專利名稱：一種寬幅星載sar快速地理編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于遙感圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及遙感圖像地理編碼方法，特別涉及一種 寬幅星載SAR快速地理編碼方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)綜合國(guó)力和空間技術(shù)的發(fā)展，星載合成孔徑雷達(dá)作為一種工作在微波波 段的主動(dòng)式遙感器，能夠不受日照和天氣條件的限制完成對(duì)地觀測(cè)，因此在農(nóng)、林、地質(zhì)、環(huán) 境、水文、海洋、災(zāi)害、測(cè)繪與軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的重視。作為遙感應(yīng)用的重要支柱之一，高精度的星載SAR圖像地理編碼產(chǎn)品作為地面處 理系統(tǒng)最重要的產(chǎn)品，直接面向用戶。面對(duì)星載SAR觀測(cè)帶更寬，觀測(cè)數(shù)據(jù)龐大以及應(yīng)用更 廣泛的需求，具有高精度高效率的寬幅星載SAR自動(dòng)地理編碼方法成為工程研究的熱點(diǎn)。目前常用的星載SAR地理編碼方法可以分為兩類一種是從SAR圖像和對(duì)應(yīng)的數(shù)字地圖中抽取地面控制點(diǎn)(GCP)進(jìn)行自動(dòng)匹配校正 來(lái)完成圖像地理編碼的方法。該類方法圖像定位精度高，但實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配的技術(shù)魯棒性不 高，尤其在海面、沙漠等缺乏有效地面控制點(diǎn)的地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)。該類方法往往是從事光學(xué)遙 感的研究人員，借助攝影測(cè)量的共線方程或者多項(xiàng)式近似方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一種是利用衛(wèi)星平臺(tái)及SAR等系統(tǒng)參數(shù)直接進(jìn)行SAR圖像地理編碼。該類方法 不需要GCP，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地理編碼。這些方法包括基于星地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的地理編碼方法和基 于斜距多普勒定位模型的地理編碼方法。1、基于星地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法基于星地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法，利用星地坐標(biāo)之間的6個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系，借助觀測(cè)視角 的中間變量，不需要迭代運(yùn)算完成星載SAR圖像地理編碼。但該方法步驟繁瑣，而且沒有考 慮成像算法帶來(lái)的圖像變形，對(duì)寬幅的星載SAR圖像地理編碼使用性差。2、基于斜距多普勒定位模型的方法基于斜距多普勒定位模型的方法不但是一種嚴(yán)格符合星地空間幾何關(guān)系的精確 的SAR圖像地理編碼方法，而且基于多普勒方程的約束條件，有效消除成像算法中不精準(zhǔn) 多普勒中心頻率帶來(lái)的圖像幾何變形。但該方法由三個(gè)較復(fù)雜的非線性方程構(gòu)成。傳統(tǒng)方 法均使用數(shù)值迭代，而當(dāng)初始值選取不合適時(shí)，結(jié)果可能不收斂，同時(shí)迭代處理需要消耗過 多的時(shí)間，嚴(yán)重影響SAR地理編碼的效率。而且基于斜距多普勒模型建立圖像映射關(guān)系過 程中會(huì)出現(xiàn)病態(tài)方程，導(dǎo)致星載SAR地理編碼自動(dòng)流程失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于斜距多普勒定位模型和多項(xiàng)式校正模式的寬幅 星載SAR快速地理編碼方法，利用地固坐標(biāo)系下目標(biāo)速度為零的特性，簡(jiǎn)化斜距多普勒模 型構(gòu)成的非線性方程組，轉(zhuǎn)化成一元四次方程，利用費(fèi)拉里的求根方法，給出斜距多普勒非 線性方程組的解析解，并結(jié)合多項(xiàng)式校正模型，進(jìn)行寬幅星載SAR地理編碼。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主要步驟如下步驟S21 提取星載SAR實(shí)圖像產(chǎn)品中輔助文件的相關(guān)參數(shù)；步驟S22 擬合衛(wèi)星軌道曲線，獲得衛(wèi)星位置速度和圖像方位時(shí)刻的關(guān)系；步驟S23 根據(jù)地像產(chǎn)品用途選擇地圖投影模型參數(shù)、地圖投影模型變形系 數(shù)和地像像素分辨率；步驟S24 單像素地理編碼；步驟S25 在斜距圖像上，沿距離向均勻選擇M組，沿方位向均勻選擇若干N組，共 MXN組像素點(diǎn)，重復(fù)步驟S24的單像素地理編碼；步驟S26 根據(jù)多項(xiàng)式校正模型，用步驟S25得到的若干組斜距圖像像素和地 像像素，計(jì)算多項(xiàng)式的參數(shù)；步驟S27 根據(jù)步驟S^得到的多項(xiàng)式參數(shù)，依次計(jì)算地像每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的圖 像像素，然后使用雙線性插值法對(duì)圖像進(jìn)行重采樣。步驟S28:格式化輸出。所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法中，所述步驟S25中的M組多于4組，N組 多于3組，具體可以根據(jù)星載SAR斜距圖像的幅寬進(jìn)行調(diào)整，若幅寬小于或等于50X50公 里，M組為6組，N組為4組，共6X4 = M組像素即可。所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法中，所述步驟S26中的多項(xiàng)式校正模型為 三次多項(xiàng)式校正模型，具體如下i = a0+a1E+a2N+a3EN+a4E2+a5N2+a6E2N+a7EN2+a8E3+a9N3j = b0+b1E+b2N+b3EN+b4E2+b5N2+b6E2N+b7EN2+b8E3+b9N3在SM單像素地理編碼中，給出斜距多普勒非線性方程組的解析解，具體步驟如 下步驟Sll 獲取建立斜距多普勒非線性方程組的相關(guān)參數(shù)步驟S12 利用地固坐標(biāo)系下目標(biāo)速度為零的特性，簡(jiǎn)化斜距多普勒模型構(gòu)成的 非線性方程組，通過分別將斜距方程和多普勒中心頻率方程聯(lián)立及多普勒中心頻率方程和 地球模型方程聯(lián)立，轉(zhuǎn)化成目標(biāo)矢量y軸(Rty)的一元四次方程。步驟S13 利用費(fèi)拉里求根方法，求解步驟S12構(gòu)建的一元四次方程，并根據(jù)視角 方向選擇Rty的有效解。步驟S14 將步驟S13的解代入表達(dá)式，并根據(jù)視角方向選擇目標(biāo)矢量χ軸(Rtx) 的有效解。步驟S15 將步驟S13的解和步驟S14的解代入多普勒中心頻率方程，得到目標(biāo)矢 量ζ軸(Rtz)的解。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明中推導(dǎo)的斜距多普勒非線性方程組的解析解，解決了傳統(tǒng)迭代方法需要設(shè) 置初始值的問題，避免了迭代運(yùn)算和不合適的初始值導(dǎo)致無(wú)法收斂的缺陷，減少星載SAR 地理編碼模塊的輸入接口，提高可靠性。本發(fā)明采用的斜距多普勒模型，避免了繁瑣的六坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，星地幾何關(guān)系更加準(zhǔn) 確；處理精度不但不會(huì)受到衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)的影響，而且充分利用成像處理中的多普勒參數(shù)， 有效校正成像處理使用有誤差的多普勒參數(shù)帶來(lái)的成像幾何變形。
本發(fā)明采用的三次多項(xiàng)式校正模型，既保證了斜距多普勒模型的定位精度，又簡(jiǎn) 化了斜距多普勒模型逆運(yùn)算的處理流程，提高了地理編碼效率。本發(fā)明結(jié)合了斜距多普勒模型和三次多項(xiàng)式校正模型，不但充分考慮成像處理帶 來(lái)的幾何畸變，而且處理流程模塊化強(qiáng)，效率高，適合數(shù)據(jù)量大、自動(dòng)處理的需要，有利于計(jì) 算機(jī)或其它專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明基于斜距多普勒定位模型和多項(xiàng)式校正模型的寬幅星載SAR快速地 理編碼方法的完整流程圖；圖2是本發(fā)明星載SAR圖像地理編碼示意圖；圖3是本發(fā)明斜距多普勒(RD)模型組成的非線性方程組的解析解推導(dǎo)流程圖；圖4是本發(fā)明求解斜距多普勒(RD)非線性方程組的流程圖；圖5是本發(fā)明單像素地理編碼流程圖；圖6是本發(fā)明基于斜距多普勒定位模型和多項(xiàng)式校正模型的寬幅星載SAR快速地 理編碼方法的基本步驟圖；圖7、圖8和圖9是本發(fā)明實(shí)施例的效果示意圖，其中圖7a是SAR的斜距圖像(圖像大小為距離向5088 X方位向18432)，圖7b是SAR 地理編碼后的地像(圖像大小為指東9539X指北7454)；圖9a和圖9b是本發(fā)明的SAR地像和google earth上的光學(xué)地圖在相同地 圖投影坐標(biāo)系下比較。圖中符號(hào)說明如下λ =SAR的工作波長(zhǎng)；fd 多普勒中心頻率；R 斜距；Rsx 衛(wèi)星χ方向位置；Rsy 衛(wèi)星 y方向位置；Rsz 衛(wèi)星ζ方向位置；Vsx 衛(wèi)星χ方向速度；Vsy 衛(wèi)星y方向速度；Vsz 衛(wèi)星ζ方 向速度；Rtx 目標(biāo)χ方向位置；Rty 目標(biāo)y方向位置；Rtz 目標(biāo)ζ方向位置。
具體實(shí)施例方式星載SAR地理編碼是將SAR原始回波信號(hào)經(jīng)過成像處理后得到的斜距圖像，按照 某種通用的地圖投影方式，投影到以地圖坐標(biāo)系(指東指北)的圖像過程。在該過程中，需 要進(jìn)行圖像像素的精確定位，并對(duì)圖像幾何畸變進(jìn)行校正，從而得到符合制圖標(biāo)準(zhǔn)的具有 地理信息的圖像，以便于人們對(duì)SAR圖像進(jìn)行理解和判讀。本發(fā)明提供的基于斜距多普勒定位模型和多項(xiàng)式校正模式的寬幅星載SAR快速 地理編碼方法，利用地固坐標(biāo)系下目標(biāo)速度為零的特性，簡(jiǎn)化斜距多普勒模型構(gòu)成的非線 性方程組，轉(zhuǎn)化成一元四次方程，利用費(fèi)拉里的求根方法，給出斜距多普勒非線性方程組的 解析解，并結(jié)合多項(xiàng)式校正模型，進(jìn)行寬幅星載SAR地理編碼。首先給出權(quán)利要求5中斜距多普勒非線性方程組的解析解的具體步驟為步驟Sll 獲取參數(shù)。獲取建立斜距多普勒非線性方程組的參數(shù)，包括圖像產(chǎn)品 某像素(i，j)對(duì)應(yīng)的斜距值r，多普勒中心頻率fd，衛(wèi)星位置矢量足.=[i 、T,i^,i^:r，衛(wèi)星 速度矢量& =，以及圖像產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ，擬采用的地球模型[民，Rp]。步驟S12 計(jì)算一元四次方程系數(shù)變量的數(shù)值大小。將Sll中的斜距多普勒非線性方程組的參數(shù)代入如下表達(dá)式，計(jì)算得到一元四次方程
權(quán)利要求
1.一種寬幅星載SAR快速地理編碼方法，主要步驟如下 步驟S21 提取星載SAR實(shí)圖像產(chǎn)品中輔助文件的相關(guān)參數(shù)；步驟S22 擬合衛(wèi)星軌道曲線，獲得衛(wèi)星位置速度和圖像方位時(shí)刻的關(guān)系； 步驟S23 根據(jù)地像產(chǎn)品用途選擇地圖投影模型參數(shù)、地圖投影模型變形系數(shù)和 地像像素分辨率；步驟S24 單像素地理編碼；步驟S25 在斜距圖像上，沿距離向均勻選擇M組，沿方位向均勻選擇若干N組，共MXN 組像素點(diǎn)，重復(fù)步驟S24的單像素地理編碼；步驟S26 根據(jù)多項(xiàng)式校正模型，用步驟S25得到的若干組斜距圖像像素和地像像 素，計(jì)算多項(xiàng)式的參數(shù)；步驟S27 根據(jù)步驟S^得到的多項(xiàng)式參數(shù)，依次計(jì)算地像每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的圖像像 素，然后使用雙線性插值法對(duì)圖像進(jìn)行重采樣； 步驟S28 格式化輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S25中的M 組多于4組，N組多于3組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S25中 的M組為6組，N組為4組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S^的多項(xiàng) 式校正模型為三次多項(xiàng)式i = ao+aiE+a^+agEN+a^'+asN'+agE'N+a^N'+agE'+agN3 j = b0+b1E+b2N+b3EN+b4E2+b5N2+b6E2N+b7EN2+b8E3+b9N3
5.在權(quán)利要求1所述的步驟SM單像素地理編碼中，給出斜距多普勒非線性方程組的 解析解，具體步驟如下步驟Sll 獲取建立斜距多普勒非線性方程組的相關(guān)參數(shù)；步驟S12 利用地固坐標(biāo)系下目標(biāo)速度為零的特性，簡(jiǎn)化斜距多普勒模型構(gòu)成的非線 性方程組，通過分別將斜距方程和多普勒中心頻率方程聯(lián)立及多普勒中心頻率方程和地球 模型方程聯(lián)立，轉(zhuǎn)化成目標(biāo)矢量y軸的一元四次方程；步驟S13 利用費(fèi)拉里求根方法，求解步驟S12構(gòu)建的一元四次方程，并根據(jù)視角方向 選擇目標(biāo)矢量y軸的有效解；步驟S14 將步驟S13的解代入表達(dá)式，并根據(jù)視角方向選擇目標(biāo)矢量χ軸的有效解； 步驟S15 將步驟S13的解和步驟S14的解代入多普勒中心頻率方程，得到目標(biāo)矢量ζ 軸的解。
全文摘要
本發(fā)明將嚴(yán)格符合星地空間幾何關(guān)系的斜距多普勒定位模型和基于GCP發(fā)展的遙感圖像多項(xiàng)式校正模型進(jìn)行了整合，得到一套快速星載SAR圖像地理編碼方法框架，不但簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)星載SAR地理編碼的流程，提高寬幅星載SAR地理編碼的效率，而且有效消除了SAR成像算法中不精準(zhǔn)多普勒中心頻率帶來(lái)的幾何變形。本發(fā)明在單像素地理編碼中，給出了斜距多普勒非線性方程組的代數(shù)解析解，解決了傳統(tǒng)斜距-多普勒(RD)定位模型使用數(shù)值迭代方法面臨的初始值選取的問題。本發(fā)明是一種新的快速星載SAR地理編碼的方法，能廣泛應(yīng)用于星載SAR圖像地理編碼。
文檔編號(hào)G01S7/295GK102129066SQ20101003411
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者劉佳音, 洪文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所