一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法

摘要

一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法，克服传统成像方式中成像区域必须平行星下点轨迹所引起的难以对狭长目标区域有效成像的问题，提出一种采用不同方向的斜条带对狭长目标区域的连续完整覆盖成像的方法。首先将狭长目标区域简化为顺序排列的点目标，从而转化为对点目标的顺序覆盖成像问题；然后详细论述了选取能对最多目标点成像的斜条带的方法，从而得到最优的斜条带；最后通过不同方向的斜条带拼接实现对狭长目标区域的连续完整成像。本发明方法解决了对狭长目标区域的简化问题，提出了有效的采用斜条带对狭长目标区域的轨迹拼接成像方法，能够实现卫星姿态机动中对公路、海岸线等狭长目标区域的连续完整成像。

说明书

技术领域

本发明属于遥感领域，涉及一种遥感卫星对狭长目标区域进行成像的方法。

背景技术

目前，遥感卫星对地面成像时的成像区域以矩形区域为主，通常采用平行 于星下点轨迹的与卫星飞行方向相同的成像条带对矩形区域进行成像。然而， 对于一些特殊成像需求的任务，例如沿公路、沿河流、沿海岸线、沿边境线等 狭长区域目标的成像，由于目标区域形状不规则，难以用一条或同方向的多个 条带实现覆盖，或者采用同方向条带覆盖的效能比较低，例如，要完成中国东 部海岸线的覆盖，如果采用某单一方向的条带拼接覆盖需要的条带数比较多， 每一次覆盖的目标区域较少，浪费的卫星资源过大。因此需要寻求一种新的成 像方法用以实现对狭长目标区域的成像。

随着卫星技术的发展，卫星的姿态控制能力不断增强，敏捷卫星姿态机动 中的成像模式正在研究中，法国的Pleiades-HR卫星已经能够通过姿态机动实 现垂直星下点轨迹的推扫成像。姿态机动中的成像已经成为新的成像模式，这 种成像模式相对于传统成像的区别在于成像时光轴指向可以通过姿态机动来调 整，从而打破传统成像时推扫方向受卫星轨道的严格约束。动中成像的基本概 念黄群东在2012年第12期《光学精密工程》上的《姿态对地指向不断变化成 像时的像移速度计算》一文中已经有了详细描述。

根据姿态机动中成像的特点，它能够实现斜条带成像，即成像条带与星下 点轨迹成一定夹角的条带成像，通过这些不同方向的斜条带的拼接就能够实现 对狭长目标区域的完整覆盖成像，但是整个成像过程比较复杂，涉及到斜条带 的基本模型、狭长目标区域的简化以及成像条带的参数选取原则等。目前，尚 未发现采用斜条带拼接来覆盖狭长目标区域的研究及报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对遥感卫星难以对沿海岸线、河流、公路等 狭长轨迹区域进行成像的问题，首先将狭长区域离散成按一定顺序排列的点目 标，然后提出一种采用适用于动中成像的斜条带来实现最大效能连续完整覆盖 点目标的斜条带拼接成像方法，可以实现对狭长目标区域的完整拼接成像。

本发明的技术解决方案是：一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像 方法，包括如下步骤：

(1)将狭长目标区域等效为按一定顺序排列的目标点序列(T1,T2,……,Tn)；

(2)采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列(T1,T2,……,Tn)的连续 完整覆盖；所述的斜条带采用倾角i_A、升交点经度Ω_A、宽度2λ、斜条带中心线 上的起点M的地理坐标M(α_M,δ_M)和终点N的地理坐标N(α_N,δ_N)共五种参数确 定；所述斜条带中心线为从圆心过地心、半径为地球半径、倾角为i_A、升交点 赤经为Ω_A的圆周上截取的一段圆弧，圆弧的两个端点形成起点M和终点N；在 斜条带中心线所在圆平面两侧作与斜条带中心线所在圆平面平行且球面距离为 λ的两个平面与地球相交形成两个圆周，两个圆周上与斜条带中心线对应弧长 一致且球面距离为λ的两段圆弧构成斜条带的两个宽度边沿，α和δ分别表示经 度与纬度；

目标点序列中的任一目标点V能够被一个斜条带覆盖需要满足条件：x<λ、 α_M<α_V′<α_N、δ_M<δ_V′<δ_N，其中x为目标点V和对应点V’之间的弧长，V′(α_V′,δ_V′) 为对应点V’的地理坐标，从目标点V作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆 弧与斜条带中心线相交，形成目标点V在斜条带中心上的对应点V’；

(3)遥感卫星顺序对每一个斜条带从起点到终点沿斜条带中心线进行推扫 成像，得到各斜条带的成像结果；

(4)对各斜条带的成像结果进行拼接得到狭长目标区域的图像。

所述步骤(2)中采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列 (T1,T2,……,Tn)的连续完整覆盖的方法为：以单个斜条带覆盖的目标点个数最 多、相邻两个斜条带之间至少有一个公共的目标点为原则，从第一个斜条带开 始顺序确定各斜条带的参数，每一个斜条带参数的确定方法均相同，具体如下：

(21)将遥感卫星成像系统的幅宽作为斜条带宽度2λ；

(22)设定斜条带的起始倾角i₀和起始升交点经度Ω₀，计算本斜条带期望 覆盖的起始目标点T_k0到斜条带中心线的距离x；

(23)判断起始目标点T_k0是否满足覆盖条件x<λ，如果不满足覆盖条件 x<λ则转步骤(24)；如果满足覆盖条件x<λ则继续计算下一相邻的目标点到 斜条带中心线的距离，并判断其是否满足覆盖条件x<λ，直至第k₀+p点不满足 覆盖条件x<λ，记录能够覆盖的目标点的最大编号为k₀+p-1；

(24)以固定的步长改变斜条带的倾角或者升交点经度，并再次计算本斜 条带期望覆盖的起始目标点T_k0到斜条带中心线的距离x后执行步骤(23)，直至 以固定的步长遍历过所有可能的倾角和升交点经度组合后进入步骤(25)；

(25)比较得到所有的k₀+p-1的最大值，与该最大值对应的倾角和升交点 经度为该斜条带的倾角和升交点经度；

(26)从该斜条带所覆盖的起始目标点T_k0作垂直于斜条带中心线的圆心过 地心的圆弧与斜条带中心线相交，斜条带中心线上的交点作为该斜条带的起点 M，从该斜条带所覆盖的序号最大的目标点作垂直于斜条带中心线的圆心过地 心的圆弧与斜条带中心线相交，斜条带中心线上的交点作为该斜条带的终点N。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明根据狭长目标区域拼接成像的 特点，首先对狭长目标进行了适当简化，然后提出了斜条带的基本模型，最后 提出一种采用不同方向斜条带拼接对狭长目标形成连续完整覆盖成像的方法。 通过将狭长目标区域简化为顺序排列的点目标，从而将复杂的狭长区域覆盖判 定问题转化为对点目标的简单判定，并且可以对某些需要重点观测的区域进行 点目标加密处理，能够满足完整覆盖成像的要求。除此之外，本发明对传统成 像模式下的成像区域特点加以延伸，给出了与星下点轨迹成一定夹角的斜条带 基本模型，并采用星下点成像时的最小幅宽来设定动中成像的条带宽度，很大 程度上简化了因姿态机动导致的幅宽改变的计算问题。本发明根据敏捷卫星姿 态机动中成像能够实现与星下点轨迹成某一夹角的斜条带成像的特点，采用方 向不同的斜条带对狭长目标轨迹拼接成像，可以用较少的不同方向的条带实现 对狭长目标区域的连续完整覆盖成像，提高了卫星成像效能。因此，本发明解 决了对狭长目标区域的简化问题，提出了有效的采用斜条带对狭长目标区域的 轨迹拼接成像方法，为卫星姿态机动中实现对边境线、海岸线等狭长目标区域 的连续完整成像奠定了基础。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明斜条带模型及其参数示意图；

图3为本发明采用点目标序列简化狭长目标区域示意图；

图4为本发明斜条带覆盖成像的斜条带选取示意图；

图5为本发明斜条带拼接成像方法步骤示意图；

图6为本发明对中国东部海岸线轨迹成像示意图。

具体实施方式

狭长目标区域指的是地球表面宽度一般小于相机幅宽、长度较长，例如公 路、河流、海岸线等的目标区域。这些狭长区域形状不规则，用一个条带难以 进行连续完整覆盖成像，需要多个不同方向的条带进行拼接成像。

如图1所示，为本发明方法的流程框图。以下对关键步骤进行详细说明。

①斜条带模型

采用图2定义球面上的斜条带，斜条带中心为过地心的一段圆弧，用升交 点经度Ω_A与倾角i_A来定义斜条带中心的方向，斜条带中心上的M(α_M,δ_M)、 N(α_N,δ_N)表示斜条带的起点和终点，其中α、δ分别表示目标点的经度与纬度， 斜条带的幅宽定值2λ取为相机星下点成像时的幅宽。在成像过程中采用多个方 向的斜条带实现连续拼接成像。

从目标点V(α_V,δ_V)作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带中 心线相交，形成目标点V在斜条带中心上的对应点V'(α_V',δ_V')，圆弧VV’的弧长 即为任意目标点V(α_V,δ_V)到斜条带中心的距离，用x表示，为使得V点在斜条带 的覆盖区内，必须满足下面的三个条件：

x<λ  (1)

α_M<α_V'<α_N  (2)

δ_M<δ_V'<δ_N  (3)

②对狭长目标的简化

狭长目标区域可用图3a表示，宽度一般小于相机幅宽，因此可以用按一 定顺序排列的点目标来进行简化，简化后如图3b所示，记这些点为目标点 (T1,T2,……,Tn)，通过对这些点的覆盖来保证对目标区域的覆盖。这一方法可能 造成偏离点目标的区域以及斜条带衔接处目标区域的一小部分不被覆盖，但是 对于观测的重点区域可以用密集的点目标代替，从而保证对重点地区的完整覆 盖，因此，采用这种简化方法对狭长区域目标进行简化是合理可行的。

③多个斜条带拼接成像方法

采用多条不同方向的斜条带对上述点目标(T1，T2，……，Tn)进行连续完整 拼接成像，需要选择斜条带的各个参数，即斜条带的升交点经度Ω_A、倾角i_A、 起点M的地理坐标M(α_M,δ_M)和终点N的地理坐标N(α_N,δ_N)，选择的准则为：使 得每一个斜条带能够对尽量多的目标点成像。如图4所示，通过改变斜条带的 方向使得斜条带能够覆盖尽可能多的目标点，图中斜条带3覆盖的目标点多于 斜条带1和2，因此斜条带3优于斜条带1和2。

为了更具一般性，下面以进行第g个斜条带的成像为例进行说明，简称第 g景成像，具体方法和步骤如图5所示：

假设某一个斜条带成像中，以点序列(T1，T2，……，Tn)中的第j点为起始点， 第j+h为终点，这些已规划的点可以标记为顺序的点序列(T_j，T_j+1,……，T_j+h)， 为了使得斜条带之间连接在一起，使上一景规划结束的终点T_j+h为下一景的起始 点，假设为T_k0，即起始点编号k₀＝j+h。

从起始倾角i_A＝i₀开始，以di为步长进行遍历计算，斜条带的倾角i_A可以根 据成像的要求限定在一定的阈值范围内，即i_min≤i_A≤i_max。

从起始升交点经度Ω_A＝Ω₀开始，dΩ为步长进行遍历计算，斜条带的升交点 经度Ω_A可以根据成像的要求限定在一定的阈值范围内，即Ω_min≤Ω_A≤Ω_max。

在某一确定的斜条带倾角i_A＝i_s和升交点经度Ω_A＝Ω_s下，从本景的起始点T_k0点开始依次往后计算，计算在此斜条带参数下T_k0点到该斜条带中心的距离x。

如果点T_k0满足覆盖条件x<λ，则继续计算点T_k0+1，直至第k＝k₀+p点不满 足覆盖条件x<λ，记录下在i_A＝i_s、Ω_A＝Ω_s时能够覆盖点的最大编号为 m_s＝k₀+p-1＝k-1，表示在斜条带倾角i_A＝i_s和升交点经度Ω_A＝Ω_s下最多能够覆盖 到第m_s个点。

任意斜条带能覆盖的最大点个数用m_s表示，以倾角步长为di和升交点经度 步长为dΩ改变倾角和升交点经度实现对倾角和升交点经度的遍历，如果某斜条 带能覆盖到的点编号为第k点有k-1>m_s，则记录k-1的值，令m_s＝k-1，同时记 录此时的斜条带参数i_A＝i_s、Ω_A＝Ω_s。如果不满足k-1>m_s则改变一组倾角和升 交点经度寻找满足条件的斜条带。

依次类推直至以固定的步长di、dΩ遍历完所有的倾角和升交点经度，取最 终的m_s为m_g和此时的斜条带参数i_g＝i_s、Ω_g＝Ω_s，表示在规划中i_A＝i_g、Ω_A＝Ω_g时 能够最大覆盖目标区域，能覆盖到的目标点编号为m_g，第g景所覆盖的点可以 表示为(T_k0，T_k0+1,……，T_mg)。

结束该斜条带的参数选择计算，根据该斜条带信息i_g＝i_s、Ω_g＝Ω_s以及起点 T_k0和终点T_mg计算该斜条带的其它参数，包括条带的起始点与结束点坐标，条带 的长度等；过该斜条带所覆盖的起始目标点T_k0作垂直于斜条带中心线的圆心过 地心的圆弧与斜条带中心线相交，交点为斜条带中心线上的对应点，为该斜条 带的起始点M(α_M,δ_M)，同理根据斜条带所覆盖的第T_mg点得出该斜条带的终点 N(α_N,δ_N),从而使得任意目标点V满足覆盖条件α_M<α_V<α_N、δ_M<δ_V<δ_N；该斜 条带的长度即为MN的弧长。

以该斜条带的终点T_mg作为下一个斜条带的起点进行下一个斜条带的成像， 直至最后一个点目标Tn。最后一景的规划中可能会有满足覆盖的多个斜条带， 根据卫星的成像特点，一般选取与星下点轨迹夹角最小的斜条带即可。

顺序对各斜条带的成像结果进行拼接得到狭长目标区域的图像。

实施例

下面以中国东海岸线为例，阐述采用斜条带拼接覆盖狭长目标轨迹的成像 方法：

以由北向南从经纬度(117.66°，38.51°)到(115.89°，23.02°)的 长度约为2500km的中国东部海岸线长度为例，中国东部海岸线长度较长形状 不规则，难以用同一方向的条带实现覆盖成像，需采用多个斜条带进行拼接。 首先将其简化为点目标序列，如图6a所示，共简化为216个点目标，实际运 用中对某些重点区域用密集的点目标代替，以保证对重点区域的绝对覆盖，采 用本发明斜条带拼接成像方法对其进行连续拼接成像。卫星的观测幅宽 2λ＝30km，计算取倾角步长di＝0.1°，升交点经度步长dΩ＝0.1°，拼接结果如图 6b所示，规划共使用了9景斜条带完成连续完整覆盖成像。计算斜条带的各项 参数结果如表1所示。

表1斜条带参数表

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。