光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法及系统

摘要

本发明公开了一种光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法及系统，该光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法包括一地球半径补偿步骤，用于通过假设地球实际半径加上地球半径补偿量为地球半径来计算获取卫星图像中某一像元点对应的地面点的坐标。此方法不仅可以用于对SPOT-5的遥感数据进行校正，还可以针对其他的卫星遥感数据进行校正，采用本发明的方法经过大气折射补偿后的定位精度明显提高。

说明书

技术领域

本发明属于遥感图像处理技术领域，涉及一种光学遥感卫星数据地理定位 方法，特别是一种在地理定位中通过大气折射补偿提高定位精度的方法。

背景技术

随着卫星对地观测技术在空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率以及观测 模式上的不断发展，卫星遥感数据的综合定量处理、增值处理及深层次应用处 理需求日益高涨，特别是在地图测绘、多源卫星遥感数据的融合、地面目标监 测等应用处理中，卫星遥感数据的高精度几何定位问题已经成为众多遥感应用 领域亟待解决的瓶颈问题。卫星遥感数据高精度几何定位技术是卫星遥感数据 定量化处理的关键基础支撑技术之一，其精度将直接影响定量化处理及增值处 理的深度。

卫星遥感影像的地理定位，指的是确定遥感图像中每个像元所对应的地面 位置信息的过程。对于光学遥感而言，图像中的每个像元都与卫星对地观测时 的某一瞬时视场相对应，其地面位置信息包括地理经纬度、地面高度。遥感影 像高精度定位的依据是摄影测量理论，其定位的关键技术之一是建立传感器成 像的数学模型，简称为成像模型，它反映的就是地面点的地理坐标与相应像点 在像平面坐标系的像元坐标之间的数学关系。

在遥感成像过程中，由于各种原因，使得遥感影像存在一定程度的变形， 从而导致在定位时会出现误差。引起光学卫星影像的变形的因素包括卫星星历 误差、卫星姿态误差、仪器安装的系统误差、由地球曲率和地球自转引起的误 差、地形高程误差和大气折射误差。

包围地球的大气层从地面一直延伸到几千公里高度，从下到上可分为五 层：对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层。无线电波在大气层中传播时， 由于在各层中的传播速度变化而产生大气折射的效应，大气层是不均匀的，其 折射率随着高度的变化而变化，由此导致遥感影像的像元点存在位移。对于光 学卫星遥感数据的高精度定位而言，大气折射造成的误差是不可忽略的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种光学卫星遥感数据地理定位中 的大气折射补偿方法及系统，对提高光学卫星遥感数据的地理定位精度具有重 要意义。

为达到上述目的，本发明提供的光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射 补偿方法，包括一地球半径补偿步骤，用于通过对地球半径进行补偿后，再利 用常规成像模型计算获取卫星图像中某一像元点对应的地面点的坐标。

上述光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法，其特征在于，所 述对地球半径进行补偿步骤中，是通过假设地球实际半径加上地球半径补偿量 为地球半径来计算获取卫星图像中某一像元点对应的地面点的坐标的。

上述光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法，其特征在于，所 述地球半径补偿量的获取进一步包括：

像元相对于星下点方向偏转角计算步骤，用于取得光学卫星图像中的某一 像元点，利用卫星元数据计算获取该像元相对于星下点方向偏转角；

地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏转角对应关系建立步骤，用于 根据光学原理及几何学几率建立地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏 转角的对应关系；

地球半径补偿量计算步骤，根据所述地球半径补偿量与像元相对于星下点 方向偏转角对应关系，计算获取地球半径补偿量。

上述光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法，其特征在于，所 述地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏转角对应关系通过下式建立：

$h=\frac{\sin \left(\theta \right)\sin \left(\gamma \right)}{\sin \left(\beta \right)\sin (\beta +\gamma )}(R+h^{\prime })---\left(1\right)$

其中，$\beta =\arcsin \left(\frac{R+H}{\mathrm{nR}}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(2\right)$

$\gamma =\alpha -{\alpha }^{\prime }=\arcsin \left(\frac{R+H}{R+h^{\prime }}\sin \left(\lambda \right)\right)-\arcsin \left(\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(3\right)$

$\theta =\beta -{\alpha }^{\prime }=\arcsin \left(\frac{R+H}{\mathrm{nR}}\sin \left(\lambda \right)\right)-\arcsin \left(\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(4\right)$

将上述(2)、(3)、(4)式代入(1)，即得到所述地球半径补偿量 与像元相对于星下点方向偏转角对应关系；

其中，λ为该像元相对于星下点方向的偏转角，α为光线在大气层上界处 的入射角，α’为光线在大气层中的折射角，β为像元对应的地面点处的入射角， γ和θ为计算方便引入的辅助角度，H为卫星飞行高度，h’为大气层厚度，R 为地球半径，h为地球半径补偿量。

本发明进一步提供了一种应用上述光学卫星遥感数据地理定位中的大气 折射补偿方法的系统，其特征在于，包括一地球半径补偿模块，用于通过对地 球半径进行补偿后，再利用常规成像模型计算获取卫星图像中某一像元点对应 的地面点的坐标。

上述系统，其特征在于，所述地球半径补偿模块进一步包括：像元相对于 星下点方向偏转角计算单元，用于取得光学卫星图像中的某一像元点，利用卫 星元数据计算获取该像元相对于星下点方向偏转角；地球半径补偿量与像元相 对于星下点方向偏转角对应关系建立单元，用于根据光学原理及几何学几率建 立地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏转角的对应关系；地球半径补偿 量计算单元，根据所述地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏转角对应关 系，计算获取地球半径补偿量。

附图说明

图1为大气折射补偿的原理示意图；

图2为补偿半径随像元相对于星下点方向偏转角变化的曲线；

图3为本发明光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿方法的具体 实施流程示意图；

图4为本发明光学卫星遥感数据地理定位中的大气折射补偿系统的示意 框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的描述，以进一步说明书本发明的目的、方 案及功效，但所附图式并非用于限定本发明的保护范围。

本发明的目的是在光学卫星遥感数据地理定位中对大气折射造成的误差 进行补偿，从而提高地理定位精度。

为了更清楚的说明书本发明的补偿方法，首先介绍常规光学卫星遥感数据 地理定位的过程：进行遥感影像地理定位的本质就是建立遥感影像某一像素坐 标(x，y)与其对应的地面点(Lon，Lat)之间的对应关系，其中Lon、Lat分别为 地面点的经度和纬度。为了有效地进行遥感影像的地理定位，首先必须建立反 映成像过程的合适的数学模型，即成像模型，而这一成像模型也是地理定位的 理论基础，所以也称为地理定位模型。对于光学遥感卫星而言，为了能够建立 遥感影像某一像素坐标与其对应的地面点之间对应关系的解析表达式，地理定 位模型利用了光的直线传播原理。也就是说，地理定位模型的求算过程就是利 用光的直线传播，计算卫星传感器的视场中心连线与地球表面交叉点的过程。

然而，在光学卫星实际成像时，由于大气层的影响，存在一定的折射，使 得通过模型计算的点和实际的地面点存在偏差。图1为大气折射补偿的原理 示意图；如图1所示，像元P对应的地面点为A，而通过地理定位模型计算的 点为A₁，AA₁即为由于大气折射造成的定位误差。

对于中低分辨率的遥感卫星而言，大气折射造成的定位误差并不十分严 重，但是对于高分辨率遥感卫星而言，大气折射造成的定位误差不容忽略。

为了消除由于大气折射造成的定位误差，提高定位精度，有必要对大气折 射进行补偿。但是，由于受到环境、气候、温度的影响，大气层的折射率是随 时随地发生变化的，所以对其建立解析模型是不现实的。本发明从实际应用的 角度出发，提出一种可行的对于大气折射进行补偿的方法，为此本方法引入如 下基本假设：地球为半径均匀的球体，地球大气层也是均匀的。

在图1中，λ为该像元P相对于星下点方向的偏转角，α为光线在大气层 上界处的入射角，α’为光线在大气层中的折射角，β为地面点A处的入射角， γ和θ为推导方便引入的辅助角度。假设卫星飞行高度为H，大气层厚度为h’， 地球半径为R。

如图1所示，连接地心O和A并将其延长，与光的直线传播路径PA₁相 交于A₂点，A点和A₂点所对应的经纬度相同，只要用A₂点的经纬度来代替 A点的经纬度，就可以消除由于大气折射产生的误差。为了求出A₂点的经纬 度，本方法尝试对地球半径进行补偿，记补偿的高度为h。

在ΔOPB中，由正弦定律可以得到：

$\frac{\sin \left(\lambda \right)}{R+h^{\prime }}=\frac{\sin \left(\alpha \right)}{R+H}---\left(1\right)$

由(1)式可得：

$\alpha =\arcsin \left(\frac{R+H}{R+h^{\prime }}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(2\right)$

设大气层外层空间和大气层的折射率分别为n₁、n₂，那么根据光的折射定 律有：

$\frac{\sin \left(\alpha \right)}{\sin \left({\alpha }^{\prime }\right)}=\frac{n_2}{n_1}=n---\left(3\right)$

由(1)式和(3)式可以得到：

$\sin \left({\alpha }^{\prime }\right)=\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)---\left(4\right)$

由(4)式可得：

${\alpha }^{\prime }=\arcsin \left(\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(5\right)$

在ΔOAB中，由正弦定律可以得到：

$\frac{\sin \left({\alpha }^{\prime }\right)}{R}=\frac{\sin \left(\beta \right)}{R+h^{\prime }}---\left(6\right)$

由(4)式和(6)式可以得到：

$\sin \left(\beta \right)=\frac{R+H}{\mathrm{nR}}\sin \left(\lambda \right)---\left(7\right)$

由(7)式可以得到：

$\beta =\arcsin \left(\frac{R+H}{\mathrm{nR}}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(8\right)$

根据对顶角相等可以得到：

$\gamma =\alpha -{\alpha }^{\prime }=\arcsin \left(\frac{R+H}{R+h^{\prime }}\sin \left(\lambda \right)\right)-\arcsin \left(\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(9\right)$

$\theta =\beta -{\alpha }^{\prime }=\arcsin \left(\frac{R+H}{\mathrm{nR}}\sin \left(\lambda \right)\right)-\arcsin \left(\frac{R+H}{n(R+h^{\prime })}\sin \left(\lambda \right)\right)---\left(10\right)$

在ΔABA₂中，由正弦定律可以得到：

$\frac{\sin \left(\gamma \right)}{h}=\frac{\sin (\beta +\gamma )}{\mathrm{AB}}---\left(11\right)$

在ΔOAB中，由正弦定律可以得到：

$\frac{\sin \left(\theta \right)}{\mathrm{AB}}=\frac{\sin \left(\beta \right)}{R+h^{\prime }}---\left(12\right)$

由(11)式和(12)式可以得到：

$h=\frac{\sin \left(\theta \right)\sin \left(\gamma \right)}{\sin \left(\beta \right)\sin (\beta +\gamma )}(R+h^{\prime })---\left(13\right)$

将(8)式、(9)式和(10)式带入(13)式，即可得到h与该像元P相对于星下点 方向的偏转角λ的表达式。

由于(13)式为解析公式，故计算速度很快，适合实际工程应用。

(13)式表明了补偿的地球半径h随着像元P相对于星下点方向偏转角λ的 变化而变化，假设地球半径R＝6370km，卫星的飞行高度H＝780km，地球大气 层厚度h’＝85km(大气层最下面的85km占据了大气层全部质量的99％以上， 故这是一个合理的假设)，大气层的折射率n＝1.0003，则h和λ的关系如图2 所示。

由图示曲线可看出，随着λ角的增大，需要补偿的半径h越大，也就是说， 随着像元相对于星下点方向偏转角的增大，需要补偿的半径就越大。

综上所述，本发明提出的在地理定位中通过大气折射补偿提高定位精度的 方法。参考图3，其具体实施步骤如下：

步骤S10：对于光学卫星图像中的某一像元点(x，y)，其中x为列号，y为 行号，利用卫星元数据计算得到该像元相对于星下点方向偏转角。

步骤S20：根据补偿的地球半径h与像元相对于星下点方向偏转角λ的对 应关系，求出地球半径补偿的量。

步骤S30：假设地球半径为R+h，利用常规成像模型计算得到对应地面点 的坐标(Lon，Lat)。

下面以SPOT-5数据为例，说明在地理定位中进行大气折射补偿的具体方 法：

步骤一：取得SPOT-5图像中的某一像元点(x，y)，x是列号，y是行号； 求出此像元的成像时刻t＝t₀+line_period×(y-y₀)，其中t₀是遥感影像中心 行的摄影时刻，y₀是中心行的行号，line_period是每一行的扫描时间；在遥感 影像的辅助数据中读取相应的星历数据、传感器姿态角、卫星姿态角；根据传 感器的姿态角求出(x，y)所对应的CCD探元的视场矢量，从而得到该像元相对 于星下点方向偏转角λ。

步骤二：根据补偿地球半径h与像元相对于星下点方向偏转角λ的对应关 系，求出地球补偿的量。

步骤三：假设地球半径为R+h，利用常规成像模型计算视场矢量与地球表 面的交点M(X，Y，Z)；利用坐标系转换，将M(X，Y，Z)转换成地理坐标(Lon，Lat)。

经过大气补偿后的定位精度与未做大气补偿的定位精度对比如下表所示， 结果表明，经过大气折射补偿后的定位精度明显提高。

  平均经度误差(度)   平均纬度误差(度)   大气折射赔偿前   0.000172978   -1.17589e-05   大气折射赔偿后   -3.36052e-05   6.79581e-06

此方法不仅可以用于对SPOT-5的遥感数据进行校正，还可以针对其他的 卫星遥感数据进行校正。

本发明进一步提供了一种应用上述光学卫星遥感数据地理定位中的大气 折射补偿方法的系统5，参考图4，该系统5包括一地球半径补偿模块50，用 于通过对地球半径进行补偿后，再利用常规成像模型计算获取卫星图像中某一 像元点对应的地面点的坐标。该地球半径补偿模块进一步包括：像元相对于星 下点方向偏转角计算单元501，用于取得光学卫星图像中的某一像元点，利用 卫星元数据计算获取该像元相对于星下点方向偏转角；地球半径补偿量与像元 相对于星下点方向偏转角对应关系建立单元502，用于根据光学原理及几何学 几率建立地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏转角的对应关系；地球半 径补偿量计算单元503，根据所述地球半径补偿量与像元相对于星下点方向偏 转角对应关系，计算获取地球半径补偿量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不 背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作 出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权 利要求的保护范围。