一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法
【专利摘要】一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法，克服传统成像方式中成像区域必须平行星下点轨迹所引起的难以对狭长目标区域有效成像的问题，提出一种采用不同方向的斜条带对狭长目标区域的连续完整覆盖成像的方法。首先将狭长目标区域简化为顺序排列的点目标，从而转化为对点目标的顺序覆盖成像问题；然后详细论述了选取能对最多目标点成像的斜条带的方法，从而得到最优的斜条带；最后通过不同方向的斜条带拼接实现对狭长目标区域的连续完整成像。本发明方法解决了对狭长目标区域的简化问题，提出了有效的采用斜条带对狭长目标区域的轨迹拼接成像方法，能够实现卫星姿态机动中对公路、海岸线等狭长目标区域的连续完整成像。
【专利说明】一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感领域，涉及一种遥感卫星对狭长目标区域进行成像的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，遥感卫星对地面成像时的成像区域以矩形区域为主，通常采用平行于星下 点轨迹的与卫星飞行方向相同的成像条带对矩形区域进行成像。然而，对于一些特殊成像 需求的任务，例如沿公路、沿河流、沿海岸线、沿边境线等狭长区域目标的成像，由于目标区 域形状不规则，难以用一条或同方向的多个条带实现覆盖，或者采用同方向条带覆盖的效 能比较低，例如，要完成中国东部海岸线的覆盖，如果采用某单一方向的条带拼接覆盖需要 的条带数比较多，每一次覆盖的目标区域较少，浪费的卫星资源过大。因此需要寻求一种新 的成像方法用以实现对狭长目标区域的成像。
[0003] 随着卫星技术的发展，卫星的姿态控制能力不断增强，敏捷卫星姿态机动中的成 像模式正在研究中，法国的Pleiades-HR卫星已经能够通过姿态机动实现垂直星下点轨迹 的推扫成像。姿态机动中的成像已经成为新的成像模式，这种成像模式相对于传统成像的 区别在于成像时光轴指向可以通过姿态机动来调整，从而打破传统成像时推扫方向受卫星 轨道的严格约束。动中成像的基本概念黄群东在2012年第12期《光学精密工程》上的《姿 态对地指向不断变化成像时的像移速度计算》一文中已经有了详细描述。
[0004] 根据姿态机动中成像的特点，它能够实现斜条带成像，即成像条带与星下点轨迹 成一定夹角的条带成像，通过这些不同方向的斜条带的拼接就能够实现对狭长目标区域的 完整覆盖成像，但是整个成像过程比较复杂，涉及到斜条带的基本模型、狭长目标区域的简 化以及成像条带的参数选取原则等。目前，尚未发现采用斜条带拼接来覆盖狭长目标区域 的研究及报道。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：针对遥感卫星难以对沿海岸线、河流、公路等狭长轨迹 区域进行成像的问题，首先将狭长区域离散成按一定顺序排列的点目标，然后提出一种采 用适用于动中成像的斜条带来实现最大效能连续完整覆盖点目标的斜条带拼接成像方法， 可以实现对狭长目标区域的完整拼接成像。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法， 包括如下步骤：
[0007] (1)将狭长目标区域等效为按一定顺序排列的目标点序列（Tl，T2,……，Tn);
[0008] (2)采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列（Tl，T2,……，Tn)的连续完整 覆盖；所述的斜条带采用倾角i A、升交点经度^、宽度2入、斜条带中心线上的起点M的地 理坐标M( a M，S M)和终点N的地理坐标N( a N，S N)共五种参数确定；所述斜条带中心线为 从圆心过地心、半径为地球半径、倾角为iA、升交点赤经为的圆周上截取的一段圆弧，圆 弧的两个端点形成起点M和终点N ;在斜条带中心线所在圆平面两侧作与斜条带中心线所 在圆平面平行且球面距离为X的两个平面与地球相交形成两个圆周，两个圆周上与斜条 带中心线对应弧长一致且球面距离为A的两段圆弧构成斜条带的两个宽度边沿，a和S 分别表示经度与纬度；
[0009] 目标点序列中的任一目标点V能够被一个斜条带覆盖需要满足条件：x〈入、 aM〈av, <aN、SM〈SV, <SN，其中x为目标点V和对应点V'之间的弧长，V，( a v, , 6 v,) 为对应点V'的地理坐标，从目标点V作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带 中心线相交，形成目标点V在斜条带中心上的对应点V' ；
[0010] (3)遥感卫星顺序对每一个斜条带从起点到终点沿斜条带中心线进行推扫成像， 得到各斜条带的成像结果；
[0011] (4)对各斜条带的成像结果进行拼接得到狭长目标区域的图像。
[0012] 所述步骤（2)中采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列（Tl，T2,……，Tn) 的连续完整覆盖的方法为：以单个斜条带覆盖的目标点个数最多、相邻两个斜条带之间至 少有一个公共的目标点为原则，从第一个斜条带开始顺序确定各斜条带的参数，每一个斜 条带参数的确定方法均相同，具体如下：
[0013] (21)将遥感卫星成像系统的幅宽作为斜条带宽度2入；
[0014] (22)设定斜条带的起始倾角L和起始升交点经度Qd，计算本斜条带期望覆盖的 起始目标点T k(l到斜条带中心线的距离x ;
[0015] (23)判断起始目标点Tk(l是否满足覆盖条件x〈 X，如果不满足覆盖条件x〈 X则转 步骤（24);如果满足覆盖条件x〈 A则继续计算下一相邻的目标点到斜条带中心线的距离， 并判断其是否满足覆盖条件x〈 A，直至第kfp点不满足覆盖条件x〈 A，记录能够覆盖的目 标点的最大编号为h+p-1 ;
[0016] (24)以固定的步长改变斜条带的倾角或者升交点经度，并再次计算本斜条带期望 覆盖的起始目标点T k(l到斜条带中心线的距离x后执行步骤（23)，直至以固定的步长遍历 过所有可能的倾角和升交点经度组合后进入步骤（25);
[0017] (25)比较得到所有的h+p-1的最大值，与该最大值对应的倾角和升交点经度为该 斜条带的倾角和升交点经度；
[0018] (26)从该斜条带所覆盖的起始目标点Tk(l作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的 圆弧与斜条带中心线相交，斜条带中心线上的交点作为该斜条带的起点M，从该斜条带所覆 盖的序号最大的目标点作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带中心线相交， 斜条带中心线上的交点作为该斜条带的终点N。
[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明根据狭长目标区域拼接成像的特点， 首先对狭长目标进行了适当简化，然后提出了斜条带的基本模型，最后提出一种采用不同 方向斜条带拼接对狭长目标形成连续完整覆盖成像的方法。通过将狭长目标区域简化为顺 序排列的点目标，从而将复杂的狭长区域覆盖判定问题转化为对点目标的简单判定，并且 可以对某些需要重点观测的区域进行点目标加密处理，能够满足完整覆盖成像的要求。除 此之外，本发明对传统成像模式下的成像区域特点加以延伸，给出了与星下点轨迹成一定 夹角的斜条带基本模型，并采用星下点成像时的最小幅宽来设定动中成像的条带宽度，很 大程度上简化了因姿态机动导致的幅宽改变的计算问题。本发明根据敏捷卫星姿态机动中 成像能够实现与星下点轨迹成某一夹角的斜条带成像的特点，采用方向不同的斜条带对狭 长目标轨迹拼接成像，可以用较少的不同方向的条带实现对狭长目标区域的连续完整覆盖 成像，提高了卫星成像效能。因此，本发明解决了对狭长目标区域的简化问题，提出了有效 的采用斜条带对狭长目标区域的轨迹拼接成像方法，为卫星姿态机动中实现对边境线、海 岸线等狭长目标区域的连续完整成像奠定了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明方法的流程图；
[0021] 图2为本发明斜条带模型及其参数示意图；
[0022] 图3为本发明采用点目标序列简化狭长目标区域示意图；
[0023] 图4为本发明斜条带覆盖成像的斜条带选取示意图；
[0024] 图5为本发明斜条带拼接成像方法步骤示意图；
[0025] 图6为本发明对中国东部海岸线轨迹成像示意图。
【具体实施方式】
[0026] 狭长目标区域指的是地球表面宽度一般小于相机幅宽、长度较长，例如公路、河 流、海岸线等的目标区域。这些狭长区域形状不规则，用一个条带难以进行连续完整覆盖成 像，需要多个不同方向的条带进行拼接成像。
[0027] 如图1所示，为本发明方法的流程框图。以下对关键步骤进行详细说明。
[0028] ①斜条带模型
[0029] 采用图2定义球面上的斜条带，斜条带中心为过地心的一段圆弧，用升交点经度 ^^与倾角込来定义斜条带中心的方向，斜条带中心上的^ /[(<111，61(1)、1^(€^，61^表示斜条 带的起点和终点，其中a、S分别表示目标点的经度与纬度，斜条带的幅宽定值2X取为相 机星下点成像时的幅宽。在成像过程中采用多个方向的斜条带实现连续拼接成像。
[0030] 从目标点V( a v，sv)作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带中心 线相交，形成目标点V在斜条带中心上的对应点V'（ a v，，s v，），圆弧W'的弧长即为任意目 标点V( a v，S v)到斜条带中心的距离，用x表示，为使得V点在斜条带的覆盖区内，必须满 足下面的三个条件：
[0031] x< A (1)
[0032] a M〈 a v，〈 a N (2)
[0033] 8 M< 6 v，< 6 N (3)
[0034] ②对狭长目标的简化
[0035] 狭长目标区域可用图3a表示，宽度一般小于相机幅宽，因此可以用按一定顺序排 列的点目标来进行简化，简化后如图3b所示，记这些点为目标点（Tl, T2,......, Tn),通过对 这些点的覆盖来保证对目标区域的覆盖。这一方法可能造成偏离点目标的区域以及斜条 带衔接处目标区域的一小部分不被覆盖，但是对于观测的重点区域可以用密集的点目标代 替，从而保证对重点地区的完整覆盖，因此，采用这种简化方法对狭长区域目标进行简化是 合理可行的。
[0036] ③多个斜条带拼接成像方法
[0037] 采用多条不同方向的斜条带对上述点目标（Tl，T2,……，Tn)进行连续完整拼接 成像，需要选择斜条带的各个参数，即斜条带的升交点经度、倾角iA、起点M的地理坐标 M(aM，SM)和终点N的地理坐标N(aN，SN)，选择的准则为：使得每一个斜条带能够对尽量 多的目标点成像。如图4所示，通过改变斜条带的方向使得斜条带能够覆盖尽可能多的目 标点，图中斜条带3覆盖的目标点多于斜条带1和2,因此斜条带3优于斜条带1和2。 [0038] 为了更具一般性，下面以进行第g个斜条带的成像为例进行说明，简称第g景成 像，具体方法和步骤如图5所示：
[0039] 假设某一个斜条带成像中，以点序列（Tl，T2，……，Tn)中的第j点为起始点，第 j+h为终点，这些已规划的点可以标记为顺序的点序列（T」，T j+1，……，Tj+h)，为了使得斜条 带之间连接在一起，使上一景规划结束的终点T#为下一景的起始点，假设为T k(l，即起始点 编号 kQ = j+h。
[0040] 从起始倾角iA = L开始，以di为步长进行遍历计算，斜条带的倾角込可以根据 成像的要求限定在一定的阈值范围内，即imin< iA< imax。
[0041] 从起始升交点经度= 开始，dQ为步长进行遍历计算，斜条带的升交点经 度心可以根据成像的要求限定在一定的阈值范围内，即\in彡心彡
[0042] 在某一确定的斜条带倾角iA = is和升交点经度= 下，从本景的起始点Tk(l 点开始依次往后计算，计算在此斜条带参数下Tk(l点到该斜条带中心的距离x。
[0043] 如果点Tk(l满足覆盖条件x〈入，则继续计算点Tk(l+1，直至第k = kfp点不满足覆盖 条件x〈入，记录下在iA = is、QA = Qs时能够覆盖点的最大编号为ms = kQ+p-l = k-1，表 示在斜条带倾角iA = is和升交点经度Q A = Q s下最多能够覆盖到第ms个点。
[0044] 任意斜条带能覆盖的最大点个数用ms表示，以倾角步长为di和升交点经度步长 为cm改变倾角和升交点经度实现对倾角和升交点经度的遍历，如果某斜条带能覆盖到的 点编号为第k点有则记录k-l的值,令叫=k-l,同时记录此时的斜条带参数i A = is、QA= Qs。如果不满足k-l>ms则改变一组倾角和升交点经度寻找满足条件的斜条带。
[0045] 依次类推直至以固定的步长di、dQ遍历完所有的倾角和升交点经度，取最终的ms 为mg和此时的斜条带参数ig = is、Qg = ，表示在规划中iA = ig、QA = Qg时能够最大 覆盖目标区域，能覆盖到的目标点编号为mg，第g景所覆盖的点可以表示为（Tk(l，T k(l+1，……， Tmg)。
[0046] 结束该斜条带的参数选择计算，根据该斜条带信息ig = is、Q g = Q s以及起点Tk(l 和终点Tmg计算该斜条带的其它参数，包括条带的起始点与结束点坐标，条带的长度等；过 该斜条带所覆盖的起始目标AT k(l作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带中 心线相交，交点为斜条带中心线上的对应点，为该斜条带的起始点M( a M，S M)，同理根据斜 条带所覆盖的第1^点得出该斜条带的终点N(aN，SN)，从而使得任意目标点V满足覆盖条 件a M〈 a v〈 a N、S M〈 S v〈 S N ;该斜条带的长度即为丽的弧长。
[0047]以该斜条带的终点1^作为下一个斜条带的起点进行下一个斜条带的成像，直至 最后一个点目标Tn。最后一景的规划中可能会有满足覆盖的多个斜条带，根据卫星的成像 特点，一般选取与星下点轨迹夹角最小的斜条带即可。
[0048] 顺序对各斜条带的成像结果进行拼接得到狭长目标区域的图像。
[0049] 实施例
[0050] 下面以中国东海岸线为例，阐述采用斜条带拼接覆盖狭长目标轨迹的成像方法：
[0051] 以由北向南从经纬度（117.66°，38. 51° )到（115.89°，23. 02° )的长度约为 2500km的中国东部海岸线长度为例，中国东部海岸线长度较长形状不规则，难以用同一方 向的条带实现覆盖成像，需采用多个斜条带进行拼接。首先将其简化为点目标序列，如图6a 所示，共简化为216个点目标，实际运用中对某些重点区域用密集的点目标代替，以保证对 重点区域的绝对覆盖，采用本发明斜条带拼接成像方法对其进行连续拼接成像。卫星的观 测幅宽2入=30km，计算取倾角步长di = 0.1°，升交点经度步长dQ =0.1°，拼接结果 如图6b所示，规划共使用了 9景斜条带完成连续完整覆盖成像。计算斜条带的各项参数结 果如表1所示。
[0052] 表1斜条带参数表
[0053]
【权利要求】
1. 一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 将狭长目标区域等效为按一定顺序排列的目标点序列（T1，T2,……，Tn); (2) 采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列（T1，T2,……，Tn)的连续完整覆 盖；所述的斜条带采用倾角iA、升交点经度^、宽度2入、斜条带中心线上的起点M的地理 坐标M( a M，S M)和终点N的地理坐标N( a N，S N)共五种参数确定；所述斜条带中心线为从 圆心过地心、半径为地球半径、倾角为iA、升交点赤经为QA的圆周上截取的一段圆弧，圆弧 的两个端点形成起点M和终点N ;在斜条带中心线所在圆平面两侧作与斜条带中心线所在 圆平面平行且球面距离为A的两个平面与地球相交形成两个圆周，两个圆周上与斜条带 中心线对应弧长一致且球面距离为A的两段圆弧构成斜条带的两个宽度边沿，a和S分 别表示经度与纬度； 目标点序列中的任一目标点V能够被一个斜条带覆盖需要满足条件：x〈入、 aM〈av, <aN、SM〈SV, <SN，其中x为目标点V和对应点V'之间的弧长，V，( a v, , 6 v,) 为对应点V'的地理坐标，从目标点V作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带 中心线相交，形成目标点V在斜条带中心上的对应点V' ； (3) 遥感卫星顺序对每一个斜条带从起点到终点沿斜条带中心线进行推扫成像，得到 各斜条带的成像结果； (4) 对各斜条带的成像结果进行拼接得到狭长目标区域的图像。
2. 根据权利要求1所述的一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法，其特征 在于：所述步骤（2)中采用多个斜条带拼接的方式实现对目标点序列（T1，T2,……，Tn)的 连续完整覆盖的方法为：以单个斜条带覆盖的目标点个数最多、相邻两个斜条带之间至少 有一个公共的目标点为原则，从第一个斜条带开始顺序确定各斜条带的参数，每一个斜条 带参数的确定方法均相同，具体如下： (21) 将遥感卫星成像系统的幅宽作为斜条带宽度2入； (22) 设定斜条带的起始倾角^和起始升交点经度，计算本斜条带期望覆盖的起始 目标点Tk(l到斜条带中心线的距离x ; (23) 判断起始目标点Tk(l是否满足覆盖条件x〈 A，如果不满足覆盖条件x〈 A则转步骤 (24);如果满足覆盖条件x〈 A则继续计算下一相邻的目标点到斜条带中心线的距离，并判 断其是否满足覆盖条件x〈 A，直至第kfp点不满足覆盖条件x〈 A，记录能够覆盖的目标点 的最大编号为h+p-l ; (24) 以固定的步长改变斜条带的倾角或者升交点经度，并再次计算本斜条带期望覆盖 的起始目标点Tk(l到斜条带中心线的距离x后执行步骤（23)，直至以固定的步长遍历过所 有可能的倾角和升交点经度组合后进入步骤（25); (25) 比较得到所有的h+p-1的最大值，与该最大值对应的倾角和升交点经度为该斜条 带的倾角和升交点经度； (26) 从该斜条带所覆盖的起始目标点Tk(l作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧 与斜条带中心线相交，斜条带中心线上的交点作为该斜条带的起点M，从该斜条带所覆盖的 序号最大的目标点作垂直于斜条带中心线的圆心过地心的圆弧与斜条带中心线相交，斜条 带中心线上的交点作为该斜条带的终点N。
【文档编号】G06T5/50GK104331859SQ201410490348
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】黄敏, 杨芳, 葛玉君, 黄群东 申请人:航天东方红卫星有限公司