ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2011, № 2, с. 66-80
АВТОМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОРРЕКЦИИ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ПРИВЯЗКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ МЕТЕОСПУТНИКОВ СЕРИИ FENGYUN-2 С ПИКСЕЛЬНОЙ ТОЧНОСТЬЮ
© 2011 г. С. Н. Катаманов
Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток
E-mail: sergey@satellite.dvo.ru Поступила в редакцию 10.02.2010 г.
В этой работе представлен автоматический метод коррекции географической привязки "полных" (сформированных в течение всего сеанса приема) изображений, получаемых с геостационарного спутника FengYun-2C в режиме S-VISSR2.0, с пиксельной точностью. Метод коррекции привязки разделен на два этапа: первичная и вторичная процедуры. Процедура первичной коррекции устраняет "основную" ошибку привязки с помощью определения истинного положения диска Земли на изображении. Процедура вторичной коррекции устраняет остаточные ошибки привязки по всему изображению посредством автоматического расчета невязок в реперных точках. В качестве параметров коррекции привязки используются углы стабилизации спутниковой платформы с радиометром (крен, тангаж, рысканье). Исследована возможность прогнозирования параметров коррекции привязки FengYun-2C/S-VISSR изображений с ранее привязанных изображений и обсуждаются результаты эффективности его применения. Представлены результаты апробации автоматического метода коррекции географической привязки на четырехмесячной серии (за 2008 г.) в Региональном спутниковом центре мониторинга окружающей среды ДВО РАН.
Ключевые слова: спутниковые FengYun-2C изображения, автоматический метод коррекции привязки, реперные точки, пиксельная точность, углы ориентации платформы спутника (крен, тангаж, рысканье), прогнозирование параметров привязки
ВВЕДЕНИЕ
В январе 2005 г. Китайским метеорологическим агентством (China Meteorological Administration — CMA) был введен в эксплуатацию новый геостационарный метеорологический спутник FengYun-2C (FY-2C) взамен вышедшего из строя FengYun-2B. Высота орбиты спутника составляет 35800 км, его местоположение на орбите — 105° в.д. Он оборудован радиометром S-VISSR (Stretched-Visible and Infrared Spin Scan Radiometer), который сканирует в пяти спектральных диапазонах: видимый канал (0.55—0.90 мкм), ближний ИК-канал (3.5—4.0 мкм), канал водяного пара (6.5—7.0 мкм), первый ИК (10.3—11.3 мкм) и второй ИК (11.5—12.5 мкм) каналы. Данные со спутника FY-2C передаются в двух режимах — LRIT и S-VISSR2.0 (CMA, 2004). Для режима S-VISSR2.0 пространственное разрешение ИК-ка-налов равно 5 км, для видимого канала — 1.25 км в надире. Высокие характеристики изображений радиометра FY-2C/S-VISSR, получаемых в режиме S-VISSR2.0 (число градаций на пиксел изображения для ИК-каналов составляет 1024, а для видимого — 64), и частый прием изображений (48 сеансов за сутки) позволяют использовать его данные для различного рода задач мониторинга
окружающей среды. При решении многих задач спутникового мониторинга (таких, как оценка временной изменчивости температуры поверхности океана (ТПО), построение карт морских течений, определение скорости передвижения облачных масс, локализация пожаров и т.д.) требуется пиксельная точность географической привязки спутниковых изображений.
Для географической привязки изображений FY-2C/S-VISSR в Региональном спутниковом центре мониторинга окружающей среды Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) был использован алгоритм привязки, разработанный в Японском метеорологическом агентстве для данных, принятых в форматах S-VISSR и HiRID, с геостационарных спутников серии GMS и MTSAT-1R (Kigawa, 1991). Этот алгоритм включает в себя орбитальную модель движения спутника и геометрическую модель сканирования радиометром поверхности Земли. В качестве входных параметров для этой модели привязки используются данные Doc-сектора (Documentation sector), который включается при трансляции сигнала со спутника в каждый кадр потока данных (CMA, 2004). При применении этого алгоритма ошибка географической привязки изображений FY-2C/S-VISSR может достигать колоссальных размеров (300—
800 км), что недопустимо для многих задач спутникового мониторинга.
Стабилизация всех спутников серии FengYun-2, как и у первых спутников серии GOES, осуществляется вращением вокруг своей оси симметрии (dual-spin). При стабилизации типа "dual-spin" спутник имеет форму цилиндра, который вращается вокруг его продольной оси. Этот тип спутника состоит из двух частей — вращающейся, на которой установлены панели солнечных батарей, и стабилизированной (которая также является платформой для радиометра) — с установленными коммуникационными антеннами. Вращающаяся часть обеспечивает основную стабилизацию и может вращаться со скоростью до 100 об/мин. Стабилизированная часть вращается тоже, хотя намного медленнее — один оборот на виток (в сутки) — поддерживая антенны постоянно повернутыми к Земле и предотвращая вход спутника в плоское вращение (которое является естественной тенденцией). Положение спутниковой платформы с радиометром в пространстве определяется тремя углами: крен (roll), тангаж (pitch) и рысканье (yaw). Истинные значения величин этих углов неизвестны и в идеале должны быть нулевыми. Визуальный эффект ошибки привязки выражается в виде смещений вдоль столбца и строки изображения (для углов roll и pitch соответственно) и поворота относительно надира (подспутниковой точки) изображения (для угла yaw) эталонного берегового контура относительно контура, видимого на изображении (Катаманов, 2009). Также источником ошибок географической привязки изображений может служить неточность определения некоторых параметров положения спутника на орбите, в результате чего визуальный эффект ошибок привязки будет выражаться в виде смещения истинного надира на изображении.
Результаты работ китайских ученых (Xu et al., 2002; Zhang, Xu, 2005; Lu et al., 2008) подтверждают, что источником ошибки привязки изображений FY-2C/S-VISSR может служить неточность определения некоторых параметров положения спутника на орбите и ориентации в пространстве спутниковой платформы с радиометром. В работах (Xu et al., 2002; Lu et al., 2008) представлен сам метод автоматической привязки FY-2C/S-VISSR изображений, в котором коррекция ошибки привязки выполняется только по контуру диска Земли на изображении, т.е. вычисляется только смещение истинного надира изображения, в связи с чем остаточные ошибки привязки по всему изображению, вызванные углами положения спутниковой платформы с радиометром в пространстве, могут достигать несколько пикселей, что недопустимо для многих задач спутникового мониторинга (Катаманов, 2009; Катаманов, Десяткова, 2009). Также в работе (Lu et al., 2008) представлены результаты применения метода на небольшой
по объему серии изображений (за один месяц) и не приведены оценки остаточных ошибок привязки после проведения ее коррекции, что в итоге не позволяет оценить эффективность использования метода в условиях оперативной обработки спутниковых данных.
В связи с этим в Региональном спутниковом центре мониторинга окружающей среды ДВО РАН был разработан автоматический метод коррекции географической привязки "полных" FY-2C/S-VISSR изображений (полученных в течение всего сеанса приема) с пиксельной точностью (Катаманов, Десяткова, 2009). Метод коррекции привязки состоит из двух этапов: первичная и вторичная процедуры коррекции. Процедура первичной коррекции устраняет "основную" ошибку привязки, связанную со смещением истинного надира изображения, с помощью минимизации рассогласований между видимым и истинным расположением диска Земли на изображении. Процедура вторичной коррекции устраняет остаточные ошибки привязки по всему изображению посредством автоматического расчета невязок в реперных точках. Сама коррекция привязки осуществляется с помощью вычисления оптимальных значений углов стабилизации спутниковой платформы (roll, pitch, yaw) на основе параметров, полученных при проведении обеих процедур коррекции. Такой подход позволяет значительно уменьшить объем вычислений при автоматическом расчете репер-ных точек и достигать пиксельной точности привязки для каждого изображения при условии получения достаточной конфигурации реперных точек. В свою очередь, достижение пиксельной точности привязки изображений, для которых невозможно получение достаточной конфигурации реперных точек, выполняется проведением коррекции географической привязки на основании результатов работы с изображениями, сформированных ранее, т.е. используются соответствующие схемы прогнозирования параметров коррекции географической привязки.
В этой работе представлены автоматический метод коррекции географической привязки FY-2C/S-VISSR изображений и результаты его апробации на четырехмесячной серии (за 2008 г.). Рассматривается проблема рассогласования оптических осей датчиков видимого и ИК-каналов радиометра и предлагается ее решение. Представлены схемы прогноза параметров первичной и вторичной процедур коррекции привязки и обсуждаются результаты эффективности их применения.
ПРОЦЕДУРА ПЕРВИЧНОЙ КОРРЕКЦИИ ПРИВЯЗКИ FY-2C/S-VISSR ИЗОБРАЖЕНИЙ
Данная процедура вычисляет параметры смещения истинного надира на основе морфологического анализа границ диска Земли на изобра-
жении. Для идентификации границ диска Земли используется изображение ИК-канала (первого или второго), а условием использования изображения является наличие полного диска Земли и отсутствие сбойных строк в кадре при приеме. Используя свойство бимодальности гистограммы значений данных ИК-канала (диск Земли и космос), выбирается значения порога для построения бинарной маски диска Земли на изображении. В качестве величины порога (threshold) задается значение ИК-данных, которое находится между двумя модами на гистограмме и которому соответствует наименьшее количество пикселов с таким значением на изображении. Далее выполняется построение бинарной маски диска Земли на изображении с помощью порогового критерия
if (pixel(I, J) < threshold) then IED(I, J) = 1, else IED(I, J) = 0,
где р1хе1(1, I) — значение пиксела с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.