CN114972545A - 一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法 - Google Patents

一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，涉及遥感卫星影像在轨数据预处理技术领域，包括以下步骤：卫星根据任务指令执行目标拍摄任务，获取原始数据和辅助数据；对辅助数据解析，获取时间、轨道、姿态有效辅助数据；结合有效辅助数据和任务点经纬度对所选谱段影像进行目标区域剪裁，获取粗略目标区域数据；读取辐射定标参数，对目标区域数据各谱段进行快速辐射纠正；读取几何定标参数，利用优化线性严密模型最小二乘求解法进行地理坐标快速解算；基于地理坐标和线性内插，生成高精度的附带地理编码影像产品，完成在轨预处理任务，能够满足有限资源的在轨星上处理的高时效需求，实现高光谱影像在轨数据的快速、精确的预处理。

Description

一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法
技术领域
本发明涉及遥感卫星影像在轨数据预处理技术领域，尤其涉及一种基于星上智能处理系统的高光谱数据快速预处理的技术方法。
背景技术
卫星遥感在轨处理是在获取拍摄数据后在星上平台上执行计算分析任务，直接下传影像产品或信息情报供用户使用，显著减少传统地面处理模式的大量耗时，提升任务执行的时效性，使得卫星遥感在应急管理、国防军事等高时效要求的领域发挥了更大作用。目前在轨预处理技术方法受限于星上资源、系统设计与时效性约束，一般仅是针对普通光学影像的处理及试验，如单波段或3波段影像的局部处理，在特定任务场景取得了较好的效果。但现有技术方法在面向高光谱影像数据的处理及应用的适配性不佳，高光谱数据信息量更加丰富，在地物识别和目标判读方面具有更好的优势，而更丰富的信息也伴随更大的数据量，对星上处理的资源配置、处理时效和精度提出了巨大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，能够满足有限资源的在轨星上处理的高时效需求，实现了高光谱影像在轨数据的快速、精确的预处理。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，包括以下步骤：
步骤1，卫星接收并解析任务指令，根据指令要求执行拍摄任务，获取原始数据，同时获取星上测量器件输出平台的相关辅助数据；
步骤2，根据辅助数据的编码格式，分别解析出时间、轨道、姿态有效辅助数据，其中：时间数据包括行时和UTC时间；轨道数据是按照UTC时间解析对应的WGS84坐标系下的卫星位置三维坐标；姿态数据是按照UTC时间解析对应的四元数据；
步骤3，根据步骤2中的有效辅助数据和任务点经纬度对所选谱段影像进行目标区域剪裁，获取目标区域数据；
步骤4，根据辐射定标参数，对目标区域数据各谱段进行快速辐射纠正；
步骤5，结合几何定标参数和严密成像几何模型，采用优化线性严密模型最小二乘求解法进行地理坐标快速解算；
步骤6，四角点、中心点地面坐标求解之后，可通过线性内插法计算该剪裁区域任一点坐标，进而生成高精度的附带地理编码影像产品，从而完成在轨预处理任务。
进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1，获取时间数据中的中间行对应的UTC时间；
步骤3.2，根据步骤3.1中的UTC时间，在轨道数据和姿态数据中获取对应UTC时间 的卫星位置GNSS坐标
Figure 240718DEST_PATH_IMAGE001
和姿态四元数
Figure 720241DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步的，所述步骤3具体还包括以下步骤：
步骤3.3，根据式（1），利用姿态四元数获得J2000坐标系下的旋转矩阵R为：
Figure 750514DEST_PATH_IMAGE003
式（1）；
将R转到本体坐标系下为：
Figure 908963DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 417304DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 203864DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 139459DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 785204DEST_PATH_IMAGE008
分别为岁差矩阵、章动矩阵、地球自转旋转矩阵、极 移矩阵，进而可利用式（2）获得卫星的俯仰pitch、翻滚roll的转角为：
Figure 362815DEST_PATH_IMAGE009
式（2）；
其中，atan2为反正切函数。
进一步的，所述步骤3具体还包括以下步骤：
步骤3.4，获取水平、垂直方向的像素指向偏差；
水平、垂直方向的像素指向偏差
Figure 551351DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 189006DEST_PATH_IMAGE011
式（3）；
其中，
Figure 322047DEST_PATH_IMAGE012
为相机载荷焦距，
Figure 703350DEST_PATH_IMAGE013
为探测器每个探元的物理尺寸；
步骤3.5，以目标点为中心画正方形，剪裁有效目标区域，其中，边长可设为
Figure 605447DEST_PATH_IMAGE014
的1.5~2.5倍之间；
步骤3.6，同理，将其他选中的谱段按照步骤3.5方法裁剪。
进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，建立辐射定标参数的m*n*c的3维查找表，其中，m表示列，列号与影像的列号相对应；n表示行，行号与谱段号相对应；c表示表号，与积分级数组号相对应；
此外，辐射定标参数包括偏移参数和增益参数，每个存储单元采用4个Byte存储对应的2个定标参数，前2个Byte存储偏移、后2个Byte存储增益，每个存储单元可用
Figure 148424DEST_PATH_IMAGE015
表示；
步骤4.2，每次成像指定特定的积分级数，根据积分级数可确定查找表号确认定标参数，进而可以对剪裁区域执行多线程协同快速辐射纠正处理；以局部影像列为基本单元，设置二维线程组，线程组包括nn个线程组，每个线程组包括mm个线程，mm对应影像的列、nn对应谱段，一般可分别设置为列数、谱段数，即为m*n。每个线程按照下式进行计算，获取辐射纠正处理后的结果；第n组中第m个线程的纠正结果
Figure 503182DEST_PATH_IMAGE016
的计算方法如式（4）：
Figure 422596DEST_PATH_IMAGE017
式（4）。
进一步的，所述步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1，考虑几何定标偏移矩阵描述了相机载荷、星敏、GNSS天线的安装及偏移误差，对严密成像几何模型进行简化，如下式（5）所示：
Figure 913620DEST_PATH_IMAGE018
式（5）；
其中，
Figure 627498DEST_PATH_IMAGE019
偏移矩阵可从定标参数中获取；
Figure 469552DEST_PATH_IMAGE020
为相机内畸变参数，可从 定标参数中获取；x、y为图像像素坐标；
Figure 927078DEST_PATH_IMAGE021
为比例系数；
步骤5.2，选取四角点和中心点像素，带入式（5）求解地面坐标，式（5）改写为式（6）：
Figure 397243DEST_PATH_IMAGE023
式（6）
其中，下标1、2、3、4、5分别代表四角点和中心点，式（6）为线性方程，在求解过程中，高程值分别选取最大、最小、平均，因此根据式（6）可建立9个方程，进而通过最小二乘求解最终地面坐标。
进一步的，所述步骤6中线性内插按照下式（7）进行计算：
Figure 688547DEST_PATH_IMAGE024
式（7）；
其中，x为图像坐标，X为地理坐标，下标i表示待求解、下标e、b表示已知的2个点。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明能够满足有限资源的在轨星上处理的高时效需求，实现了高光谱影像在轨数据的快速、精确的预处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的三维查找表结构图；
图2为本发明的中高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法的运行流程图。
具体实施方式
实施例1，如图2所示，一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，包括以下步骤：
步骤1，卫星接收并解析任务指令，根据指令要求执行拍摄任务，获取原始数据，同时获取星上测量器件输出平台的相关辅助数据；
步骤2，根据辅助数据的编码格式，分别解析出时间、轨道、姿态有效辅助数据。其中：
时间数据包括行时和UTC时间；
轨道数据是按照UTC时间解析对应的WGS84坐标系下的卫星位置三维坐标，间隔为1或2秒；
姿态数据是按照UTC时间解析对应的四元数据，间隔为1或2秒。
步骤3，根据步骤2中的有效辅助数据和任务点经纬度对所选谱段影像进行目标区域剪裁，获取目标区域数据。
步骤3.1，获取时间数据中的中间行对应的UTC时间；
步骤3.2，根据步骤3.1中的UTC时间，在轨道数据和姿态数据中获取对应UTC时间 的卫星位置GNSS坐标
Figure 900389DEST_PATH_IMAGE001
和姿态四元数
Figure 568131DEST_PATH_IMAGE025
；
步骤3.3，根据式（1），利用姿态四元数获得J2000坐标系下的旋转矩阵R为：
Figure 299327DEST_PATH_IMAGE026
式（1）；
将R转到本体坐标系下为：
Figure 886166DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 843757DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 643086DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 228788DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 252108DEST_PATH_IMAGE008
分别为岁差矩阵、章动矩阵、地球自转旋转矩阵、极 移矩阵，进而可利用式（2）获得卫星的俯仰pitch、翻滚roll的转角为：
Figure 556050DEST_PATH_IMAGE028
式（2）；
其中，atan2为反正切函数。
步骤3.4，获取水平、垂直方向的像素指向偏差。
水平、垂直方向的像素指向偏差
Figure 300015DEST_PATH_IMAGE029
为：
Figure 661596DEST_PATH_IMAGE011
式（3）；
其中，
Figure 793500DEST_PATH_IMAGE012
为相机载荷焦距，
Figure 584738DEST_PATH_IMAGE013
为探测器每个探元的物理尺寸；
步骤3.5，以目标点为中心画正方形，剪裁有效目标区域，其中，边长可设为
Figure 991449DEST_PATH_IMAGE030
的1.5~2.5倍之间。
步骤3.6，同理，将其他选中的谱段按照步骤3.5方法裁剪。
步骤4，根据辐射定标参数，对目标区域数据各谱段进行快速辐射纠正。
步骤4.1，建立辐射定标参数的m*n*c的3维查找表，见图1，其中，m表示列，列号与影像的列号相对应；n表示行，行号与谱段号相对应；c表示表号，与积分级数组号相对应。高光谱成像时，为了更好适配各种地物特征，包括多组成像积分级数。
此外，辐射定标参数包括偏移参数和增益参数，每个存储单元采用4个Byte存储对应的2个定标参数，前2个Byte存储偏移、后2个Byte存储增益，每个存储单元可用
Figure 286164DEST_PATH_IMAGE031
表示。
步骤4.2，每次成像指定特定的积分级数，根据积分级数可确定查找表号确认定标参数，进而可以对剪裁区域执行多线程协同快速辐射纠正处理。以局部影像列为基本单元，设置二维线程组，线程组包括nn个线程组，每个线程组包括mm个线程，mm对应影像的列、nn对应谱段，一般可分别设置为列数、谱段数，即为m*n。每个线程按照下式进行计算，获取辐射纠正处理后的结果。第n组中第m个线程的纠正结果
Figure 385707DEST_PATH_IMAGE032
的计算方法如式（4）：
Figure 805187DEST_PATH_IMAGE033
式（4）。
步骤5，结合几何定标参数和严密成像几何模型，采用优化线性严密模型最小二乘求解法进行地理坐标快速解算。
步骤5.1，考虑几何定标偏移矩阵描述了相机载荷、星敏、GNSS天线的安装及偏移误差，对严密成像几何模型进行简化，如下式（5）所示：
Figure 15588DEST_PATH_IMAGE034
式（5）；
其中，
Figure 695968DEST_PATH_IMAGE019
偏移矩阵可从定标参数中获取；
Figure 107358DEST_PATH_IMAGE020
为相机内畸变参数，可从 定标参数中获取；x、y为图像像素坐标；
Figure 873189DEST_PATH_IMAGE021
为比例系数；可利用地球椭球性质，将严密模型 改写成关于
Figure 356123DEST_PATH_IMAGE021
的二次方程求解获取，为常规计算方法，这里不赘述。
步骤5.2，选取四角点和中心点像素，带入式（5）求解地面坐标，式（5）改写为式（6）：
Figure 156588DEST_PATH_IMAGE023
式（6）；
其中，下标1、2、3、4、5分别代表四角点和中心点。式（6）为线性方程，在求解过程中，高程值分别选取最大、最小、平均，因此根据式（6）可建立9个方程，进而通过最小二乘求解最终地面坐标。
步骤6，四角点、中心点地面坐标求解之后，可通过线性内插法计算该剪裁区域任一点坐标，进而生成高精度的附带地理编码影像产品，从而完成在轨预处理任务。线性内插按照下式（7）进行计算：
Figure 473300DEST_PATH_IMAGE035
式（7）；
其中，x为图像坐标，X为地理坐标，下标i表示待求解、下标e、b表示已知的2个点，例如四角点中的2个。
步骤7，可选的步骤，根据实际需要，对其他谱段进行同样处理，并根据要求执行基于地理坐标的相对几何配准。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，卫星接收并解析任务指令，根据指令要求执行拍摄任务，获取原始数据，同时获取星上测量器件输出平台的相关辅助数据；
步骤2，根据辅助数据的编码格式，分别解析出时间、轨道、姿态有效辅助数据，其中：时间数据包括行时和UTC时间；轨道数据是按照UTC时间解析对应的WGS84坐标系下的卫星位置三维坐标；姿态数据是按照UTC时间解析对应的四元数据；
步骤3，根据步骤2中的有效辅助数据和任务点经纬度对所选谱段影像进行目标区域剪裁，获取目标区域数据；
步骤4，根据辐射定标参数，对目标区域数据各谱段进行快速辐射纠正；
步骤5，结合几何定标参数和严密成像几何模型，采用优化线性严密模型最小二乘求解法进行地理坐标快速解算；
步骤6，四角点、中心点地面坐标求解之后，可通过线性内插法计算该剪裁区域任一点坐标，进而生成高精度的附带地理编码影像产品，从而完成在轨预处理任务。
2.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1，获取时间数据中的中间行对应的UTC时间；
步骤3.2，根据步骤3.1中的UTC时间，在轨道数据和姿态数据中获取对应UTC时间的卫 星位置GNSS坐标
Figure 837872DEST_PATH_IMAGE001
和姿态四元数
Figure 286171DEST_PATH_IMAGE002
。
3.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤3具体还包括以下步骤：
步骤3.3，根据式（1），利用姿态四元数获得J2000坐标系下的旋转矩阵R为：
Figure 721700DEST_PATH_IMAGE003
式（1）；
将R转到本体坐标系下为：
Figure 382488DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 134544DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 878378DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 676570DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 281994DEST_PATH_IMAGE008
分别为岁差矩阵、章动矩阵、地球自转旋转矩阵、极移矩 阵，进而可利用式（2）获得卫星的俯仰pitch、翻滚roll的转角为：
Figure 482032DEST_PATH_IMAGE009
式（2）；
其中，atan2为反正切函数。
4.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤3具体还包括以下步骤：
步骤3.4，获取水平、垂直方向的像素指向偏差；
水平、垂直方向的像素指向偏差
Figure 131188DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 416675DEST_PATH_IMAGE011
式（3）；
其中，
Figure 825791DEST_PATH_IMAGE012
为相机载荷焦距，
Figure 614756DEST_PATH_IMAGE013
为探测器每个探元的物理尺寸；
步骤3.5，以目标点为中心画正方形，剪裁有效目标区域，其中，边长可设为
Figure 700392DEST_PATH_IMAGE014
的1.5~2.5倍之间；
步骤3.6，同理，将其他选中的谱段按照步骤3.5方法裁剪。
5.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1，建立辐射定标参数的m*n*c的3维查找表，其中，m表示列，列号与影像的列号相对应；n表示行，行号与谱段号相对应；c表示表号，与积分级数组号相对应；
此外，辐射定标参数包括偏移参数和增益参数，每个存储单元采用4个Byte存储对应的 2个定标参数，前2个Byte存储偏移、后2个Byte存储增益，每个存储单元可用
Figure 473176DEST_PATH_IMAGE015
表示；
步骤4.2，每次成像指定特定的积分级数，根据积分级数可确定查找表号确认定标参数，进而可以对剪裁区域执行多线程协同快速辐射纠正处理；以局部影像列为基本单元，设置二维线程组，线程组包括nn个线程组，每个线程组包括mm个线程，mm对应影像的列、nn对应谱段，一般可分别设置为列数、谱段数，即为m*n；
每个线程按照下式进行计算，获取辐射纠正处理后的结果；第n组中第m个线程的纠正 结果
Figure 154824DEST_PATH_IMAGE016
的计算方法如式（4）：
Figure 985246DEST_PATH_IMAGE017
式（4）。
6.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：
步骤5.1，考虑几何定标偏移矩阵描述了相机载荷、星敏、GNSS天线的安装及偏移误差，对严密成像几何模型进行简化，如下式（5）所示：
Figure 851571DEST_PATH_IMAGE018
式（5）；
其中，
Figure 252596DEST_PATH_IMAGE019
偏移矩阵可从定标参数中获取；
Figure 596990DEST_PATH_IMAGE020
为相机内畸变参数，可从定标 参数中获取；x、y为图像像素坐标；
Figure 750760DEST_PATH_IMAGE021
为比例系数；
步骤5.2，选取四角点和中心点像素，带入式（5）求解地面坐标，式（5）改写为式（6）：
Figure 53565DEST_PATH_IMAGE023
式（6）；
其中，下标1、2、3、4、5分别代表四角点和中心点，式（6）为线性方程，在求解过程中，高程值分别选取最大、最小、平均，因此根据式（6）可建立9个方程，进而通过最小二乘求解最终地面坐标。
7.如权利要求1所述的一种高光谱卫星的在轨数据快速预处理方法，其特征在于，所述步骤6中线性内插按照下式（7）进行计算：
Figure 410728DEST_PATH_IMAGE024
式（7）；
其中，x为图像坐标，X为地理坐标，下标i表示待求解、下标e、b表示已知的2个点。
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