基于薄板樣條函數(shù)的HY-1B衛(wèi)星L1B數(shù)據(jù)幾何校正方法研究

1、基于薄板樣條函數(shù)的HY-1B衛(wèi)星L1B數(shù)據(jù)幾何校正方法研究第28卷第5期2021年10月海洋通報(bào)MARINESCIENCEBULLETIN,o1.28.No.50ct.2021基于薄板樣條函數(shù)的HY一1B衛(wèi)星LIB數(shù)據(jù)幾何校正方法研究彭海龍,鄒斌,劉士斌,(1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中11,北京100081;2.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心,北京100086)摘要:將HY-IBLIB產(chǎn)品中已有的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)抽樣作為控制點(diǎn),根據(jù)控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和經(jīng)緯度坐標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,基于薄板樣條函數(shù)的坐標(biāo)變換關(guān)系對(duì)HY-1BL1B數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正.并與陸地矢量邊界進(jìn)行了比較,結(jié)果說(shuō)明該方法能較好地完成HY-

2、1B衛(wèi)星LIB數(shù)據(jù)的幾何校正.關(guān)鍵詞:HY-1B;薄板樣條函數(shù);幾何校正中圖分類號(hào):TP751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10016932(2021)050106-042007年4月l1日中圍發(fā)射的HY.1B衛(wèi)星是中國(guó)第一顆海洋衛(wèi)星HY.1A的后續(xù)星,其有效載荷為一臺(tái)十波段水色水溫掃描儀(COCTS)和一臺(tái)四波段海岸帶成像儀(CZI).該衛(wèi)星是在HY一1A衛(wèi)星根底上研制的,除波段的增益和中心波長(zhǎng)位置有所變化外,其根本特性參數(shù)和掃描機(jī)制與HY一1A衛(wèi)星相似,其觀測(cè)能力和探測(cè)精度進(jìn)一步得到增強(qiáng)和提高.HY一1B衛(wèi)星主要是用于探測(cè)葉綠素,懸浮泥沙,可溶有機(jī)物及海洋外表溫度等要素和進(jìn)行海岸帶動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè).

3、HYlB衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用HDF(HierarchicalDataFormat)4.2格式,HDF數(shù)據(jù)格式是美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(NCSA)于1987年開發(fā)的一套文件格式,它將多種類型的數(shù)據(jù),例如圖像接收數(shù)據(jù),地理位置,軌道參數(shù)和儀器噪聲等全部存儲(chǔ)在一個(gè)HDF文件中.HY一1B按接收和處理過(guò)程又可分為L(zhǎng)0,L1A,L1B,L2A,L2B,L2C和L3級(jí)等產(chǎn)品.對(duì)HY一1B數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其中幾何校正是進(jìn)一步處理和定量研究的重要根底之一.HY.1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)輻射校正之后生成L1B產(chǎn)品,LIB產(chǎn)品的HDF文件中已經(jīng)包含有經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù),可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行衛(wèi)星影像的幾何校正.本文基于抽樣

4、后的經(jīng)緯度坐標(biāo)作為已有控制點(diǎn),使用薄片樣條變換函數(shù)方法進(jìn)行了HY一1B衛(wèi)星LIB影像的幾何校正,并將校正結(jié)果與陸地矢量邊界進(jìn)行了比較.1HY_1BL1B影像幾何校正方法1.1Hy-1BLIB影像與經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)坐標(biāo)對(duì)利用HDF文件中所包含的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)進(jìn)行幾何校正,首先需要建立控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和經(jīng)緯度坐標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,HY一1BLIB的圖像坐標(biāo)和經(jīng)緯坐標(biāo)間不是一一對(duì)應(yīng)的,分辨率1100m的HY一1BCOCTS圖像中每條掃描行圖像像元數(shù)為1664,每條掃描行有166個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì),第一個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)對(duì)應(yīng)圖像像元號(hào)為7,以后每隔10個(gè)像元點(diǎn)給出一個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì),分辨率250m的HY一1BCZI

5、圖像中每條掃描行圖像像元數(shù)為2048,每條掃描行有102個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì),第一個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)對(duì)應(yīng)圖像像元號(hào)為14,以后每隔20個(gè)像元點(diǎn)給出一個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì),根據(jù)上述關(guān)系可以確定圖像坐標(biāo)即像元行列值與經(jīng)緯度坐標(biāo)問(wèn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.由于HDF文件中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)圖像上的坐標(biāo)位置排列規(guī)那么,將此經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣,抽樣為20列×40行的矩陣為控制點(diǎn)(cP)矩陣.如果圖像的最后一行所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)未包含在控制點(diǎn)(CP)矩陣中,需單獨(dú)對(duì)最后一行經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣并參加到控制點(diǎn)(CP)矩陣中,同樣需要將圖像第一列和最后一列所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣并參加到控制點(diǎn)(CP)矩陣中.圖1(a)為收稿日期:

6、20210407收修改稿日期:202107.295期彭海龍等:基于薄板樣條函數(shù)的HY-1B衛(wèi)星L1B數(shù)據(jù)幾何校正方法研究107控制點(diǎn)(CP)矩陣在影像坐標(biāo)系的位置圖.圖l(b)為控制點(diǎn)(CP)矩陣在影像坐標(biāo)系局部放大圖,可以看到控制點(diǎn)均勻的分布影像上.圖1(c)為控制點(diǎn)(cP)矩陣在WGS84坐標(biāo)系下,等經(jīng)緯度投影的幾何位置圖.(a)(b)(c)圖11.1KmHY-IBCOCTSL1B抽樣控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和經(jīng),緯度坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(a)控制點(diǎn)矩陣在影像坐標(biāo)系的位置圖;(b)控制點(diǎn)矩陣在影像坐標(biāo)系局部放大圖;(c)控制點(diǎn)矩陣在WGS84坐標(biāo)系下,等經(jīng)緯度投影的的幾何位置圖Fig.1Correspo

7、ndingrelationshipfroml,1KmHY一1BCOCTSL1BsamplingcontrolpOintimagecoordinatestolatitudeandlongitudecoordinates1.2薄板樣條函數(shù)變換式有了控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和經(jīng),緯坐標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,就可以近似地確定所給的圖像坐標(biāo)系和應(yīng)輸出的地圖坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換式.坐標(biāo)變換式經(jīng)常采用圖像仿射變換,Polynomial多項(xiàng)式變換,徑向基函數(shù)(radialbasisfunction,aBE)變換等變換模型.薄板樣條函數(shù)(thinplatespline,TPS)是最常用的具有代表性的徑向基函數(shù),薄板樣條曲線插值

8、特定的點(diǎn)使其最小化一個(gè)近似曲率,其函數(shù)形式如下:'=fx(X,)=a0+Ix+a2+(JI(,)一(,)II),(1)i=IY'=L(x,)=bo+blx+b2y+(II,y)-(xi,)II),(2)i=1式中:,是源影像中的點(diǎn),(',Y')是幾何校正后影像中對(duì)應(yīng)的位置;a0,a1,a2和bo,b1,b2是仿射變換系數(shù);,是第i個(gè)對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)對(duì)的系數(shù);(,Y)是原影像中定義的一個(gè)控制點(diǎn);(.)是TPS核函數(shù),其采用如下形式:(r)=rlogr(3)式(1)和(2)中的多項(xiàng)式項(xiàng)(口0+alx+a2y)和(bo+x+b2Y)采用仿射變換,一種線性變形.另一方面,等式中

9、的和項(xiàng)為非線性變形.由于TPS等式中包含了2(+3)個(gè)未知數(shù)(ao,口1,a,bo,b2,和),我們?cè)谶M(jìn)行影像幾何校正之前必須首先確定這些未知數(shù).然而,我們僅有個(gè)對(duì)應(yīng)的錨點(diǎn)對(duì),因此有2N個(gè)等式.這就產(chǎn)生了一個(gè)病態(tài)線性方程求解問(wèn)題,要解這個(gè)方程,必須強(qiáng)SUCH入下面兩套額外的約束方程:(4)(5)0=0I0=0II日O=O=X瑚108海洋通報(bào)28卷式中:未知系數(shù)(口o,al,a2,b0,bl,b2,和)可從控制點(diǎn)的圖像坐標(biāo)值和地圖坐標(biāo)值中根據(jù)最小二乘法求出.1.3影像灰度重采樣一旦確定了未知系數(shù),就可以完成幾何校正了.可以對(duì)原影像中的每一個(gè)像元運(yùn)用式(1)和式(2)得到校正后的影像.然而,前向映

10、射不能產(chǎn)生很好的結(jié)果,因?yàn)樵谛Ｕ蟮挠跋裰袝?huì)有很多孔洞.實(shí)際工作中,使用后向映射的方法使校正后的影像中的每一個(gè)像元位置到源影像和前面的孔洞.X=,Y'),Y=',Y')(6)和能通過(guò)互換(X,Y)和(X.,Y.)確定,在式(1)和(2)中使用校正后的影像中的錨點(diǎn)(,Y)替換源影像中的錨點(diǎn)(X,Y).使用后向映射的方法,校正后的影像中的任意像素都能在源影像中找到它的位置,灰度值由源影像對(duì)應(yīng)像素的灰度值確定.對(duì)式(6)進(jìn)行位置映射能定位到源影像的亞像素,因此需要采用影像灰度的雙線性插值.2算法試驗(yàn)利用薄板樣條函數(shù)幾何校正方法在根本配置CPU2.83GHz,2.00GB內(nèi)存的

11、計(jì)算機(jī)上對(duì)2021年7月(c)(d)圖21.1KmHY.1BCOCTSL1B影像TPS幾何糾正結(jié)果及局部效果圖(a)軌道號(hào)6437利用TPS幾何校正結(jié)果;(b)軌道號(hào)6437幾何校正的局部效果;(C)軌道號(hào)6893利用TPS幾何校正結(jié)果;(d)軌道號(hào)6893幾何校正的局部效果Fig.2WholeandpartialeffectofGeometricCorrectionfor1.1KmHYlBCOCTSLIBimagebasedonTPS5期彭海龍等:基于薄板樣條函數(shù)的HY-1B衛(wèi)星L1B數(shù)據(jù)幾何校正方法研究1095日02:00:20(UTC)包含中國(guó)沿海地區(qū)軌道號(hào)6437的1.1km分辨率CO

12、CTSLIB影像H1BCLR080705022006437.L1B.HDF文件和2021年8月6日02:00:47(UTC)境外澳大利亞沿海地區(qū)軌道號(hào)6893的1.1km分辨率COCTSL1B影像1BCLD080806O24706893.LIB.HDF進(jìn)行了幾何校正.幾何校正的投影方式采用了氣象,海洋學(xué)中常用的等經(jīng)緯度投影,這種投影越向兩極地區(qū)圖像變形越大,因此適用于中低緯地區(qū),符合對(duì)大范圍研究的要求.圖像均為假彩色RGB合成圖(R:通道6,G:通道7,B:通道3),經(jīng)緯度抽樣矩陣選取為20列×40行,軌道號(hào)為6437的含中國(guó)沿海地區(qū)影像,校正前的圖像大小均為l664×62

13、96個(gè)象素點(diǎn),校正后的圖像大小為5128×6216個(gè)象素點(diǎn),校正時(shí)間約2min6S,校正后的與矢量疊加的圖像如圖2(a)所示,局部圖像如圖2fb)所示.通過(guò)局部圖像同矢量疊加的結(jié)果可以看出,幾何校正結(jié)果同中國(guó)陸地邊界較好的重合.軌道號(hào)為6893的境外澳大利亞沿海地區(qū)影像,校正前的圖像大小均為1664×6295個(gè)象素點(diǎn),校正后的圖像大小為4650×6287個(gè)象素點(diǎn),校正時(shí)間約為1min57S,校正前的圖像如圖I(a)所示;校正后的圖像如圖2(c)所示,局部圖像如圖2(d)所示.通過(guò)局部圖像同矢量疊加的結(jié)果同樣可以看出,幾何校正結(jié)果同澳大利亞的陸地輪廓重合較好.3結(jié)論

14、由于本文沒(méi)有采用地面控制點(diǎn),而是用HY.1BL1B數(shù)據(jù)提供的空間定位數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正,其空間定位采用的是WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng),因此HY一1BLIB影像的幾何校正精度主要取決于探測(cè)器對(duì)空間定位的精度.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,使用TPS可以得到較好的幾何校正結(jié)果.通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)抽樣矩陣為20列×40行時(shí),其幾何校正速度和效果都比較滿意,提高抽樣矩陣行列值對(duì)幾何校正精度提高無(wú)明顯效果,但當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量比較多的時(shí)侯,其計(jì)算可能會(huì)非常耗時(shí).參考文獻(xiàn):1郭廣猛.關(guān)于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾俐校正方法J.遙感信息2002(3):2728.【21韓崇昭,朱洪艷,等著.多源信息融合M】.清華大學(xué)出版社.200

15、6f3J蔣耿明,劉榮高,牛錚,等.MODIS1B數(shù)據(jù)幾何糾正方法研究和軟件實(shí)現(xiàn)fJ7.遙感,2004,8(2):7884f4付必濤,等.MODIS數(shù)據(jù)幾何校正算法設(shè)計(jì)及其IDL實(shí)現(xiàn)J.遙感信息2007(2):2123.5葉晶,嚴(yán)衛(wèi),等.利用加權(quán)平均法進(jìn)行多軌MODIS數(shù)據(jù)拼圖J1.遙感信息2007(1):27.28.作者簡(jiǎn)介:彭海龍(1976),男,碩士,副研究員,主要從事海洋遙感與地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用研究.電子郵箱: GeometriccorrectionforHY-1BLIBdatabasedonthethinplatesplinemethodPENGHai

16、long,ZOUBin,L1-UShi.bin(1.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China2.TheCenterforEarthObservationandDigitalEarth,Seijing100086,China)Abstract:UsingcorrespondingrelationshipofimagecoordinatesandlatitudeandlongitudecoordinatesofcontrolpointswhichsampledfromHY一1BL1Bproduct,geometriccorrectionforHY一1BL1BdatabasedontheThinplateSplinefunction