CN109116379A - 地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，包括如下步骤：步骤一、将地球表面的特征物体的地理坐标映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪转角坐标；步骤二、通过比对实际遥感图像与地球表面特征物体在转角坐标映射的差异，作为静止气象卫星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。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

地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法

技术领域

本发明涉及一种地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法。

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为：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。

[1]EUMETSAT.Coordination Group for Meteorological Satellite LRIT/HRITGlobal Specification.Issue 2.8.Oct,2013

[2]EUMETSAT.FCI L1Dataset User Guide[FCIL1DUG][R/OL].EUM/MTG/USR/13/719113.Darmstadt:EUMETSAT,2015[2017-03-26].

[3]Harris Corporation.Product Definition and Users’Guide(PUG)Volume5:Level2+Products[R/OL].DCN 7035538,Revision D.Florida:Harris Corporation,2015.[2017-03-26].

[4]Lu F,Zhang X,Xu J.Image navigation for the FY2geosynchronousmeteorological satellite[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2008,25(7):1149-1165.

[5].Ahmed A.Kamel,Handol Kim,Dochul Yang,et al.Generalized ImageNavigation&Registration Method Based on Kalman Filter.31^st ISTS SpecialIssue.Oct,2017.

发明内容

针对现有静止遥感卫星成像仪10地球固定网格的缺陷，本发明提出了一种地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将地球表面的特征物体的地理坐标映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪转角坐标；

步骤二、通过比对实际遥感图像与地球表面特征物体在转角坐标映射的差异，作为静止气象卫星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。

所述地理坐标包括地理纬度φ、经度λ，海拔高度h，其中，地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里。

所述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，所述成像仪转角坐标的零点和极性如下：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。

其中，所述步骤一具体包括如下步骤：

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：

将成像仪转角坐标(ε,η)转换为成像仪视线向量(L_x,L_y,L_z)，表达式为：

将成像仪视线向量(L_x,L_y,L_z)转换为成像仪转角坐标(ε,η)，表达式为：

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。

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地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法作进一步详细说明。

实施例

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。

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。

本具体实施的计算输入为：静止气象卫星定点位置λ_S，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)。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R_eq＝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：

则地球表面特征物体在地心地固坐标系下的位置为：

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λ_S的静止卫星在地心地固坐标系中的位置为：

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：

v_E＝r_E-s_E

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：

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：

v_M＝C_MEv_E

将其归一化，得到成像仪视线矢量：

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。

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(L_x,L_y,L_z)转换为成像仪转角坐标(ε,η)的表达式为：

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成像仪转角坐标，形成图像坐标序列，完成整个映射过程。

通过比对实际遥感图像与地球表面特征物体在转角坐标映射的差异，作为静止气象卫星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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将地球表面的特征物体的地理坐标映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪转角坐标；

步骤二、通过比对实际遥感图像与地球表面特征物体在转角坐标映射的差异，作为静止气象卫星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。

2.如权利要求1所述的地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，其特征在于，所述地理坐标包括地理纬度φ、经度λ，海拔高度h，其中，地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里。

3.如权利要求1所述的地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，其特征在于，所述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，所述成像仪转角坐标的零点和极性如下：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。

4.如权利要求1所述的地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，其特征在于，所述步骤一具体包括如下步骤：

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。

5.如权利要求4所述的地表目标在静止气象卫星成像仪图像中的映射方法，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(L_x,L_y,L_z)，表达式为：

将成像仪视线向量(L_x,L_y,L_z)转换为成像仪转角坐标(ε,η)，表达式为：