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1、第16卷 第3期 1997年9月 海 洋 技 术 OCEAN TECHNOLOGY Vol . 16,No. 3 Sept, 1997 海洋遥感四维测量应用 张兆瑛 李铜基 (国家海洋局海洋技术研究所,天津300111) 摘 要 机载成象光谱仪遥感海洋是在轨星载海洋传感器定标校验的一种方法。本文研究了海洋航空 遥感的四维测量方法,以及实现卫星、 飞行遥感和船舶同步测量的重要意义。 关键词 四维测量 全球定位系统GPS 任何物质都是存在于一定的时-空系统中,也就是说任何物质均有其时-空属性。 遥感器 感知的信息是地物的某一种物理性质,这种性质的存在也有其时-空属性。显然,没有时-空 数据的遥感信
2、息,就不能称之为完整的。随着遥感技术从定性向定量化研究的发展,对遥感资 料的完整性提出了更高的要求。例如,在为利用星载传感器资料所进行的定标校验中,同步观 测是必不可少的观测方法,而这种 “同步” 就是时间和空间的配准。这给我们提出了一个要求: 即如何在获取传感器数据的同时获取时-空资料。 我国航空遥感如红外、 微波等对于发展地质探矿、 农作物产量评估、 污染监测及灾害预报 作出了巨大贡献。 众所周知,利用红外或微波遥感仪器,测量地面地物光谱特性,记录了大量光 谱信息,有些仪器还记录了时间资料。 但是,有一个问题必须指出,所有上述记录均缺乏测量时 刻的实时(Real T i me)或同步空间坐
3、标数据。即使国内最先进的机载成象光谱仪也是如此。迄 今为止,还未见到类似报导。 由于以往的遥感目标几乎全部为陆地,一般有鲜明的地物标志,在 定性遥感研究应用中,由地物标志推算地理位置是允许的。但是对于海洋遥感,几乎无法寻找 确定的地物标志,从而由地物标志推算地理位置简直是不可能的。 因此要有一种全新的测量方 法,在记录遥感信号的同时将测量时刻的时间信息和空间地理坐标全部记录下来。 这就是海洋 遥感的四维测量方法。 1 四维测量环境 四维测量方法的平台可以是卫星、 飞机,也用于船舶和陆地。在1995年及1996年的模拟 收稿日期: 1997- 01- 27 飞行试验中曾同时运用了飞机、 调查船与
4、陆地观测站。 但是四维测量方法的基本工作环境是遥 感仪器、 全球定位系统(GPS- Global Positioning System)和数据采集用的计算机(图 1) 。 111 遥感器 国外,可见光成象光谱仪已经装配在卫星上。我国拥有71波段以上的中分辨率成象光谱 仪,并且在去年和今年的模拟飞行试验中采用了这种仪器,该仪器有很高的波谱分辨率与相当 宽的波段覆盖性能,是海洋遥感的先进仪器。 112 全球定位系统 全球定位系统是四维测量的关键仪器,模拟飞行试验中采用了MA P7000型GPS接收 机。 113 计算机系统 由个人计算机PC担当同步控制,连接遥感器(成象光谱仪)与全球定位系统,并建
5、立两者 之间的相关关系。模拟飞行试验中使用COM PAQ的PC386。 2 四维测量方法 我们在1995年的航空遥感试验中采用了中国科学院研制的机载成象光谱。 为使光谱仪采 集的信号定义在时间与空间四维坐标系中,设计了由全球定位系统辅助测量的航空遥感四维 测量方案。 211 工作原理 等于第三量的两个量相等是四维测量方案的设计原则。GPS在提供时间信息的同时输出 定位的地理坐标,利用GPS的时间同步成象光谱仪的扫描时序以及其他机载仪器的测量。同 样的方法也用于船舶测量。 从而将空中海面的测量的时间坐标原点统一起来,即仪器测量的时 刻均与GPS的时间坐标密切相关。换言之,仪器测量的任一时刻都包含
6、在GPS的时间序列之 内。 由于GPS的任一历元,均对应唯一确定的地理位置,从而使所有仪器测量的信息都定义在 统一的时间空间四维坐标系中。 212 方案设计 四维测量方案除了遥感仪器以外,主要包括全球定位系统、 信号采集计算机、 电源等硬件 和应用程序软件。GPS接收机MA P7000,技术性能一般,数据更新率每秒一次,格式为N E2 MAO183B,定位精度100m (2D), 动态指标为900km?h。386PC计算机一台。应用程序具有时 间同步功能,主要完成GPS所有历元信息的接收记录任务及后期资料处理工作。 在1995年及1996年的黄海、 东海和渤海的航空遥感模拟飞行中(下简称模飞
7、), 采用的方 案如图1所示,并在我国第一次成功地获得了带有现场时间、 空间坐标的成象光谱仪资料。 213 工作过程 首先,应用GPS的时间同步成象光谱仪和其它仪器的时间,然后进行测量。 在应用程序的 控制下,采集GPS历元信息,经过资料处理,形成定位文件(表 1) 。而成象光谱仪对海面进行 扫描,在记录遥感信息的同时,记录按照GPS定义的时间坐标。 同样,经过资料处理,最后生成 观测数据文件(表 2) 。 214 资料处理 资料处理的原则是根据用户的需要而定。一般分为两种,即信息合成与同步点的选取。 2 海 洋 技 术 第16卷 第一,所谓信息合成就是产生带有时间空间坐标的测量数据综合文件,
8、或者提供初级产品 输出海洋波谱曲线(图 2) 及海洋遥感图片(图 3) 。以观测数据文件为基础,在每一扫描记 录中寻找时间坐标,然后从定位文件中获得空间坐标,并将该空间坐标合并到对应扫描记录 中,从而完成综合文件。至于专用曲线或图片的输出与综合文件生成方法相似,不同之处仅在 于选取局部空间范围或一段时间之内的数据进行信息合成,再进行处理即可。 图1 四维测量原理框图 表1 定位文件结构 0602 0E 01 2C 2579 0C 3945282356 4E 0602 0E 01 2C 2B 79 0C 3945282356 4E 0602 0E 01 2C 3679 0C 3A 4528235
9、6 4E 0602 0E 01 2C 4179 0C3A 45282356 4E 0602 0E 01 2C 4B 79 0C 3A 45282355 4E 0602 0E 01 2C 5179 0C 3B 45282355 4E 0602 0E 01 2C 5C 79 0C 3B 45282355 4E 0602 0E 01 2D 0379 0C 3C 45282354 4E 0602 0E 01 2D 0E 79 0C 3C 45282354 4E 0602 0E 01 2D 1979 0C 3D 45282354 4E 0602 0E 01 2D 2479 0C 3D 45282353
10、4E 0602 0E 01 2D 2979 0C 3D 45282353 4E 0602 0E 01 2D 3479 0C 3E 45282352 4E 0602 0E 01 2D 3F 79 0C 3E 45282352 4E 0602 0E 01 2D 4A 79 0C 3E 45282352 4E 0602 0E 01 2D 5579 0C 3F 45282351 4E 0602 0E 01 2D 5B 79 0C 3F 45282351 4E 0602 0E 01 2E 0279 0C 4045282350 4E 表中示出了成象光谱仪部分 (18 行)扫描线对应的时间、 空间信息。第一
11、行为2月6日140144137, 12112157E, 40 35186N。第十八行为2月6日14014610212112164E, 4035180N。 (摘自EXBYTE磁带,编号为TS- Session4- BH) 3 第3期 海洋遥感四维测量应用 表2 观测数据文件结构 0602 0E 01 2C 2579 0C 3945282356 4E 000000 0100020003000400050006 0E 01 2C 250009 0100010101020103010401050106010701 0801090200020102020203020402050206 020702080
12、2090300030103020000000000 0000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000 000000000000000000 0D0D 0E08 0F 0119 1D 0E 0B 13 1D 0F 03 0F 03 0D 09 0E 01 0C 08 0C 03 0B 0D 0B 02 0A 02 0A 0209 0F 0907090609 0B 08 0F 0807 0A 01 0A 0109010907080409 0F 070807 0608010901 0D 01 0F 0A 0F
13、0F 18 1F 0E 0B 13 1D 0F 03 0F 03 0E 0B 0E 03 0C 0A 0C 07 0B 00 0C 02 0A 03 0A 030900 0A 0909 0A 09 0D 08020900 0B 0F 09 0F 09030909080809010808070009010901 表中示出了成象光谱仪第一行对应的时间、 空间信息 (2 月6日140144137, 12112157E, 4035186N)和该行的部分遥 感数据。(摘自EXBYTE磁带,编号为HONGQ I AO- Session7- 62KJJW 71. 021- BH) 图2 海洋波谱曲线 注意,
14、图中示出了时间和空间参数,图中的数字与图3的波谱曲线相对应(图片由PC I软件处理) 4 海 洋 技 术 第16卷 图3 海洋遥感图片 注意图中示出了时间和空间参数,图中的波谱曲线与图2的数字相对应(图片由PC I软件处理) 第二,进行同步点选取的方法基本上与信息合成中的初级产品相同,关键在于同步的定 义。 为便于说明起见,简单介绍一下GPS的定位原理。 取协议地球坐标系,并假定瞬时北极、 瞬 时原点为国际协议的瞬时平均北极和国际协议原点。 在地心大地坐标系中,地球椭球的中心与 地球的质心相重合,椭球的短轴与地球自转轴相合(图 4a )。这时GPS接收机点G的位置就可 以确定:接收机点G的地理
15、经度为过G的椭球子午面(过点N gdSO的平面)与格林尼治平大 地子午面(过点N cSO的平面)之间的夹角 5,地理纬度为过G点的椭球法线(射线OgG)与椭 球赤道面(过点dcO的平面)的夹角 (,而高度为G点沿椭球法线至椭球面交点g的距离r。卫 星大地测量基准采取1987年1月10日开始的改进的世界大地坐标系统W GS84。 时间系统采 用协调世界时U TC或由GPS主控站的原子时钟所控制的全球定位系统专用的时间系统。 5 第3期 海洋遥感四维测量应用 图 4a 1 弧N cS为本初子午线,弧cd在赤道上,(= dog为纬度,5=cod为经度,线段gG为GPS 距离海平面高度 图 4b 1为
16、瞬时视场角,为光谱仪总扫描角 ,L 为 刈幅宽, H= gG为高度 ,V 为速度,A = L3W = V 3H3 2tg ( ? 2) 为每秒扫描面积 图4 GPS的定位原理 图 4c 图5 资料处理流程图 测量时,使成象光谱仪与GPS接收机安装在一起,可假设航空遥感平台载有GPS接收 机、 成象光谱仪等仪器的飞机作为G点来处理,并且使成象光谱仪的主光轴与通过G点的 椭球法线重合。 图 4( b)表示了成象光谱仪测量原理。 根据计算,可求出每秒海面遥感的范围为 A =刈幅航迹 其中A为海面遥感面积,刈幅W为: W= 2Htg 2 (1) 航迹为L: L=V(t1-t0)(2) 从而有: A=LW= 2VH(t1- t0)tg 2 (3) 6 海 洋 技 术 第16卷 式中:为成象光谱仪总扫描角,H为
