基于GDAL的衛(wèi)星圖像仿真生成方法

周曉華，吳帥，王霽云，郭海艮

（1.火箭軍指揮學(xué)院，武漢 430012；2.北京四中，北京 100000）

0 引言

在遙感衛(wèi)星實(shí)時(shí)仿真中，常常需要仿真輸出含有動(dòng)態(tài)仿真實(shí)體的可見(jiàn)光衛(wèi)星圖像，并在此基礎(chǔ)上快速識(shí)別衛(wèi)星圖像。由于在仿真系統(tǒng)中，衛(wèi)星和各仿真實(shí)體狀態(tài)隨仿真時(shí)間不斷變化，不能直接使用現(xiàn)有的歷史衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，而是需要根據(jù)衛(wèi)星和仿真實(shí)體的動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)生成仿真衛(wèi)星圖像。另外，在檢驗(yàn)圖像識(shí)別算法時(shí)，也需要有大量不同的衛(wèi)星圖像做支撐。因此，研究衛(wèi)星圖像仿真生成技術(shù)是個(gè)很重要的課題。目前國(guó)內(nèi)做這方面研究的人不多。王更科[1]主要研究了地表反射率、大氣輻射傳輸模型、典型植被光譜數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上仿真生成衛(wèi)星圖像，方法比較復(fù)雜，沒(méi)有考慮不同的氣象和觀測(cè)對(duì)象。

本文根據(jù)仿真系統(tǒng)中衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)方向，并根據(jù)各仿真實(shí)體的狀態(tài)以及周邊的地理、氣象環(huán)境，采 用 GDAL（Geospatial Data Abstraction Library）和VC++編程，快速生成一景標(biāo)準(zhǔn)格式的可見(jiàn)光衛(wèi)星圖像。主要涉及到衛(wèi)星軌道及實(shí)時(shí)狀態(tài)獲取、衛(wèi)星圖像格式分析、衛(wèi)星圖像的平移和旋轉(zhuǎn)、陸地島嶼的疊加、仿真實(shí)體和環(huán)境信息的疊加、衛(wèi)星圖像顯示等。其中衛(wèi)星軌道及實(shí)時(shí)狀態(tài)的獲取采用基于SGP4/SDP4的衛(wèi)星軌道攝動(dòng)模型，和真實(shí)衛(wèi)星軌道誤差每天小于500米，本文不作討論；衛(wèi)星圖像格式分析參考了劉修國(guó)[2]等人的論文；衛(wèi)星圖像的平移和旋轉(zhuǎn)、陸地島嶼的疊加、仿真實(shí)體和環(huán)境信息的疊加等采用GDAL和VC++編程來(lái)實(shí)現(xiàn)；衛(wèi)星圖像的顯示采用基于ArcGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)的三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

1 可見(jiàn)光衛(wèi)星圖像格式

可見(jiàn)光衛(wèi)星過(guò)境拍照時(shí)，會(huì)按照其相機(jī)幅寬，形成一軌衛(wèi)星條帶數(shù)據(jù)。每軌條帶數(shù)據(jù)，通過(guò)幾何校正、輻射校正后，再將其切割成一塊一塊的圖像，每塊圖像稱為一景。

衛(wèi)星圖像通常是采用GeoTIFF格式存儲(chǔ)的。TIFF是柵格文件格式的通用格式之一，由許多標(biāo)簽（Tag）組成，各個(gè)標(biāo)簽的實(shí)際入口稱為域（Field）[3]。GeoTIFF是TIFF格式的擴(kuò)展，它的結(jié)構(gòu)繼承了TIFF6.0標(biāo)準(zhǔn)。在GeoTIFF中需要描述圖像的各種地理信息，這涉及到多種投影類型。若將這些投影類型和投影參數(shù)都作為單獨(dú)的TIFF標(biāo)簽，將可能需要成百上千的標(biāo)簽。為避免這些問(wèn)題，GeoTIFF把投影參數(shù)存儲(chǔ)在一系列與標(biāo)簽功能相同，但更抽象的6個(gè)元標(biāo)簽（Meta-Tag）中，也稱為GeoTag[4]。其中GeoDirectoryTag（地理信息目錄表）存儲(chǔ)了所有的GeoKey，我們生成衛(wèi)星圖像時(shí)也需要從中讀取和寫入地圖的相關(guān)信息，這個(gè)過(guò)程通過(guò)調(diào)用GDAL的相關(guān)類和函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 GDAL簡(jiǎn)介

GDAL是一款功能強(qiáng)大的開(kāi)源柵格數(shù)據(jù)處理類庫(kù)，它提供了抽象數(shù)據(jù)類型來(lái)表達(dá)它支持的所有數(shù)據(jù)格式[5]，可以提供對(duì)多種矢量和柵格文件的支持。很多GIS系統(tǒng)都使用了GDAL庫(kù)，包括著名的ArcGIS、Google Earth等。

3 衛(wèi)星圖像平移和旋轉(zhuǎn)

一景長(zhǎng)寬均為80000像素（對(duì)應(yīng)地面面積約500×500km2）的衛(wèi)星圖像，數(shù)據(jù)量大約7.2GB，為了處理方便，我們一般使用將1景衛(wèi)星圖像均分成4×4共16幅圖的二級(jí)產(chǎn)品。

3.1 圖像準(zhǔn)備

由于衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)量很大，完全重新生成一景圖像耗時(shí)較長(zhǎng)。本文采用的方法是預(yù)先準(zhǔn)備一景共16幅用Photoshop圖像處理軟件處理好的全水域的衛(wèi)星圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、圖層疊加，主要采用GDAL和VC++編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用GDAL庫(kù)前首先要進(jìn)行注冊(cè)和初始化設(shè)置，代碼如下：

3.2 圖像平移

圖像平移目的是將一景衛(wèi)星圖像的中心點(diǎn)平移到衛(wèi)星臨空時(shí)的星下點(diǎn)坐標(biāo)（Lon1,Lat1）。首先讀取第三行第三列圖像的坐標(biāo)系（UTM投影坐標(biāo)系）和左上角UTM坐標(biāo)（X0,Y0），即本景圖像的中心點(diǎn)坐標(biāo)，然后構(gòu)建從WGS坐標(biāo)系到UTM投影坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換體系，將坐標(biāo)（Lon1,Lat1）轉(zhuǎn)換成 UTM 坐標(biāo)（X1,Y1），從而計(jì)算出圖像偏移量（ΔX,ΔY）。再依次更新16幅圖的左上角坐標(biāo)平移圖像。部分核心代碼如下：

3.3 圖像旋轉(zhuǎn)

除了地球同步衛(wèi)星外，大部分衛(wèi)星都是以一定的傾角繞地球飛行，典型的衛(wèi)星軌道和軌道在地面投影示意圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星飛行軌道示意圖

衛(wèi)星處于不同位置時(shí)，其速度方向與赤道面的夾角也是不同的，這就導(dǎo)致了不同緯度的衛(wèi)星圖像朝向不一致。因此需要根據(jù)衛(wèi)星軌道攝動(dòng)模型求出衛(wèi)星的瞬時(shí)速度方向，再將衛(wèi)星圖像旋轉(zhuǎn)。部分核心代碼如下：

4 圖層疊加

經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星圖像還是全水域的，需要根據(jù)其坐標(biāo)依次疊加對(duì)應(yīng)區(qū)域的陸地、島嶼、仿真實(shí)體和仿真氣象等圖層。

4.1 陸地島嶼圖層疊加

預(yù)先準(zhǔn)備好帶Alpha通道的全球大部分陸地、島嶼的PNG圖像，水域部分設(shè)置成透明，圖像采用UTM投影（Universal Transverse Mercator Projection）。這種投影是將北緯84°至南緯80°之間的全球區(qū)域按照經(jīng)度分為60個(gè)帶，每帶經(jīng)度跨度6°，該投影在兩條相割的經(jīng)線上沒(méi)有變形，角度也沒(méi)有變形，通常用于世界軍用地圖和地球衛(wèi)星圖像。

然后根據(jù)衛(wèi)星圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)，截取對(duì)應(yīng)區(qū)域的PNG圖像疊加到衛(wèi)星圖像上。

圖層疊加用到的核心函數(shù)是：

CPLErr RasterIO(GDALRWFlag,int,int,int,int,void*,int,int,GDALDataType,int,int*,int,int,int);

4.2 仿真實(shí)體圖層疊加

預(yù)先準(zhǔn)備多種類型仿真實(shí)體的衛(wèi)星照片，轉(zhuǎn)換成PNG格式，背景部分設(shè)置成透明，朝向統(tǒng)一朝正北。然后根據(jù)仿真實(shí)體的類型、朝向、狀態(tài)來(lái)選擇圖像，并旋轉(zhuǎn)角度，疊加到衛(wèi)星圖像上。

仿真實(shí)體的圖像旋轉(zhuǎn)可以用VC實(shí)現(xiàn)，圖層疊加方法類似4.1。

4.3 氣象圖層疊加

氣象主要考慮云層的影響。預(yù)先準(zhǔn)備好少云、薄云、厚云等類型的PNG云圖，背景部分設(shè)置成透明。然后根據(jù)氣象仿真模型的仿真數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)的云圖疊加到衛(wèi)星圖像上。

圖層疊加方法類似4.1。

5 衛(wèi)星圖像的顯示

生成的衛(wèi)星圖像可以在任何支持GeoTIFF格式圖像的軟件平臺(tái)上顯示，圖2、圖3、圖4是我們基于Arc-GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)的三維仿真系統(tǒng)的顯示效果。

6 結(jié)語(yǔ)

采用以上方法設(shè)計(jì)了可見(jiàn)光衛(wèi)星圖像動(dòng)態(tài)生成軟件，運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件能迅速生成仿真衛(wèi)星圖像，位置誤差小于4km，生成的圖像經(jīng)與真實(shí)的可見(jiàn)光衛(wèi)星圖像相比較，主觀目測(cè)上差異很小，完全能夠滿足仿真和檢驗(yàn)圖像識(shí)別算法的需要。

圖2 一景衛(wèi)星圖像三維效果圖

圖3 疊加陸地島嶼后的衛(wèi)星圖像局部放大圖

圖4 疊加氣象和仿真實(shí)體的 衛(wèi)星圖像局部放大圖