022880000031
当|θi+1-θi|<ε时，ε为一个根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi+1。
所述步骤(2)中根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差Δlon和纬度差Δlat步骤如下：
Figure BDA0001497022880000032
假设需要拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点经度为Lon0、纬度为Lat0。
所述步骤(3)中根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度αi+1步骤如下：
Figure BDA0001497022880000033
其中，β'＝arccos(cos(Δlon)*cos(Δlat))。
所述步骤(4)中根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率GSD径向，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000034
其中，
Figure BDA0001497022880000035
所述步骤(5)中根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率GSD切向，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000041
其中，
Figure BDA0001497022880000042
所述步骤(6)中根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率GSD等效，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000043
本发明的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算系统，包括：探元半视场角确定模块、经度差和纬度差确定模块、径向侧摆角度确定模块、第一分辨率计算模块、第二地面分辨率计算模块、等效地面分辨率计算模块；探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；径向侧摆角度确定模块根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；第一分辨率计算模块根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；第二地面分辨率计算模块根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；等效地面分辨率计算模块根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。
探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角θi+1，公式如下：
Figure BDA0001497022880000044
当|θi+1-θi|<ε时，ε为一个根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi+1。
经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差Δlon和纬度差Δlat，公式如下：
Figure BDA0001497022880000051
假设需要拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点
经度为Lon0、纬度为Lat0。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)高分四号具备不同指向的能力，本发明可以根据经纬度信息确定二维方向的侧摆角度，从而计算出影像地面分辨率相对于星下点径向和切向的变化；
(2)高分四号是第一颗地球同步轨道遥感卫星，同一景影像中不同像元的地面分辨率不一致，本发明可以根据经纬度信息计算出任一像元的分辨率。
(3)本发明相比较于以侧摆角的变化探究地面分辨率的变化，本发明以经纬度的空间变化计算地面分辨率的变化更合理。
(4)本发明计算探元半视场角不需要探元直径和相机焦距，根据本发明提供的公式可以计算出接近于真值的探元半视场角。
(5)本发明计算径向侧摆角度参数较少，可以通过迭代计算出接近于真值的径向侧摆角。
附图说明
图1为本发明的计算流程图；
图2为本发明卫星星下点地面分辨率示意图；
图3为本发明卫星侧摆地面分辨率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法和系统，(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；(3)根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。本发明实用性强，可以根据任意兴趣点的经纬度信息直接计算出该点在高分四号影像的地面分辨率。
高分四号卫星的轨道特点决定了卫星成像时具备不同指向拍摄的能力，在径向和法向两个方向上可以同时侧摆，因此计算地面分辨率时更加复杂。同时考虑到高分四号卫星为面阵相机，同一时间成像的每个探元对应的地面分辨率都不一致。因此，相比较于以侧摆角的变化探究地面分辨率的变化，本发明以经纬度的空间变化计算地面分辨率的变化更合理。
本发明的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算系统，包括：探元半视场角确定模块、经度差和纬度差确定模块、径向侧摆角度确定模块、第一分辨率计算模块、第二地面分辨率计算模块、等效地面分辨率计算模块；探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；径向侧摆角度确定模块根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；第一分辨率计算模块根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；第二地面分辨率计算模块根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；等效地面分辨率计算模块根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。
探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角θi+1，公式如下：
Figure BDA0001497022880000071
当|θi+1-θi|<ε时，ε为一个根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi+1。
经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差Δlon和纬度差Δlat，公式如下：
Figure BDA0001497022880000072
假设需要拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点经度为Lon0、纬度为Lat0。
径向侧摆角度确定模块中根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度αi+1步骤如下：
Figure BDA0001497022880000073
其中，β'＝arccos(cos(Δlon)*cos(Δlat))。
第一分辨率计算模块中根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率GSD径向，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000074
其中，
Figure BDA0001497022880000075
第二地面分辨率计算模块中根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率GSD切向，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000081
其中，
Figure BDA0001497022880000082
等效地面分辨率计算模块中根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率GSD等效，步骤如下：
Figure BDA0001497022880000083
参照附图1，根据空间位置变化计算高分四号影像地面分辨率，步骤如下：
步骤一：根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；
高分四号卫星搭载的相机为面阵相机，由多排均匀分布的光学器件组成，单个光学器件就是探元。探元半视场角是单个光学器件视场角的一半，由光学系统焦距和探元直径共同决定，半视场角为
Figure BDA0001497022880000084
式中，d为探元直径，f为光学系统焦距。
地面分辨率由探元半视场角和载荷的高度共同决定，附图2为卫星星下点地面分辨率计算示意图，S为卫星位置，N为星下点，R和L为卫星条带轨迹的边缘，O为地球圆心，W为星下点探元的观测幅宽(星下点地面分辨率)。根据正弦定理，在三角形ΔORS内，可计算出星下点探元半幅宽(星下点地面分辨率的1/2)对应的地心角为
Figure BDA0001497022880000085
则星下点地面分辨率为
Figure BDA0001497022880000091
式中，Re为地球半径，H为卫星轨道高度。
通常情况下，相机的探元直径和光学系统焦距不对外公布，探元的视场角则无法通过公式(1)计算得出，但通过公式(2)可采用递归方法进行收敛逼近得到近似的探元半视场角，计算公式如下：
Figure BDA0001497022880000092
当|θi+1-θi|<ε时，ε为根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi+1。高分四号卫星轨道高度为35786km，星下点地面分辨率为48.62m，地球半径为6371km，根据公式(4)得到高分四号卫星探元半视场角为6.79×10-7弧度。
步骤二：根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；
兴趣点是操作者关注的高分四号影像上具体目标，可以是影像上的任意点。高分四号卫星成像范围大于400km×400km，影像上一个像元的大小是50m×50m，兴趣点的大小不能超过一个像元的大小，即50m×50m。假设拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点经度为Lon0、纬度为Lat0，经度差Δlon和纬度差Δlat计算公式如下：
Figure BDA0001497022880000093
高分四号卫星定点在赤道上空，经度Lon0为105.6度，纬度Lat0为0度，兴趣点的经度差为Lon-105.6，纬度差为Lat。
步骤三：根据步骤二的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；
二维方向侧摆的情况是俯仰角和滚动角都不为零，只要能将两个方向的角度合成为径向侧摆角，即侧摆方向的角度，计算出径向侧摆角后则可计算影像地面分辨率。步骤二种假设兴趣点经纬度已知，只需计算兴趣点与星下点的地心角即可知道卫星在径向方向的侧摆角。兴趣点与星下点的地心角β'计算公式见式(6)：
β'＝arccos(cos(Δlon)*cos(Δlat)) (6)
侧摆角度计算采用递归方法进行收敛逼近得到近似的侧摆角，计算公式如公式(7)：
Figure BDA0001497022880000101
当|αi+1-αi|<ε时，ε为根据精度要求确定的任意小的数，径向方向侧摆角即为αi+1。
步骤四：根据步骤三的径向侧摆角度和步骤一的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；
当卫星侧摆成像时，探元的地面分辨率会随之变化。若卫星侧摆α角度，且α小于探元半视场角时，如附图3所示，SN’为光轴方向，在径向方向上探元半视场角对应的地面幅宽不一致，根据公式(8)可计算得到径向半视场角对应地面幅宽的地心角为
Figure BDA0001497022880000102
侧摆对应径向地面分辨率为
Figure BDA0001497022880000103
经验证，侧摆角大于半视场角时径向地面分辨率也为公式(9)。当侧摆角α等于0，即卫星无侧摆时，GSD径向＝GSD星下点。因此，公式(3)是公式(9)的无侧摆形式。
步骤五：根据步骤三的径向侧摆角度和步骤一的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；
切向是侧摆径向的正交方向，侧摆引起的切向地面分辨率变化较小，计算公式与公式(3)相似，将H替换成侧摆后的物距H’即可，切向地面分辨率计算公式如下：
Figure BDA0001497022880000111
其中，
Figure BDA0001497022880000112
步骤六：根据径向和切向影像地面分辨率计算影像等效地面分辨率。
径向分辨率和切向分辨率都是一维方向的分辨率，遥感影像是二维的，因此本发明采用等效分辨率综合两个方向的分辨率，计算公式如下：
Figure BDA0001497022880000113
实施例
假设兴趣点坐标为东经120度，纬度40度，参照本发明的步骤计算兴趣点处高分四号影像的地面分辨率步骤如下：
常数：
地球半径Re＝6371km
卫星轨道高度H＝35786km
星下点地面分辨率GSD星下点＝48.62m
(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；
Figure BDA0001497022880000114
Figure BDA0001497022880000115
迭代计算后θi+1＝6.7932×10-7
(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；
Figure BDA0001497022880000121
(3)根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；
β'＝arccos(cos(40)*cos(14.4))＝0.7344
Figure BDA0001497022880000122
迭代计算后，αi+1＝0.1136
(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；
Figure BDA0001497022880000123
(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；
Figure BDA0001497022880000124
(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。
Figure BDA0001497022880000125
根据上述步骤计算，兴趣点处高分四号影像地面分辨率为62.9287m。
高分四号是第一颗地球同步轨道遥感卫星，同一景影像中不同像元的地面分辨率不一致，本发明可以根据经纬度信息计算出任一像元的分辨率，相比较于以侧摆角的变化探究地面分辨率的变化，本发明以经纬度的空间变化计算地面分辨率的变化更合理，计算探元半视场角不需要探元直径和相机焦距，根据本发明提供的公式可以计算出接近于真值的探元半视场角，计算径向侧摆角度参数少，可以通过迭代计算出接近于真值的径向侧摆角。

Claims (9)

1.一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；
(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；
(3)根据步骤(2)的经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度，步骤如下：
Figure FDA0002697776460000011
其中，β'＝arccos(cos(Δlon)*cos(Δlat))；Δlon和Δlat分别为兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差，H为卫星轨道高度，Re为地球半径；
当|αi+1-αi|＜ε时，ε为根据精度要求确定的任意小的数，径向方向侧摆角即为αi+1；
(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；
(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；
(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率。
2.根据权利要求1所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于：步骤(1)根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角θi'+1步骤如下：
Figure FDA0002697776460000021
式中，GSD星下点为星下点地面分辨率，H为卫星轨道高度，Re为地球半径，β为地心角，当|θi'+1-θi'|＜ε'时，ε'为一个根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi'+1。
3.根据权利要求1所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于：步骤(2)根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差Δlon和纬度差Δlat步骤如下：
Figure FDA0002697776460000022
式中，需要拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点经度为Lon0、纬度为Lat0。
4.根据权利要求1所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于：步骤(4)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率GSD径向，步骤如下：
Figure FDA0002697776460000023
其中，
Figure FDA0002697776460000024
H为卫星轨道高度，Re为地球半径，θ为探元半视场角，α为径向侧摆角度。
5.根据权利要求1所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于：步骤(5)根据步骤(3)的径向侧摆角度和步骤(1)的探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率GSD切向，步骤如下：
Figure FDA0002697776460000031
其中，
Figure FDA0002697776460000032
Re为地球半径，θ为探元半视场角，α为径向侧摆角度。
6.根据权利要求1所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算方法，其特征在于：步骤(6)根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率GSD等效，步骤如下：
Figure FDA0002697776460000033
7.一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算系统，其特征在于包括：探元半视场角确定模块、经度差和纬度差确定模块、径向侧摆角度确定模块、第一地面分辨率计算模块、第二地面分辨率计算模块、等效地面分辨率计算模块；探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角；经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差；径向侧摆角度确定模块根据经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度；第一地面分辨率计算模块根据径向侧摆角度和探元半视场角，计算高分四号影像的径向的地面分辨率；第二地面分辨率计算模块根据径向侧摆角度和探元半视场角，计算高分四号影像的切向的地面分辨率；等效地面分辨率计算模块根据高分四号影像的径向和切向的地面分辨率，计算影像等效地面分辨率；
根据经度差和纬度差，计算卫星的径向侧摆角度，如下：
Figure FDA0002697776460000034
其中，β'＝arccos(cos(Δlon)*cos(Δlat))；Δlon和Δlat分别为兴趣点与卫星星下点的经度差和纬度差，H为卫星轨道高度，Re为地球半径；
当|αi+1-αi|＜ε时，ε为根据精度要求确定的任意小的数，径向方向侧摆角即为αi+1。
8.根据权利要求7所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算系统，其特征在于：探元半视场角确定模块根据高分四号影像星下点分辨率，计算探元半视场角θi'+1，公式如下：
Figure FDA0002697776460000041
式中，GSD星下点为星下点地面分辨率，H为卫星轨道高度，Re为地球半径，β为地心角，当|θi'+1-θi'|＜ε'时，ε'为一个根据精度要求确定的任意小的数，探元的半视场角即为θi'+1。
9.根据权利要求7所述的一种不同指向的高分四号影像地面分辨率计算系统，其特征在于：经度差和纬度差确定模块根据获取的兴趣点的经纬度信息，计算兴趣点与卫星星下点的经度差Δlon和纬度差Δlat，公式如下：
Figure FDA0002697776460000042
式中，需要拍摄的兴趣点的经度为Lon、纬度为Lat，高分四号卫星星下点经度为Lon0、纬度为Lat0。
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