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二十一世纪是智能信息化时代, 对地观测卫星系统正在逐渐结合脑科学、 认知科学、计算机科学、 信息科学等领域的知识, 发展成为类似于人脑智能的 “ 智能地球观测卫星系统”, 以便增强天基空间信息网络的感知、 认知和决策能力, 使地球观测卫星系统能回答何时(when)、何地(where)、何事(what)发生了何种变化(what change), 并在规定的时间 (right time) 和正确的地点 (right place) 把有用的信息 (right information) 推送给需要的用户 (right user)。整个系统实现从数据获取、 信息提取、 智能感知到认知等都需要强大的星上计算处理和分析能力。因此, 国际上许多学者努力发展星上数据实时处理的理论和方法。
我国未来将完成建设 “ 地图标注星座” 卫星组网, 该 “ 地图标注星座” 能够在环保监测、 防灾减灾、 地图标注管理等领域发挥重要应用。目前我国还没有出版 “ 星上遥感数据处理” 的类似书籍, 本书的出版正当其时, 它必将极大促进我国星上遥感数据处理和星上通用遥感数据产品生成的飞速发展, 引领我国星上遥感数据处理的方向, 吸引更多青年人投入我国航空航天遥感事业的发展。
中国科学院院士、中国工程院院士
2020年8月20日
作者针对单一卫星在对地观测应用过程中存在时间、 空间的局限性问题, 提出了 “ 智能对地观测卫星网系统” 并开展了相关的研究, 包括: ①设计和模拟无缝集成卫星观测传感器、 数据处理器和通信系统于一体的 “ 智能地球观测卫星网” 全新对地观测系统。这个智能系统能同时进行全球观测与实时数据处理和分析, 普通大众用户能像今天的电视机用户一样使用遥感卫星数据。②通过对卫星观测传感器、 星载数据处理系统、 地面数据处理系统、 通信系统、 终端用户系统、 应用软件系统等六个功能模块的设计和模拟, 论证 “ 智能地球观测卫星网系统” 的可行性。③通过对科技发展进程的规律分析, 提出了实现 “ 智能地球观测卫星网系统” 的短期 (5 ~ 15 年)、 中期 (15 ~ 25 年) 和长期 (25 ~ 50 年) 规划, 并对实现 “ 智能地球观测卫星网系统” 中六个功能模块可能出现的技术瓶颈进行了量化分析和讨论。
本书共分 14 章, 第 1~2 章介绍星上数据处理的基本知识; 第 3~11 章详细介绍了星上遥感数据处理的理论、 数学模型、 需要解决的关键技术和基于 FPGA 星上数据处理的实现方法, 并用实例验证了这些理论和方法, 包括星上影像特征点检测与匹配、 星上地面控制点识别、 星上卫星相对和绝对姿态解算、 星上几何校正、 星上几何定标、 星上影像地理配准、 星上无控制点影像地图标注、 无控制点星上正射纠正等; 第 12~14 章介绍星上遥感处理应用, 包括星上云检测、 星上舰船检测、 星上洪水变化检测。
本书可作为航空航天、 计算机科学与技术、 电子信息、 遥感科学与技术、 摄影测量等专业, 以及环境、 大气、 海洋、 地理、 灾害等遥感应用专业教师和科研工作者的参考书籍, 也可以作为各类高等院校相关专业研究生、 本科生的教材。
第1章 绪论
1.1 “智能地球观测卫星系统”提出的背景
1.1.1 地球观测卫星发展的规律
1.1.2 第五代地球观测卫星是什么?
1.2 “智能地球观测卫星系统”框架
1.2.1 设计原则
1.2.2 “智能地球观测卫星系统”架构
1.2.3 “智能地球观测卫星系统”运行模式
1.2.4 最终用户操作
1.2.5 智能地面控制站
1.3 “智能地球观测卫星系统”的特性
1.4 “智能地球观测卫星系统”的关键技术
1.4.1 智能传感器、探测器
1.4.2 高速传输率和高速网络通信
1.4.3 星上数据的处理能力
1.5 国内外典型 “智能地球观测卫星系统”
1.5.1 海军地球地图观察者
1.5.2 星上自主项目(projectforon-boardautonomy,PROBA)
1.5.3 双波段红外探测卫星(bi-spectralinfrareddetection,BIRD)
1.5.4 太空立方2．0(SpaceCube2．0)
1.5.5首颗太空网智能卫星(FirstSmartSatelliteforSpaceMesh)
1.5.6 ϕ-Sat系统
1.5.7 星上数据系统框架
1.5.8 对地观测脑(earthobservationbrain,EOB)
第2章 星上遥感数据处理
2.1引言
2.2 “智能地球观测卫星系统”与星上遥感数据处理
2.3 星上数据处理的主要内容
2.3.1 星上数据管理与传输系统
2.3.2 星上卫星平台/传感器控制
2.3.3 星上星务及资源管理
2.3.4 星上成像参数智能优化
2.4 星上遥感数据处理挑战
2.5 基于FPGA的星上遥感数据并行处理
2.5.1 基于FPGA的星上遥感数据处理算法设计
2.5.2 基于FPGA的星上遥感数据并行算法优化
2.5.3运算层分析
2.5.4 基于FPGA的星上遥感数据处理算法优化
第3章 星上影像特征点检测与匹配
3.1引言
3.2特征点检测SURF算法
3.2.1传统的SURF算法
3.2.2 基于FPGA的SURF算法
3.3 特征点匹配方法
3.3.1BRIEF描述子
3.3.2汉明距离匹配
3.3.3误匹配剔除
3.4亚像素定位
3.5 星上影像特征点检测与匹配FPGA硬件实现
3.5.1 DDR3读写
3.5.2 SURF检测子
3.5.3汉明距离匹配
3.5.4误匹配剔除
3.5.5亚像素定位
3.6实验验证和FPGA性能分析
3.6.1遥感图像数据
3.6.2影像特征点匹配
3.6.3匹配精度分析
3.6.4亚像素地图标注结果
3.6.5 FPGA处理速度和硬件资源消耗情况
第4章 星上地面控制点识别
4.1 引言
4.2 地面特征控制点检测优化算法
4.2.1 特征检测器和描述子算法
4.2.2 SURF检测器的优化
4.3 地面控制点星上检测FPGA实现
4.3.1 地面控制点星上检测FPGA实现框架
4.3.2 积分图像生成模块(IIG)
4.3.3 SURF检测器设计
4.3.4 非最大值抑制实现
4.3.5 BRIEF描述子的实现
4.3.6 BRIEF匹配实现
4.4 实验仿真结果
4.4.1 硬件环境和数据集传感器
4.4.2 控制点点检匹配
4.4.3 FPGA的性能分析
第5章 星上卫星相对、 绝对姿态解算
5.1 引言
5.2 卫星相对姿态和绝对姿态解算基础
5.2.1 P-H法
5.2.2 像方坐标系
5.2.3 物方坐标系
5.3 卫星相对姿态P-H法星上解算模型
5.3.1 误差方程的优化
5.3.2 LU分解-分块算法的矩阵求逆
5.3.3 相对姿态解算流程
5.3.4 时间复杂度分析
5.3.5 数值仿真
5.4 卫星绝对姿态P-H法星上解算模型
5.4.1 误差方程的优化过程
5.4.2 LU分解-分块算法的6×6矩阵求逆
5.4.3 绝对姿态解算流程
5.4.4 时间复杂度分析
5.4.5 数值仿真
5.5 卫星相对姿态星上解算的FPGA实现
5.5.1 卫星相对姿态解算FPGA硬件实现整体架构
5.5.2 卫星相对姿态P-H法解算模块
5.5.3 Modelsim仿真
5.6 卫星相对姿态星上解算的FPGA实现
5.6.1 卫星绝对姿态解算FPGA硬件实现整体架构
5.6.2 卫星绝对姿态P-H法解算模块
5.6.3 卫星绝对姿态P-H法解算模块
5.7 实验验证
5.7.1 相对姿态P-H法解算验证
5.7.2 P-H法绝对姿态解算验证
第6章 星上影像几何定标
6.1 引言
6.2 影像几何定标数学模型
6.3FPGA软硬件平台及设计开发
6.3.1FPGA介绍
6.3.2 基于ISE软件的FPGA设计开发方法
6.3.3 基于SystemGenerator的FPGA开发方法
6.4 星上影像几何定标FPGA实现
6.4.1 数据输入模块的实现
6.4.2 参数计算模块的实现
6.4.3 矩阵相乘并行计算的实现
6.4.4 矩阵求逆的硬件实现
6.5 仿真与验证
6.5.1 实验数据
6.5.2 一次计算的仿真验证与硬件资源使用分析
6.5.3 迭代计算系统的实现与验证
第7章 星上线阵推扫卫星影像几何定标
7.1 引言
7.2 线阵推扫卫星影像星上几何定标模型
7.2.1 线阵推扫卫星CCD传感器成像几何模型
7.2.2 线阵推扫卫星影像星上几何定标模型
7.3 线阵推扫卫星影像星上几何定标的FPGA实现
7.3.1 星上几何定标硬件实现的整体硬件实现结构
7.3.2 外方位参数初始值的硬件实现
7.3.3 姿态参数转换的硬件实现
7.3.4 外方位参数插值的硬件实现
7.3.5 星上定标并行计算的硬件实现
7.4 星上定标实验结果与硬件资源分析
7.4.1 实验数据
7.4.2 仿真与结果分析
第8章 星上影像地理配准
8.1 引言
8.2 二次多项式地理配准优化模型
8.2.1 传统的二次多项式模型
8.2.2 优化的二阶多项式模型
8.2.3 地理配准坐标转换
8.2.4 双线性插值重采样
8.3 星上影像二次多项式地理配准FPGA实现
8.3.1 星上地理配准的FPGA结构
8.3.2 二阶多项式误差方程式FPGA实现
8.3.3 ATA逆的LU分解FPGA的实现
8.3.4 二次方程式解算的FPGA实现
8.3.5 坐标变换和双线性插值的FPGA实现
8.4 实验验证与FPGA性能分析
8.4.1 软件和硬件环境
8.4.2 实验与验证
8.4.3 处理性能
第9章 星上无控制点影像定位
9.1 引言
9.2 无控制点星上地图标注数学模型
9.2.1 线阵推扫式卫星的成像几何
9.2.2 星历数据插值
9.2.3 基于SLERP的卫星姿态插值
9.2.4 几何视线模型———VGM模型
9.3 星上影像实时无控影像地图标注FPGA实现
9.3.1 卫星姿态数据的FPGA硬件实现
9.3.2 星历数据的拉格朗日插值算法的FPGA硬件实现
9.4 基于VGM模型的无控地图标注算法的FPGA硬件实现
9.4.1 基于VGM模型的无控地图标注的FPGA硬件架构
9.4.2 CTRL_VGM模块
9.4.3 VVCM模块
9.4.4 VVLocalSys模块
9.4.5 VVOrbitSys模块
9.4.6 Fixed2Float模块
9.4.7 VVTerrestrialSys模块
9.4.8 RAM_VV模块
9.4.9 ITERATION模块
9.4.10 CtrlIter模块
9.4.11 SolveEquation模块
9.4.12 XYZ2LonLat模块
第10章 星上无控制点RFM解算
10.1 引言
10.2 卫星遥感影像RFM模型
10.2.1 卫星遥感影像RFM模型
10.2.2RFM模型系数求解方案
10.3RFM模型参数求解算法
10.3.1 最小二乘求解RFM模型参数算法
10.3.2 递推最小二乘求解RFM模型参数算法
10.3.3 像方空间坐标补偿方案
10.4 RFM参数递推最小二乘求解的FPGA硬件实现
10.4.1 FPGA硬件架构
10.4.2 NORMALIZE模块
10.4.3 CTRLNOR模块
10.4.4 CALNOR模块
10.4.5 快速的矩阵乘法并行结构的硬件设计
10.4.6 TEMP1模块的矩阵乘法并行结构
10.4.7 TEMP2模块的矩阵乘法并行结构
10.4.8 TEMP模块的矩阵乘法并行结构
10.4.9 UPDATE_W模块的矩阵乘法并行结构
10.4.10 UPDATE_S模块的矩阵乘法并行结构
第11章 星上影像正射纠正
11.1 引言
11.2 GA 算法概述
11.2.1 RFM模型系数优选
11.2.2 编码方案
11.2.3 适应度函数
11.2.4 基于GA-RFM模型的间接正射纠正
11.3基于FPGA的GA-RFM正射影像纠正硬件实现
11.3.1基于FPGA的GA-RFM影像正射纠正的硬件架构
11.3.2 GARFM模块
11.3.3 GA_NORCOD模块
11.3.4 SELECT模块
11.3.5 ISSTOP模块
11.3.6 CTRLCOMU模块
11.3.7 GETCORD模块
11.3.8 GetLonLat模块
11.3.9 InterpolateHei模块
11.3.10 ORTHOM模块
11.3.11 GetTerm模块
11.3.12 DetermineCoeff模块
11.3.13 CoeffMTermPE模块
11.3.14 GetRowClm模块
11.3.15 InterpolateGrey模块
11.4 仿真实验
第12章 星上云检测
12.1 引言
12.2 最小交叉熵和 SVM联合的云检测算法
12.2.1 支持向量机云检测
12.2.2 最小交叉熵的云检测算法
12.2.3 最小交叉熵和SVM联合的云检测算法
12.3 基于DSP的星上云检测
12.3.1 基于DM642核心芯片的DSP开发板
12.3.2 核心芯片TMS320DM642
12.3.3 FPGA控制电路
12.3.4 DSP软件开发平台
12.3.5 检测算法的DSP移植
12.3.6 联合最小交叉熵和SVM的云检测DSP实现
第13章 星上舰船检测
13.1引言
13.2 基于视觉显著性和多特征综合的舰船检测方法
13.2.1舰船检测的整体流程
13.2.2 基于视觉显著性的舰船目标候选区域提取方法
13.2.3 多特征综合的目标判别
13.3 基于FPGA的光学遥感图像舰船检测的设计与实现
13.3.1软硬件平台介绍
13.3.2 光学遥感图像舰船检测的硬件总体设计
13.3.3 遥感图像预处理模块的硬件架构设计与仿真
13.3.4 目标候选区域提取模块的硬件架构设计和仿真
13.3.5 特征提取与目标判别模块的硬件架构设计与仿真
13.3.6实验与分析
第14章 星上洪水变化检测
14.1 引言
14.2 基于小波分析SAR影像洪水检测方法
14.2.1 小波多尺度分析
14.2.2 对数比值差异图构造
14.2.3 SWT差异图构造
14.2.4 边缘区域合理尺度融合
14.2.5 自动阈值分割
14.3基于似然比与对数比值融合的SAR影像洪水检测
14.3.1 似然比方法变化检测
14.3.2 LLI-CDM结果同质异质区域提取
14.3.3 差异图融合策略
14.3.4 自动阈值分割
14.4 基于小波多分析洪水变化星上检测FPGA实现
14.4.1 FPGA硬件架构
14.4.2 子模块
14.4.3 仿真结果
14.4.4 性能分析
14.5 基于对数比与似然比值融合的星上洪水检测FPGA实现
14.5.1 FPGA硬件架构
14.5.2子模块
14.5.3仿真结果
后记
博士，教授，博士生导师，现任桂林理工大学副校长，广西空间信息与测绘重点实验室主任。国家高技术研究发展计划（863计划）地球观测与地图标注技术领域主题专家，“广西优秀专家”，教育部高等学校测绘类专业教学指导委员会委员。长期从事高分辨率遥感图像处理与解译的研究工作，先后主持了包括美国科学基金在内的国外科研项目。出版英文专著2部，参编7本英文书的章节，发表论文200余篇(SCI检索论文40余篇)，获2项美国发明专利。主持国家自然科学基金重点项目1项、国家自然科学基金1项、“973”计划项目子课题1项、省部级科研项目7项，所在团队获“863”项目课题1项。先后获得美国佛吉尼亚州杰出教授提名奖、美国工程教育协会东南地区杰出中青年专家教学奖、美国路桥管理会议杰出国际事务奖、美国老道明大学杰出教学技术革新奖、国际摄影测量与遥感学会青年作者优秀论文奖、美国摄影测量与遥感学会Talbert Abrams Award奖、德国洪堡基金奖。
来源赛杰奥公众号
原文始发于微信公众号（地图标注）
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