CN112213750A - 高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法及介质的技术方案，包括：读取卫星影像，获取卫星影像的每个像元经纬度信息及高程信息；根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；根据轨道信息文件通过内插获得对应时间的卫星定位信息；根据像元经纬度信息、高程信息、成像时间计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；根据像元经纬度信息、高程信息及卫星定位信息计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角；输出太阳及卫星的全谱段逐像元高度角及方位角，存储为固定格式文件。本发明的有益效果为：实现了高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数的精确计算，输出高精度高光谱传感器的各角度参数。

Description

高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法及介质

技术领域

本发明涉及计算机及高光谱遥感卫星数据处理领域，具体涉及了一种高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法及介质。

背景技术

遥感技术从定性到定量研究的跨越式发展，卫星载荷从高空间分辨率向高光谱分辨率发展的不断突破和日趋成熟，如何更好的获取和应用高光谱数据已成为当前遥感发展的新挑战。高光谱卫星载荷采用透射式像方远心光路设计，实现了卫星数据的高光谱分辨率、高空间分辨率和宽覆盖，也是国内渐变滤光片型成像光谱仪业务星在轨运营的首次尝试。基于渐变式滤光片分光方式的成像光谱仪，在图像传感器前端装置滤光片以达到分光的目的。

参考图1，推扫式扫描采用广角光学系统，在整个视场内成像。它把探测器按垂直于飞行方向的扫描方向阵列式排列来感应地面响应，并借助于与飞行方向垂直的“扫描”线记录，构成二维图像。如图1，32个波段对同一地物成像采用推扫式顺次成像。这种成像方式导致32个波段数据对同名地物成像时不是同步瞬时成像，各波段数据间存在一定时间的推扫延迟。所以32个波段数据的成像参数(太阳、卫星高度角和方位角)并不一致。

受复杂大气辐射传输条件的影响，太阳、卫星高度角和方位角四个参数对高光谱数据后期绝对定标、大气校正、气溶胶反演、海洋遥感应用等定量遥感应用十分重要，目前各类数据产品基本只提供影像中心点的各角度参数，如landsat-8 OLI数据提供影像中心点的太阳角度参数信息，卫星角度信息应用时，多以垂直观测计算，但其视场角为15°，用户需要各波段更精确的逐象元角度参数时，可以使用官方提供的角度文件和程序计算处理得到；sentinel-2 MSI提供了影像中心的太阳角度参数及各波段的影像中心点的卫星角度参数；HJ卫星提供影像中心点的太阳角度参数及逐像元的卫星角度参数文件。对于大幅宽的卫星数据来说更加需要精确的角度参数值。各参数的计算与传感器设计密切相关，不同传感器的计算方法不同。而针对高光谱传感器的各角度参数计算方法缺少研究。随着高光谱数据的深入应用，为了更精确的进行数据处理工作，全谱段逐像元的参数计算非常必要。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法及介质，实现了高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数的精确计算，输出高精度高光谱传感器的各角度参数。

本发明的技术方案包括一种高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其特征在于，该方法包括：S100，读取卫星影像，获取卫星影像的每个像元经纬度信息及高程信息；S200，根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；S300，根据轨道信息文件通过内插获得对应时间的卫星定位信息；S400，根据像元经纬度信息、高程信息、成像时间计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；根据像元经纬度信息、高程信息及卫星定位信息计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角；S500，输出太阳及卫星的全谱段逐像元高度角及方位角，存储为固定格式文件。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中S100包括：根据RPC模型参数及DEM文件，获得各波段卫星影像的逐像元的经纬度、高程信息，RPC模型参数由CMOS传感器在焦面上的具体拼接位置等数据信息计算得到。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中S200包括：将卫星影像的整轨数据拆分为多景数据，并且将每一景数据中的分景时信息记录于分景元数据文件中，分景时信息包括各个波段每景影像的起始行的行计数。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中S200包括：

读取每景图像基准波段起始行的行计数，根据各波段间开窗位置对应关系，依次加或减相邻波段间隔行数，获得各波段起始行计数，具体包括：

通过各波段的时间文件中获得对应行的扫描时间，顺序获取各波段整景5056行的扫描时间time_img具体为

其中，b为波段，line为各波段起始行行计数，pos为开窗位置。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中S300包括：根据各波段卫星的位置信息X、Y、Z的值，通过匹配查找每景数据的起始行扫描时间和轨道文件记录时间。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中该方法还包括：根据起始扫描行的秒数time_sec和下一秒time_gps的GPS位置信息线性插值，确定出700行的轨道位置信息，建立线性模型，计算逐行的卫星位置，其计算公式为

其中

其中

a表示斜率、b表示截距，X1、Y1、Z1表示扫描时间秒数对应的卫星位置，X2、Y2、Z2表示下一秒种卫星所在位置，time_img表示波段整景5056行的扫描时间。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角包括：

计算太阳高度角α，计算方式为

其中

为当地纬度，δ为赤纬角，

其中Q为日角，

n为日期在年内的顺序号，ω为时角，

ω＝15(t_s-12)，

以及，当t_s为真太阳时，

其中t为当地平太阳时，L_st为标准时区的经度，L_loc为当地纬度；

计算太阳方位角γ，

其中

日出、日落时刻的太阳方位角计算公式为

波段像元经纬度通过所述S100读取得到，成像时间中的月、日、时、分、秒通过所述S200计算得到。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中逐像元计算各波段卫星高度角及方位角包括：

计算波段卫星高度角，将像点从大地坐标系BLH转为直角坐标系XYZ，计算公式为

X_p＝(N+H)cos B cos L，

X_p＝(N+H)cos B sin L，

Z_p＝N(1-e²+H)sin B，其中，

e²＝2f-f²，

N为卯酉圈曲率半径，a为地球的长半轴，b为地球的短半轴，f为地球的扁率，B为大地纬度，L为大地经度，H为高程，e²为第一偏心率；

计算波段卫星方位角，卫星在地心坐标系中的位置X_ES、Y_ES、Y_ES，计算载体坐标系下的卫星坐标，计算公式为

其中，

在载体极坐标中，以观测点为极点，以观测点到卫星之间的连线为极轴，极轴与水平面的夹角为卫星的高度角El，极轴在水平面上的投影与真北方向的夹角为卫星的方位角Az，根据载体极坐标和载体直角坐标的关系可得：

其中，ρ_r为伪距，

Az＝arctan Y_ES/X_ES,

方位角Az的变化范围为[0°-360°]，进一步对Az执行以下处理

若X_ZS<0，则Az＝Az+π；

若X_ZS>0且Y_ZS>0，则Az保持不变；

若X_ZS>0且Y_ZS<0，则Az＝Az+2π。

根据所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其中该方法还包括：所述卫星影像通过基于渐变滤光片图像传感器采集。

本发明的技术方案还包括一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的方法步骤。

本发明的有益效果为：基于传感器的特殊设计，给出了同名像点在不同波段的扫描时间和对应卫星位置的获取方法，考虑时差等误差因素，实现32波段同名像点间高精度对应关系计算，准确计算出各波段同名点逐像元的角度参数，满足“图谱合一”的高光谱数据特性的定量反演需求，算法在满足准确性要求的同时也满足了工程化的需求，为该类传感器数据的处理和应用提供了有力的支持，具有重要的实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1所示为现有技术的推扫式扫描采用广角光学系统；

图2所示为根据本发明实施方式的流程图；

图3所示为根据本发明实施方式的基于渐变滤光片图像传感器的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数计算流程；

图4所示为根据本发明实施方式的传感器像元行光谱分配示意图；

图5所示为根据本发明实施方式的装置及介质图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

图2所示为根据本发明实施方式的流程图，包括：S100，读取卫星影像，获取卫星影像的每个像元经纬度信息及高程信息；S200，根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；S300，根据轨道信息文件通过内插获得对应时间的卫星定位信息；S400，根据像元经纬度信息、高程信息、成像时间计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；根据像元经纬度信息、高程信息及卫星定位信息计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角；S500，输出太阳及卫星的全谱段逐像元高度角及方位角，存储为固定格式文件。

图3所示为根据本发明实施方式的基于渐变滤光片图像传感器的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数计算流程，其包括：

(1)根据RPC文件、DEM文件读取影像逐像元经纬度信息、高程信息；

(2)根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；

(3)根据轨道文件内插获得对应时间的卫星定位信息；

(4)基于步骤(1)和(2)的结果，计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；

(5)基于步骤(1)和(3)的结果，计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角。

根据上述总体步骤描述，该流程具体包括：

根据RPC模型参数及DEM文件，获得各波段卫星影像的逐像元的经纬度、高程信息，RPC模型参数由CMOS传感器在焦面上的具体拼接位置等数据信息计算得到。

将卫星影像的整轨数据拆分为多景数据，并且将每一景数据中的分景时信息记录于分景元数据文件中，分景时信息包括各个波段每景影像的起始行的行计数。

读取每景图像基准波段起始行的行计数，根据各波段间开窗位置对应关系，依次加或减相邻波段间隔行数，获得各波段起始行计数，具体包括：

通过各波段的时间文件中获得对应行的扫描时间，顺序获取各波段整景5056行的扫描时间time_img具体为

其中，b为波段，line为各波段起始行行计数，pos为开窗位置。

根据各波段卫星的位置信息X、Y、Z的值，通过匹配查找每景数据的起始行扫描时间和轨道文件记录时间。

根据起始扫描行的秒数time_sec和下一秒time_gps的GPS位置信息线性插值，确定出700行的轨道位置信息，建立线性模型，计算逐行的卫星位置，其计算公式为

其中

其中

a表示斜率、b表示截距，X1、Y1、Z1表示扫描时间秒数对应的卫星位置，X2、Y2、Z2表示下一秒种卫星所在位置，time_img表示波段整景5056行的扫描时间。

计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角包括：

计算太阳高度角α，计算方式为

其中

为当地纬度，δ为赤纬角，

其中Q为日角，

n为日期在年内的顺序号，ω为时角，

ω＝15(t_s-12)，

以及，当t_s为真太阳时，

其中t为当地平太阳时，L_st为标准时区的经度，L_loc为当地纬度；

计算太阳方位角γ，

其中

日出、日落时刻的太阳方位角计算公式为

波段像元经纬度通过(1)读取得到，成像时间中的月、日、时、分、秒通过(2)计算得到。

逐像元计算各波段卫星高度角及方位角包括：

计算波段卫星高度角，将像点从大地坐标系BLH转为直角坐标系XYZ，计算公式为

X_p＝(N+H)cos B cos L，

X_p＝(N+H)cos B sin L，

Z_p＝N(1-e²+H)sin B，其中，

e²＝2f-f²，

N为卯酉圈曲率半径，a为地球的长半轴，b为地球的短半轴，f为地球的扁率，B为大地纬度，L为大地经度，H为高程，e²为第一偏心率；

计算波段卫星方位角，卫星在地心坐标系中的位置X_ES、Y_ES、Y_ES，计算载体坐标系下的卫星坐标，计算公式为

其中，

在载体极坐标中，以观测点为极点，以观测点到卫星之间的连线为极轴，极轴与水平面的夹角为卫星的高度角El，极轴在水平面上的投影与真北方向的夹角为卫星的方位角Az，根据载体极坐标和载体直角坐标的关系可得：

其中，ρ_r为伪距，

Az＝arctan Y_ES/X_ES,

方位角Az的变化范围为[0°-360°]，进一步对Az执行以下处理

若X_ZS<0，则Az＝Az+π；

若X_ZS>0且Y_ZS>0，则Az保持不变；

若X_ZS>0且Y_ZS<0，则Az＝Az+2π。

图4所示为根据本发明实施方式的传感器像元行光谱分配示意图，是传感器像元行光谱分配示意图，传感器的像元数为5056×2968个，图像传感器前端装置滤光片，将400nm-1000nm的光波平均分为32个谱段，由于每个谱段只使用8行像素来进行8级积分成像。根据光谱设计，在感光区域内选取32个8行的不同位置作为各个波段的光谱采集区域，提取感兴趣区域(开窗)。每个谱段在传感器上的位置不同由开窗位置决定，即：开窗位置文件给出了每个波段在传感器上起始的像元行计数。由于传感器的特殊设计，同个地物空间条带在所有谱段通道上的光谱信息是分时获得的，需要计算同一位置上，不同波段的成像时间。

由于整轨数据量大，不利于用户使用，所以将整轨数据拆分为多景数据来处理分发，并且给出每一景数据分景时的一些信息记录在分景元数据文件中，包括各个波段每景影像的起始行的行计数等。

图5所示为根据本发明实施方式的装置及介质图。装置包括存储器100及处理器200，其中处理器200存储有计算机程序，计算机程序用于执行：读取卫星影像，获取卫星影像的每个像元经纬度信息及高程信息；根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；根据轨道信息文件通过内插获得对应时间的卫星定位信息；根据像元经纬度信息、高程信息、成像时间计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；根据像元经纬度信息、高程信息及卫星定位信息计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角；输出太阳及卫星的全谱段逐像元高度角及方位角，存储为固定格式文件。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其特征在于，该方法包括：

S100，读取卫星影像，获取卫星影像的每个像元经纬度信息及高程信息；

S200，根据开窗位置、各景数据基准波段成像起始行计数及成像时间计算各波段逐像元成像时间；

S300，根据轨道信息文件通过内插获得对应时间的卫星定位信息；

S400，根据像元经纬度信息、高程信息、成像时间计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角；根据像元经纬度信息、高程信息及卫星定位信息计算全谱段逐像元卫星高度角及方位角；

S500，输出太阳及卫星的全谱段逐像元高度角及方位角，存储为固定格式文件。

2.根据权利要求1所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，其特征在于，所述S100包括：根据RPC模型参数及DEM文件，获得各波段卫星影像的逐像元的经纬度、高程信息，RPC模型参数由CMOS传感器在焦面上的具体拼接位置等数据信息计算得到。

3.根据权利要求1所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，所述S200包括：

将卫星影像的整轨数据拆分为多景数据，并且将每一景数据中的分景时信息记录于分景元数据文件中，分景时信息包括各个波段每景影像的起始行的行计数。

4.根据权利要求3所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，所述S200包括：

读取每景图像基准波段起始行的行计数，根据各波段间开窗位置对应关系，依次加或减相邻波段间隔行数，获得各波段起始行计数，具体包括：

通过各波段的时间文件中获得对应行的扫描时间，顺序获取各波段整景5056行的扫描时间time_img具体为

其中，b为波段，line为各波段起始行行计数，pos为开窗位置。

5.根据权利要求4所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，所述S300包括：

根据各波段卫星的位置信息X、Y、Z的值，通过匹配查找每景数据的起始行扫描时间和轨道文件记录时间。

6.根据权利要求5所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，该方法还包括：

根据起始扫描行的秒数time_sec和下一秒time_gps的GPS位置信息线性插值，确定出700行的轨道位置信息，建立线性模型，计算逐行的卫星位置，其计算公式为

其中

其中

a表示斜率、b表示截距，X1、Y1、Z1表示扫描时间秒数对应的卫星位置，X2、Y2、Z2表示下一秒种卫星所在位置，time_img表示波段整景5056行的扫描时间。

7.根据权利要求1所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，所述计算全谱段逐像元太阳高度角及方位角包括：

计算太阳高度角α，计算方式为

其中

为当地纬度，δ为赤纬角，

其中Q为日角，

n为日期在年内的顺序号，ω为时角，

ω＝15(t_s-12)，

以及，当t_s为真太阳时，

其中t为当地平太阳时，L_st为标准时区的经度，L_loc为当地纬度；

计算太阳方位角γ，

其中

日出、日落时刻的太阳方位角计算公式为

波段像元经纬度通过所述S100读取得到，成像时间中的月、日、时、分、秒通过所述S200计算得到。

8.根据权利要求1所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，所述逐像元计算各波段卫星高度角及方位角包括：

计算波段卫星高度角，将像点从大地坐标系BLH转为直角坐标系XYZ，计算公式为

X_p＝(N+H)cosB cosL，

X_p＝(N+H)cosB sinL，

Z_p＝N(1-e²+H)sinB，其中，

e²＝2f-f²，

N为卯酉圈曲率半径，a为地球的长半轴，b为地球的短半轴，f为地球的扁率，B为大地纬度，L为大地经度，H为高程，e2为第一偏心率；

计算波段卫星方位角，卫星在地心坐标系中的位置X_ES、Y_ES、Y_ES，计算载体坐标系下的卫星坐标，计算公式为

其中，

在载体极坐标中，以观测点为极点，以观测点到卫星之间的连线为极轴，极轴与水平面的夹角为卫星的高度角El，极轴在水平面上的投影与真北方向的夹角为卫星的方位角Az，根据载体极坐标和载体直角坐标的关系可得：

其中，ρ_r为伪距，

Az＝arctan Y_ES/X_ES,

方位角Az的变化范围为[0°-360°]，进一步对Az执行以下处理

若X_ZS<0，则Az＝Az+π；

若X_ZS>0且Y_ZS>0，则Az保持不变；

若X_ZS>0且Y_ZS<0，则Az＝Az+2π。

9.根据权利要求1所述的高光谱卫片全谱段逐像元成像角度参数处理方法，该方法还包括：

所述卫星影像通过基于渐变滤光片图像传感器采集，传感器的像元数为5056×2968个，图像传感器前端装置滤光片，用于将400nm-1000nm的光波平均分为32个谱段，由使用8行像素来进行8级积分成像。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-9任一所述的方法步骤。

Images