一種火點檢測敏感器幾何定位方法及裝置與流程
2023-07-03 18:23:45 2
1.本發明涉及航天技術領域，特別是一種火點檢測敏感器幾何定位方法及裝置。
背景技術：
2.近年來，秸稈焚燒屢禁不止，草原和森林火災頻發，嚴重影響大氣環境和生態安全，利用衛星遙感技術進行火點檢測對於火災監測預警中的「早發現、早處置」具有重要意義。火點檢測敏感器以敏感器形式設計，造價成本低，可以搭載在各種遙感衛星上，具備在軌數量多、探測能力強、空間解析度高、時間解析度高等眾多優勢，可以廣泛應用。
3.位置信息是火點產品中最關鍵的信息之一，火點檢測敏感器高精度幾何處理是火點數據處理不可或缺的一部分，直接影響到火點產品的應用能力。陸地生態系統碳監測衛星上搭載的火點檢測敏感器是我國首個星上火點檢測敏感器，在高精度幾何處理方面沒有經驗可借鑑。
4.當前遙感影像控制點提取方法主要是基於灰度和圖像特徵。通過高精度的控制點提取算法，可從待定標影像和相應dom、dem數據中提取出大量的控制點以實現幾何定標參數的解算。熱紅外影像幾何處理過程中的控制點提取難度很大，主要原因為：1)熱紅外影像灰度分布相對集中，對比度較低，且與目標反射特性相比灰度映射差異性也較大，導致控制點提取效果較差。2)熱紅外影像解析度較低，灰度層次及邊緣特徵不明顯，另外較低的信噪比及陰影的存在將不可避免地增加特徵誤匹配的數量，從而降低控制點庫的整體精度。火點檢測數據的高精度幾何處理是全球火點一張圖處理過程中需要攻克技術難題之一。
技術實現要素：
5.本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種火點檢測敏感器幾何定位方法及裝置。
6.本發明的技術解決方案是：
7.第一方面，本發明實施例提供了一種火點檢測敏感器幾何定位方法，所述方法包括：
8.根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建所述火點檢測敏感器的成像幾何定標模型；
9.基於預先構建的誤差修正模型和所述火點檢測敏感器的成像參數，對所述成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型；
10.基於所述目標成像幾何定標模型對所述火點檢測敏感器的坐標進行正反變換處理，對所述火點檢測敏感器進行幾何定位。
11.可選地，在所述根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建所述火點檢測敏感器的成像幾何模型之前，還包括：
12.根據所述火點檢測敏感器的物理結構和所述成像機理，對衛星成像過程中全鏈路誤差的誤差特性、形成機制及其傳播機理進行分析，得到分析結果；
13.基於所述分析結果中的每一項成像誤差的誤差特性，構建得到所述誤差補償模型。
14.可選地，在所述基於預先構建的誤差修正模型和所述火點檢測敏感器的成像參數，對所述成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型之前，還包括：
15.獲取衛星遙感影像；
16.基於所述衛星遙感影像，構建在軌幾何定標模型；
17.基於所述在軌幾何定標模型，獲取所述火點檢測敏感器的成像參數。
18.可選地，在所述對所述火點檢測敏感器進行幾何定位之後，還包括：
19.基於所述火點檢測敏感器，獲取全球覆蓋的火點敏感器數據；
20.基於所述火點敏感器數據，生成全球覆蓋合成火點分布圖。
21.第二方面，本發明實施例提供了一種火點檢測敏感器的幾何定位裝置，所述裝置包括：
22.成像幾何定標模型構件模塊，用於根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建所述火點檢測敏感器的成像幾何定標模型；
23.目標幾何定標模型獲取模塊，用於基於預先構建的誤差修正模型和所述火點檢測敏感器的成像參數，對所述成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型；
24.敏感器幾何定位模塊，用於基於所述目標成像幾何定標模型對所述火點檢測敏感器的坐標進行正反變換處理，對所述火點檢測敏感器進行幾何定位。
25.可選地，所述裝置還包括：
26.分析結果獲取模塊，用於根據所述火點檢測敏感器的物理結構和所述成像機理，對衛星成像過程中全鏈路誤差的誤差特性、形成機制及其傳播機理進行分析，得到分析結果；
27.誤差補償模型構建模塊，用於基於所述分析結果中的每一項成像誤差的誤差特性，構建得到所述誤差補償模型。
28.可選地，所述裝置還包括：
29.衛星遙感影像獲取模塊，用於獲取衛星遙感影像；
30.幾何定標模型構建模塊，用於基於所述衛星遙感影像，構建在軌幾何定標模型；
31.成像參數獲取模塊，用於基於所述在軌幾何定標模型，獲取所述火點檢測敏感器的成像參數。
32.可選地，所述裝置還包括：
33.火點敏感器數據獲取模塊，用於基於所述火點檢測敏感器，獲取全球覆蓋的火點敏感器數據；
34.火點分布圖生成模塊，用於基於所述火點敏感器數據，生成全球覆蓋合成火點分布圖。
35.本發明與現有技術相比的優點在於：本發明實施例首次提出針對國產火點敏感器的高精度幾何定標方法，根據載荷特性構建成像誤差的誤差補償模型，以大氣星寬幅成像儀數據為基準，匹配特徵點，最終實現火點檢測敏感器各項成像參數的精確求解。同時，首
次提出針對國產火點敏感器的高精度幾何定位方法，引入大氣折光誤差修正模型形成顧及大氣折光的嚴密成像幾何模型，可以基於火點敏感器數據生產首張全球火點一張圖。
附圖說明
36.圖1為本發明實施例提供的一種火點檢測敏感器的幾何定位方法的步驟流程圖；
37.圖2為本發明實施例提供的一種技術流程的示意圖；
38.圖3為本發明實施例提供的一種火點檢測敏感器的幾何定位裝置的結構示意圖。
具體實施方式
39.實施例一
40.參照圖1，示出了本發明實施例提供的一種火點檢測敏感器幾何定位方法的步驟流程圖，如圖1所示，該方法可以包括以下步驟：
41.步驟101：根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建所述火點檢測敏感器的成像幾何定標模型。
42.在本發明實施例中，要解決的幾個關鍵技術問題如下：
43.(1)相機標定和畸變校正
44.構建衛星遙感影像在軌幾何定標模型如下：
[0045][0046]
上述公式(1)中，x，y為像點坐標，為3*3的方陣，分別代表衛星本體坐標繫到傳感器坐標系、j2000坐標繫到衛星本體坐標系，以及wgs84坐標繫到j2000坐標系的旋轉矩陣，x，y，z為像點對應地物點在物方坐標下的坐標矢量，x
gps
，y
gps
，z
gps
為成像投影中心坐標矢量，b
x
，by，bz為衛星本體坐標。
[0047]
建立誤差方程式，如下公式(2)所示：
[0048]vi
＝aix-l
i piꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
上述公式(2)中，li為利用內外定標參數當前值代入上式得到的常數向量；ai為誤差方程式的係數矩陣；x為外定標參數改正數dxe；pi為觀測值的權。根據以上誤差方程式迭代求解相機參數。
[0050]
(2)圖像增強
[0051]
由於熱紅外影像灰度分布相對集中，對比度較低，同時熱紅外影像解析度較低，灰度層次及邊緣特徵不明顯，匹配之前需要先對火點圖像進行圖像增強處理。
[0052]
本發明使用的圖像增強方法為直方圖均衡，因為圖像由一個個像素點組成，所以圖像直方圖均衡化是通過離散形式的累積分布函數求解的，直方圖均衡化過程中，映射方法可以如下述公式(3)所示：
[0053][0054]
直方圖均衡化的步驟如下：
[0055]
①
依次掃描原始灰度圖像的每一個像素，計算出圖像的灰度直方圖；
[0056]
②
計算灰度直方圖的累積分布函數；
[0057]
③
根據累積分布函數和直方圖均衡化原理得到輸入與輸出之間的映射關係。
[0058]
④
最後根據映射關係得到結果進行圖像變換。
[0059]
(3)圖像匹配
[0060]
本發明中使用的圖像匹配方法為sift圖像特徵匹配，在基準圖像和火點檢測圖像中得到成對匹配的特徵點，並以特徵點作為控制點，解求成像參數。sift特徵點提取的過程如下：
[0061]
①
尺度空間的極值探測
[0062]
②
關鍵點的精確定位
[0063]
③
確定關鍵點的主方向
[0064]
④
關鍵點的描述。
[0065]
在本實施例中，位置信息是火點產品中最關鍵的信息之一，火點檢測敏感器高精度幾何處理是火點數據處理不可或缺的一部分，直接影響到火點產品的應用能力。陸地生態系統碳監測衛星上搭載的火點檢測敏感器是我國首個星上火點檢測敏感器，在高精度幾何處理方面沒有經驗可借鑑。
[0066]
當前遙感影像控制點提取方法主要是基於灰度和圖像特徵。通過高精度的控制點提取算法，可從待定標影像和相應dom、dem數據中提取出大量的控制點以實現幾何定標參數的解算。熱紅外影像幾何處理過程中的控制點提取難度很大，主要原因為：1)熱紅外影像灰度分布相對集中，對比度較低，且與目標反射特性相比灰度映射差異性也較大，導致控制點提取效果較差。2)熱紅外影像解析度較低，灰度層次及邊緣特徵不明顯，另外較低的信噪比及陰影的存在將不可避免地增加特徵誤匹配的數量，從而降低控制點庫的整體精度。火點檢測數據的高精度幾何處理是全球火點一張圖處理過程中需要攻克技術難題之一。
[0067]
可以根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建火點檢測敏感器的成像幾何定標模型。
[0068]
在根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建火點檢測敏感器的成像幾何定標模型之後，執行步驟102。
[0069]
步驟102：基於預先構建的誤差修正模型和所述火點檢測敏感器的成像參數，對所述成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型。
[0070]
在構建成像幾何定標模型之後，可以基於預先構建的誤差修正模型和火點檢測敏感器的成像參數，對成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型。具體地，可以根據所述火點檢測敏感器的物理結構和所述成像機理，對衛星成像過程中全鏈路誤差的誤差特性、形成機制及其傳播機理進行分析，得到分析結果；基於所述分析結果中的每一項成像誤差的誤差特性，構建得到所述誤差補償模型。
[0071]
在具體實現中，可以根據火點檢測敏感器的物理結構及其成像機理，對衛星成像過程中全鏈路誤差的誤差特性、形成機制及其傳播機理進行理論分析。針對每一項成像誤
差的誤差特性，構建相應的誤差補償模型。在實際應用中，可以針對不同成像誤差之間的耦合性與可區分性，對各項誤差進行顯著性分析與檢驗，並針對高度耦合的誤差項進行合併處理。
[0072]
繼而，可以根據衛星成像機理，構建火點檢測敏感器精確幾何定標模型(即本示例中的目標成像幾何定標模型)。
[0073]
在得到目標成像幾何定標模型之前，還可以獲取火點檢測敏感器的成像參數。具體地，可以獲取衛星遙感影像；基於所述衛星遙感影像，構建在軌幾何定標模型；基於所述在軌幾何定標模型，獲取所述火點檢測敏感器的成像參數。
[0074]
在基於預先構建的誤差修正模型和火點檢測敏感器的成像參數，對成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型之後，執行步驟103。
[0075]
步驟103：基於所述目標成像幾何定標模型對所述火點檢測敏感器的坐標進行正反變換處理，對所述火點檢測敏感器進行幾何定位。
[0076]
在得到目標成像幾何定標模型之後，可以基於目標成像幾何定標模型對火點檢測敏感器的坐標進行正反變換處理，對火點檢測敏感器進行幾何定位。針對通用有理函數模型難以適用於火點檢測敏感器幾何處理的現狀，根據基於嚴密成像幾何模型的火點檢測敏感器坐標正反變換方法，實現火點檢測敏感器高精度幾何定位。
[0077]
在對火點檢測敏感器進行幾何定位之後，可以基於火點檢測敏感器生成全球覆蓋合成火點分布圖。具體地，可以基於所述火點檢測敏感器，獲取全球覆蓋的火點敏感器數據；基於所述火點敏感器數據，生成全球覆蓋合成火點分布圖。在具體實現中，可以選用大氣環境監測衛星寬幅成像儀長波熱紅外數據作為底圖，實現控制點匹配。利用匹配的地面控制點，實現火點檢測敏感器各項成像參數的精確求解。在滿足應用需求的基礎上，篩選可實現全球覆蓋的火點數據，並在保證全球覆蓋合成影像質量的同時，儘可能縮短所選影像的成像時間跨度，根據篩選的火點數據，可以生成高質量的全球覆蓋合成火點分布圖，具體如圖2所示。
[0078]
實施例二
[0079]
參照圖3，示出了本發明實施例提供的一種火點檢測敏感器幾何定位裝置的結構示意圖，如圖3所示，該裝置可以包括以下模塊：
[0080]
成像幾何定標模型構件模塊310，用於根據火點檢測敏感器的成像模式和成像機理，構建所述火點檢測敏感器的成像幾何定標模型；
[0081]
目標幾何定標模型獲取模塊320，用於基於預先構建的誤差修正模型和所述火點檢測敏感器的成像參數，對所述成像幾何定標模型進行優化處理，得到顧及大氣折光的目標成像幾何定標模型；
[0082]
敏感器幾何定位模塊330，用於基於所述目標成像幾何定標模型對所述火點檢測敏感器的坐標進行正反變換處理，對所述火點檢測敏感器進行幾何定位。
[0083]
可選地，所述裝置還包括：
[0084]
分析結果獲取模塊，用於根據所述火點檢測敏感器的物理結構和所述成像機理，對衛星成像過程中全鏈路誤差的誤差特性、形成機制及其傳播機理進行分析，得到分析結果；
[0085]
誤差補償模型構建模塊，用於基於所述分析結果中的每一項成像誤差的誤差特
性，構建得到所述誤差補償模型。
[0086]
可選地，所述裝置還包括：
[0087]
衛星遙感影像獲取模塊，用於獲取衛星遙感影像；
[0088]
幾何定標模型構建模塊，用於基於所述衛星遙感影像，構建在軌幾何定標模型；
[0089]
成像參數獲取模塊，用於基於所述在軌幾何定標模型，獲取所述火點檢測敏感器的成像參數。
[0090]
可選地，所述裝置還包括：
[0091]
火點敏感器數據獲取模塊，用於基於所述火點檢測敏感器，獲取全球覆蓋的火點敏感器數據；
[0092]
火點分布圖生成模塊，用於基於所述火點敏感器數據，生成全球覆蓋合成火點分布圖。
[0093]
本技術所述具體實施方式可以使本領域的技術人員更全面地理解本技術，但不以任何方式限制本技術。因此，本領域技術人員應當理解，仍然對本技術進行修改或者等同替換；而一切不脫離本技術的精神和技術實質的技術方案及其改進，均應涵蓋在本技術專利的保護範圍中。
[0094]
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。