楊濤，何玉青，胡秀清

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081；2.國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

0 引言

對地觀測衛(wèi)星遙感圖像的地理定位是建立星載遙感儀器觀測圖像的每個像元與地基坐標(biāo)系中位置關(guān)系的過程。傳統(tǒng)的遙感圖像地理定位方法分為參數(shù)法和非參數(shù)法[1]。非參數(shù)法主要是通過地面點(diǎn)與遙感數(shù)據(jù)來建立對應(yīng)關(guān)系，因此選取合適的地面控制點(diǎn)是該方法的關(guān)鍵。但是對于運(yùn)行中的遙感衛(wèi)星來說，非參數(shù)法需要大量的地面點(diǎn)來進(jìn)行輔助，并且在云覆蓋較多的情況下不易分辨地面點(diǎn)，因此不適合用于業(yè)務(wù)運(yùn)行中的衛(wèi)星。該方法主要用于早期星上測量手段缺乏或者星上測量數(shù)據(jù)丟失的情況，如QuickBrid、印度資源衛(wèi)星、天繪一號等[2-4]。此外早期的星載高分辨率成像儀器常采用非參數(shù)定位方法，發(fā)展出了直接線性變換(direct lineaer transform，DLT)[5]、有理多項(xiàng)式系數(shù)(rational polynomial coefficients，RPC)[6]等一系列的模型。參數(shù)法是根據(jù)遙感儀器觀測幾何及其空間位置和指向，建立觀測像元與地面觀測位置之間的模型，其主要是利用精確測定的衛(wèi)星位置、速度、姿態(tài)以及遙感儀器的掃描幾何和時序等參數(shù)來計(jì)算出每個像元的經(jīng)度、緯度和觀測角度。目前絕大部分衛(wèi)星都是使用參數(shù)法進(jìn)行地理定位，如NOAA/AVHRR3[7]、Terra/MODIS[8]、Landsat-7/TM、NPP/VIIRS[9]，其不同之處主要體現(xiàn)在各個遙感儀器內(nèi)部光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)以及各個衛(wèi)星軌道計(jì)算方法。

天宮二號(tiangong No.2，TG-2)是我國首個真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，于2016年9月15日發(fā)射升空，其中包含了空間冷原子鐘、三維成像微波高度計(jì)和多角度寬波段成像光譜儀等14個精密載荷。寬波段成像光譜儀是其中的有效載荷之一，其主要用于觀測獲取海洋、大氣和陸地的各類參數(shù)，用于觀測海洋水色海溫以及優(yōu)化天氣預(yù)報(bào)[10]。其對天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行優(yōu)化主要是利用觀測數(shù)據(jù)可以改善氣溶膠反演數(shù)據(jù)，而這些科學(xué)和行業(yè)應(yīng)用需要高質(zhì)量的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助，如經(jīng)緯度和觀測角。因此對衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度提出了較高要求。

寬波段成像光譜儀采用的是多電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)拼接直視推掃的掃描方法。本文采用參數(shù)法的原理，針對其特殊的掃描特點(diǎn)，分析了寬波段成像光譜儀的工作原理與幾何模型，對整個儀器的地理定位方法進(jìn)行分析與實(shí)驗(yàn)，并對定位結(jié)果進(jìn)行了初步評估。

1 寬波段成像光譜儀的工作原理與幾何模型

寬波段成像光譜儀根據(jù)工作波段分為三大模塊：可見光近紅外模塊、短波紅外模塊和熱紅外模塊。寬波段成像光譜儀總視場為42°，在考慮到可選用的探測器不能滿足條件的情況下，各模塊采用了單相機(jī)小視場合成總視場的方案：可見光近紅外采用3個子相機(jī)；短波和熱紅外模塊各采用2個子相機(jī)。同一波段的各個相機(jī)在同一平面內(nèi)扇形展開，以可見光近紅外波段的相機(jī)為例，單個相機(jī)的視場略大于14°，3個相機(jī)兩兩成14°的夾角，合成一個42°的總視場?？梢姽饨t外波段相機(jī)的焦平面是由一個1 024×512(空間維×光譜維)面陣CCD構(gòu)成，3個相機(jī)拼接成一幅完整圖像。因?yàn)橄鄼C(jī)的視場比夾角略大，因此3個相機(jī)成像時會出現(xiàn)重疊區(qū)域。TG-2軌道高度約為400 km，寬波段成像光譜儀可見光近紅外模塊的地面分辨率為100 m，瞬時視場為250 μrad。相機(jī)之間存在著32個暗電平。在去處暗電平之后，2個相機(jī)之間的重疊區(qū)域觀測角約為0.4°。根據(jù)瞬時視場計(jì)算可得重疊區(qū)域約為28個像元。

寬波段成像光譜儀安裝在衛(wèi)星的對地面，開口朝向地球，3個模塊分層安置，同時進(jìn)行推掃掃描，掃描方向就是衛(wèi)星飛行方向，借助于衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，獲取地球的二維景象。寬波段成像光譜儀可見光近紅外相機(jī)觀測地球景象的原理圖如圖1所示。

圖1 寬波段成像光譜儀可見光近紅外相機(jī)觀測地球景象原理圖

寬波段成像光譜儀單次采樣可以獲取4個數(shù)據(jù)：可見光近紅外相機(jī)獲取的15個通道的圖像數(shù)據(jù)、短波紅外相機(jī)獲取的2個通道的圖像數(shù)據(jù)、熱紅外相機(jī)獲取的2個通道的圖像數(shù)據(jù)以及相同時間段內(nèi)平臺探測設(shè)備獲取的輔助參數(shù)數(shù)據(jù)。圖像信息數(shù)據(jù)包含的是各通道的圖像數(shù)據(jù)以及該數(shù)據(jù)起始時間、截止時間以及一個總計(jì)數(shù)時間。輔助參數(shù)數(shù)據(jù)包含定位所需的參數(shù)，即衛(wèi)星軌道GPS位置與速度、衛(wèi)星姿態(tài)角度信息、與GPS姿態(tài)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的協(xié)調(diào)世界時(UTC)以及其他平臺參數(shù)，如溫度、船下點(diǎn)、軌道高度等。

3個模塊的成像原理大致相同，不同之處只是相機(jī)數(shù)量、地面空間分辨率和各個相機(jī)之間安裝角度。短波和熱紅外模塊因?yàn)椴捎?個子相機(jī)，每個相機(jī)的光學(xué)視場為22°，兩兩夾角為21°。短波紅外相機(jī)的CCD為800×2，地面分辨率為200 m；熱紅外相機(jī)的CCD尺寸為400×2，地面分辨率為400 m。以下所述的定位方法均是以3個可見光近紅外波段相機(jī)為例，一個可見光近紅外數(shù)據(jù)即為可見光近紅外相機(jī)獲取的圖像數(shù)據(jù)以及與其匹配的平臺輔助參數(shù)數(shù)據(jù)。本次開機(jī)共獲取了600多個可見光近紅外數(shù)據(jù)，其中一半數(shù)據(jù)為海洋觀測區(qū)域，另一半數(shù)據(jù)為陸地區(qū)域，以中國為主。

2 寬波段成像光譜儀地理定位方法及流程

本節(jié)對寬波段成像光譜儀地理定位方法的整個流程都進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要包括讀取原始數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)做預(yù)處理、通過處理后的數(shù)據(jù)建立焦平面坐標(biāo)系視向量與復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣、利用視向量計(jì)算地理定位信息、通過調(diào)整安裝矩陣的方法對定位結(jié)果進(jìn)行了修正。定位方法具體流程圖如圖2所示。

圖2 地理定位方法流程圖

2.1 原始數(shù)據(jù)讀取與預(yù)處理

傳統(tǒng)的參數(shù)法定位大致需要2組參數(shù)，一組是與衛(wèi)星相關(guān)的，主要是衛(wèi)星軌道位置、速度以及運(yùn)行時的姿態(tài)等；另一組與儀器相關(guān)，主要是儀器內(nèi)部安裝幾何、探測器焦距像元尺寸等。其中儀器相關(guān)的數(shù)據(jù)在儀器研制過程中就已經(jīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和測量，可以直接獲取。而衛(wèi)星軌道相關(guān)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)上是通過衛(wèi)星兩行報(bào)中的描述衛(wèi)星運(yùn)行的6個參數(shù)，利用衛(wèi)星軌道模型來計(jì)算得到衛(wèi)星實(shí)時位置信息。TG-2自身攜帶了GPS接收器以及星敏感器，可以實(shí)時測量得到衛(wèi)星的位置以及姿態(tài)。因此對于該儀器的地理定位方法中不需要計(jì)算軌道參數(shù)，直接通過讀取L0級數(shù)據(jù)中的位置和姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行地理定位。

寬波段成像光譜儀的輔助信息和圖像信息分別存在2種不同格式的L0級數(shù)據(jù)中。因?yàn)?種數(shù)據(jù)的L0級文件格式不同，時間的采樣頻率與表示形式也均不相同，所以2種數(shù)據(jù)的時間不是一一對應(yīng)的關(guān)系，而進(jìn)行衛(wèi)星定位時需要每幀圖像精確的觀測時間。所以需要進(jìn)行預(yù)處理，即對輸出的數(shù)據(jù)時間進(jìn)行統(tǒng)一，保證每一幀圖像數(shù)據(jù)都有輔助數(shù)據(jù)對應(yīng)。

儀器主要的時間問題是由于圖像信息采樣頻率、輔助信息采樣頻率、平臺輔助參數(shù)的更新頻率以及時間表示不同造成的。其中平臺輔助參數(shù)的更新頻率最小，其時間是UTC時間。輔助信息采樣頻率是平臺輔助參數(shù)的更新頻率的一倍，可見光圖像信息采樣頻率又是輔助信息采樣頻率的40倍，二者的時間均是以開機(jī)時刻作為起始時間零的計(jì)數(shù)時間。

由于輔助數(shù)據(jù)包與圖像數(shù)據(jù)包采用的記錄時間不同，所以先要進(jìn)行時間的統(tǒng)一，將輔助數(shù)據(jù)包采用的計(jì)數(shù)時間和圖像數(shù)據(jù)包采用的UTC時間都轉(zhuǎn)換為國際原子時。在統(tǒng)一時間單位后，通過時間來對輔助參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，實(shí)現(xiàn)輔助數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，插值的流程如下：

①利用圖像信息起始時間與截止時間獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)包的總觀測時間；

②根據(jù)采樣頻率比以及總時間得到每幀圖像的具體精確時間；

③利用每幀圖像的具體時間和平臺輔助信息的時間進(jìn)行插值，獲得每幀圖像對應(yīng)的具體輔助信息。

2.2 焦平面坐標(biāo)系視向量及復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣構(gòu)建

地理定位方法的基本原理就是通過儀器焦平面引出對地觀測的向量，通過該向量與地球模型的交點(diǎn)來得到XYZ坐標(biāo)，再經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換最終得到經(jīng)緯度等地理信息。首先要建立焦平面模型，來獲取成像光譜儀焦平面坐標(biāo)系下的視向量。

雖然寬波段成像光譜儀的可見光波段由3個相機(jī)組成，但是在地理定位的過程中并不相互影響，因此本文把3個相機(jī)作為3個獨(dú)立的個體，分別建立焦平面模型。單個寬波段成像光譜儀的可見光相機(jī)是由一個1 024×512(空間維×光譜維)面陣CCD掃描成像，本文把掃描方向也就是飛行方向作為x軸正方向，穿軌方向?yàn)閥軸方向，y軸正方向與圖像的數(shù)據(jù)存儲方向一致，如圖3所示。

圖3 成像光譜儀焦平面坐標(biāo)系

由此可以得到焦平面上每個像元的x、y坐標(biāo)以及焦距f，可以建立焦平面模型，也就是焦平面視向量ufoc。

(1)

焦平面視向量是根據(jù)焦平面坐標(biāo)系建立，需要將其轉(zhuǎn)換到測地坐標(biāo)系下，再結(jié)合地球模型才可以得到視向量與地球交點(diǎn)，利用交點(diǎn)的坐標(biāo)信息通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可以獲取所需的經(jīng)緯度信息。其中涉及到望遠(yuǎn)系統(tǒng)、儀器、衛(wèi)星本體、軌道、地心慣性(earth centered inertial，ECI)、地心旋轉(zhuǎn)(earth centered rotate，ECR)和大地測量8個坐標(biāo)系以及一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，如圖4所示，把這一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣組合可以得到一個復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣。

圖4 多個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖

由焦平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到望遠(yuǎn)系統(tǒng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Ttel/foc主要與儀器的光學(xué)成像系統(tǒng)有關(guān)，一般由儀器研制方在發(fā)射前提前測量得到，通常使用單位矩陣代替。但是對于寬波段成像光譜儀來說，由于其是多CCD拼接成像，對應(yīng)的焦平面有3個，這3個焦平面模型與望遠(yuǎn)系統(tǒng)坐標(biāo)系不盡相同。其中垂直掃描的相機(jī)可以使用單位矩陣，而兩側(cè)的相機(jī)與中間的相機(jī)成14°角，根據(jù)焦平面坐標(biāo)系，其掃描方向?yàn)閤方向，因此兩側(cè)的相機(jī)等于繞x軸旋轉(zhuǎn)正負(fù)14°，繞x軸旋轉(zhuǎn)的公式為：

(2)

式中：θ為旋轉(zhuǎn)的角度。由望遠(yuǎn)系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Tinst/tel主要與儀器掃描機(jī)理有關(guān)，該儀器成像方式為推掃成像，沒有掃描鏡調(diào)整方向，因此可以使用單位矩陣來表示這個旋轉(zhuǎn)矩陣。

(3)

儀器坐標(biāo)系與衛(wèi)星本體的坐標(biāo)系之間的關(guān)系是由儀器的安裝矩陣確定，其是由儀器研制方在場地測試中計(jì)算得到的，用于調(diào)整儀器安裝時帶來的誤差。可以先將轉(zhuǎn)換矩陣Tsat/inst表示為單位矩陣，在衛(wèi)星在軌運(yùn)行之后需要繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，以修正定位誤差[11]。

衛(wèi)星的姿態(tài)決定了衛(wèi)星坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系之間的關(guān)系，該姿態(tài)由衛(wèi)星上的星敏感器提供，表示形式為歐拉角，即滾動(roll)角、俯仰(pitch)角與偏航(yaw)角3個姿態(tài)角。其在直角坐標(biāo)系下對應(yīng)的就是繞X軸、Y軸與Z軸旋轉(zhuǎn)，而在衛(wèi)星地理中一般按照ZXY的順序計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣[12]，因此該轉(zhuǎn)換矩陣Torb/sat可以表示為：

(4)

式中：y為偏航角；p為俯仰角；r為滾動角。

軌道坐標(biāo)系與地心慣性系之間的關(guān)系是由衛(wèi)星的瞬時位置與速度計(jì)算得到的，可以通過在ECI坐標(biāo)系中形成軌道坐標(biāo)系軸來構(gòu)建從軌道轉(zhuǎn)換為ECI的旋轉(zhuǎn)矩陣Teci/orb，軌道坐標(biāo)系的原點(diǎn)為衛(wèi)星質(zhì)心，Z軸方向?qū)?yīng)的是衛(wèi)星星下點(diǎn)方向，Y軸方向是衛(wèi)星角動量方向的負(fù)方向，X軸方向由右手準(zhǔn)則確定，即Z軸方向與Y軸方向的叉積。衛(wèi)星星下點(diǎn)方向就是衛(wèi)星在ECI坐標(biāo)系下的坐標(biāo)歸一化后的方向，而衛(wèi)星角動量方向的負(fù)方向是垂直于衛(wèi)星星下點(diǎn)方向與衛(wèi)星速度方向的所構(gòu)成的平面，公式如下：

(5)

式中：p表示衛(wèi)星在ECI坐標(biāo)系下的瞬時位置；v表示衛(wèi)星在ECI坐標(biāo)系下的瞬時速度。

從ECI坐標(biāo)系到ECR坐標(biāo)系的變換主要是由于時間不同、地球旋轉(zhuǎn)帶來的。此外還要考慮歲差、章動與極移這些變化的影響。這些矩陣可以通過國際天文聯(lián)合會提供的歲差章動極移模型得到。

將這些轉(zhuǎn)換矩陣構(gòu)成一個復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣T：

T=Tecr/eciTeci/orbTorb/satTsat/instTinst/telTtel/foc

(6)

通過復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣與焦平面視向量，就可以得到在ECR坐標(biāo)系下的視向量模型uecr

uecr=T×ufoc

(7)

2.3 獲取地理坐標(biāo)

X=p+d·u

(8)

式中：p為衛(wèi)星在ECR坐標(biāo)系下的位置矢量；d為觀測點(diǎn)到衛(wèi)星的距離，其是由通過地球橢圓模型重新縮放的視向量與衛(wèi)星位置矢量構(gòu)成的：

(9)

式中：u′與p′就是根據(jù)地球橢圓模型長短軸重新縮放的視向量與衛(wèi)星位置矢量；a為長軸，b為短軸：

(10)

衛(wèi)星運(yùn)行觀察地球的幾何關(guān)系如圖5所示。

圖5 觀測交點(diǎn)幾何模型

最后將此位置矢量X(x1,x2,x3)換算為大地測量坐標(biāo)(lat，lon，h)，此外地形和大氣折反射也會對遙感圖像地理定位精度造成影響，利用全球數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)進(jìn)行修正，本文地理定位采用來自美國國家影像與制圖局和世界數(shù)字化圖的30″分辨率DEM數(shù)據(jù)[13]。利用DEM找到對應(yīng)區(qū)域高度信息，通過迭代的方法利用高度信息對ECR坐標(biāo)系下視向量進(jìn)行不斷修正直到高度信息相符，把修正后的視向量轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下得到修正后的經(jīng)緯度和高度信息。

(11)

2.4 定位修正

因?yàn)?個相機(jī)的定位數(shù)據(jù)是單獨(dú)計(jì)算的，所以定位數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)重疊區(qū)域。把3個相機(jī)獲取的定位數(shù)據(jù)拼接在一起時，需要考慮到重疊區(qū)域，拼接方法和圖像的拼接方法一致。2個相機(jī)之間有28個像元的重疊?？紤]到邊緣像元分辨率下降的問題，于是在剔除重疊區(qū)域的時候，剔除各個相機(jī)更邊緣的區(qū)域，保留了靠近中心的區(qū)域。即兩邊的相機(jī)各自剔除14個像元，而中心相機(jī)兩邊各剔除14個像元。

利用拼接后的圖像與定位數(shù)據(jù)，主要選取具有特征的地面點(diǎn)，如海陸邊界線和湖泊，進(jìn)行投影輸出。投影結(jié)果與高精度海陸分界線模板進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)存在定位結(jié)果誤差，效果如圖6所示。通過調(diào)整安裝矩陣可以減少誤差提高定位精度。安裝矩陣對圖像的修正效果體現(xiàn)在圖像上是衛(wèi)星圖像繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果，坐標(biāo)軸方向與焦平面坐標(biāo)系的正方向一致，繞X軸旋轉(zhuǎn)會使圖像左右偏移，繞Y軸旋轉(zhuǎn)會使圖像前后偏移，繞Z軸旋轉(zhuǎn)會使圖像產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)偏移。相應(yīng)的我們可以通過計(jì)算圖像中偏移像元數(shù)量來對這幾個偏移角度進(jìn)行迭代調(diào)整，直到圖像定位誤差達(dá)到最小。

圖6 TG-2寬波段成像光譜儀未修正定位結(jié)果局部投影圖

可見光近紅外波段探測器的瞬時視場角ωIPOV為0.014 3°。本文挑選了50個帶有明顯地標(biāo)特征的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中心區(qū)域海岸線模板與圖像中海岸線的像素偏差。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為在星下點(diǎn)附近左右方向平均偏移約13.41個像元，上下方向平均偏移約6.53個像元，整幅圖像兩側(cè)邊緣平均有個5.26像元的轉(zhuǎn)動，把像元偏移量帶入角度旋轉(zhuǎn)公式：

(12)

式中：Δny為左右平移量；Δnx為上下平移量；Δnz為旋轉(zhuǎn)平移量；L為每行的采樣點(diǎn)3 016個。最終計(jì)算得到繞X軸旋轉(zhuǎn)角φ為0.192°、繞Y軸旋轉(zhuǎn)角μ為0.093°、繞Z軸旋轉(zhuǎn)角ψ為0.099°。

把相應(yīng)的角度帶入公式(4)可以計(jì)算出修正后的安裝矩陣，修正前后的定位改進(jìn)效果可以參看圖7。

圖7 TG-2寬波段成像光譜儀局部放大圖像定位結(jié)果圖

在定位精度提高方面，除了對安裝矩陣進(jìn)行調(diào)整的修正方法外，還可以采用基于視向量的修正方法[14]，即通過統(tǒng)計(jì)像元在掃面和穿軌方向上的誤差來建立像元與誤差的模型，利用模型修正視向量，從而減少定位誤差提高定位精度。本文也利用這一方法對第一種方法采用的50個數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，其中，修正模型為視向量誤差隨影像列號成線性變化的一次線性模型[15]。通過分別統(tǒng)計(jì)2種方法的修正結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)修正安裝矩陣后平均誤差像元數(shù)為2.07，采用視向量修正模型后平均誤差像元數(shù)為1.99，進(jìn)而每幅定位圖像與海陸模板的誤差仍處于2個像元左右，由此這2種方法的修正效果差異不明顯。與此同時，由于修正安裝矩陣的方法更容易實(shí)現(xiàn)，因而本文在后續(xù)的分析中仍然采用了對安裝矩陣進(jìn)行調(diào)整的修正方法。

3 定位實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

寬波段光譜成像儀在TG-2入軌不久就開機(jī)獲取數(shù)據(jù)，此次開機(jī)運(yùn)行持續(xù)了6個多月的時間。主要包含有2016年9月、10月、12月以及2017年1月、2月、3月的數(shù)據(jù)。12月份的數(shù)據(jù)最多每天都有數(shù)據(jù)，其他月份僅有十幾天有數(shù)據(jù)，其中每天的數(shù)據(jù)也不是整天所有軌道的數(shù)據(jù)都存在，以幾個或幾十個可見光近紅外數(shù)據(jù)為主。

在這600多個可見光近紅外數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文做了進(jìn)一步的篩選。因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在了整個圖像都是海洋的這種數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)對定位結(jié)果的判斷沒有幫助，因此剔除了這類數(shù)據(jù)。剩下的共301個可見光近紅外數(shù)據(jù)以中國陸地區(qū)域?yàn)橹骰蛘呤前０毒€區(qū)域，把這些數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。因?yàn)橐粋€數(shù)據(jù)包含的圖像數(shù)據(jù)的垂直像元數(shù)量很多，大約有為50 000多個。為了顯示與存儲的方便，本文以4 800列為單位，將一個數(shù)據(jù)分解成了若干份。即一份實(shí)驗(yàn)用的圖像數(shù)據(jù)為3 016×4 800，如圖8所示。

圖8 TG-2可見光近紅外相機(jī)原始圖像

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

本文從6個月的300多個有效可見光近紅外數(shù)據(jù)中每個月都隨機(jī)挑選了幾個可見光近紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行地理定位，利用修正后的定位結(jié)果與高精度海陸分界線模板比較，結(jié)果如圖7所示，圖中白色線條為高精度海陸分界線模板的投影。從局部放大的圖像中可以看到海陸分界線與圖像基本契合，二者之間存在幾個像元的誤差。

為了檢驗(yàn)定位算法和修正矩陣的適用性，本文對所有的300多個有效可見光近紅外數(shù)據(jù)都進(jìn)行地理定位，并且進(jìn)行投影輸出。與平臺輔助信息提供的船下點(diǎn)經(jīng)緯度比較，誤差在0.01°以內(nèi)。本文把圖7中對應(yīng)數(shù)據(jù)星下點(diǎn)的經(jīng)緯度與平臺輻射信息提供的經(jīng)緯度進(jìn)行了對比，如表1所示。

此外本文還把海陸模板疊加在投影圖像上，統(tǒng)計(jì)了二者相差的像元數(shù)量，考慮到海陸模板的精度問題，每幅定位圖像與海陸模板的誤差在2個像元左右，如表2所示。此外本文對寬波段光譜成像儀的其他2個波段的圖像也進(jìn)行了地理定位，由于短波紅外波段相機(jī)與熱紅外波段的相機(jī)空間分辨率都低于可見光波段的相機(jī)，定位精度有所提升，熱紅外波段相機(jī)誤差在1個像元左右。

表1 實(shí)驗(yàn)定位信息與平臺輔助信息比較表

表2 定位結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)表

定位結(jié)果中主要誤差是由衛(wèi)星觀測時間的偏差、衛(wèi)星姿態(tài)測量精度、衛(wèi)星位置測量精度、發(fā)射后儀器安裝偏差等造成的。其中安裝偏差是誤差的主要來源，其是由于安裝誤差和衛(wèi)星發(fā)射過程中的劇烈震動，以及發(fā)射后的環(huán)境的影響，導(dǎo)致儀器與衛(wèi)星之間的位置關(guān)系發(fā)生改變，即使采用地面測試得到安裝矩陣依舊無法完全消除定位誤差，需要通過對圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，調(diào)整安裝矩陣來進(jìn)行修正。另外，衛(wèi)星姿態(tài)測量和衛(wèi)星位置測量精度還存在隨機(jī)誤差，它會隨著時間的變化而變化，造成圖像出現(xiàn)一定的平移與旋轉(zhuǎn)，這種變化不易進(jìn)行模擬。

4 結(jié)束語

天宮二號寬波段成像光譜儀為多CCD拼接直視推掃模式。本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于該儀器掃描模式的參數(shù)型定位方法，其中包括數(shù)據(jù)讀取與預(yù)處理、建立焦平面視向量與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣、地理參數(shù)計(jì)算以及定位修正這幾個過程。本文通過衛(wèi)星的空間位置姿態(tài)參數(shù)，建立了儀器焦平面與地理空間位置的對應(yīng)模型。通過大量實(shí)際觀測的定位結(jié)果建立旋轉(zhuǎn)角度與變形數(shù)量的關(guān)系，修正安裝矩陣，提高模型定位精度。利用該模型實(shí)現(xiàn)了對TG-2衛(wèi)星寬波段成像光譜儀圖像的地理定位。利用圖像的地理位置進(jìn)行投影后，與高精度海陸模板進(jìn)行比較，定位精度約為2個像元。該研究成果為后期的TG-2寬波段成像光譜儀的圖像應(yīng)用，以及海洋、大氣和陸地地球物理參數(shù)的定量反演奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。