專利名稱：：機載多光譜掃描儀用于工業溫排水監測的技術方法
技術領域：
：本發明涉及熱電廠、核電站等沿海工業基地運行過程中排放冷卻水的空間分布信息的自動獲取與分析
技術領域：
，特別是基于實現航空圖像、實驗室輻射定標結果、機上黑體定標數據、POS系統數據等多元數據集成的高分辨率遙感技術進行溫排水量化監測方法，并應用于工程方案的選址及環境保護措施的制定。
背景技術：
：我國能源消費量居世界第二位，能源問題更加嚴峻。核動力也將再次成為化石燃料強有力的替代能源，未來3年內中國將開建9個核電站，16臺核電機組，裝機容量在1000萬千瓦以上，這意味著未來3年的核電建設總量將超過過去23年的總和。電力企業運行需要大量的冷卻水，同時也要排放大量的溫排水，勢必對工業基地附近海域溫度場造成影響，不同季節、不同潮汐狀況下影響情況不同。這種變化反過來也可能影響電力企業的運行。這些都需要客觀真實的海面溫度場數據來說明。當前，衛星遙感技術在我國水環境監測中發揮極其重要的作用，但是受空間分辨率和重訪周期的制約對于電力企業溫排水的定量化監測分析難以有效進行。而航空遙感技術要滿足這種應用需求，還需要解決成圖質量和測量精度、穩定性方面的問題，而且要盡可能提高作業效率。因此，需要研究針對溫排水監測的掃描型遙感成像數據處理方法。」
發明內容本發明的目的是，針對現有的溫排水監測技術和方法中存在的缺陷或不足，提供一種新的高分辨率的溫排水遙感定量化監測技術方法，并用于取排水口工程方案的選址及環保措施的制定。該發明能實現溫排水的識別、信息提取與量化分析，對溫排水給附近海域造成的影響程度、范圍以及是否降低電力企業冷卻水循環效率等進行評估。為了實現上述任務，本發明采用以下技術措施一種工業溫排水的高分辨率遙感量化監測技術方法。其特征在于通過實驗室試驗測試標定遙感器黑體源，基于機上高低溫黑體進行遙感數據的輻射校正，利用POS系統數據，構建掃描型遙感成像的幾何粗校正模型，進行圖像幾何畸變糾正、定位和航帶拼接，以現場實測水溫標定校正后的影像，根據能夠反映潮汐變化規律溫度升高0.5度為區間，從而實現一種工業溫排水高分辨率遙感監測方法。本技術方法包含下列步驟1)制定飛行計劃，獲取監測區的遙感數據。2)熱紅外通道傳感器的機上定標，采用內部溫度參考源法，熱遙感器附有內部溫度參考源，采用在旋轉掃描鏡角視場的兩側放置兩個黑體輻射源的形式，這兩個黑體輻射源的溫度被精確控制，并設置為地面監測目標的"最冷"與"最熱"，對于每一條掃描線，掃描器先記錄冷參考源的輻射溫度，然后掃描地面，最后記錄熱參考源的輻射溫度，所有的信號均記錄下來，兩個溫度源也隨圖像數據記錄，用來推算整幅熱圖像的輻射溫度，也可由一個絕對輻射值作參考與其他熱掃描儀輸出值比對。轉換公式基于這樣一個假設，即普朗克函數在一定溫度范圍內近似為線性的。通過實驗室輻射定標確定機上定標黑體的輻射亮度與亮溫的轉換關系。3)相對衛星平臺，航空平臺受到氣流影響較大，姿態(側滾角，俯仰角和偏轉角)變化劇烈；此外，飛機自身狀態(如飛行速度變化、航高變化、航偏)以及擺掃式的工作模式等影響，導致機載多光譜影像幾何畸變嚴重。DGPS/IMU組合導航與定位系統能以較高的精度和頻率提供傳感器的位置和姿態，可直接測定影像的外方位元素，進行掃描型機載多光譜掃描儀影像的幾何校正。4)測量獲取GPS天線相位中心、IMU及機載傳感器之間空間關系，直接對POS系統獲取的GPS天線相位中心的空間坐標^，y，Z)及IMU系統獲取的側滾角、俯仰角、航跡角進行數據處理，獲取航空影像像元成像瞬間的掃描行中心點三維空間坐標(x"^，zO及其三個姿態角，實現無地面控制點輔助條件下直接恢掃描型復航空遙感的成像過程。計算插值影像的四個角點坐標，然后基于地面點坐標作影像的拼接。5)根據完成輻射校正、幾何校正、航帶拼接的航空遙感數據，以外圍均勻海水表面水溫為本底，以溫升0.5度為區間，制作溫度場分布圖。本發明與現有技術相比，具有以下優點第一，采用結合POS系統數據的方法，可以實現一種基于擺掃成像的高分辨率遙感方法手段，能夠查清工業溫排水的擴散規律。第二，采用實驗室定標和機上定標結合的方法，提供了一種定量化數據分析的手段，解決多時相觀測比較的難題。第三，采用本發明的技術方法，實現航空紅外傳感器的數據獲取和處理流程，有利于進行依據潮汐規律的遙感探測分析。第四，采用本發明的技術方法，實現掃描型航空紅外傳感器的數據獲取和處理流程，即實現高分辨率要求又兼顧了大視場掃描，從而提高效率。圖1掃描型航空傳感器的成像方式圖2對地面和高低溫黑體的掃描成像示意圖3為本發明的技術流程圖4為掃描型傳感器的原始影像(左)和經過幾何校正后影像(右)圖5為利用本發明輸出的海面溫度場分布圖具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作進一步詳細描述第一步，遙感影像和參數測量數據獲取。在執行一組飛行任務前，對遙感器進行實驗室輻射定標，獲得定標數據。制定飛行計劃，獲取監測區遙感數據和同步POS系統數據，其中遙感數據中包含高低溫黑體測量數據。第二步，熱紅外遙感影像輻射校正。首先通過實驗室輻射定標過程，確定高低溫黑體的輻射亮度與亮溫的關系。機載熱紅外測量數據的輻射定標，通過傳感器內的高低溫黑體來完成，采用下面的轉換公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中丄為輻亮度值，a力代表第f行第/列的像元，ZW為圖像測量值，下標i/和丄分別代表對應高溫黑體和低溫黑體的測量值。第三步，POS系統同步測量數據處理。利用POSPac軟件，對獲取的原始DGPS/IMU數據進行預處理。處理POS數據文件要解決兩個問題，一是時間匹配問題和延遲處理；二是坐標系轉換。根據觸發文件(EVENT)，采用一次線性內插算法，提取POS數據中的傳感器姿態信息。首先對EVENT進行分割，判斷若相鄰觸發事件時間間隔大于IO倍的單位時間間隔，則認為這是一條航帶的結尾，若相鄰EVENT事件間隔大于1.5倍的單位時間間隔，則認為這里存在漏行，需要填補。由于EVENT觸發的滯后性，需要判斷外方位元素(EO)的偏移行數。若傳感器與POS之間沒有觸發信息，則使用掃描影像記錄的世界協調時間(UTC)與POS記錄的GPS時間進行對比，根據影像記錄的起始和中止時間，內插出每條掃描線的記錄時間，然后從POS數據中提取相應的傳感器姿態信息，其中需要考慮GPS時間與UTC時間之間的誤差。第四步，計算像空間到地面坐標系的旋轉矩陣。像空間坐標系旋轉到地面坐標系可分解為以下步驟像空間坐標系旋轉到傳感器坐標系(旋轉矩陣C/M^^);傳感器坐標系旋轉到IMU坐標系(旋轉矩陣/CM^c);IMU坐標系旋轉到局部地理坐標系(旋轉矩陣G^fa/n';c);局部地理坐標系旋轉到地心坐標系(旋轉矩陣EGM^/x);地心坐標系旋轉到地面坐標系(旋轉矩陣AffiM^nbc)。則像空間坐標系旋轉到地面坐標系的旋轉矩陣第五步，計算掃描行的外方位元素。線元素設瞬時攝影中心在WGS84下的坐標(U，Z)，轉為大地經諱度W，Z，H)，再轉為地面坐標系坐標"，力，以飛行區域的中心^。，i。)為地面坐標系原點。角元素建立以X軸為主軸的^-"-K系統，w為旁向傾角，^為航向傾角，K為像片旋角，旋轉矩陣的表示形式為cospcosa:—cossma:—smpcos6;sina:—sin"sin^cos^cos<^cosr+sin^sin^sina:—sin&cos^sin肌ina:+cos6)sinpcosatsin&cosa:—coswsinpsina:cos媒osp則角元素^，"，"為:a:-arctan(M/M欲/x[1，2]、p=arctan(-M/Ma/Wx[1，3])'M/她/r/x[2,3〗、"=arctan乂第六步，計算像點的地面點坐標。對于線陣擺掃式成像方式，根據成像特點可采用共線方程:1-w</xsin^、-&=義xMx0、z-、—/xcos《乂廣/xsin^人0./xcos0則對應地面點坐標為:里里岸]其中(U,，Z,)是投影中心在地面坐標系中的坐標，義為攝影比例尺，P為主光軸方向與像點攝影方向的夾角，(/^《0,-/05^)是像點的像空間坐標，M為像空間坐標系到地面坐標系的旋轉矩陣，對于掃描型傳感器y-0，(U,Z)是像點對應的地面點坐標。第七步，影像插值。對原始影像采用直接插值法，利用計算的地面點坐標，構建糾正影像的范圍，遍歷原圖像每一個像素點(U)，其地面坐標為(x,力，對應糾正影像的位置0—x賄,少—y簡)，令附二x一、,","二少—y顯0。^附^附0+1,"02"^"0+1),4每各點灰度值按權分配給周圍四個像素點，權值取距離的倒數。則j]Z)iVO0,"0)=j]Z)iV(w。，％)+(m。—ot+1)x0。-"+1)x_CW(/，力z尸(附o,"0)=^尸00,"0)+(m。-w+1)x("。-"+1)，2D7V(>j0,w0+1)=zi)iV(w0,%+1)+0—"0)x(m0—w+1)xz)iV(z',_/)j]P(>V"0+l)=j]PO70,"0+l)+("—"0)x(m0—w+l)，sDiV(w。+1,"o)=zDJV(w。+1,/70)+(m—m0)x("0—w+1)xDiV"O',_/)5]尸0%+1,"0)=2]尸(附0+1,"0)+0-;0>00-"+l)，zD7V(m0+1,n0+1)=zDiV(m。+1,w。+1)+(m—w0)x—w0)x_/)z+1,"。+1)=z尸(附o+1,"o+1)+_w0)x("—"o)判斷新圖像每一個像素，若iU/VO，則該點像素值第八步，基于地面點坐標的影像拼接。根據影像插值的范圍，計算插值影像的四個角點坐標，然后基于地面點坐標作影像的拼接；還需在影像的重疊部分引入少量同名點，對拼接的影像做局部的調整。第九步，海面溫度場制圖根據完成輻射校正、幾何校正、航帶拼接的航空遙感數據，用海面實測溫度進行標定。以最外圍均勻海溫為本底，以能反映潮汐變化規律為標準，以溫度升高0.5度為區間制作溫度場分布圖。權利要求1、一種機載多光譜掃描儀用于工業溫排水監測的技術方法，其特征在于它包括下列步驟(1)獲取掃描型機載傳感器影像和DGPS/IMU組合導航數據；(2)結合實驗室輻射定標結果利用高低溫黑體輻射源測量數據進行輻射校正；(3)提取與影像數據行對應的位置和姿態數據，根據由POS系統的導航角，計算像空間坐標系到地面坐標系的旋轉矩陣MIMatrxMIMatrx＝MEMatrix×EGMatrix×GIMatrix×ICMatrix×CIMatrix.其中，CIMatrix為像空間坐標系旋轉到傳感器坐標系的旋轉矩陣，ICMatrix為傳感器坐標系旋轉到IMU坐標系的旋轉矩陣，GIMatrix為IMU坐標系旋轉到局部地理坐標系的旋轉矩陣，EGMatrix為局部地理坐標系旋轉到地心坐標系的旋轉矩陣，MEMatrix為地心坐標系旋轉到地面坐標系的旋轉矩陣；(4)根據掃描型傳感器影像中心的共線方程進行幾何粗糾正，得到地面點坐標，共線方程式為<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>X</mi><mo>-</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Y</mi><mo>-</mo><msub><mi>Y</mi><mi>S</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Z</mi><mo>-</mo><msub><mi>Z</mi><mi>s</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>×</mo><mi>m</mi><mo>×</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>f</mi><mo>×</mo><mi>sin</mi><mi>θ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mi>f</mi><mo>×</mo><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>其中，(Xs，Ys，Zs)是投影中心在地面坐標系中的坐標，λ為攝影比例尺，θ為主光軸方向與像點攝影方向的夾角，fsinθ，0，-fcosθ是像點的像空間坐標，M為像空間坐標系到地面坐標系的旋轉矩陣，對于掃描型傳感器y＝0，(X，Y，Z)是像點對應的地面點坐標；(5)采用直接插值法進行灰度重采樣，得到粗糾正后的影像；(6)基于地面點坐標的影像拼接；(7)用海面實測溫度對校正后數據進行標定，以外圍均勻海溫為本底，根據隨潮汐變化的規律，以溫度升高0.5度為區間制作溫度場分布圖。全文摘要本發明公開了一種機載多光譜掃描儀用于工業溫排水監測的技術方法，它是利用掃描型機載遙感影像數據和同步測量DGPS/IMU(又稱為POS系統)組合導航數據量化監測沿海工業基地溫排水的方法。本發明集成應用POS系統數據、實驗室輻射定標數據、機上高低溫黑體數據，海面遙感影像數據，完成輻射校正、幾何校正、航帶拼接和制圖，有效發揮了航空遙感技術的高分辨率和高精度潛力，能夠監測溫排水根據潮汐變化的擴散規律。本發明的技術應用對于核電等電力企業及沿海工業基地的規劃和發展具有重要意義。文檔編號G01J5/00GK101551275SQ20091005031公開日2009年10月7日申請日期2009年4月30日優先權日2009年4月30日發明者軍楊,偉王,嶸舒,鋒謝申請人:上海航遙信息技術有限公司;中國科學院上海技術物理研究所
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