專利名稱：一種寬幅星載sar快速地理編碼方法
技術領域：
本發明屬于遙感圖像處理技術領域，涉及遙感圖像地理編碼方法，特別涉及一種 寬幅星載SAR快速地理編碼方法。
背景技術：
隨著我國綜合國力和空間技術的發展，星載合成孔徑雷達作為一種工作在微波波 段的主動式遙感器，能夠不受日照和天氣條件的限制完成對地觀測，因此在農、林、地質、環 境、水文、海洋、災害、測繪與軍事等領域的應用受到越來越多的重視。作為遙感應用的重要支柱之一，高精度的星載SAR圖像地理編碼產品作為地面處 理系統最重要的產品，直接面向用戶。面對星載SAR觀測帶更寬，觀測數據龐大以及應用更 廣泛的需求，具有高精度高效率的寬幅星載SAR自動地理編碼方法成為工程研究的熱點。目前常用的星載SAR地理編碼方法可以分為兩類一種是從SAR圖像和對應的數字地圖中抽取地面控制點(GCP)進行自動匹配校正 來完成圖像地理編碼的方法。該類方法圖像定位精度高，但實現自動匹配的技術魯棒性不 高，尤其在海面、沙漠等缺乏有效地面控制點的地區難以實現。該類方法往往是從事光學遙 感的研究人員，借助攝影測量的共線方程或者多項式近似方程來實現的。另一種是利用衛星平臺及SAR等系統參數直接進行SAR圖像地理編碼。該類方法 不需要GCP，易于實現自動地理編碼。這些方法包括基于星地坐標轉換的地理編碼方法和基 于斜距多普勒定位模型的地理編碼方法。1、基于星地坐標轉換的方法基于星地坐標轉換的方法，利用星地坐標之間的6個坐標系關系，借助觀測視角 的中間變量，不需要迭代運算完成星載SAR圖像地理編碼。但該方法步驟繁瑣，而且沒有考 慮成像算法帶來的圖像變形，對寬幅的星載SAR圖像地理編碼使用性差。2、基于斜距多普勒定位模型的方法基于斜距多普勒定位模型的方法不但是一種嚴格符合星地空間幾何關系的精確 的SAR圖像地理編碼方法，而且基于多普勒方程的約束條件，有效消除成像算法中不精準 多普勒中心頻率帶來的圖像幾何變形。但該方法由三個較復雜的非線性方程構成。傳統方 法均使用數值迭代，而當初始值選取不合適時，結果可能不收斂，同時迭代處理需要消耗過 多的時間，嚴重影響SAR地理編碼的效率。而且基于斜距多普勒模型建立圖像映射關系過 程中會出現病態方程，導致星載SAR地理編碼自動流程失敗。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于斜距多普勒定位模型和多項式校正模式的寬幅 星載SAR快速地理編碼方法，利用地固坐標系下目標速度為零的特性，簡化斜距多普勒模 型構成的非線性方程組，轉化成一元四次方程，利用費拉里的求根方法，給出斜距多普勒非 線性方程組的解析解，并結合多項式校正模型，進行寬幅星載SAR地理編碼。
為實現上述目的，本發明的主要步驟如下步驟S21 提取星載SAR實圖像產品中輔助文件的相關參數；步驟S22 擬合衛星軌道曲線，獲得衛星位置速度和圖像方位時刻的關系；步驟S23 根據地像產品用途選擇地圖投影模型參數、地圖投影模型變形系 數和地像像素分辨率；步驟S24 單像素地理編碼；步驟S25 在斜距圖像上，沿距離向均勻選擇M組，沿方位向均勻選擇若干N組，共 MXN組像素點，重復步驟S24的單像素地理編碼；步驟S26 根據多項式校正模型，用步驟S25得到的若干組斜距圖像像素和地 像像素，計算多項式的參數；步驟S27 根據步驟S^得到的多項式參數，依次計算地像每個像素對應的圖 像像素，然后使用雙線性插值法對圖像進行重采樣。步驟S28:格式化輸出。所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法中，所述步驟S25中的M組多于4組，N組 多于3組，具體可以根據星載SAR斜距圖像的幅寬進行調整，若幅寬小于或等于50X50公 里，M組為6組，N組為4組，共6X4 = M組像素即可。所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法中，所述步驟S26中的多項式校正模型為 三次多項式校正模型，具體如下i = a0+a1E+a2N+a3EN+a4E2+a5N2+a6E2N+a7EN2+a8E3+a9N3j = b0+b1E+b2N+b3EN+b4E2+b5N2+b6E2N+b7EN2+b8E3+b9N3在SM單像素地理編碼中，給出斜距多普勒非線性方程組的解析解，具體步驟如 下步驟Sll 獲取建立斜距多普勒非線性方程組的相關參數步驟S12 利用地固坐標系下目標速度為零的特性，簡化斜距多普勒模型構成的 非線性方程組，通過分別將斜距方程和多普勒中心頻率方程聯立及多普勒中心頻率方程和 地球模型方程聯立，轉化成目標矢量y軸(Rty)的一元四次方程。步驟S13 利用費拉里求根方法，求解步驟S12構建的一元四次方程，并根據視角 方向選擇Rty的有效解。步驟S14 將步驟S13的解代入表達式，并根據視角方向選擇目標矢量χ軸(Rtx) 的有效解。步驟S15 將步驟S13的解和步驟S14的解代入多普勒中心頻率方程，得到目標矢 量ζ軸(Rtz)的解。本發明的有益效果本發明中推導的斜距多普勒非線性方程組的解析解，解決了傳統迭代方法需要設 置初始值的問題，避免了迭代運算和不合適的初始值導致無法收斂的缺陷，減少星載SAR 地理編碼模塊的輸入接口，提高可靠性。本發明采用的斜距多普勒模型，避免了繁瑣的六坐標轉換，星地幾何關系更加準 確；處理精度不但不會受到衛星姿態參數的影響，而且充分利用成像處理中的多普勒參數， 有效校正成像處理使用有誤差的多普勒參數帶來的成像幾何變形。
本發明采用的三次多項式校正模型，既保證了斜距多普勒模型的定位精度，又簡 化了斜距多普勒模型逆運算的處理流程，提高了地理編碼效率。本發明結合了斜距多普勒模型和三次多項式校正模型，不但充分考慮成像處理帶 來的幾何畸變，而且處理流程模塊化強，效率高，適合數據量大、自動處理的需要，有利于計 算機或其它專用設備實現。
圖1是本發明基于斜距多普勒定位模型和多項式校正模型的寬幅星載SAR快速地 理編碼方法的完整流程圖；圖2是本發明星載SAR圖像地理編碼示意圖；圖3是本發明斜距多普勒(RD)模型組成的非線性方程組的解析解推導流程圖；圖4是本發明求解斜距多普勒(RD)非線性方程組的流程圖；圖5是本發明單像素地理編碼流程圖；圖6是本發明基于斜距多普勒定位模型和多項式校正模型的寬幅星載SAR快速地 理編碼方法的基本步驟圖；圖7、圖8和圖9是本發明實施例的效果示意圖，其中圖7a是SAR的斜距圖像(圖像大小為距離向5088 X方位向18432)，圖7b是SAR 地理編碼后的地像(圖像大小為指東9539X指北7454)；圖9a和圖9b是本發明的SAR地像和google earth上的光學地圖在相同地 圖投影坐標系下比較。圖中符號說明如下λ =SAR的工作波長；fd 多普勒中心頻率；R 斜距；Rsx 衛星χ方向位置；Rsy 衛星 y方向位置；Rsz 衛星ζ方向位置；Vsx 衛星χ方向速度；Vsy 衛星y方向速度；Vsz 衛星ζ方 向速度；Rtx 目標χ方向位置；Rty 目標y方向位置；Rtz 目標ζ方向位置。
具體實施例方式星載SAR地理編碼是將SAR原始回波信號經過成像處理后得到的斜距圖像，按照 某種通用的地圖投影方式，投影到以地圖坐標系(指東指北)的圖像過程。在該過程中，需 要進行圖像像素的精確定位，并對圖像幾何畸變進行校正，從而得到符合制圖標準的具有 地理信息的圖像，以便于人們對SAR圖像進行理解和判讀。本發明提供的基于斜距多普勒定位模型和多項式校正模式的寬幅星載SAR快速 地理編碼方法，利用地固坐標系下目標速度為零的特性，簡化斜距多普勒模型構成的非線 性方程組，轉化成一元四次方程，利用費拉里的求根方法，給出斜距多普勒非線性方程組的 解析解，并結合多項式校正模型，進行寬幅星載SAR地理編碼。首先給出權利要求5中斜距多普勒非線性方程組的解析解的具體步驟為步驟Sll 獲取參數。獲取建立斜距多普勒非線性方程組的參數，包括圖像產品 某像素(i，j)對應的斜距值r，多普勒中心頻率fd，衛星位置矢量足.=[i 、T,i^,i^:r，衛星 速度矢量& =，以及圖像產品對應的波長λ，擬采用的地球模型[民，Rp]。步驟S12 計算一元四次方程系數變量的數值大小。將Sll中的斜距多普勒非線性方程組的參數代入如下表達式，計算得到一元四次方程
權利要求
1.一種寬幅星載SAR快速地理編碼方法，主要步驟如下 步驟S21 提取星載SAR實圖像產品中輔助文件的相關參數；步驟S22 擬合衛星軌道曲線，獲得衛星位置速度和圖像方位時刻的關系； 步驟S23 根據地像產品用途選擇地圖投影模型參數、地圖投影模型變形系數和 地像像素分辨率；步驟S24 單像素地理編碼；步驟S25 在斜距圖像上，沿距離向均勻選擇M組，沿方位向均勻選擇若干N組，共MXN 組像素點，重復步驟S24的單像素地理編碼；步驟S26 根據多項式校正模型，用步驟S25得到的若干組斜距圖像像素和地像像 素，計算多項式的參數；步驟S27 根據步驟S^得到的多項式參數，依次計算地像每個像素對應的圖像像 素，然后使用雙線性插值法對圖像進行重采樣； 步驟S28 格式化輸出。
2.根據權利要求1所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S25中的M 組多于4組，N組多于3組。
3.根據權利要求1或2所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S25中 的M組為6組，N組為4組。
4.根據權利要求1所述的寬幅星載SAR快速地理編碼方法，其中，所述步驟S^的多項 式校正模型為三次多項式i = ao+aiE+a^+agEN+a^'+asN'+agE'N+a^N'+agE'+agN3 j = b0+b1E+b2N+b3EN+b4E2+b5N2+b6E2N+b7EN2+b8E3+b9N3
5.在權利要求1所述的步驟SM單像素地理編碼中，給出斜距多普勒非線性方程組的 解析解，具體步驟如下步驟Sll 獲取建立斜距多普勒非線性方程組的相關參數；步驟S12 利用地固坐標系下目標速度為零的特性，簡化斜距多普勒模型構成的非線 性方程組，通過分別將斜距方程和多普勒中心頻率方程聯立及多普勒中心頻率方程和地球 模型方程聯立，轉化成目標矢量y軸的一元四次方程；步驟S13 利用費拉里求根方法，求解步驟S12構建的一元四次方程，并根據視角方向 選擇目標矢量y軸的有效解；步驟S14 將步驟S13的解代入表達式，并根據視角方向選擇目標矢量χ軸的有效解； 步驟S15 將步驟S13的解和步驟S14的解代入多普勒中心頻率方程，得到目標矢量ζ 軸的解。
全文摘要
本發明將嚴格符合星地空間幾何關系的斜距多普勒定位模型和基于GCP發展的遙感圖像多項式校正模型進行了整合，得到一套快速星載SAR圖像地理編碼方法框架，不但簡化了傳統星載SAR地理編碼的流程，提高寬幅星載SAR地理編碼的效率，而且有效消除了SAR成像算法中不精準多普勒中心頻率帶來的幾何變形。本發明在單像素地理編碼中，給出了斜距多普勒非線性方程組的代數解析解，解決了傳統斜距-多普勒(RD)定位模型使用數值迭代方法面臨的初始值選取的問題。本發明是一種新的快速星載SAR地理編碼的方法，能廣泛應用于星載SAR圖像地理編碼。
文檔編號G01S7/295GK102129066SQ20101003411
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月13日 優先權日2010年1月13日
發明者劉佳音, 洪文 申請人:中國科學院電子學研究所