1、基于薄板樣條函數的HY-1B衛星L1B數據幾何校正方法研究第28卷第5期2021年10月海洋通報MARINESCIENCEBULLETIN,o1.28.No.50ct.2021基于薄板樣條函數的HY一1B衛星LIB數據幾何校正方法研究彭海龍,鄒斌,劉士斌,(1.國家衛星海洋應用中11,北京100081;2.中國科學院對地觀測與數字地球科學中心,北京100086)摘要:將HY-IBLIB產品中已有的經緯度數據抽樣作為控制點,根據控制點的圖像坐標和經緯度坐標間的對應關系,基于薄板樣條函數的坐標變換關系對HY-1BL1B數據進行了幾何校正.并與陸地矢量邊界進行了比較,結果說明該方法能較好地完成HY-

2、1B衛星LIB數據的幾何校正.關鍵詞:HY-1B;薄板樣條函數;幾何校正中圖分類號:TP751文獻標識碼:A文章編號:10016932(2021)050106-042007年4月l1日中圍發射的HY.1B衛星是中國第一顆海洋衛星HY.1A的后續星,其有效載荷為一臺十波段水色水溫掃描儀(COCTS)和一臺四波段海岸帶成像儀(CZI).該衛星是在HY一1A衛星根底上研制的,除波段的增益和中心波長位置有所變化外,其根本特性參數和掃描機制與HY一1A衛星相似,其觀測能力和探測精度進一步得到增強和提高.HY一1B衛星主要是用于探測葉綠素,懸浮泥沙,可溶有機物及海洋外表溫度等要素和進行海岸帶動態變化監測.

3、HYlB衛星數據采用HDF(HierarchicalDataFormat)4.2格式,HDF數據格式是美國國家超級計算應用中心(NCSA)于1987年開發的一套文件格式,它將多種類型的數據,例如圖像接收數據,地理位置,軌道參數和儀器噪聲等全部存儲在一個HDF文件中.HY一1B按接收和處理過程又可分為L0,L1A,L1B,L2A,L2B,L2C和L3級等產品.對HY一1B數據的處理是一個復雜的過程,其中幾何校正是進一步處理和定量研究的重要根底之一.HY.1B衛星數據經輻射校正之后生成L1B產品,LIB產品的HDF文件中已經包含有經度和緯度數據,可以利用這些數據進行衛星影像的幾何校正.本文基于抽樣

4、后的經緯度坐標作為已有控制點,使用薄片樣條變換函數方法進行了HY一1B衛星LIB影像的幾何校正,并將校正結果與陸地矢量邊界進行了比較.1HY_1BL1B影像幾何校正方法1.1Hy-1BLIB影像與經緯度對應坐標對利用HDF文件中所包含的經緯度數據作為控制點進行幾何校正,首先需要建立控制點的圖像坐標和經緯度坐標間的對應關系,HY一1BLIB的圖像坐標和經緯坐標間不是一一對應的,分辨率1100m的HY一1BCOCTS圖像中每條掃描行圖像像元數為1664,每條掃描行有166個經緯度坐標對,第一個經緯度坐標對對應圖像像元號為7,以后每隔10個像元點給出一個經緯度坐標對,分辨率250m的HY一1BCZI

5、圖像中每條掃描行圖像像元數為2048,每條掃描行有102個經緯度坐標對,第一個經緯度坐標對對應圖像像元號為14,以后每隔20個像元點給出一個經緯度坐標對,根據上述關系可以確定圖像坐標即像元行列值與經緯度坐標問的對應關系.由于HDF文件中的經緯度數據對應圖像上的坐標位置排列規那么,將此經緯度數據進行抽樣,抽樣為20列×40行的矩陣為控制點(cP)矩陣.如果圖像的最后一行所對應的經緯度數據未包含在控制點(CP)矩陣中,需單獨對最后一行經緯度數據進行抽樣并參加到控制點(CP)矩陣中,同樣需要將圖像第一列和最后一列所對應的經緯度數據進行抽樣并參加到控制點(CP)矩陣中.圖1(a)為收稿日期:

6、20210407收修改稿日期:202107.295期彭海龍等:基于薄板樣條函數的HY-1B衛星L1B數據幾何校正方法研究107控制點(CP)矩陣在影像坐標系的位置圖.圖l(b)為控制點(CP)矩陣在影像坐標系局部放大圖,可以看到控制點均勻的分布影像上.圖1(c)為控制點(cP)矩陣在WGS84坐標系下,等經緯度投影的幾何位置圖.(a)(b)(c)圖11.1KmHY-IBCOCTSL1B抽樣控制點的圖像坐標和經,緯度坐標的對應關系(a)控制點矩陣在影像坐標系的位置圖;(b)控制點矩陣在影像坐標系局部放大圖;(c)控制點矩陣在WGS84坐標系下,等經緯度投影的的幾何位置圖Fig.1Correspo

7、ndingrelationshipfroml,1KmHY一1BCOCTSL1BsamplingcontrolpOintimagecoordinatestolatitudeandlongitudecoordinates1.2薄板樣條函數變換式有了控制點的圖像坐標和經,緯坐標間的對應關系,就可以近似地確定所給的圖像坐標系和應輸出的地圖坐標系之間的坐標變換式.坐標變換式經常采用圖像仿射變換,Polynomial多項式變換,徑向基函數(radialbasisfunction,aBE)變換等變換模型.薄板樣條函數(thinplatespline,TPS)是最常用的具有代表性的徑向基函數,薄板樣條曲線插值

8、特定的點使其最小化一個近似曲率,其函數形式如下:'=fx(X,)=a0+Ix+a2+(JI(,)一(,)II),(1)i=IY'=L(x,)=bo+blx+b2y+(II,y)-(xi,)II),(2)i=1式中:,是源影像中的點,(',Y')是幾何校正后影像中對應的位置;a0,a1,a2和bo,b1,b2是仿射變換系數;,是第i個對應錨點對的系數;(,Y)是原影像中定義的一個控制點;(.)是TPS核函數,其采用如下形式:(r)=rlogr(3)式(1)和(2)中的多項式項(口0+alx+a2y)和(bo+x+b2Y)采用仿射變換,一種線性變形.另一方面,等式中

9、的和項為非線性變形.由于TPS等式中包含了2(+3)個未知數(ao,口1,a,bo,b2,和),我們在進行影像幾何校正之前必須首先確定這些未知數.然而,我們僅有個對應的錨點對,因此有2N個等式.這就產生了一個病態線性方程求解問題,要解這個方程,必須強SUCH入下面兩套額外的約束方程:(4)(5)0=0I0=0II日O=O=X瑚108海洋通報28卷式中:未知系數(口o,al,a2,b0,bl,b2,和)可從控制點的圖像坐標值和地圖坐標值中根據最小二乘法求出.1.3影像灰度重采樣一旦確定了未知系數,就可以完成幾何校正了.可以對原影像中的每一個像元運用式(1)和式(2)得到校正后的影像.然而,前向映

10、射不能產生很好的結果,因為在校正后的影像中會有很多孔洞.實際工作中,使用后向映射的方法使校正后的影像中的每一個像元位置到源影像和前面的孔洞.X=,Y'),Y=',Y')(6)和能通過互換(X,Y)和(X.,Y.)確定,在式(1)和(2)中使用校正后的影像中的錨點(,Y)替換源影像中的錨點(X,Y).使用后向映射的方法,校正后的影像中的任意像素都能在源影像中找到它的位置,灰度值由源影像對應像素的灰度值確定.對式(6)進行位置映射能定位到源影像的亞像素,因此需要采用影像灰度的雙線性插值.2算法試驗利用薄板樣條函數幾何校正方法在根本配置CPU2.83GHz,2.00GB內存的

11、計算機上對2021年7月(c)(d)圖21.1KmHY.1BCOCTSL1B影像TPS幾何糾正結果及局部效果圖(a)軌道號6437利用TPS幾何校正結果;(b)軌道號6437幾何校正的局部效果;(C)軌道號6893利用TPS幾何校正結果;(d)軌道號6893幾何校正的局部效果Fig.2WholeandpartialeffectofGeometricCorrectionfor1.1KmHYlBCOCTSLIBimagebasedonTPS5期彭海龍等:基于薄板樣條函數的HY-1B衛星L1B數據幾何校正方法研究1095日02:00:20(UTC)包含中國沿海地區軌道號6437的1.1km分辨率CO

12、CTSLIB影像H1BCLR080705022006437.L1B.HDF文件和2021年8月6日02:00:47(UTC)境外澳大利亞沿海地區軌道號6893的1.1km分辨率COCTSL1B影像1BCLD080806O24706893.LIB.HDF進行了幾何校正.幾何校正的投影方式采用了氣象,海洋學中常用的等經緯度投影,這種投影越向兩極地區圖像變形越大,因此適用于中低緯地區,符合對大范圍研究的要求.圖像均為假彩色RGB合成圖(R:通道6,G:通道7,B:通道3),經緯度抽樣矩陣選取為20列×40行,軌道號為6437的含中國沿海地區影像,校正前的圖像大小均為l664×62

13、96個象素點,校正后的圖像大小為5128×6216個象素點,校正時間約2min6S,校正后的與矢量疊加的圖像如圖2(a)所示,局部圖像如圖2fb)所示.通過局部圖像同矢量疊加的結果可以看出,幾何校正結果同中國陸地邊界較好的重合.軌道號為6893的境外澳大利亞沿海地區影像,校正前的圖像大小均為1664×6295個象素點,校正后的圖像大小為4650×6287個象素點,校正時間約為1min57S,校正前的圖像如圖I(a)所示;校正后的圖像如圖2(c)所示,局部圖像如圖2(d)所示.通過局部圖像同矢量疊加的結果同樣可以看出,幾何校正結果同澳大利亞的陸地輪廓重合較好.3結論

14、由于本文沒有采用地面控制點,而是用HY.1BL1B數據提供的空間定位數據進行幾何校正,其空間定位采用的是WGS84經緯度坐標系統,因此HY一1BLIB影像的幾何校正精度主要取決于探測器對空間定位的精度.試驗結果說明,使用TPS可以得到較好的幾何校正結果.通過試驗發現,當抽樣矩陣為20列×40行時,其幾何校正速度和效果都比較滿意,提高抽樣矩陣行列值對幾何校正精度提高無明顯效果,但當控制點數量比較多的時侯,其計算可能會非常耗時.參考文獻:1郭廣猛.關于MODIS衛星數據的幾俐校正方法J.遙感信息2002(3):2728.【21韓崇昭,朱洪艷,等著.多源信息融合M】.清華大學出版社.200

15、6f3J蔣耿明,劉榮高,牛錚,等.MODIS1B數據幾何糾正方法研究和軟件實現fJ7.遙感,2004,8(2):7884f4付必濤,等.MODIS數據幾何校正算法設計及其IDL實現J.遙感信息2007(2):2123.5葉晶,嚴衛,等.利用加權平均法進行多軌MODIS數據拼圖J1.遙感信息2007(1):27.28.作者簡介:彭海龍(1976),男,碩士,副研究員,主要從事海洋遙感與地理信息系統的應用研究.電子郵箱: GeometriccorrectionforHY-1BLIBdatabasedonthethinplatesplinemethodPENGHai

16、long,ZOUBin,L1-UShi.bin(1.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China2.TheCenterforEarthObservationandDigitalEarth,Seijing100086,China)Abstract:UsingcorrespondingrelationshipofimagecoordinatesandlatitudeandlongitudecoordinatesofcontrolpointswhichsampledfromHY一1BL1Bproduct,geometriccorrectionforHY一1BL1BdatabasedontheThinplateSplinefunction