1、 航天器工程 第 卷第期 年月高轨凝视卫星基于 数据的海洋图像几何精校正方法宣耿亘周驰李贞谢海平（北京市遥感信息研究所，北京 ）（中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 ）收稿日期：；修回日期：作者简介：宣耿亘，男，硕士，助理研究员，从事遥感信息研究工作。：。通讯作者：李贞，女，博士研究生，高级工程师，从事航天器总体设计等研究工作。：。摘要针对高轨凝视卫星存在难以选取地面控制点从而在一定程度上影响卫星性能发挥的问题，文章将连续成像的凝视卫星与船舶自动识别系统（）数据有机结合起来，充分利用 数据定位精度高、更新频次快、与高轨凝视卫星配准性好的特点，将船舶 数据作为控制点对海洋区域进行几何精校正。
2、根据海洋较地面平坦的特点，基于多项式校正法，设计了两种针对高轨凝视卫星的遥感图像校正策略，并利用高分四号卫星和商用 数据进行了验证比对，给出了应用建议。分析结果表明：采用 数据可有效提升高轨凝视卫星海洋遥感图像定位精度，可为高轨凝视卫星影像快速几何精校正策略设计提供参考。关键词高轨凝视卫星；海洋遥感图像；多项式校正法；自动识别系统数据中图分类号：；文献标志码：（，）（，）：，（），：；卫星遥感影像已经成为环境、农业、测绘和国土等领 域进行规 划、管理、决 策的 重 要 参考标 准之一。其中，高轨凝视卫星是位于地球静止轨道工作，通过持续观察目标区域进行成像的一类卫星，其瞬时覆盖范围广且具有连续成
3、像能力，在海洋观测领域中可发挥重要作用，对维护我国国土安全及海洋权益具有重大意义。卫星影像在成像过程中，受到平台位置、运动状态、地球曲率、传感器、地球自转和曲率等多种原因影响，会产生一定的变形；数据经过粗校正，仅去除传感器等产生的系统误差，仍然无法满足人们应用、研究的需求，需进一步进行几何精校正。目前常用的几何精校正方法有多项式校正法和共线方程式校正法两种。多项式校正法无须考虑传感器影响，直接采用数学函数的形式描述地物点和相应像点间的几何关系，对变形的影像进行强校正，但需要有足够数量的地面控制点来保证校正精度；共线方程式校正法需要提供卫星像系统的光学参数，或者根据一定数量的地面控制点进行反演，
4、然后再对影像进行校正。上述两种方法及其校正精度都依赖于地面控制点的选择，地面控制点的数量、精度及分布直接影响校正的质量。然而，在海洋遥感影像中，由于海洋背景无纹理，同时岛屿分散难以利用，很难利用已有控制影像数据进行匹配与校正，从而提升遥感影像几何校正难度，制约了高轨海洋遥感图像应用。针对以上问题，本文提出将船舶自动识别系统（）数据作为控制点，利用定位精度较高、位置更新及时、获取渠道广泛的特点，运用多项式校正法对高轨凝视卫星海洋遥感图像进行精校正，提升遥感图像定位精度。数据在凝视卫星图像校正方面的优势 是船舶上的自动连续广播系统，它能在船舶和岸台间交换信息，包括船舶准确的身份信息、高精度的位置信
5、息等。国际海事组织（）规定 年以后，国际航道航行的 以上船舶都须加装 设备。每艘船舶的 系统分配了一个海上移动通信业务标识（）码，该 码类似于车牌号，可作为识别区分船舶的依据。信息包含静态、动态信息两种。其中，静态信息中包括船舶的所属国家、船名、呼号、货物类型等；动态信息通过 获取，包括船舶的当前位置、航向、航速等信息。数据在提升凝视卫星图像定位精度方面有较大的用武之地。一是较高的定位精度。信息中采用全球导航数据进行舰船定位，其实测定位精度可达米级。因此，可以将带有 信息的民船位置作为控制点，对高轨海洋遥感图像进行精校正，解决难以选取陆地控制点的问题。二是较好的连续性。正常船舶的 系统实时向外
6、发送船舶位置信息，形成定位准确、时间连续的轨迹；凝视卫星可利用连续成像的特点，与 数据在时间域上高度耦合，选择与成像时刻时间差在 内的 数据，结合航速计算相应时刻的船舶位置作为控制点，此时，时间差引入的误差几乎可以忽略。最后，数据具有较好的可获取性。通过互联网即时获取大量开源船舶 数据，可作为工程化应用的基础。例如国内的船讯网、宝船网都可以提供大量外海活动船舶的实时 数据，如图所示。图船舶 数据示例 表为几种主要的 数据来源，通常可以通过以下几种数据源获取 数据。第期宣耿亘 等：高轨凝视卫星基于 数据的海洋图像几何精校正方法表 数据源信息 数据源名称数据类型性质数据地址 历史数据、实时数据商业
7、 历史数据商业 历史数据商业 历史数据、实时数据商业 历史数据、实时数据商业 历史数据非商业 历史数据非商业 船讯网历史数据、实时数据商业 宝船网实时数据商业 利用多项式校正法校正遥感图像的基本流程几何校正是指去除遥感图像成像中产生的几何误差的过程，通常包括系统几何校正和几何精校正。其中利用内外几何定标方法来去除内外方位元素的系统性误差的过程为系统几何校正；运用数学模型利用地面控制点来处理畸变过程的为几何精校正，如图所示。其中数字校正可以有效地改善因影像内外因素引起的畸变，产生出一种能符合真实地物的新图像，目前常用的数字校正方法为多项式校正法和共线方程式校正法两种。注：图中、表示校正前坐标轴，
8、、表示校正后坐标轴。图遥感图像几何精校正 多项式校正法因其计算简便、省时等特点，特别是多项式模型在实际地势较为平坦的地区，这种模型通常能满足影像纠正精度要求的特性，使多项式模型成为卫星遥感影像中校正常见的模型之一。由于海平面较陆地更为平坦，符合多项式校正法特点，因此本文选用多项式校正法进行海洋遥感图像精校正方法研究。卫星遥感影像在校正前后相对应的坐标点存在着相应的几何关系，把这种关系用多项式的方式表达出来，这就是多项式校正法。一般来说多项式校正法直接对遥感影像畸变的本身进行数学关系的模拟，而无需对成像时遥感影像空间的几何关系进行模拟，大大提高了运算速度。可以把卫星遥感影像成像过程中产生的所有的
9、畸变总体与所有的几何形变误差来源当做旋转、平移和更高基础的变换联合作用造成的。多项式一般表示为（）（）（）（）（）式中：像点的像平面坐标为（，）；像点对应的控制点大地坐标为（，）；多项式的系数为（，），同时它也是待定系数。控制点的最低限是按待定系数个数确定，对于次多项式，控制点个数最少取（）（），由 最 小 二 乘 法 进 行 曲 面 拟 合 求系数。针对高轨凝视卫星的图像校正方法针对高轨凝视卫星连续成像的特点，本文设计利用舰船 数据进行其图像几何精校正方法。该方法充分考虑地球静止轨道凝视遥感卫星载荷平台位置、运动状态及传感器工作条件在单次任务期间几乎不变，各景图像间系统误差较为稳定，并利用舰
10、船 信息精度高、更新快的特点，通过单景图像中舰船位置或舰船在多景图像的连续轨迹即可实现图像几何精校正。基于单景图像的几何精校正方法根据所需控制点数量，在经过粗校正的单景图像中，选取适当位置处可辨认的舰船作为控制点，并匹配相应的 坐标作为实际坐标，用于获取校正前后坐标变换关系，进而对剩余图像完成几何精校正。（）在第景图像中，根据所需控制点数量，选取适当位置的舰船作为控制点，其图像坐标作为校正前坐标；（）根据舰船 坐标轨迹，获取第景图像成像时刻的舰船对应的 坐标；（）将第景舰船图像坐标及其 坐标代入多项式进行计算，求出相应参数，得到多项式校正坐标的变换关系；（）利用第（）步变换关系对此次拍摄的后续
11、图像对应图像坐标进行变换，得到校正坐标，并与其 坐标进行对比，检验校正效果，整体思路如图所示。航天器工程 卷图基于单景图像的几何精校正图 基于舰船连续轨迹的几何精校正方法根据所需控制点数量，选取舰船在多景图像中的多个轨迹点作为控制点，通过对应 坐标获取校正前后变换关系，进而对剩余图像完成几何精校正。（）选择不同的舰船作为控制点和验证点，根据舰船在每景图像中的图像坐标，得到其连续轨迹，对控制点轨迹及验证轨迹查询相应时刻的舰船 坐标，作为真实坐标；（）利用多项式矫正法获取控制点图像坐标及其 坐标的变换关系；（）利用第（）步变换关系对验证轨迹进行校正，得到校正坐标，并与其 坐标进行对比，检验校正效果
12、，整体思路如图所示。图基于舰船连续轨迹的几何精校正图 在轨验证分析本文选取高分四号卫星遥感图像（见图）及船讯网 数据进行测试验证。该卫星为我国自研地球同步轨道成像卫星，可见光和多光谱分辨率优于，幅宽 ，最小连续成像间隔 。图高分四号卫星单景图像 表介绍了高分号卫星的有效载荷指标。表高分号卫星有效载荷指标 类型谱段号谱段范围空间分辨率幅宽 最小成像间隔可见光近红外（）中波红外（）基于单景图像的几何精校正试验本文选取 年月 日：及：上海以东海域图像，分别作为测试数据和验证数据。：时选取以下舰船位置作为控制点，将 坐标作为真实坐标，图像坐标作为待校正坐标，根据多项式校正公式，将上述坐标点位代入计算，
13、进而获取坐标变换关系。数据见表。选取：的图像中上述 艘舰船位置作为验证点（由于中谷福建、金海辉：位于云内，因此不作为验证点），利用计算得到的坐标变换关系对图像坐标进行校正，得到校正坐标。使用 坐标对 校 正 坐 标 进 行 精 度 验 证，结 果 见 表（，其中为提升精度；为图像坐标与 坐标间的距离；为校正坐标与 坐标间的距离）。从表中可以看出，基于 数据的高轨凝视卫星通过单景图像中的多个舰船作为控制点进行校正后，图 像 误 差 得到 明 显改善，平均提升精度约为。第期宣耿亘 等：高轨凝视卫星基于 数据的海洋图像几何精校正方法表基于单景图像的几何精校正试验数据 控制点舰船名称舰船识别码 坐标图
14、像坐标东经（）北纬（）东经（）北纬（）梅山岗 新其盛 鑫锦运 中润 国裕 中谷福建 金海辉 表基于单景图像的几何精校正试验结果 验证点舰船名称 坐标图像坐标校正坐标东经（）北纬（）东经（）北纬（）东经（）北纬（）校正前误差 校正后误差 提升精度梅山岗 新其盛 鑫锦运 中润 国裕 基于连续轨迹的几何精校正试验选取 年月日：至：新加坡东北海域图像进行分析，共获得艘舰船连续轨迹，信息见表。表基于连续轨迹的几何精校正试验舰船信息 序号名称舰型舰船识别码舰长舰船 货船 舰船 货船 舰船 油船 选取舰船、舰船作为控制点，舰船作为验证点，查询其 数据，见表。利用二次多项式进行校正，结果见表。从表可知：基于
15、数据的高轨凝视卫星影像通过舰船的连续轨迹作为控制点进行校正后，图像误差得到明显改善，平均提升精度约为。根据上述算例可以看出，使用本文方法可对高轨凝视卫星海洋遥感图像进行几何精校正，可得到较好的校正结果。其中基于单景图像的几何精校正方法仅需利用景图像对其余景图像进行校正，试验中最高校正精度达 ；基于连续轨迹的几何精校正方法可实现对未知舰船目标定位精度的提升，最少仅需个目标轨迹即可实现校正，且校正精度相对较高。在具体使用时，可以根据地面处理软件算力，灵活选用不同的策略：当算力有限时，可以采用单景影像精校正的方法；当算力较为充裕，处理目标较多时，可选用基于连续轨迹的精校正方法。航天器工程 卷表基于连
16、续轨迹的几何精校正试验控制点数据 时间舰船舰船图像坐标 坐标图像坐标 坐标东经（）北纬（）东经（）北纬（）东经（）北纬（）东经（）北纬（）：表基于连续轨迹的几何精校正试验结果 时间验证点图像坐标 坐标校正坐标东经（）北纬（）东经（）北纬（）东经（）北纬（）校正前误差 校正后误差 提升精度：结束语针对宽幅海洋遥感图像控制点难以选取的问题，本文提出选取舰船 数据作为控制点，在此基础上运用多项式校正法对高轨凝视卫星进行几何精校正；根据高轨凝视卫星成像特点，设计了两种几何精校正方法，并进行了相关试验。试验结果表明：本文提出的两种方法均可提升图像精度，平均精度均在 以上。所获得的成果可用于对宽幅海洋遥感图像的快速几何精校正，有利于进一步挖掘高轨凝视卫星在海洋舰船信息挖掘中的作用，用于维护我国国土安全及海洋权益。参考文献（）赵现昌 高分二号卫星遥感影像快速几何精校正方法 河南水利与南水北调，（）：，（）：（）王磊高分二号卫星遥感影像几何精校正方法研究长春：吉林大学，：，（）李凡，迟志楠，金绍华，等 高精度遥感影像的空间投影几何 精 校 正 测 绘 与 空 间 地 理 信 息，（）：，（）：（）黄文