CN108828623B - 静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法 - Google Patents

静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，包括如下步骤：步骤一、将地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中，将映射点作为地球固定网格；步骤二、通过比对实际遥感图像与固定网格的差异，作为L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置；所述的标称理想情况包括如下描述：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。本发明可以提高静止气象卫星地面应用系统的数据处理效率和精度。

Description

静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法
技术领域
本发明涉及静止遥感卫星成像仪地球固定网格映射方法，具体涉及一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法。
背景技术
静止遥感卫星利用扫描式成像仪感知地球表面物体的辐射信息，可以用于地图测绘、天气诊断、灾害监测，以及生成其他定性、定量遥感产品。这需要成像仪遥感图像对应的绝对地理位置定位准确，相邻图像的相对位置关系配准精确。但卫星平台和遥感仪器受到天体力学、空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，成像仪会产生几何变形和失配，影响遥感图像的定位与配准精度。因此，静止遥感卫星的定量产品需要有一个固定基准，作为补偿校正成像仪视线、定量对比评估图像结果的参考依据。地球固定网格是静止气象卫星成像仪L1级数据的基准，美国、欧洲等均制定了关于固定网格的规范文件。但均由于历史的原因存在一定局限性，不能适应新一代静止遥感卫星成像仪生成图像的需求。
气象卫星协调组(Coordination Group of Meteorological Satellites，缩写为CGMS)在其2013年发布的《通信传输数据全球规范》(LRIT/HRIT Global Specification)[1]中描述了地理坐标与卫星扫描角之间的投影关系。其固定网格描述为成像仪扫描角坐标；地表特征目标选用了海岸线；计算地表目标在地心地固系中的位置时采用WGS84椭球模型代表地球表面。
欧洲气象卫星组织2015年公布了正在研制的MTG卫星主载荷FCI的数据集用户指南[2]。其中，对地理坐标投影的描述与文献[1]一致。
美国Harris公司2015年公布了美国新一代静止气象卫星GOES-R的主载荷ABI的产品定义与用户手册[3]。文中描述了地理坐标到固定网格南北/东西角之间的映射关系。其固定网格描述为成像仪扫描角坐标；地表特征目标选用了海岸线；计算地表目标在地心地固系中的位置时采用WGS84椭球模型代表地球表面。
针对中国风云二号静止气象卫星成像仪图像定位的论文[4]中描述了地球表面物体与自旋卫星扫描成像的对应关系，但未给出固定网格的定义和推导过程。
文献[5]中采用定义卫星、地球和成像仪相关坐标系的方法描述地球表面物体与三轴稳定静止气象卫星成像仪坐标之间的关系，并在这种关系的基础上分析了各种姿态误差对成像结果的影响，以及基于卡尔曼滤波对误差进行处理的方法。
综上，当前各国对静止气象卫星固定网格存在的缺陷主要包括以下几点：1)固定网格的地表特征目标仅选用海岸线，未选择内陆湖泊轮廓线。以至于在内陆地区缺少遥感图像参考或评价的特征目标。2)在计算投影关系时未考虑地表目标海拔高度，而是采用WGS84椭球模型代表地球表面。这将使某些高海拔地区目标的图像与其对应的网格投影存在偏差，对固定网格精度的影响最大可达4个像元。3)按照早期自旋卫星成像仪工作方式建立成像仪视线模型，不能更好的适应新一代静止气象卫星的带有两面扫描镜成像仪的成像特性。4)未建立从成像仪扫描镜转角到图像坐标的投影关系，也未建立从地理坐标到图像坐标的投影关系。以至于L1级数据产品仍需要进行角度坐标到图像坐标的转换处理。
发明内容
针对现有静止遥感卫星成像仪地球固定网格的缺陷，本发明提出了一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，可以提高静止气象卫星地面应用系统的数据处理效率和精度，
为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：
静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中，将映射点作为地球固定网格；
步骤二、通过比对实际遥感图像与固定网格的差异，作为L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置；
所述的标称理想情况包括如下描述：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。
所述的地球表面特征物体包括海岸线、内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度较大的固定特征轮廓线。
所述的静止气象卫星成像仪安装在静止轨道三轴稳定卫星平台上，通过二维扫描机构的旋转运动来往复移动视线，实现对地球的成像覆盖。本发明优选的静止气象卫星成像仪二维扫描机构，带有两面反射镜21,23和两根相互垂直的旋转轴20,22。从地球发出的光线首先入射在南北镜23上，经反射后再入射到东西镜21上，再次反射后进入内部成像系统。
所述成像仪的光学基准坐标系的原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
所述步骤一具体包括如下步骤：首先将地球表面特征物体地理坐标映射到成像仪转角坐标，再将成像仪转角坐标映射到成像仪图像坐标；所述的地理坐标包括地理纬度φ、经度λ，海拔高度h。地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里。
所述的成像仪转角坐标包括东西镜扫描角度ε和南北镜扫描角度η，单位为度。本发明优选的定义坐标零点和极性如下：在成像仪视线运动到视场中心视线时，成像仪转角坐标位于(0,0)点；定义南北镜绕成像仪光学基准坐标系X轴正方向按照右手方向旋转为ε的正方向，定义东西镜绕成像仪光学基准坐标系Z轴正方向按照右手方向旋转为η的正方向。
所述的成像仪图像坐标包括南北方向像素号m和东西方向像素号n，单位为像素。本发明优选的定义图像左上角的像素为(1,1)点14，从上至下的方向为南北方向像素号递增方向，从左至右的方向为东西方向像素号递增方向。
其中，地球表面特征物体地理坐标到成像仪转角坐标的映射，计算过程包括以下步骤：步
骤1、根据地球表面特征物体8的地理坐标，按照地球的WGS84椭球模型计算其在地心地固坐标系中的位置。
步骤2、计算卫星指向地球表面特征物体的视线矢量在地心地固坐标系中的分量。
步骤3、计算卫星指向地球表面特征物体的成像仪视线向量。
步骤4、根据成像仪视线向量与成像仪转角坐标的转换关系，计算地球表面特征物体对应的成像仪扫描镜转角坐标。
所述的成像仪视线向量与成像仪转角坐标的转换关系包括两个转换：成像仪转角坐标(ε,η)转换为成像仪视线13向量(Lx,Ly,Lz)的表达式为：
Figure GDA0002841848130000031
成像仪视线13向量(Lx,Ly,Lz)转换为成像仪转角坐标(ε,η)的表达式为：
Figure GDA0002841848130000041
其中，成像仪转角坐标到成像仪图像坐标的映射，计算过程包括以下步骤：
步骤1、根据成像仪的光学特性确定成像仪像素的南北方向张角κ和东西方向张角τ，并根据图像方位确定κ和τ的符号以调整成像仪图像与方位的对应关系，确定图像坐标(1,1)点对应的成像仪转角坐标点(ε1,η1)。
结合本发明优选的成像仪图像坐标极性定义，本发明优选的将κ和τ取为负值。为适应静止轨道成像仪星下点分辨率为1公里的技术指标，本发明优选的将κ和τ同取为1/35786.035弧度。根据静止轨道成像仪视场和扫描机构运动行程，本发明优选的设置成像仪转角坐标(6,6)点对应图像坐标(1,1)点。
步骤2、对于任意成像仪转角坐标[ε,η]，成像仪图像坐标的南北方向像素号m可表示为：
Figure GDA0002841848130000042
步骤3、对于任意成像仪转角坐标[ε,η]，成像仪图像坐标的东西方向像素号n可表示为：
Figure GDA0002841848130000043
本发明具有以下有益效果：
本发明可以形成适用于新一代静止气象卫星成像仪遥感图像L1级数据的定位参考基准。可以在静止气象卫星成像仪数据地面处理中，作为遥感图像定位精度的评价参考，也可用于分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，可以根据图像与固定网格的匹配情况分析卫星当前轨道位置。
附图说明
图1为本发明实施例中静止气象卫星成像仪对地球成像的投影关系示意图。
图2为本发明实施例中成像仪内部扫描反射机构示意图。
图3为本发明实施例中静止卫星定点于东经105度时海岸线和内陆湖泊轮廓线在成像仪图像中的投影。
图4为本发明实施例中地球表面特征物体地理坐标到成像仪转角坐标的映射计算流程图。
图5为本发明实施例中成像仪转角坐标到成像仪图像坐标的映射计算流程图。
图中：1-地球；2-赤道；3-地理北极；4-地心；5-本初子午线；6-地心地固坐标系；7-星下点；8-地球表面特征物体；9-星地连线；10-成像仪；11-遮光罩；12-成像仪光学基准坐标系；13-成像仪视线；14-成像仪图像中第(1,1)号像素；15-成像仪图像坐标；16-成像仪图像；17-地球在成像仪图像中的投影；18-地球表面特征物体在成像仪图像中的投影；19-成像仪内部相机系统；20-东西镜转轴；21-东西镜；22-南北镜转轴；23-南北镜；24-成像仪内部视线；25-赤道在成像仪图像中的投影；26-东经105°经线圈在成像仪图像中的投影；27-海岸线在成像仪图像中的投影；28-内陆湖泊轮廓线在成像仪图像中的投影。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法作进一步详细说明。
实施例
地球固定网格是一种静止气象卫星成像仪理想状态成像的基准，将地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成图像。
地球表面特征物体选择海岸线和内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度较大的固定特征轮廓线。
新一代静止气象卫星均为三轴稳定工作方式，其成像仪扫描机构分为单镜双轴和双镜双轴两种。如中国风云四号卫星和美国GOES-R卫星的成像仪都带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴，采用东西方向往复扫描的方案。从地球发出的光线首先入射在南北镜上，经反射后再入射到东西镜上，再次反射后进入内部成像系统。带有这种机构的成像仪对地扫描覆盖较为均匀，具有很多优点。
对于标称理想情况的定义如下：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。
定义成像仪光学基准坐标系：原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
定义地理坐标，包括地理纬度φ、经度λ，海拔高度h。地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里。
定义成像仪转角坐标，包含东西镜扫描角度ε和南北镜扫描角度η，单位为度。定义坐标零点和极性如下：在成像仪视线运动到视场中心视线时，成像仪转角坐标位于(0,0)点；定义南北镜绕成像仪光学基准坐标系X轴正方向按照右手方向旋转为ε的正方向，定义东西镜绕成像仪光学基准坐标系Z轴正方向按照右手方向旋转为η的正方向。
定义成像仪图像坐标，包括南北方向像素号m和东西方向像素号n，单位为像素。本发明优选的定义图像左上角的像素为(1,1)点，从上至下的方向为南北方向像素号递增方向，从左至右的方向为东西方向像素号递增方向。
本具体实施例的计算输入为：静止气象卫星定点位置λS，某地球表面特征物体地理坐标(φ,λ,h)；输出为该特征物体在成像仪图像中的图像坐标(m,n)。
从地球表面特征物体地理坐标到成像仪图像坐标的映射包括两个映射。首先将地球表面特征物体地理坐标映射到成像仪转角坐标，计算过程包括以下步骤：
步骤1、根据地球表面特征物体的地理坐标(φ,λ,h)，按照地球的WGS84椭球模型计算其在地心地固坐标系(用下标E表示)中的位置。
根据WGS84椭球模型，取地球极半径Req＝6378.137km，偏心率e＝0.0818191908426215。
对于地理坐标为(φ,λ,h)的地球表面特征物体，计算距离N：
Figure GDA0002841848130000061
则地球表面特征物体在地心地固坐标系下的位置为：
Figure GDA0002841848130000062
步骤2、计算卫星指向地球表面特征物体的视线矢量在地心地固坐标系中的分量。
定点于经度λS的静止卫星在地心地固坐标系中的位置为：
Figure GDA0002841848130000063
卫星指向地球表面特征物体的视线矢量在地心地固坐标系中的分量可表示为：
vE＝rE-sE
步骤3、计算卫星指向地球表面特征物体的成像仪视线向量。
在标称理想情况下，地心地固坐标系到成像仪光学基准坐标系的坐标转换矩阵为：
Figure GDA0002841848130000071
则卫星指向地球表面特征物体的矢量在成像仪光学基准坐标系中的分量为：
vM＝CMEvE
将其归一化，得到成像仪视线矢量：
Figure GDA0002841848130000072
步骤4、根据成像仪视线向量与成像仪转角坐标的转换关系，计算地球表面特征物体对应的成像仪扫描镜转角坐标。
根据成像仪扫描反射机构对内部视线24的反射关系，得到成像仪视线向量的三个分量(Lx,Ly,Lz)转换为成像仪转角坐标(ε,η)的表达式为：
Figure GDA0002841848130000073
成像仪转角坐标(ε,η)到成像仪图像坐标(m,n)的映射的计算过程包括以下步骤：
步骤1、根据成像仪的光学特性确定成像仪像素的南北方向张角κ和东西方向张角τ，并根据图像方位确定κ和τ的符号以调整成像仪图像与方位的对应关系，确定图像坐标(1,1)点对应的成像仪转角坐标点(ε1,η1)。
结合本发明优选的成像仪图像坐标极性定义，本发明优选的将κ和τ取为负值。为适应静止轨道成像仪星下点分辨率为1公里的技术指标，本发明优选的将κ和τ同取为1/35786.035弧度。根据成像仪视场参数，设置成像仪转角坐标ε1＝6°，η1＝6°的点映射到成像仪图像坐标(1,1)。
步骤2、对于任意成像仪转角坐标[ε,η]，成像仪图像坐标的南北方向像素号m可表示为：
Figure GDA0002841848130000074
步骤3、对于任意成像仪转角坐标[ε,η]，成像仪图像坐标的东西方向像素号n可表示为：
Figure GDA0002841848130000075
对于所有待求的地球表面特征物体，均将其地理坐标转换为图像坐标，形成图像坐标序列。将图像坐标序列连续的绘制在成像仪图像中27,28区域，如图3所示，完成映射过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，能够很好地满足对光谱进行快速处理的需求。

Claims (5)

1.静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中，将映射点作为地球固定网格；
步骤二、通过比对实际遥感图像与固定网格的差异，作为L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置；
所述的标称理想情况包括如下描述：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配；
所述的地球表面特征物体包括海岸线、内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度大的固定特征轮廓线；
所述的静止气象卫星成像仪安装在静止轨道三轴稳定卫星平台上，通过二维扫描机构的旋转运动来往复移动视线，实现对地球的成像覆盖，该静止气象卫星成像仪二维扫描机构带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴，从地球发出的光线首先入射在南北镜上，经反射后再入射到东西镜上，再次反射后进入内部成像系统；
所述步骤一具体包括如下步骤：首先将地球表面特征物体地理坐标映射到成像仪转角坐标，再将成像仪转角坐标映射到成像仪图像坐标；
地理坐标包括地理纬度φ、经度λ，海拔高度h；地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里；
成像仪转角坐标包含东西镜扫描角度ε和南北镜扫描角度η，单位为度，零点和极性如下：在成像仪视线运动到视场中心视线时，成像仪转角坐标位于(0,0)点；定义南北镜绕成像仪光学基准坐标系X轴正方向按照右手方向旋转为ε的正方向，定义东西镜绕成像仪光学基准坐标系Z轴正方向按照右手方向旋转为η的正方向；
所述的成像仪图像坐标包括南北方向像素号m和东西方向像素号n，单位为像素，其中，图像左上角的像素为(1,1)点，从上至下的方向为南北方向像素号递增方向，从左至右的方向为东西方向像素号递增方向。
2.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，其特征在于，所述成像仪的光学基准坐标系的原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
3.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，其特征在于，所述的地球表面特征物体地理坐标到成像仪转角坐标的映射关系通过以下步骤计算：
步骤1、根据地球表面特征物体的地理坐标(φ,λ,h)，按照地球的WGS84椭球模型计算其在地心地固坐标系中的位置；
步骤2、计算卫星指向地球表面特征物体的视线矢量在地心地固坐标系中的分量；
步骤3、计算卫星指向地球表面特征物体的成像仪视线向量；
步骤4、根据成像仪视线向量与成像仪转角坐标的转换关系，计算地球表面特征物体对应的成像仪扫描镜转角坐标。
4.如权利要求3所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，其特征在于，所述的成像仪视线向量与成像仪转角坐标的转换关系包括两个转换：
将成像仪转角坐标(ε,η)转换为成像仪视线向量(Lx,Ly,Lz)，表达式为：
Figure FDA0002912226750000021
将成像仪视线向量(Lx,Ly,Lz)转换为成像仪转角坐标(ε,η)，表达式为：
Figure FDA0002912226750000022
5.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格映射方法，
其特征在于，所述的成像仪转角坐标到成像仪图像坐标的映射关系通过以下步骤计算：
步骤1、根据成像仪的光学特性确定成像仪像素的南北方向张角κ和东西方向张角τ，并根据图像方位确定κ和τ的符号以调整成像仪图像与方位的对应关系，确定图像坐标(1,1)点对应的成像仪转角坐标点(ε1,η1)；
步骤2、对于任意成像仪转角坐标(ε,η)，成像仪图像坐标的南北方向像素号m表示为：
Figure FDA0002912226750000031
步骤3、对于任意成像仪转角坐标(ε,η)，成像仪图像坐标的东西方向像素号n表示为：
Figure FDA0002912226750000032
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