专利名称：一种宽幅星载sar快速地理编码方法
技术领域：
本发明属于遥感图像处理技术领域，涉及遥感图像地理编码方法，特别涉及一种 宽幅星载SAR快速地理编码方法。
背景技术：
随着我国综合国力和空间技术的发展，星载合成孔径雷达作为一种工作在微波波 段的主动式遥感器，能够不受日照和天气条件的限制完成对地观测，因此在农、林、地质、环 境、水文、海洋、灾害、测绘与军事等领域的应用受到越来越多的重视。作为遥感应用的重要支柱之一，高精度的星载SAR图像地理编码产品作为地面处 理系统最重要的产品，直接面向用户。面对星载SAR观测带更宽，观测数据庞大以及应用更 广泛的需求，具有高精度高效率的宽幅星载SAR自动地理编码方法成为工程研究的热点。目前常用的星载SAR地理编码方法可以分为两类一种是从SAR图像和对应的数字地图中抽取地面控制点(GCP)进行自动匹配校正 来完成图像地理编码的方法。该类方法图像定位精度高，但实现自动匹配的技术鲁棒性不 高，尤其在海面、沙漠等缺乏有效地面控制点的地区难以实现。该类方法往往是从事光学遥 感的研究人员，借助摄影测量的共线方程或者多项式近似方程来实现的。另一种是利用卫星平台及SAR等系统参数直接进行SAR图像地理编码。该类方法 不需要GCP，易于实现自动地理编码。这些方法包括基于星地坐标转换的地理编码方法和基 于斜距多普勒定位模型的地理编码方法。1、基于星地坐标转换的方法基于星地坐标转换的方法，利用星地坐标之间的6个坐标系关系，借助观测视角 的中间变量，不需要迭代运算完成星载SAR图像地理编码。但该方法步骤繁琐，而且没有考 虑成像算法带来的图像变形，对宽幅的星载SAR图像地理编码使用性差。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种严格符合星地空间几何关系的精确 的SAR图像地理编码方法，而且基于多普勒方程的约束条件，有效消除成像算法中不精准 多普勒中心频率带来的图像几何变形。但该方法由三个较复杂的非线性方程构成。传统方 法均使用数值迭代，而当初始值选取不合适时，结果可能不收敛，同时迭代处理需要消耗过 多的时间，严重影响SAR地理编码的效率。而且基于斜距多普勒模型建立图像映射关系过 程中会出现病态方程，导致星载SAR地理编码自动流程失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于斜距多普勒定位模型和多项式校正模式的宽幅 星载SAR快速地理编码方法，利用地固坐标系下目标速度为零的特性，简化斜距多普勒模 型构成的非线性方程组，转化成一元四次方程，利用费拉里的求根方法，给出斜距多普勒非 线性方程组的解析解，并结合多项式校正模型，进行宽幅星载SAR地理编码。
为实现上述目的，本发明的主要步骤如下步骤S21 提取星载SAR实图像产品中辅助文件的相关参数；步骤S22 拟合卫星轨道曲线，获得卫星位置速度和图像方位时刻的关系；步骤S23 根据地像产品用途选择地图投影模型参数、地图投影模型变形系 数和地像像素分辨率；步骤S24 单像素地理编码；步骤S25 在斜距图像上，沿距离向均勻选择M组，沿方位向均勻选择若干N组，共 MXN组像素点，重复步骤S24的单像素地理编码；步骤S26 根据多项式校正模型，用步骤S25得到的若干组斜距图像像素和地 像像素，计算多项式的参数；步骤S27 根据步骤S^得到的多项式参数，依次计算地像每个像素对应的图 像像素，然后使用双线性插值法对图像进行重采样。步骤S28:格式化输出。所述的宽幅星载SAR快速地理编码方法中，所述步骤S25中的M组多于4组，N组 多于3组，具体可以根据星载SAR斜距图像的幅宽进行调整，若幅宽小于或等于50X50公 里，M组为6组，N组为4组，共6X4 = M组像素即可。所述的宽幅星载SAR快速地理编码方法中，所述步骤S26中的多项式校正模型为 三次多项式校正模型，具体如下i = a0+a1E+a2N+a3EN+a4E2+a5N2+a6E2N+a7EN2+a8E3+a9N3j = b0+b1E+b2N+b3EN+b4E2+b5N2+b6E2N+b7EN2+b8E3+b9N3在SM单像素地理编码中，给出斜距多普勒非线性方程组的解析解，具体步骤如 下步骤Sll 获取建立斜距多普勒非线性方程组的相关参数步骤S12 利用地固坐标系下目标速度为零的特性，简化斜距多普勒模型构成的 非线性方程组，通过分别将斜距方程和多普勒中心频率方程联立及多普勒中心频率方程和 地球模型方程联立，转化成目标矢量y轴(Rty)的一元四次方程。步骤S13 利用费拉里求根方法，求解步骤S12构建的一元四次方程，并根据视角 方向选择Rty的有效解。步骤S14 将步骤S13的解代入表达式，并根据视角方向选择目标矢量χ轴(Rtx) 的有效解。步骤S15 将步骤S13的解和步骤S14的解代入多普勒中心频率方程，得到目标矢 量ζ轴(Rtz)的解。本发明的有益效果本发明中推导的斜距多普勒非线性方程组的解析解，解决了传统迭代方法需要设 置初始值的问题，避免了迭代运算和不合适的初始值导致无法收敛的缺陷，减少星载SAR 地理编码模块的输入接口，提高可靠性。本发明采用的斜距多普勒模型，避免了繁琐的六坐标转换，星地几何关系更加准 确；处理精度不但不会受到卫星姿态参数的影响，而且充分利用成像处理中的多普勒参数， 有效校正成像处理使用有误差的多普勒参数带来的成像几何变形。
本发明采用的三次多项式校正模型，既保证了斜距多普勒模型的定位精度，又简 化了斜距多普勒模型逆运算的处理流程，提高了地理编码效率。本发明结合了斜距多普勒模型和三次多项式校正模型，不但充分考虑成像处理带 来的几何畸变，而且处理流程模块化强，效率高，适合数据量大、自动处理的需要，有利于计 算机或其它专用设备实现。
图1是本发明基于斜距多普勒定位模型和多项式校正模型的宽幅星载SAR快速地 理编码方法的完整流程图；图2是本发明星载SAR图像地理编码示意图；图3是本发明斜距多普勒(RD)模型组成的非线性方程组的解析解推导流程图；图4是本发明求解斜距多普勒(RD)非线性方程组的流程图；图5是本发明单像素地理编码流程图；图6是本发明基于斜距多普勒定位模型和多项式校正模型的宽幅星载SAR快速地 理编码方法的基本步骤图；图7、图8和图9是本发明实施例的效果示意图，其中图7a是SAR的斜距图像(图像大小为距离向5088 X方位向18432)，图7b是SAR 地理编码后的地像(图像大小为指东9539X指北7454)；图9a和图9b是本发明的SAR地像和google earth上的光学地图在相同地 图投影坐标系下比较。图中符号说明如下λ =SAR的工作波长；fd 多普勒中心频率；R 斜距；Rsx 卫星χ方向位置；Rsy 卫星 y方向位置；Rsz 卫星ζ方向位置；Vsx 卫星χ方向速度；Vsy 卫星y方向速度；Vsz 卫星ζ方 向速度；Rtx 目标χ方向位置；Rty 目标y方向位置；Rtz 目标ζ方向位置。
具体实施例方式星载SAR地理编码是将SAR原始回波信号经过成像处理后得到的斜距图像，按照 某种通用的地图投影方式，投影到以地图坐标系(指东指北)的图像过程。在该过程中，需 要进行图像像素的精确定位，并对图像几何畸变进行校正，从而得到符合制图标准的具有 地理信息的图像，以便于人们对SAR图像进行理解和判读。本发明提供的基于斜距多普勒定位模型和多项式校正模式的宽幅星载SAR快速 地理编码方法，利用地固坐标系下目标速度为零的特性，简化斜距多普勒模型构成的非线 性方程组，转化成一元四次方程，利用费拉里的求根方法，给出斜距多普勒非线性方程组的 解析解，并结合多项式校正模型，进行宽幅星载SAR地理编码。首先给出权利要求5中斜距多普勒非线性方程组的解析解的具体步骤为步骤Sll 获取参数。获取建立斜距多普勒非线性方程组的参数，包括图像产品 某像素(i，j)对应的斜距值r，多普勒中心频率fd，卫星位置矢量足.=[i 、T,i^,i^:r，卫星 速度矢量& =，以及图像产品对应的波长λ，拟采用的地球模型[民，Rp]。步骤S12 计算一元四次方程系数变量的数值大小。将Sll中的斜距多普勒非线性方程组的参数代入如下表达式，计算得到一元四次方程
权利要求
1.一种宽幅星载SAR快速地理编码方法，主要步骤如下 步骤S21 提取星载SAR实图像产品中辅助文件的相关参数；步骤S22 拟合卫星轨道曲线，获得卫星位置速度和图像方位时刻的关系； 步骤S23 根据地像产品用途选择地图投影模型参数、地图投影模型变形系数和 地像像素分辨率；步骤S24 单像素地理编码；步骤S25 在斜距图像上，沿距离向均勻选择M组，沿方位向均勻选择若干N组，共MXN 组像素点，重复步骤S24的单像素地理编码；步骤S26 根据多项式校正模型，用步骤S25得到的若干组斜距图像像素和地像像 素，计算多项式的参数；步骤S27 根据步骤S^得到的多项式参数，依次计算地像每个像素对应的图像像 素，然后使用双线性插值法对图像进行重采样； 步骤S28 格式化输出。
2.根据权利要求1所述的宽幅星载SAR快速地理编码方法，其中，所述步骤S25中的M 组多于4组，N组多于3组。
3.根据权利要求1或2所述的宽幅星载SAR快速地理编码方法，其中，所述步骤S25中 的M组为6组，N组为4组。
4.根据权利要求1所述的宽幅星载SAR快速地理编码方法，其中，所述步骤S^的多项 式校正模型为三次多项式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.在权利要求1所述的步骤SM单像素地理编码中，给出斜距多普勒非线性方程组的 解析解，具体步骤如下步骤Sll 获取建立斜距多普勒非线性方程组的相关参数；步骤S12 利用地固坐标系下目标速度为零的特性，简化斜距多普勒模型构成的非线 性方程组，通过分别将斜距方程和多普勒中心频率方程联立及多普勒中心频率方程和地球 模型方程联立，转化成目标矢量y轴的一元四次方程；步骤S13 利用费拉里求根方法，求解步骤S12构建的一元四次方程，并根据视角方向 选择目标矢量y轴的有效解；步骤S14 将步骤S13的解代入表达式，并根据视角方向选择目标矢量χ轴的有效解； 步骤S15 将步骤S13的解和步骤S14的解代入多普勒中心频率方程，得到目标矢量ζ 轴的解。
全文摘要
本发明将严格符合星地空间几何关系的斜距多普勒定位模型和基于GCP发展的遥感图像多项式校正模型进行了整合，得到一套快速星载SAR图像地理编码方法框架，不但简化了传统星载SAR地理编码的流程，提高宽幅星载SAR地理编码的效率，而且有效消除了SAR成像算法中不精准多普勒中心频率带来的几何变形。本发明在单像素地理编码中，给出了斜距多普勒非线性方程组的代数解析解，解决了传统斜距-多普勒(RD)定位模型使用数值迭代方法面临的初始值选取的问题。本发明是一种新的快速星载SAR地理编码的方法，能广泛应用于星载SAR图像地理编码。
文档编号G01S7/295GK102129066SQ20101003411
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者刘佳音, 洪文 申请人:中国科学院电子学研究所