本發(fā)明屬于空間遙感探測技術領域，具體涉及一種大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法。

背景技術：

電離層是指地球表面以上60km至1000km的大氣層，其主要成分包括電子、氧離子(占80％以上)、氫離子、氦離子及其他微量的重離子，離子成分主要由太陽中的紫外和X射線輻射導致的光化學過程控制，整體上呈現(xiàn)電中性。電離層的主要特性是對穿過電離層的無線電波產(chǎn)生反射、散射、吸收和折射等效應。電離層的變化會影響在電離層中傳播的無線電波，進而影響地面通信、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星導航等。電離層中的氧離子在太陽輻射作用下會產(chǎn)生遠紫外波段的輻射，通過對該輻射進行遙感成像，可以獲取電離層狀態(tài)。極光主要是由太陽風和地球磁層中的高能帶電粒子沿地球磁場線注入高緯度地區(qū)，將高層大氣分子或原子電離激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，極光產(chǎn)生于地球的高磁緯地區(qū)上空即地球的南北兩極區(qū)域，一般為大于磁緯60°的區(qū)域。極光卵的形狀和位置對于解釋地球空間環(huán)境活動狀態(tài)具有非常重要的意義。

歐美國家已經(jīng)發(fā)射了大量電離層遙感衛(wèi)星，如美國DMSP衛(wèi)星上的光譜成像儀SSUSI，TIMED衛(wèi)星上的GUVI等，這些儀器都采用小視場跨軌掃描方式。為了研究和分析方便，都要將觀測圖像投影至參考球面的坐標網(wǎng)格內(nèi)。對于大視場、不同觀測模式圖像的圓盤投影和拼接方法，目前還沒有解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法。

大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一、提取時間序列的觀測圖像的軌道參數(shù)計算地心坐標系GEO與投影圓盤坐標系OPC之間的轉(zhuǎn)換矩陣；

步驟二、根據(jù)投影球面空間分辨率、跨軌方向視場角F₁和沿軌方向視場角F₂，在投影圓盤坐標系OPC的參考球面上建立圓盤投影網(wǎng)格，得到沿軌方向的格點個數(shù)N，跨軌方向的格點個數(shù)M；

步驟三、計算投影圓盤坐標系OPC下的網(wǎng)格點經(jīng)緯度矩陣和網(wǎng)格中心點的經(jīng)緯度矩陣，并根據(jù)步驟一得到的地心坐標系GEO與投影圓盤坐標系OPC之間的轉(zhuǎn)換矩陣，將投影圓盤坐標系OPC的網(wǎng)格點經(jīng)緯度矩陣和網(wǎng)格中心點經(jīng)緯度矩陣轉(zhuǎn)化為地心坐標系GEO的網(wǎng)格點經(jīng)緯度矩陣和網(wǎng)格中心點的經(jīng)緯度矩陣；

步驟四、建立存儲格點的實際被投影像點個數(shù)的二維數(shù)組N_p[M×N]和存儲格點的實際被投影像點的總強度值的二維數(shù)組R_p[M×N]；

步驟五、根據(jù)觀測儀器主距、像元尺寸和儀器坐標系至衛(wèi)星坐標系轉(zhuǎn)換矩陣計算各像點在衛(wèi)星坐標系下的視向量；

步驟六、根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)計算衛(wèi)星坐標系至軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，并將各像點在衛(wèi)星坐標系下的視向量轉(zhuǎn)化至各像點在軌道坐標系下的視向量；

步驟七、根據(jù)軌道參數(shù)計算軌道坐標系至地心坐標系GEO的轉(zhuǎn)換矩陣，并將各像點在軌道坐標系下的視向量轉(zhuǎn)化至各像點在地心坐標系GEO下的視向量；

步驟八、根據(jù)地心坐標系GEO至投影圓盤坐標系OPC的轉(zhuǎn)化矩陣，將各像點在地心坐標系GEO下的視向量轉(zhuǎn)化為各像點在投影圓盤坐標系OPC中的視向量；

步驟九、計算各像點在投影圓盤坐標系OPC中的視向量在參考球面上的投影像點的網(wǎng)格點坐標i和j，令N_p[i,j]＝N_p[i,j]+1，R_p[i,j]＝R_p[i,j]+I，I為當前被投影像點的強度；

步驟十、步驟四中的所有像點投影完成后，計算每個格點內(nèi)的所有投影像點的強度平均值，得到網(wǎng)格點地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)矩陣、網(wǎng)格點中心地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)矩陣和投影圖像數(shù)據(jù)矩陣。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法，將時間序列的觀測圖像投影拼接至參考球面的同一網(wǎng)格中，所得的投影圖像真實準確地描述觀測對象的空間分布情況，為我國空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)處理提供一種解決方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的坐標系設置示意圖；

圖2為本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的跨軌地心張角計算示意圖，其中，(a)為視場范圍未超出臨邊，(b)為視場范圍超出臨邊；

圖3為本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的沿軌地心張角計算示意圖，其中，(a)為凝視成像模式，(b)為正向掃描成像模式，(c)為反向掃描成像模式；

圖4為本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的網(wǎng)格坐標示意圖；

圖5為本發(fā)明的大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

以極軌太陽同步軌道上的大視場遠紫外成像儀為例：太陽同步軌道高度H＝830km，投影參考球面半徑R_r＝6485.0km，地球平均半徑R_E＝6375.0km，投影球面空間分辨率Δ＝10km，儀器跨軌視場角F₁＝130°，儀器沿軌視場角F₂＝10°，主距f＝18.18mm，探測器虛擬像元尺寸Δ_d＝0.035mm。儀器工作模式包括：磁緯度±60°之間的凝視成像模式，儀器光軸指向地心；南北兩極磁緯度大于60°或小于-60°的區(qū)域進行沿軌道掃描成像，光軸掃描范圍為ω₁＝60°，ω₂＝60°。

如圖5所示，本發(fā)明的一種大視場空間對地觀測圖像的圓盤投影和拼接方法的實施步驟如下：

步驟一、如圖1所示，時間序列的軌道參數(shù)起始點為終止點為均位于地心坐標系GEO，通過提取時間序列的觀測圖像的軌道參數(shù)計算地心坐標系GEO與投影圓盤坐標系OPC之間的轉(zhuǎn)換矩陣，其中時間序列起點的軌道向量為投影圓盤坐標系OPC的X軸，投影圓盤坐標系OPC的X軸在地心坐標系GEO中的單位向量表示為時間序列的起點和終點的軌道向量確定的大圓面的法線為投影圓盤坐標系OPC的Z軸，投影圓盤坐標系OPC的Z軸在地心坐標系GEO中的單位向量表示為投影圓盤坐標系OPC的Y軸根據(jù)右手定則確定，投影圓盤坐標系OPC的Y軸在地心坐標系GEO中的單位向量表示為得到：

地心坐標系GEO至投影圓盤坐標系OPC的轉(zhuǎn)換矩陣為：

投影圓盤坐標系OPC至地心坐標系GEO的轉(zhuǎn)換矩陣為：

本發(fā)明定義投影圓盤坐標系OPC中XY平面中角度變化為經(jīng)度，+X軸代表0°，相對于XY面的角度變化為緯度，XY面代表0°，向+Z軸方向為正緯度。

步驟二、如圖2所示，根據(jù)投影球面空間分辨率Δ(單位：km)、跨軌視場角F₁和沿軌方向視場角F₂，在投影圓盤坐標系OPC中的參考球面上建立圓盤投影網(wǎng)格，得到沿Y方向(沿軌方向)的格點個數(shù)N，沿Z方向(跨軌方向)的格點個數(shù)M；

跨軌方向的格點數(shù)為沿軌方向的格點數(shù)為N＝N₁+N₂+1，

式中，[]代表四舍五入取整；

投影球面空間分辨率Δ對應于參考球面上的地心張角為δ＝Δ/R_r；

在參考球面上，當視場范圍未超出臨邊(圖2(a))，跨軌視場范圍覆蓋的地心張角的一半為當視場范圍超過臨邊(圖2(b))，跨軌視場范圍覆蓋的地心張角的一半為考慮到軌道面一般并不嚴格在一個大圓面內(nèi)，為了保證時間序列內(nèi)不同軌道位置的圖像都能投影至網(wǎng)格內(nèi)，應適當增大Φ_cr，增加量ΔΦ_cr視軌道偏移情況而定，對于極軌太陽同步軌道，ΔΦ_cr一般取Φ_cr的10％即可；

如圖3所示，在沿軌方向，所有時間序列的圖像覆蓋范圍的地心張角由兩部分組成：

對于凝視成像模式(圖3(a))：

對于正向掃描模式(掃描方向與衛(wèi)星前進方向一致，如圖3(b))：

對于反向掃描模式(掃描方向與衛(wèi)星前進方向相反，如圖3(c))：

步驟三、計算投影圓盤坐標系OPC內(nèi)的網(wǎng)格點經(jīng)度矩陣、網(wǎng)格點緯度矩陣、網(wǎng)格中心點的經(jīng)度矩陣和網(wǎng)格中心點的緯度矩陣，并根據(jù)步驟一建立的投影圓盤坐標系OPC至地心坐標系GEO的轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換，將投影圓盤坐標系OPC內(nèi)的網(wǎng)格點經(jīng)度矩陣、網(wǎng)格點緯度矩陣、網(wǎng)格中心點的經(jīng)度矩陣和網(wǎng)格中心點的緯度矩陣分別轉(zhuǎn)換為地心坐標系GEO內(nèi)的網(wǎng)格點經(jīng)度矩陣、網(wǎng)格點緯度矩陣、網(wǎng)格中心點的經(jīng)度矩陣和網(wǎng)格中心點的緯度矩陣；

其中，投影圓盤坐標系OPC內(nèi)網(wǎng)格點緯度矩陣為Λ[(M+1)×(N+1)]，網(wǎng)格點經(jīng)度矩陣為Σ[(M+1)×(N+1)]，且有i＝0,1,…,M，j＝0,1,…,N。網(wǎng)格中心緯度矩陣為Λ_C[M×N]，網(wǎng)格中心經(jīng)度矩陣為Σ_C[M×N]，且有∑[i,j]＝-N₂δ+jδ，i＝0,1,…,M-1，j＝0,1,…,N-1。

步驟四、建立二維數(shù)組N_p[M×N]用于存儲格點的實際被投影像點個數(shù)和二維數(shù)組R_p[M×N]用于存儲格點的實際被投影像點的總強度值；

步驟五、圖像中某一像點P的坐標為[p_x，p_y]，像點P在儀器坐標系中的視向量為

其中，x_c、y_c分別為圖像X方向和Y方向的中心坐標；

根據(jù)儀器坐標系與衛(wèi)星坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣T₁計算像點在衛(wèi)星坐標系下的視向量

T₁根據(jù)地面標定衛(wèi)星基準立方鏡和儀器上的基準立方鏡之間的夾角計算，計算過程為現(xiàn)有技術。

步驟六、計算像點在軌道坐標系下的視向量

衛(wèi)星坐標系至軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣T₂為衛(wèi)星坐標系至軌道坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)計算，T₂表示為：

c_y＝cosθ_y,s_y＝sinθ_y,

c_r＝cosθ_r,s_r＝sinθ_r,

c_p＝cosθ_p,s_p＝sinθ_p

式中，θ_p為衛(wèi)星俯仰角、θ_r為衛(wèi)星滾動角和θ_y為衛(wèi)星偏航角。

步驟七、軌道坐標系ORB的X軸為衛(wèi)星飛行速度方向，軌道坐標系ORB的Z軸從衛(wèi)星指向地心，軌道坐標系ORB的Y軸根據(jù)右手定則確定；

提取當前圖像對應的軌道參數(shù)，令地心坐標系GEO中衛(wèi)星軌道位置為衛(wèi)星速度矢量為則軌道坐標系ORB的Z軸在地心坐標系GEO中的單位矢量為軌道坐標系ORB的X軸在地心坐標系GEO中的單位矢量為軌道坐標系ORB的Y軸在地心坐標系GEO中的單位矢量為得到軌道坐標系ORB至地心坐標系GEO的轉(zhuǎn)換矩陣T₃，T₃表示為：

然后計算像點在地心坐標系GEO下的視向量

步驟八、計算像點在投影圓盤坐標系OPC下的視向量

步驟九、如圖4所示，計算像點在投影圓盤坐標系OPC下的視向量在投影圓盤坐標系OPC參考球面上的投影點的網(wǎng)格點坐標i和j，令N_p[i,j]＝N_p[i,j]+1，R_p[i,j]＝R_p[i,j]+I，I為當前被投影像點的強度；

步驟十、步驟四中的所有像點投影完成后，對每個格點內(nèi)采用求平均值的方法獲得每個格點內(nèi)的強度，最終得到投影圖像數(shù)據(jù)矩陣、網(wǎng)格點地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)矩陣、網(wǎng)格點中心地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)矩陣。