GPS 支持下的机载SAR遥感图像无控制准实时地理定位

· ·
Z S0
···
, X S0
,
···
Y S0
···
, ZS0
,
…)
和成像参数 ( DS , m y)
,前
者容易由 GPS 记录数据推导出 。
2. 2 帧定位元素的解算
由 F. Leberl 构像方程可知 , 如果知道雷达扫
描图像每一个扫描行对应的雷达天线的瞬时坐标
( Xs , Ys , Zs) 和速度矢量 ( X S , Y S , ZS ) , 就可以确 定每一个像元与地面点的对应关系 。由于此文研
ZHU Cai2ying1 ,2 , LAN Chao2zhen2 , XU Qing2 , WAN G J in2feng1 ,CHI Tian2he1
(1. T he N ational Key L aboratory of Resources and Envi ronment Inf orm ation S ystem , Instit ute of Geographic Sci2 ence and Resources , Chi nese A cadem y of Sciences , Beiji ng 100101 , Chi na ; 2. Instit ute of S urveyi ng and M ap2 pi ng , Inf orm ation Engi neeri ng U niversity , Zhengz hou 450052 , Chi na)
Abstract : To realize t he geograp hic registration of SAR (Synt hetic Aperture Radar) image is very significant in dy2
namic supervision for natural disaster. The analytical model for calculating t he position parameters of a SAR image was studied and deduced , in which t he position vectors and t he velocity vectors of t he SAR carrier are t he input pa2 rameters provided by GPS position finder. This paper realized and tested t he near real2time geograp hic registration met hod wit h some airborne SAR images. According to t he continuity of t he eart h’s surface , t he split between 2 conjoint geograp hic registered images was eliminated automatically and efficiently. It realized t he entire geograp hic registration for t he images of t he whole flight strip . So , it is possible to supervise and to predict t he natural disaster wit h SAR remote sensing images wit h a near real2time efficiency.
究对象是机载 SAR 图像 ,遥感平台在成像过程中
受各种因素的影响 ,姿态不够稳定 ,难以用高次曲
线描述一条长航线轨迹 。所以 ,在几何纠正前 ,需
要对连续的长航带截幅 , 即依次将航带影像截成
若干帧 ,帧与帧之间在地面上是连续的 。为了拟
合相应于一帧图像的载体的飞行轨迹 , 本文采用
飞行时间 T 的三次多项式的函数来表达 Xs , Ys ,
3. 将纠正像元地面坐标 ( X , Y , Z) , 以及通 过 12 个帧定位元素计算出的相应行的瞬时摄站 坐标 ( XS , Y S , ZS ) 、速 度 ( X S , Y S , ZS ) 代 入 F. Leberl 构像方程式的线性化方程式 ,迭代计算出 对应的像片坐标 ( x , y) 。
236
测 绘 学 报 第 32 卷
2. 按照一定的纠正像元分辨率和原点的大 地坐标 ,计算出纠正后像元的地面坐标 ( X , Y ) , 若是平坦地区 , Z 值可以给定一个固定值 ;当地域 高差大于一定限差时[3 ] ,从与纠正的平面精度相 适应的 D EM 中获取高程值 Z 。
本文采用中国电子科技集团公司第十四研究所的带有gps记录仪的sar成像系统在2001月获取的陕西西安阎良地区的信号数据由中国科学院计算研究所实时成像处理板生成的图像资料研究利用一系列瞬时摄站的gps定位坐标数据速度分量来确定sar图像的帧定位元素从而实现sar图像的准实时几何变形纠正和地理定位
第 32 卷 第 3 期 2003 年 8 月
用公式 (1) 和公式 (2) 对该帧图像进行纠正计算 。
为保证纠正图像灰度纹理的连续性 ,一般采用间
接纠正法 ,其计算步ห้องสมุดไป่ตู้如下 :
1. 利用 SAR 图像上 4 个角点图像坐标 ,计
算出角点的地面坐标 ,从而确定此帧影像的地面
覆盖范围 。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
Zs ,即对式 (3) 取至 T 的三次项 。对载体飞行轨
迹的三次多项式函数求导 , 我们可以得出速度方
程。
根据载 体 飞 行 轨 迹 的 三 次 多 项 式 和 速 度 方
程 ,用一系列与 SAR 图像方位向扫描行相应的
GPS 记录的载体位置和速度矢量 ,联立条件误差
方程组 ,用最小二乘法平差解算图像的帧定位元
(1) 零多普勒条件 Xs ( X - Xs) + Ys ( Y - Ys) + Zs ( Z - Zs) 2 = 0
(2) 轨道时间多项式
Xs =
Xs0 +
Xs0
T
+
· ·
X s0
T2 +
···
X s0
T3 +
…
Ys =
Ys0 +
Ys0 T +
· ·
Y s0
T2
+
···
Y s0
T3
+
…
Zs
=
Zs0
+
Zs0
T
+
· ·
Z s0
T2
+
···
Z s0
T3 +
…
(3)
T = xδT
式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 中各符号的意义与参考文献
[1 ] , [2 ] , [ 3 ]一致 。F. Leberl 构像方程式中的帧
定位元素 ,主要是载体的飞行轨道时间多项式 (3)
· ·
· ·
中的参数 ( X S 0 , Y S 0 , ZS 0 , X S0 , Y S 0 , ZS 0 , X S 0 , Y S 0 ,
2 SAR 图像准实时地理定位原理
2. 1 SAR 图像几何纠正的数学模型
本文采用国际著名摄影测量学者 F. Leberl 提出的 F. Leberl 构像方程式[1 ,6 ] 。该公式描述了 SAR 图像坐标与相应地面点坐标之间的严密几 何关系 。具体描述为 : 距离条件 ( X - Xs) 2 + ( Y - Ys) 2 + ( Z - Zs) 2 = ( ysmy + Ds) 2
素 。这种方法至少需要帧中均匀分布的 4 个扫描
行的 GPS 记录数据组 ,但是为了较准确的描述平
台的飞行轨迹 ,每一帧影像一般需要 5～9 组 GPS
记录数据 ,本文采用了 9 组 GPS 记录数据 。
2. 3 SAR 图像间接纠正
在 SAR 成像系统获取一定时间间隔的一帧
图像后 ,即可按上述方法确定帧定位元素 ,然后使
朱彩英1 ,2 , 蓝朝桢2 , 徐 青2 ,王劲峰1 ,池天河1
(1. 中国科学院 地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室 ,北京 100101 ; 2. 信息工程大 学 测绘学院 ,河南 郑州 450052)
Geographic Registration f or Air2bome SAR Image with no Ground Control Point Supported by GPS Position Data
测 绘 学 报
ACTA GEODA ETICA et CAR TO GRAPHICA SIN ICA
Vol. 32 , No. 3 Aug. ,2003
文章编号 :100121595 (2003) 0320234205
中图分类号 : P237 文献标识码 :A
GPS 支持下的机载 SAR 遥感图像无 控制准实时地理定位
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第 3 期 朱彩英等 : GPS 支持下的机载 SAR 遥感图像无控制准实时地理定位
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1 引 言
合成 孔 径 雷 达 ( Synt hetic Apert ure Radar , SAR) 全天候 、全天时的获取遥感图像的能力 ,使 得困难条件下对自然灾害 (洪劳灾害 、森林火灾) 的评估和预测成为可能 。而只有经过地理定位的 SAR 图像 ,才能在灾害评估中发挥作用 。SAR 图 像的地理定位 ,包括对 SAR 图像的几何变形进行 纠正和地面定位两方面的技术 。传统的 SAR 图 像纠正方法主要有 :多项式纠正法 、模拟图像纠正 法 、构像方程纠正法[1 ] 。这些纠正方法都依赖于 较高精度的地面控制点 ,并且需要通过人工判读 的方法确定控制点在影像上的位置 ,因此 ,目前的 纠正方法很难实现实时自动纠正 。动态高精度 GPS 的出现 , 使得遥感图像的实时纠正成为可 能 ,利用机载 GPS 记录仪器 ,可以在摄影的同时 , 准确记录下瞬时摄站的经纬度 、高程以及载体的 速度等参数 。这些参数是 SAR 图像构像方程式 中确定地面点与像点位置关系的关键参数 ,可以 直接将像点坐标变换为相应的地面点的地理坐 标 。本文采用中国电子科技集团公司第十四研究 所的带有 GPS 记录仪的 SAR 成像系统在 2001 年 8 月获取的陕西西安阎良地区的信号数据 、由 中国科学院计算研究所实时成像处理板生成的图 像资料 ,研究利用一系列瞬时摄站的 GPS 定位坐 标数据 、速度分量来确定 SAR 图像的帧定位元 素 ,从而实现 SAR 图像的准实时几何变形纠正和 地理定位 。利用这种 SAR 图像的准实时地理定 位方法 ,可以在几小时内对洪涝灾害 、森林火灾的 发生 、发展情况作出评估 。
4. 利用原始影像上 ( x , y) 周围 4 个像元灰 度值和双线性内插的采样方法获得灰度值 ,并赋 予纠正后影像相应像元 。
2. 4 航带 SAR 纠正图像帧间的自动镶嵌
SAR 图像的纠正通常是对一帧影像进行的 , 为了便于分析应用 ,需要将纠正后相邻的若干图 像帧拼接起来 。由于雷达图像帧与帧之间的灰度 差异不大 ,所以影像镶嵌后色调上并不会出现太 大的差异 ,所以本文主要研究了如何消除 SAR 纠 正图像拼接后的裂缝 。
Key words :SAR image ; GPS position ; position parameters of a SAR image ; real time rectification ; automatic im2
age mosaic
摘 要 :合成孔径雷达遥感图像的地理定位在自然灾害的动态监测中有着重要意义 。研究并 推导出了在 GPS 定位数据支持下的有速度约束条件的机载 SAR 图像帧定位元素的解算模 型 ,实现并试验了机载 SAR 图像的准实时地理定位方法 。该方法根据同一航带的图像帧与帧 之间的地面连续性 ,自动并有效地消除了相邻帧地理定位图像之间的裂缝 ,实现了航带的整体 地理定位 ,从而使机载 SAR 遥感图像对自然灾害的评估和发展情况预测手段达到准实时效率 成为可能 。 关键词 :SAR 图像 ; GPS 定位 ;帧定位元素 ;准实时纠正 ;影像自动镶嵌
收稿日期 : 2002208222 ; 修回日期 : 2003206209 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (6989625024) ; 国家高技术研究发展 863 计划资助项目 (2001AA132011) 作者简介 :朱彩英 (19632) ,女 ,江苏昆山人 ,副教授 ,硕士 ,主要研究方向为雷达摄影测量与地理信息系统 。