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静止轨道海洋水色仪无缝拼接技术的研究

【摘要】:我国是一个海洋大国,海洋环境的变化对我国国防、经济、民生息息相关。我国已发射了两颗太阳同步海洋光学遥感卫星,采用太阳同步轨道卫星观测地球同一特定区域,重访周期在一天以上。但海洋的潮汐、海流、污染以及军事活动感兴趣时间等往往在一天内可发生很大变化。所以,对于这些目标的实时观测,提高海洋卫星的时间分辨率是极为重要。本课题讨论的静止轨道海洋水色仪就是针对这一目标展开的。受探测器像素规模大小和光学系统有效视场的限制,水色仪采用了二维指向镜结合面阵探测器凝视的方式加以实现,通过拼接指向镜二维扫描的子图像,扩大观测范围。当二维指向镜绕两轴转动时,会引入扫描非线性和像旋误差,如果扫描镜步进角选择不合理,将导致原本无缝扫描的区域出现地理信息遗漏。本课题围绕采用二维指向机构的静止轨道海洋水色仪如何实现无缝拼接作为中心展开研究,论文的主要内容和创新点如下:本文的创新点主要有:1.通过二维指向镜的成像原理、扫描轨:妥油枷裉卣鞯姆治?给出了扫描角度变化与图像覆盖程度的关系,并得出了相对光学系统俯仰角为负,俯仰角为正时观测北半球的像旋角要小的结论。提出了两种无缝拼接的判断方法:栅格法和几何相交法,比较了两种方法并给出不同指向角度、不同步进间隔角度的漏扫判断结果。为了能够对可变的热点区域进行高效观测,给出了无缝扫描的设计流程。2.根据指向镜物象对应关系和插值算法,提出了二维指向面阵成像的消旋算法,并提出相邻子图像特征点间斜率差的消旋验证方法。验证了消旋结果。经验证,该消旋算法有效改善了相邻子图像特征点连线的平行度,将斜率差平均降低了 39%。3.为获得遥感图像拼接的配准参数,可采用基于全局和基于局部的配准方法,针对本文可获得的样机图像,采用了基于局部的配准方法。遥感图像的局部特征提取方法主要有直线特征提取和点特征提取。直线特征提取算法中以Hough算法和LSD算法表现优秀。但直线特征提取需要图像具有较多且明显的直线特征,而静止轨道海洋水色仪的图像分辨率有限,往往缺乏直线特征,所以文章选用了特征点提取算法:SIFT算法、SURF算法、ORB算法。分析了三种特征点提取算法的原理,给出了相应的配准方法。用三种算法分别对静止海洋水色仪样机图像进行特征点提取和配准,给出了相邻图像的配准结果。通过比较算法的配准效果、运行时间和占用内存这三方面,选出了表现最好的ORB算子。4.通过RANSAC算法剔除误匹配,获得相邻图像转换的单应性矩阵。在图像变换后,采用距离加权的方法消除拼接缝隙,给出水色仪样机的子图像拼接的结果,结合图像消旋算法,对比了消旋前后拼接结果,阐述了本文提出的消旋算法在一定程度上提高了遥感仪器的定位准确度。本课题通过无缝拼接判断的分析,得到了覆盖半球且能够无缝拼接的最大俯仰、方位转角步进间隔,为电机转角步进角的设置提供理论依据,保证无缝拼接的基础上提高载荷的时间分辨率。完成了三种算子的图像配准,选用了表现效果最好的ORB算子进行图像拼接,拼接时间在2s左右,为实现星上实时图像拼接提供了可能。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP751;P715.7

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