三颗高分辨率星载SAR的定位模型构建及其定位精度评价_图文_

1、 2010. 2遥感信息遥感应用三颗高分辨率星载SA R 的定位模型构建及其定位精度评价陈尔学, , 李增元, , 卢颖, , 田昕, (中国林业科学研究院资源信息研究所, 北京100091;国家林业局林业遥感和信息技术重点开放性试验室, 北京100091 摘要:随着TerraSAR 2X ,Cosmo 2SkyMed 和Radarsat 22这三颗高分辨率SAR 卫星的成功发射, 国内越来越多的用户开始通过商业渠道或通过参与SAR 数据的应用示范项目免费获取到这三颗卫星的SAR 数据。要很好地应用SAR 数据必须首先解决其地理编码或几何校正问题, 而该问题的核心是解决SAR 定位模型的建立和

2、解算方法, 在此基础上就可以实现SAR 影像的地球椭球校正地理编码(G eocoding of Ellipsoid , GEC 处理, 增强地球椭球地理编码(Enhanced Elliposid Correction , EEC (of Terrain Correc 2tion , GTC 或正射校正。本文研究并实现了这三颗高分辨率GEC 效果进行了评价。SAR 数据的EEC 和GTC 处理奠定了基础。关键词:; 地理编码doi :10. 3969/2010. 02. 008中图分类号:TP79文献标识码:A文章编号:1000-3177(2010 108-0043-061引言由于目前在轨的所有

3、民用星载SAR 系统都采用了基本相同的卫星轨道记录方式和成像处理模式, 基于距离-多普勒(RD 定位模型的地理编码方法已经成为了标准方法。国内学者基于RD 定位模型研究实现了ERS 21/2SA R 、J ERS 21SA R 、RA 2DARSA T 21SAR 、SIR 2C/X SAR 、ENV ISA T ASAR 和ALOS PAL SAR 等的几何校正处理方法(陈尔学等,2000年,2004年,2006年,2007年; 周金萍等,2001年; 张永红等,2002年 , 可以说通用的RD 定位模型的形式、直接/间接定位方法等都已经得到了很好的解决(周金萍等,2001年; 陈尔学等,

4、2006年 。我们研究发现TerraSAR 2X , Co smo 2SkyMed 和Radarsat 22这三颗高分辨率星载SAR定位模型和地球椭球地理编码(GEC 处理方法可以适用这三颗新型卫星SAR 数据的定位处理。因此本文将重点介绍如何从星载SAR 数据产品中提取RD 定位模型参数, 并对GEC 处理结果的地理编码精度进行定量评价。2试验区及数据获取了覆盖江苏省海安县部分区域的一景TerraSA R 2X 聚束式双极化(H H 、VV 数据和一景Radarsat 22全极化精细模式数据。其中T erraSAR 2X 数据的覆盖范围为:120°3459120°4351

5、E ,32°285232°3640N ; Radarsat 22数据的覆盖范围为:120°1912120°3943E ,32°263032°4432N 。还获取了一景覆盖上海市部分区域(121°0939121°4056E , 31°035731°2652N 的Cosmo 2SkyMed 单极化(H H 高分辨率数据。这三景数据也都采用了和上述星载SAR 一致的卫星元数据提供方式, 除了在SA R 产品元数据中提取RD 定位模型构建参数的具体方法上有所区别外, 现有的RD收稿日期:2009-01-

6、16都为单视复数(SL C 类型。另外还获取了一景覆盖海安县的经过几何精校正的SPO T52. 5m 影像, 将修订日期:2009-05-20基金项目:1863国家统计遥感子课题“星载SAR 农作物面积测量和处理软件模块开发(2006AA120101 ”和“生态资产参数遥感估测与新型雷达作物信息提取(2006AA120108 ”。作者简介:陈尔学, 男, 研究方向为:合成孔径雷达, 数据处理, 极化干涉SAR , 森林信息提取和SAR 分类识别。E 2m ail :chenerx caf. ac. cn43 遥感信息2010. 2遥感应用用于TerraSAR 2X 和Radarsart 22数

7、据的GEC 定位精度检验。式(3 为多普勒方程, 其中, 为雷达波长, V s为卫星速度矢量, V s =x v , y v , z v T 。V T 为目标速度矢量, 采用ECR 坐标系统定义卫星轨道数据时, 其值通常都为0, 即V T =0,0,0T 。若已知SA R 影像行列号(i , j 利用式(1 (3 求算该像元的地理坐标, 需要先求算出(x t , y t , z t , 然后通过坐标转换求算出经纬度坐标, 这个过程称为直接定位; 若认为地面点的地理位置(x t , y t , z t 是已知的, 求算其对应的影像像元坐标(i , j , 这个过程称为间接定位。利用间接定位法求算

8、出影像覆盖区每个网格点的像元坐标, 通过重采样将SAR 影像转换到地理坐标空间的过程就是地理编码。, 则Correction 处; (GCPs 进行, 然后再利用数字高程模型(DEM 作为真实地球表面进行地理编码, 则称为地形校正地理编码(Geocoding of Terrain Correction , GTC 。GTC 、GEC 可认为分别相当于光学遥感影像的正射校正、地理参考校正。3. 2RD 定位模型的构建方法3. 2. 1地球椭球模型T erraSAR 2X 、C osmo 2SkyMed 和Radarsast 22数据3原理与方法3. 1RD 定位模型德国的T erraSAR 2X

9、 、意大利的Cosmo 2SkyMed和加拿大的Radarsat 22卫星SAR 的单视复数(SLC/SSC/SCS 和多视地距数据(M GD/GDM/SGF 产品元数据中提供的卫星轨道数据都是在地心坐标系统(Eart h Centered Rotation , ECR 中定义的(图1 , 因此其RD 定位模型将在ECR 坐标系统上建立。ECR 坐标系统的z 轴和地球自转轴重合, x 轴自地心指向格林威治子午线与赤道面的交点, y 轴过地心垂直于x 2z 平面, 使o 2x y z 构成右手坐标系统。S 表示卫星SA R 的位置,S 是星下点; 目标点为T , 其地面投影点为T ;oN ; T

10、 纬度坐标为(L t , t :2+2=1(R E +h R PR =R i , f D =-222(1 (2 (3 R都采用WGS84地球椭球模型, 其R E =6378137. 0m 、R P =6356752. 3m 。对于GEC 处理, 式(1 中的h 可设为目标区域的平均高程。3. 2. 2距离向方程对于单视斜距产品, 式(2 可写成近距离向第一个像元的斜距(R 0 和斜距像元大小R 1的函数, 见式(4 , 这里斜距R 只和列号j 相关。(4 R (j =R 0+R 1j图1用于定义RD 定位模型的ECR 坐标系式(1 为地球椭球模型, 其中, R E 、R P 分别为椭球体的半长

11、轴、半短轴。h 为目标点的高程(T T , 对于GEC 处理可设h 为影像覆盖区域的平均高程。(x t , y t , z t 为目标点T 的位置坐标, 用矢量R T 表所有卫星SAR 元数据中都会提供距离向像元大小R 1、R 0的值, 对于Radarsat 22可自元数据记录“sarProcessingInformation. slantRangeNearEdge ”直接读取; 而对于Co smo 2SkyMed 和TerraSAR 2X , 则需要基于其元数据中提供的距离向第一个像元的双向斜距时延T d 0利用式(5 计算。T d 0在Cosmo 2SkyMed 元数据保存位置为“S01.

12、 B001. Range First Times ”, 在TerraSAR 2X 中为“product Info. sce 2neInfo. range Time. first Pixel ”。(5 R 0=T d0c /2上式T d 0的单位为秒(s ; c 为光速, 单位为(m/s 。示, 下标T 表示目标点。式(1 中只有目标点的位置T (x t , y t , z t 是待求的未知数。式(2 为距离向方程, 其中, R 为卫星到目标的斜距(S T 。设R s 是卫星位置矢量, R s =x s , y s ,z s , 上标T 表示向量的转值, 则斜距矢量R =R s 2R T , R

13、 =|R |; R 是影像列号j 的函数。T44 2010. 2遥感信息遥感应用对于多视地距产品, 为了计算每个像元的斜距, 必须构建地距到斜距的转换方程。该转换方程的参数可从元数据中提取。这些参数在Radar 2sat 22SGF 元数据保存位置为“product. image Gen 2erationParameters. slant Range To Grand 2Range ”。假设从中提取的参考地距(groundRangeOrigin 用GR 0表示、地距转斜距参数(ground ToSlant Range 2Coefficient s 用s 0, s 1, s 2, s 3, s

14、4表示, 则利用式(63. 2. 3多普勒方程这三颗高分辨率SAR 的单视复数和多视地距数据产品都采用零多普勒成像处理方式, 所以式(3 的左端为零。其右端,SAR 波长是在其元数据中一定提供的参数, 斜距R 通过距离向方程求解, R s 和V s 需要根据对应影像每一行的方位向时间T i 或行号i , 由元数据中提供的N 个卫星位置和速度状态矢量及其对应的时间T s 通过插值计算得到, 这样对任意行号i , R s 和V s 就是已知的了。显然, 对任意方位向时间或行号的卫星位置和速度状态矢量的估算精度对最终的定位精度有决定性的影响。这三颗卫星的SAR 数据产品元数据中都提供了数目不等的卫星

15、位将地距转换为斜距,R (j =s 0+s 1(GR (j -GR 0 +s 2(GR (j -GR 0 +s 3(GR (j -GR 0 +s 4(GR (j -GR 0234(6上式GR (j 是像元列坐标j 的函数, 即GR (j =j R g 1, R g 1是距离向地距像元大小, 可以直接从元数据中读出。T erraSAR 2X 在其M G D “productSpecific. angeProjection ”t 0、斜距转地距参数a 0, a 1, a 2, a 3, a 4, a 5。设斜距影像列号为j 的像元对应的双程斜距时延为T d (j , 记dt =T d (j 2t

16、0, 则斜距转地距方程为,GR (j =a 0+a 1dt +a 2dt +a 3dt23置和速度状态矢量数据。T erraSAR 222和2数据分别提供了12、, 时间0s 1. 2s 和10. 0s 。我们只能利用这, 对于一般的基于插值的轨道重建算法来说, 所提供的相邻矢量数据的时间间隔越短越有利于卫星轨道的精确重建。4地理编码精度评价4. 1以元数据中提供的影像点坐标为参考(7 +a 4dt 4+a 5dt 5地距转斜距是对式(7 进行逆运算, 可以采用数值解算方法完成。Cosmo 2SkyMed 通过元数据记录“Slant to Ground Polynomial ”提供了地距转斜距

17、方程的5个在TerraSAR 2X SL C 数据的元数据中提供了4个角点及影像中心点共5个点的经纬度坐标, 计算这些经纬度坐标采用了影像覆盖区域的平均高程。假设这5个点的高程都是10. 71m , 利用本文所述方法建立定位模型进行地理定位, 定位结果与元数据中提供的坐标对比见表1。由表1计算得到东西向的均方根误差(RMSE 为4. 92E 205°, 南北向RMSE 为1. 34E 205°, 按1°约等于110km 换算为直线距离分别为5. 41m 、1. 48m 。参数b 0, b 1, b 2, b 3, b 4, b 5, 利用式(8 计算地距影像列号为

18、j 的像元的斜距R (j ,R (j =b 0+b 1j +b 2j +b 3j23+b 4j 4+b 5j 5列号7933557933553968(8参考点纬度(°32. 59262732. 61123932. 48121732. 49983132. 546309表1TerraSAR 2X 影像4个角点和影像中心点的定位结果与元数据中提供值的对比行号参考点经度(°120. 730700120. 606740120. 707013120. 583216120. 656498估测经度(°120. 730644120. 606690120. 706960120. 58

19、3169120. 656460估测纬度(°32. 59263332. 61124532. 48123732. 49984932. 546318经度偏差(°-5. 60E 205-4. 99E 205-5. 33E 205-4. 67E 205-3. 82E 205纬度偏差(°6. 36E 2065. 59E 2062. 01E 2051. 85E 2059. 27E 206对于Co smo 2SkyMed 数据, 利用本文所述定位方法得到的4个角点的坐标和元数据中提供的经纬度坐标是完全一致的(表2 。元数据中提供的角点的经度的有效数字为3位, 纬度的有效数字为4位

20、。利用本文所发展的定位方法得到的结果保留到小数点后6位(表2 , 若也保持和元数据相同的有效数字位数, 则经纬度的偏差都将成为0. 0, 正如表2所列偏差值。实际上表1中TerraSA R 2X 的结果, 若也只比较到经度的3位和纬度的4位有效数字, 也会得到零偏差的结论。45 遥感信息2010. 2遥感应用表2Cosmo 2SkyMed 影像4个角点的定位结果与元数据中提供值的对比列号行号参考点经度(°121. 161121. 618121. 228121. 683参考点纬度(°31. 377131. 448231. 065231. 1363估测经度(°121.

21、 160976121. 617515122. 228433121. 683390估测纬度(°31. 37710431. 44819831. 06518531. 136317经度偏差(°0. 00. 00. 00. 0纬度偏差(°0. 00. 00. 00. 0Radarsat 22SL C 数据在元数据中提供了M ×N 个格网点的经纬度坐标, 这里M 为方位向的格网点数, N 为距离向的格网点数, 这景数据M =12, N =18。以这216个点的坐标作为参考值, 和利用我们发展的定位模型得到的定位结果相对比, 计算得到定位偏差 , 从216个点中抽取了

22、12个点, 给出了元列号0. 01336. 62450. 43787. 00. 01336. 62450. 43787. 00. 01336. 62450. 43787. 0数据提供的经纬度和本文定位结果的对比(表3 。216个点在经度、纬度方向的偏差绝对值见图2, 这里已将偏差的单位由度转化为m (按1°约等于110km 折算 。可见在东西向的定位偏差(7. 54m 15. 87m 总体上要小于南北向(0. 03m 35. 17m 。东西向的RMSE 为12. 90m 24. 76m 。(74384232. 72870632. 71591532. 70034532. 6030553

23、2. 58790732. 57510832. 55952732. 48542432. 47026632. 45745832. 441868-9. 4E 205-9. 5E 205-9. 5E 205-9. 6E 205-7. 8E 205-8. 5E 205-8. 4E 205-8. 5E 205-0. 00013-0. 00013-0. 00014-0. 00014纬度偏差(°-9. 3E 205-9. 2E 205-9. 2E 205-9. 4E 205-3. 7E 205-4. 1E 205-3. 8E 205-3. 9E 205-0. 00029-0. 0003-0. 000

24、3-0. 0003表3Radarsat 22影像12行号0. 00. 00. 00. 03099. 33099. 33099. 33099. 35682. 05682. 05682. 05682. 0参考点经度(°120. 374573559616120. 661957120. 344688120. 445061120. 529434120. 631607120. 319809120. 420036120. 504303120. 606339参考点纬度(°32. 71600732. 70043932. 60309232. 58794832. 57514632. 559566

25、32. 48571832. 47056232. 45775632. 442165(120. 475010120. 559521120. 661861120. 344610120. 444976120. 529350120. 631522120. 319675120. 419905120. 504164120. 606198了15个控制点, 控制点在SAR 影像上的空间分布如图3所示。精度检验结果为:东西向坐标的RMSE 为125. 3m , 南北向RMSE 为51. 3m 。对Radarsat 22的GEC 校正结果影像也利用同一幅SPO T5融合影像为参考, 获取了14个控制点, 图4给出了

26、这些控制点在其校正结果影像上的空间分布, 东西向坐标的RMSE 为153. 3m , 南北向RMSE 为21. 8m 。图2以元数据提供的216个点的经纬度坐标为参考的地理定位偏差4. 2以经过几何精校正的SPOT5影像为参考对TerraSAR 2X SAR 的GEC 校正结果影像, 以SPO T52. 5m 与多光谱的融合影像为参考, 获取464. 3定位结果分析三颗卫星提供的都是W GS 84地心坐标系统的卫星轨道数据, 定位模型也都构建于W GS 84坐标系统之上, 因此定位结果也是W GS 84坐标系统下的, 这使得以元数据中提供的点位坐标作为参考时得到了很小的偏差, 说明本文发展的定

27、位模型是正 2010. 2遥感信息遥感应用确的。严格来讲, 若我们发展的定位模型和相应的SAR 处理器采用的方法完全相同, 则定位偏差应该供的高程用于GEC 处理, T erraSAR 2X 将这种处理方法生产的产品称为增强地球椭球校正(EEC 产品。但其前提是假设基于SAR 元数据信息构建的RD 定位模型的定位精度已经很高, 否则即便提供了高程也只能提高整个影像的平均定位精度, 局部地形引起的畸变并不一定能得到高精度校正。要实现高精度的地形校正, 用户必须同时提供高精度的DEM 和GCPs 数据, 利用GCPs 对RD 定位模型进行优化解算后再利用DEM 提供的h 进行GTC 处理。GEC

28、校正产品是三颗高分辨率卫星SAR 的标准产品, 本文通过GEC 定位精度试验说明了所建立的RD 定位模型的正确性。由于GEC 产品的处理过程没有考虑当地高程信息GCPs 进, GEC 产品来说, 这种偏差大小。在RD 定位模型的基础上, 进一步通过EEC 、GTC 处理就可以消除这些偏差, 然而EEC 、GTC 产品的生成算法和精度评价已经超出了本文的研究范围 。为0。但实际上我们观察到有几米到几十米的误差。主要原因可能在于我们所采用的卫星轨道重建方法不太可能和SAR 处理器保持完全一致。在卫星数据产品的元数据中只提供了515个离散的卫星轨道矢量数据, 对应每个方位向时间或行号的卫星位置和速度

29、矢量是需要通过轨道重建模型计算的。本文采用了简单的基于插值的轨道重建算法, 而SAR 处理器可能采用了不同的轨道重建方法。另外SAR 处理器在定位时可以利用的信息可能要多于其在元数据中提供给我们一般用户的信息。本文的地理定位结果是假设一个固定的平均高程, 在WGS 84坐标系统中计算得到的, 没有利用当地的DEM 和任何GCPs 信息, 因此和在北京54坐标系统中的SPO T5范围内。和若干GCPs (GTC 。若用户只有DEM 可以利用, 而没有高精度的GCPs , 则可以将DEM 提5结束语本文介绍了构建目前在轨的三颗高空间分辨率SAR 卫星(TerraSAR 2X 、Cosmo 2Sky

30、Med 和Radar 2sat 22 定位模型的方法, 各利用1景实际数据对所发X 偏差在6m 之内, 而Cosmo 2SkyMed 在元数据有效数字范围内误差为0. 0。若以SPO T5为参考影像, TerraSAR 2X 东西向坐标RMSE 为125. 3m , 南北向为51. 3m , 而Radarsat 22东西向坐标的RMSE 为153. 3m , 南北向为21. 8m 。这些都表明本文提出的这三颗卫星的定位模型构建方法是正确的, 为进一步实现三颗高分辨率SA R 卫星数据的EEC 、GEC 校正处理算法奠定了基础。致谢:由衷地感谢数据免费提供方德国DL R 和北京同天视地空间技术有

31、限公司。展的定位模型的定位精度进行了检验。参考数据包括两种类型, 一种是利用SAR 元数据中提供的一些点的经纬度数据, 另外一种是以经过几何精校正的SPO T52. 5m 全色与多光谱融合影像作为参考。结果表明利用本文所发展的定位方法得到的定位结果与元数据中记录的结果相差很小, 其中TerraSA R 247遥感信息 2010. 2 遥感应用 参考文献 1 陈尔学 ,李增元 ,车学俭 . 星载 SA R 地理编码算法研究 J . 高技术通讯 ,2000 ,10 ( 2 :5359. 2 周金萍 ,唐伶俐 ,李传荣 . 星载 SA R 图像的两种实用化 R2D 定位模型及其精度比较 J . 遥感

32、学报 ,2001 ,5 ( 3 :191197. 3 张永红 ,林宗坚 ,张继贤 ,甘梦龙 . SAR 影像几何校正 J . 测绘学报 ,2002 ,31 ( 2 :134138. 4 陈尔学 ,李增元 . ENV ISA T ASAR 影像地理定位方法 J . 中国图象图形学报 ,2004 ,9 (8 :991996. 6 陈尔学 ,李增元 . ALOSPAL SA R 影像地球椭球地理编码方法 J . 遥感信息 ,2008 (1 :3742. 5 陈尔学 ,李增元 . 基于斜角坐标系变换的星载 SA R 直接定位算法 J . 高技术通讯 ,2006 ,16 ( 10 :10821086.

33、Web 时插件会自动更新功能 。降低了系统维护与升级的成本 。有效的提高了工作效率 。 Key words :high resolution satellite ; synt hetic apert ure radar ;geo2location model ;geocoding more and mo re people in China are using or going to acquire t he t hree satellite data t hrough commercial channel o r scientific SA R data to any application

34、s. The key point to solve t his p roblem is to establish t he geo2locatio n model of each SA R satellite o r demo nst ratio n p roject s gratis. The geocoding o r geo met ric correctio n p ro blems of SA R image sho uld be solved before applying f undamental support fo r t he EEC and o rt ho2rectifi

35、cation of t hese space2bo rne SA R data. it s data p roduct s. Based on t he geo2location model ,t he geocoding p rogram of ellip soid co rrection ( GEC ,enhanced ellip soid geo2 础上简单快捷的二次开发 ,改变了之前 Web 三维开发相对困难的状况 ; 同时这一转变也使得 EV2 Globe 软件的产品体系更加 丰富完善 ,为消费者提供了更加全面的选择 。EV2 Globe Web 继承了 EV2 Globe Pro 的所有功能 ,如 : 三维数据快速浏览 ,矢量 叠加显示 ,三维模型加载 ,三维地形分析等 。此外 EV2 Globe Web 还拥有值得注意的亮点 : 动安装一个插件 ,就可以直接浏览访问和使用 EV2 Globe 软件 ,简化了客户端电脑载荷 。 措施增加数据在传输 、 使用时的安全性 。 到数据库 ,达到资源共享的目的 。 goding ( EEC and geocoding of terrain correctio n ( GTC o r ort ho2rectificatio n of SA R image can be easily implemented