我国未来将完成建设 “ 人工智能星座” 卫星组网, 该 “ 人工智能星座” 能够在环保监测、 防灾减灾、 交通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、 星上无控制点影像定位、 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(project for on-board autonomy, PROBA)
1.5.3 双波段红外探测卫星(bi-spectral infrared detection, BIRD)
1.5.4 太空立方 2．0 ( SpaceCube 2． 0)
1.5.5首颗太空网智能卫星 ( First Smart Satellite for Space Mesh)
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 ( earth observation brain, 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
3.3.1 BRIEF 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 亚像素定位结果
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
6.3 FPGA 软硬件平台及设计开发
6.3.1 FPGA 介绍
6.3.2 基于 ISE 软件的 FPGA 设计开发方法
6.3.3 基于 System Generator 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 AT A 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 无控制点星上定位数学模型
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定位 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 模型的无控定位算法的 FPGA 硬件实现
9.4.1 基于 VGM 模型的无控定位的 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
10.2.2 RFM 模型系数求解方案
10.3 RFM 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）地球观测与导航技术领域主题专家，“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。
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