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KR102677764B1 - Atmospheric refraction positioning error correction method for optical remote sensing satellite image in qinghai-tibet plateau region - Google Patents

Atmospheric refraction positioning error correction method for optical remote sensing satellite image in qinghai-tibet plateau region Download PDF

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KR102677764B1
KR102677764B1 KR1020220115955A KR20220115955A KR102677764B1 KR 102677764 B1 KR102677764 B1 KR 102677764B1 KR 1020220115955 A KR1020220115955 A KR 1020220115955A KR 20220115955 A KR20220115955 A KR 20220115955A KR 102677764 B1 KR102677764 B1 KR 102677764B1
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KR
South Korea
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atmospheric
refraction
error
plateau region
altitude
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Application number
KR1020220115955A
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Inventor
지앙 예
링 장
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청두 유니버시티 오브 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 위성 원격 탐지 기술에 관한 것으로, 본 발명의 목적은, 티베트고원(靑藏高原) 지역에서 광학적 원격탐지 위성영상의 대기굴절 위치고정 오차 수정방법을 제공하는 데 있으며, 먼저, 티베트고원 지역의 역사적 지상 관측에 기반한 기상 자료에 근거해, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅(fitting)을 진행함으로써, 티베트고원 지역의 구형 대기 모델을 구축하며; 다음, 미리 설정한 층차에 근거해 대기에 대한 계층화를 실시하고, 피팅한 후의 수치에 근거해 각 층의 대기 굴절률을 계산하며; 그 다음, 초기 고도의 굴절각을 계산하고, 이에 근거해 최저층 대기의 굴절각을 차례대로 하향으로 층별로 계산하며; 최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하며; 다시, 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정한다. 티베트고원 지역의 특수한 기후에 적용할 수 있고, 대기 고도 변화에 근거해, 층고별로 대기 굴절률을 계산함으로써, 위성의 위치 고정 오차를 정확하게 확정해 수정할 수 있다.The present invention relates to satellite remote sensing technology, and the purpose of the present invention is to provide a method for correcting atmospheric refraction positioning error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region. First, the Tibetan Plateau region Based on meteorological data based on historical ground observations, a spherical atmospheric model for the Tibetan Plateau region was created by performing numerical fitting of the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude. build; Next, stratification of the atmosphere is performed based on the preset levels, and the atmospheric refractive index of each layer is calculated based on the values after fitting; Then, calculate the refraction angle of the initial altitude, and based on this, calculate the refraction angle of the lowest layer of the atmosphere downward in order for each layer; Calculate the ground atmosphere refraction error based on the lowest layer atmospheric refraction angle; Again, the position fixation of the satellite image is corrected based on the ground atmosphere refraction error. It can be applied to the special climate of the Tibetan Plateau region, and by calculating the atmospheric refractive index for each floor level based on changes in atmospheric altitude, the satellite's position fixation error can be accurately determined and corrected.

Description

티베트고원(靑藏高原) 지역에서 광학적 원격탐지 위성영상의 대기굴절 위치고정 오차 수정방법 {ATMOSPHERIC REFRACTION POSITIONING ERROR CORRECTION METHOD FOR OPTICAL REMOTE SENSING SATELLITE IMAGE IN QINGHAI-TIBET PLATEAU REGION}Method for correcting atmospheric refraction positioning error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region {ATMOSPHERIC REFRACTION POSITIONING ERROR CORRECTION METHOD FOR OPTICAL REMOTE SENSING SATELLITE IMAGE IN QINGHAI-TIBET PLATEAU REGION}

본 발명은 위성 원격 탐지 기술에 관한 것으로, 특히, 광학적 원격 탐지 위성 영상의 위치 고정 오차 수정기술에 관한 것이다.The present invention relates to satellite remote sensing technology, and in particular, to a technology for correcting position fixation errors in optical remote sensing satellite images.

위성 원격 탐지 기술은 정치, 경제, 군사와 사회 등 수많은 분야에서 모두 매우 큰 응용가치를 갖고 있고, 현재 각 국가에서 서로 발전시키고 있는 인기 기술이다. 원격 탐지 위성 플랫폼은 지구 대기층 외부에 위치하고, 광선 전파가 지구 대기층을 투과할 경우, 공기 밀도의 변화에 의해 지표 근처에서 굴곡이 발생하는 데, 이를 대기 굴절 효과라고 부른다. 특히, 위성 측면 시각이 비교적 큰 상황에서, 이런 굴절은 광학적 원격 탐지 위성의 위치 고정에 대해 비교적 큰 영향을 미친다. 지구 대기층은 불균일성을 구비하므로, 그의 밀도와 분포상황은 시간, 공간, 위치한 지리적 위치 등 여러 요인이 영향을 미침에 따라 변하고, 이 오차는 매우 큰 불확정성을 갖는다.Satellite remote sensing technology has great application value in numerous fields such as politics, economy, military, and society, and is currently a popular technology being developed in each country. Remote sensing satellite platforms are located outside the Earth's atmosphere, and when light propagation passes through the Earth's atmosphere, changes in air density cause bending near the surface, which is called the atmospheric refraction effect. Especially in situations where the satellite side view is relatively large, this refraction has a relatively large impact on the position fixation of the optical remote sensing satellite. Because the Earth's atmospheric layer is heterogeneous, its density and distribution change depending on the influence of various factors such as time, space, and geographical location, and this error has a very large uncertainty.

광학적 원격 탐지 위성 영상의 기하학적 위치 고정은 촬영 측량 중의 공선방정식(collinearity equation) 원리에 기반하고 영상을 확정하는 내부 및 외부 정향 원소를 통해 촬영 광선을 회복하고, 치밀한 영상의 기하학적 모델을 구축해 영상의 각 이미지 포인트(image point)의 물체 공간 위치를 확정한다. 대기 굴절은 지물 반사광선의 위성과 지상 간 직선 전파 방향을 변경하고, 지물 포인트, 이미징 부하 투시센터 및 CCD센서 3자의 공선 조건을 파괴해 공선방정식에 기반해 형성된 치밀한 기하학적 위치 고정 결과에 일정한 대기 굴절 오차가 발생하게 된다. 현재 광학적 초고 해상도 위성기술이 발전함에 따라, 해상도가 0.5m이하인 위성이 점점 많아지고 있으며, 측면 시각이 비교적 큰 상황에서, 대기 굴절 오차가 1개의 픽셀을 훨씬 초과하므로, 반드시 시정해야 한다.Fixing the geometric position of optical remote sensing satellite images is based on the principle of collinearity equation during imaging surveying, recovers the imaging rays through internal and external orientation elements to determine the image, and builds a detailed geometric model of the image to determine the angle of the image. Determine the object space location of the image point. Atmospheric refraction changes the straight propagation direction between the satellite and the ground of the feature-reflected light, and destroys the collinear conditions of the feature point, the imaging load perspective center, and the CCD sensor, resulting in a constant atmospheric refraction error in the precise geometric position fixation result formed based on the collinear equation. occurs. Currently, with the development of optical ultra-high-resolution satellite technology, there are more and more satellites with resolutions of 0.5 m or less, and in situations where the side view is relatively large, the atmospheric refraction error far exceeds 1 pixel, so visibility must be corrected.

종래기술은 주로 지구 대기를 단일층 구형 대기의 단일층 모델(Noerdlinger 1999; Oh and Lee 2011)로 간소화하고, 지구 대기를 대류권과 성층권(stratosphere)의 2개의 이층 모델로 간소화하였다(Yan et al. 2016). 단일층 모델과 이층 모델에서, 같은 대기권의 대기는 동일한 굴절률을 갖는다고 판단하였다. 스넬의 법칙(Snell's Law)에 따라 위성에서부터 지면에 이르는 광선의 굴절각을 계산 및 관측하고, 마지막에 대기 굴절 오차를 계산한다.The prior art mainly simplifies the Earth's atmosphere into a single-layer model of a single-layer spherical atmosphere (Noerdlinger 1999; Oh and Lee 2011), and simplifies the Earth's atmosphere into a two-layer model of the troposphere and stratosphere (Yan et al. 2016). In the single-layer model and the two-layer model, it was determined that the same atmosphere had the same refractive index. According to Snell's Law, the refraction angle of the light ray from the satellite to the ground is calculated and observed, and finally the atmospheric refraction error is calculated.

먼저, 대기 굴절률은 주로 대기 밀도 변화의 영향을 받지만, 대기 밀도 또한 대기의 온도, 압력 강도, 수증기 파라미터 등과 밀접하게 관련된다. 이와 동시에, 이런 파라미터는 늘 대기층 고도와도 밀접하게 관련된다. 현재의 계산방법은 대기를 간단하게 단일층 또는 이층으로만 보고 동일 층에서 대기 굴절률이 고정된 것으로 가정한다. 하지만, 당업자들은 광선이 전파되는 과정에서 대기 고도의 변화가 연속으로 이루어지므로, 대기 굴절률의 변화도 연속으로 이루어질 것이라는 데 유의해야 한다. 현재의 계산방법은 이런 특점을 반영하지 못하여 일정한 모델 오차가 존재한다.First, the atmospheric refractive index is mainly affected by changes in atmospheric density, but atmospheric density is also closely related to atmospheric temperature, pressure intensity, and water vapor parameters. At the same time, these parameters are always closely related to atmospheric altitude. Current calculation methods simply view the atmosphere as a single or double layer and assume that the atmospheric refractive index is fixed in the same layer. However, those skilled in the art should note that since atmospheric altitude changes continuously during the propagation of light rays, changes in atmospheric refractive index will also occur continuously. Current calculation methods do not reflect these characteristics, so certain model errors exist.

다음, 현재의 계산방법은 통상적으로 중위도 표준에 따른 대기의 기상조건에 따라 모델링을 진행한다. 하지만, 중국의 티베트고원(靑藏高原) 지역(북위 26°00′~ 39°47′, 동경 73°19′~ 104°47′사이에 위치)은 특수한 기후와 대기환경에 의해, 대기 상태와 표준 대기 모드에서 비교적 뚜렷한 차이가 있다. 여전히 표준 대기 모델을 계속 사용해 티베트고원 지역의 광학적 원격 탐지 영상의 대기 굴절 오차를 계산할 경우, 이론적으로 만족스러운 결과를 얻기가 매우 어려울 것이다.Next, the current calculation method typically proceeds with modeling according to atmospheric meteorological conditions according to mid-latitude standards. However, the Tibetan Plateau region of China (located between 26°00′~39°47′N latitude and 73°19′~104°47′E longitude) has special climate and atmospheric conditions, and atmospheric conditions and There is a relatively noticeable difference from the standard standby mode. If the standard atmospheric model is still used to calculate the atmospheric refraction error of optical remote sensing images of the Tibetan Plateau region, it will be very difficult to obtain theoretically satisfactory results.

본 발명의 목적은, 티베트고원(靑藏高原) 지역의 특수한 기후에 부합되고, 대기 고도 변화에 근거해 층고별 대기 굴절률을 계산해 위성 위치 고정 오차를 정확하게 확정하고, 오차를 수정할 수 있는 티베트고원 지역에서 광학적 원격탐지 위성영상의 대기굴절 위치고정 오차 수정방법을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to meet the special climate of the Tibetan Plateau region and calculate the atmospheric refractive index for each floor height based on changes in atmospheric altitude to accurately determine the satellite positioning error and correct the error. The purpose is to provide a method for correcting atmospheric refraction positioning error of optical remote sensing satellite images.

본 발명은 상기 기술문제를 해결하기 위해 아래의 기술방안을 이용한다.The present invention uses the following technical solution to solve the above technical problem.

티베트고원(靑藏高原) 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법은 아래의 단계를 포함한다.The method for correcting atmospheric refraction position fixation error in optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region includes the following steps.

단계 1: 티베트고원 지역의 역사적 지상 관측에 기반한 기상 자료에 근거해, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅(fitting)을 진행함으로써, 티베트고원 지역의 구형 대기 모델을 구축하며;Step 1: Based on meteorological data based on historical ground observations in the Tibetan Plateau region, numerical fitting is performed on the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude. Build a regional spherical atmospheric model;

단계 2: 미리 설정한 층차에 근거해 대기에 대한 계층화를 실시하고, 피팅한 후의 수치에 근거해 각 층의 대기 굴절률을 계산하며;Step 2: Perform stratification of the atmosphere based on the preset levels, and calculate the atmospheric refractive index of each layer based on the values after fitting;

단계 3: 초기 고도의 굴절각을 계산하고, 이에 근거해 최저층 대기의 굴절각을 차례대로 하향으로 층별로 계산하며;Step 3: Calculate the refraction angle of the initial altitude, and based on this, calculate the refraction angle of the lowest layer of the atmosphere in descending order for each layer;

단계 4: 최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하며;Step 4: Calculate the ground atmospheric refraction error based on the lowest layer atmospheric refraction angle;

단계 5: 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정한다.Step 5: Correct the position fixation of the satellite image based on the ground atmosphere refraction error.

상세하게, 상기 단계 1에서, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅을 진행하는 것은 상세하게,In detail, in step 1, numerical fitting is performed according to changes in atmospheric altitude for the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region.

대기 고도 H가 0-11(km)일 경우,When the atmospheric altitude H is 0-11(km),

T(K)=-5.85473×H+305.549;T(K)=-5.85473×H+305.549;

P(Pa)=9740×exp(-((H+41.29)/27.35)2);P(Pa)=9740×exp(-((H+41.29)/27.35) 2 );

e(Pa)=194.2×exp(-((H+11.88)/8.654)2)이며;e(Pa)=194.2×exp(-((H+11.88)/8.654) 2 );

대기 고도 H가 11-17(km)일 경우,When the atmospheric altitude H is 11-17(km),

T(K)=-6.317868×H+308.321;T(K)=-6.317868×H+308.321;

P(Pa)=2501×exp(-((H+21.3)/21.3)2);P(Pa)=2501×exp(-((H+21.3)/21.3) 2 );

e(Pa)=1183×exp(-0.8605×H)이고;e(Pa)=1183×exp(-0.8605×H);

대기 고도 H가 17-30(km)일 경우,When the atmospheric altitude H is 17-30 (km),

T(K)=2.54×H+156.4;T(K)=2.54×H+156.4;

P(Pa)=1985×exp(-0.2286×H)+537.7×exp(-0.1313×H);P(Pa)=1985×exp(-0.2286×H)+537.7×exp(-0.1313×H);

e(Pa)=-0.000001378×H3+0.00009408×H2-0.002092×H+0.01566이며;e(Pa)=-0.000001378×H 3 +0.00009408×H 2 -0.002092×H+0.01566;

대기 고도 H가 30-100(km)일 경우,When the atmospheric altitude H is 30-100(km),

T(K)=0.00008621×H4-0.01916×H3+1.429×H2-41.91×H+651.7;T(K)=0.00008621×H 4 -0.01916×H 3 +1.429×H 2 -41.91×H+651.7;

P(Pa)=3.956420×[214.65/(214.65-2×(h-71))](34.1632/-2);P(Pa)=3.956420×[214.65/(214.65-2×(h-71))] (34.1632/-2) ;

e(Pa)=0.1393×exp(-0.1968×H)이며;e(Pa)=0.1393×exp(-0.1968×H);

여기에서, T는 온도, H는 대기 고도, P는 대기 압력 강도, e는 수증기 압력 강도를 표시한다.Here, T represents temperature, H represents atmospheric altitude, P represents atmospheric pressure intensity, and e represents water vapor pressure intensity.

상세하게, 상기 단계 2에서, 임의의 한 층의 대기 굴절률의 계산공식은,In detail, in step 2, the formula for calculating the refractive index of the atmosphere in any one layer is:

이고; ego;

여기에서,From here,

이고; ego;

T는 온도, H는 대기 고도, P는 대기 압력 강도, 는 수증기 압력 강도를 표시하고, 모두 수치 피팅 표에서부터 알 수 있고, 여기에서, 는 군 굴절도이고, 는 대기 굴절률이고, 는 상 굴절도이고, 는 상 굴절률이고, 는 광학 파장이다.T is temperature, H is atmospheric altitude, P is atmospheric pressure intensity, denotes the water vapor pressure intensity, all of which can be found from the numerical fitting table, where: is the group refraction, is the atmospheric refractive index, is the phase refraction, is the phase refractive index, is the optical wavelength.

상세하게, 상기 단계 2에서, 미리 설정한 층차는 100미터이다.In detail, in step 2 above, the preset level difference is 100 meters.

상세하게, 상기 단계 3는 아래 단계를 포함한다.In detail, step 3 includes the following steps.

단계 31: 위성 센서 위치에서부터 한 줄기의 광선을 발사하여 고도 가 위성까지 0.5의 거리를 둔 지점에 도달해 굴절이 발생하고, 측면 시각이 라고 가정할 경우, 입사 광선의 단위 벡터는,Step 31: Emit a beam of light from the satellite sensor location to determine altitude. up to 0.5 satellites Refraction occurs when a point is reached at a distance of Assuming that, the unit vector of the incident ray is,

이고; ego;

입사 광선에 해당되는 직선 방정식은,The equation of the straight line corresponding to the incident ray is:

이고; ego;

여기에서, ,,는 위성 고도를 표시하며;From here, , , indicates satellite altitude;

단계 32: 지구를 구심으로 하는 원심을 구축할 경우, 를 반경으로 하는 원 방정식은,Step 32: When constructing a centrifuge centered on the Earth, The equation of a circle with radius is,

이고; ego;

여기에서,이고, 는 인접한 대기의 계층화에서 고도 간격을 표시하고, 는 지구 반경을 표시하고;From here, ego, denotes the altitude interval in the stratification of the adjacent atmosphere, denotes the Earth's radius;

연립방정식:Simultaneous equations:

을 얻으며; obtain;

단계 33: 입사 광선의 굴절각을 계산하되, 지령 벡터가 이고, 단위 벡터가 이고, 와 벡터 의 협각이 일 경우, 가 성립되고, 이 경우,Step 33: Calculate the angle of refraction of the incident ray, where the command vector is , and the unit vector is ego, and vector The chelicerae of In case, is established, and in this case,

이며; and;

단계 34: 다음 층의 입사 광선의 굴절각을 계산하고, 굴절의 법칙에 근거해,Step 34: Calculate the refraction angle of the incident ray of the next layer, based on the law of refraction,

가 성립되고; is established;

이고; ego;

여기에서, 는 각각 제1층의 대기 굴절률과 제2층의 대기 굴절률을 표시하며;From here, class represents the atmospheric refractive index of the first layer and the atmospheric refractive index of the second layer, respectively;

단계 35: 다음 층 대기의 굴절각을 계산하고, 를 다음 층의 입사각으로 삼아 상기 단계를 반복하고, 각 층 대기의 굴절각을 차례대로 계산하고; 광선과 지구 표면이 교차할 때 최저층 대기의 굴절각을 산출한다.Step 35: Calculate the angle of refraction of the next layer of atmosphere, Repeat the above steps using as the angle of incidence for the next layer, and calculate the refraction angle of the atmosphere at each layer in turn; Calculate the angle of refraction in the lowest atmosphere when light rays intersect the Earth's surface.

더 나아가, 상기 단계 4에서, 최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하는 것은 상세하게 아래 단계를 포함한다.Furthermore, in step 4 above, calculating the ground atmosphere refraction error based on the lowest atmosphere refraction angle includes the following steps in detail.

가 광선이 지면에 도달하는 실제 위치라고 가정할 경우, 는 대기 굴절의 영향을 받지 않고 광선이 직선 경로를 따라 지면과 교차하는 위치이고; 대기 굴절이 지면에서 발생하는 오차는 이고, 지구는 반경이 인 원형 구에 가깝고, 이차원 직각 좌표계를 구축하고, 지구 구심에서부터 위성까지가 y축이고, 천정(zenith) 방향이 정방향이고, y축과 수직되는 방향이 x축이고, 동쪽 방향이 정방향이고, N이 위성의 직하점일 경우, 에 대응되는 원심각은 이고, 에 대응되는 원심각이 일 경우, 대기 굴절 오차 크기는, Assuming that this is the actual location where the ray reaches the ground, is the position at which the light ray intersects the ground along a straight path, unaffected by atmospheric refraction; The error caused by atmospheric refraction at the ground is And the Earth has a radius of It is close to a circular sphere, and constructs a two-dimensional rectangular coordinate system. The y-axis is from the Earth's centripetal to the satellite, the zenith direction is the positive direction, the direction perpendicular to the y-axis is the x-axis, the east direction is the positive direction, and N is the satellite. In the case of a point directly below , The centrifugal angle corresponding to is ego, The centrifugal angle corresponding to In this case, the atmospheric refraction error size is,

이다. am.

다시 더 나아가, 상기 단계 5에서, 영상의 P 지점이 지구중심 지구고정 좌표계(earth-centered,earth-fixed,ECEF)에 위치하고 좌표계 중의 좌표가(x,y,z)이라고 가정할 경우, 위성 방위각은 이고, 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정하는 계산공식은,Going further, in step 5 above, assuming that the point P of the image is located in an earth-centered, earth-fixed (ECEF) coordinate system and that the coordinates in the coordinate system are (x, y, z), the satellite azimuth silver And the calculation formula to correct the position fixation of the satellite image based on the ground atmosphere refraction error is,

이다. am.

본 발명은 아래의 유익한 효과를 이룬다. 본 발명의 방안은 티베트고원(靑藏高原) 지역의 역사적 지상 관측에 기반한 기상 자료에 근거해, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅을 진행하여 티베트고원 지역의 구형 대기 모델을 구축함으로써, 피팅 수치에 근거해 층고별 대기 굴절률을 실시간으로 산출할 수 있다. 100m 표고 간격에 근거해, 대기층에 대해 연속적인 계층화를 진행한다. 100m는 고도차 변화 폭이 작으므로, 100미터의 수직 단면 범위 내에서는 대기 굴절률이 동일한 것으로 판단할 수 있다. 계층화를 통해 층고별 대기 굴절률을 계산할 경우, 입사 광선의 각 층의 굴절각을 더 정확하게 확정하고, 최종적으로 광선과 지면의 굴절각을 산출함으로써, 위성 위치 고정의 오차를 정확하게 확정해 그에 대한 정밀 수정을 진행할 수 있다.The present invention achieves the following beneficial effects. The method of the present invention is based on meteorological data based on historical ground observations in the Tibetan Plateau region and performs numerical fitting of the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude. By building a spherical atmospheric model for the Tibetan Plateau region, the atmospheric refractive index for each floor height can be calculated in real time based on the fitting values. Based on 100 m elevation intervals, continuous stratification of the atmospheric layer is performed. Since the change in altitude difference is small at 100 m, the atmospheric refractive index can be judged to be the same within the vertical cross-section range of 100 m. When calculating the atmospheric refractive index by floor height through stratification, the refraction angle of each layer of the incident ray is more accurately determined, and by finally calculating the refraction angle of the ray and the ground, the error in satellite position fixation can be accurately determined and precise correction can be made. You can.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 다층 대기 중의 광선 벡터 굴절에 대한 설명도이고;
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 영상 좌표값의 굴절 오차에 대한 정정도면이고;
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 서로 다른 측면 시각 하에서의 대기 굴절 오차 결과를 도시하였고;
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 영상 위치 고정 오차의 도면을 도시하였다.
1 is an explanatory diagram of ray vector refraction in multilayer atmosphere according to Embodiment 1 of the present invention;
Figure 2 is a correction diagram for refractive error of image coordinate values according to Embodiment 1 of the present invention;
Figure 3 shows atmospheric refraction error results under different side viewing angles according to Example 2 of the present invention;
Figure 4 shows a diagram of image position fixation error according to Example 3 of the present invention.

이하, 실시예와 도면을 결합해 본 발명의 기술방안을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical solution of the present invention will be described in detail by combining examples and drawings.

본 발명에 따른 티베트고원(靑藏高原) 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 위치 고정 오차 수정방법은,The method for correcting the position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau area according to the present invention is,

먼저, 티베트고원 지역의 역사적 지상 관측에 기반한 기상 자료에 근거해, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅(fitting)을 진행함으로써, 티베트고원 지역의 구형 대기 모델을 구축하며;First, based on meteorological data based on historical ground observations in the Tibetan Plateau region, numerical fitting was performed on the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude. Build a spherical atmospheric model of;

다음, 미리 설정한 층차에 근거해 대기에 대한 계층화를 실시하고, 피팅한 후의 수치에 근거해 각 층의 대기 굴절률을 계산하며;Next, stratification of the atmosphere is performed based on the preset levels, and the atmospheric refractive index of each layer is calculated based on the values after fitting;

그 다음, 초기 고도의 굴절각을 계산하고, 이에 근거해 최저층 대기의 굴절각을 차례대로 하향으로 층별로 계산하며;Then, calculate the refraction angle of the initial altitude, and based on this, calculate the refraction angle of the lowest layer of the atmosphere downward in order for each layer;

최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하며;Calculate the ground atmosphere refraction error based on the lowest layer atmospheric refraction angle;

다시, 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정한다.Again, the position fixation of the satellite image is corrected based on the ground atmosphere refraction error.

종래기술은 통상적으로 중위도 표준에 따른 대기의 기상조건에 따라 모델링을 진행한다. 하지만, 중국의 티베트고원 지역은 특수한 기후와 대기환경에 의해, 대기 상태와 표준 대기 모드에서 비교적 뚜렷한 차이가 있다. 여전히 표준 대기 모델을 계속 사용해 티베트고원 지역의 광학적 원격 탐지 영상의 대기 굴절 오차를 계산할 경우, 이론적으로 만족스러운 결과를 얻기가 매우 어려울 것이다. 본 발명은 티베트고원 지역에 적용하여 대기 고도 변화에 근거해 다층 대기의 굴절 오차를 정확하게 계산하는 방법을 제출한다. 본 방법은 대기의 모델링에서 티베트고원의 특수한 기후와 대기 환경의 특점을 감안하고 실제 기상 자료와 표준 모델을 결합해 연합 모델링을 진행하고; 이와 동시에, 대기 굴절 오차의 기하학적 모델을 구축하는 데 있어서, 본 발명은 고정된 고도차에 따라 대기층에 대해 연속적인 계층화를 진행하여 대기 굴절률의 연속적인 변화를 더 반영할 수 있고, 이론적으로 더 치밀하다. 본 발명을 응용해 지면에 대한 이미지 포인트(image point)의 대기 굴절 보정값을 직접 계산함으로써, 티베트고원 지역에 대한 광학적 원격 탐지 위성의 영상 위치 고정 정밀도를 직접 향상시킬 수있다.Conventional technologies typically perform modeling according to atmospheric meteorological conditions according to mid-latitude standards. However, due to the special climate and atmospheric environment in the Tibetan Plateau region of China, there are relatively clear differences in atmospheric conditions and standard atmospheric modes. If the standard atmospheric model is still used to calculate the atmospheric refraction error of optical remote sensing images of the Tibetan Plateau region, it will be very difficult to obtain theoretically satisfactory results. The present invention applies to the Tibetan Plateau region and presents a method for accurately calculating the refractive error of the multilayer atmosphere based on changes in atmospheric altitude. In atmospheric modeling, this method takes into account the special climate and characteristics of the atmospheric environment of the Tibetan Plateau and performs joint modeling by combining actual meteorological data and standard models; At the same time, in building a geometric model of atmospheric refractive error, the present invention carries out continuous stratification of the atmospheric layer according to the fixed altitude difference, which can further reflect the continuous change of atmospheric refractive index and is theoretically more precise. . By applying the present invention to directly calculate the atmospheric refraction correction value of the image point with respect to the ground, the image position fixation accuracy of the optical remote sensing satellite for the Tibetan Plateau region can be directly improved.

실시예 1Example 1

본 실시예는 주로 2개의 부분을 포함하며, 제1 부분은 티베트고원 지역의 온도, 압력 강도, 수증기 압력 강도가 고도에 따라 변하는 피팅 모델을 구축하고; 제2 부분은 대기 연속 계층화에 기반하여 광선 벡터 굴절 오차에 대한 치밀한 기하학적 보정 모델을 구축한다.This embodiment mainly includes two parts: the first part builds a fitting model in which the temperature, pressure intensity, and water vapor pressure intensity in the Tibetan Plateau region change with altitude; The second part builds a dense geometric correction model for ray vector refraction error based on atmospheric continuous stratification.

티베트고원 지역 대기의 온도, 압력 강도가 고도에 따라 변하는 피팅(fitting) 모델을 구축하는 제1 부분에 있어서,In the first part of building a fitting model in which the temperature and pressure intensity of the atmosphere in the Tibetan Plateau region change with altitude,

티베트고원은 지형, 기후 측면에서 비교적 뚜렷한 구역 특징을 갖고 있으므로, 대기 상태와 표준 대기 모드에서 비교적 뚜렷한 차이가 있으며, 여전히 표준 대기 모델을 계속 사용해 티베트고원 지역의 광학적 원격 탐지 영상의 대기 굴절 오차를 계산할 경우, 이론적으로 만족스러운 결과를 얻기가 매우 어려울 것이다. 구역 대기 모델을 구축해 대기 굴절 오차를 계산하여 위성 영상 위치 고정의 정밀도를 향상시키는 것은 매우 필요하다. 본 실례는 티베트고원 지역의 11개 지면 관측소가 10년간 누적된 지상 관측 기상 자료에 근거하고 중위도 및 열대 대기 모델을 참조해 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 근거해 수치 피팅을 진행함으로써, 아래의 공식을 도출했다.Because the Tibetan Plateau has relatively distinct regional characteristics in terms of topography and climate, there are relatively clear differences in atmospheric conditions and standard atmospheric modes, and the standard atmospheric model can still be used to calculate the atmospheric refraction error of optical remote sensing images in the Tibetan Plateau region. In this case, it will be very difficult to obtain theoretically satisfactory results. It is very necessary to improve the precision of satellite image position fixation by building a zonal atmospheric model and calculating atmospheric refraction error. This example is based on 10 years of accumulated ground observation meteorological data from 11 ground-based stations in the Tibetan Plateau region and refers to mid-latitude and tropical atmospheric models to estimate the temperature, pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region, as well as changes in atmospheric altitude. By performing numerical fitting based on , we derived the formula below.

표 1 티베트고원 지역 온도, 기압 및 수증기 압력 강도의 수치 피팅 표Table 1 Numerical fitting table of temperature, barometric pressure and water vapor pressure intensity in the Tibetan Plateau region.

대기 밀도 계산에 이용하는 공식은,The formula used to calculate atmospheric density is:

(kg/m3) (1)이고, (kg/m 3 ) (1),

는 기체 상수이고, 크기는 =287.053 J·kg-1·K-1 이다. is the gas constant, and the magnitude is =287.053 J·kg -1 ·K -1 .

본 실례에서, 가시광 주파수대와 근적외 주파수대에 해당되는 지정된 표준 대기 환경은 온도 T=273.15 K이고, 대기 압력 강도 P=1013.25 hPa이고, CO2함량 x=0.0375%이며, 대기의 군 굴절도 계산공식은,In this example, the designated standard atmospheric environment for visible and near-infrared frequencies is temperature T = 273.15 K, atmospheric pressure intensity P = 1013.25 hPa, CO 2 content x = 0.0375%, and the formula for calculating the group refraction of the atmosphere: silver,

(2)이고, (2),

e 는 대기 중 수증기 압력 강도이고 단위는 hPa이다.e is the atmospheric water vapor pressure intensity and the unit is hPa.

여기에서, 대기의 상 굴절도 Nsph의 계산 공식은, Here, the formula for calculating the atmospheric phase refraction N sph is:

(3)이고, (3),

T는 온도, H는 대기 고도, P는 대기 압력 강도, 는 수증기 압력 강도를 표시하고, 모두 수치 피팅 표에서부터 알 수 있으며, 여기에서, 는 군 굴절도, 는 대기 굴절률, 는 상 굴절도, 는 상 굴절률, 는 광학 파장이다.T is temperature, H is atmospheric altitude, P is atmospheric pressure intensity, denotes the water vapor pressure intensity, all of which can be found from the numerical fitting table, where: is the group refraction, is the atmospheric refractive index, is the phase refraction, is the phase refractive index, is the optical wavelength.

본 실례는 공식 (2)를 이용하고 피팅 수치를 결합해 각 층의 대기 굴절 계수를 계산한다.This example uses equation (2) and combines the fitting values to calculate the atmospheric refraction coefficient for each layer.

대기 연속 계층화에 기반하여 광선 벡터 굴절 오차에 대한 치밀한 기하학적 보정 모델을 구축하는 제2 부분에 있어서,In the second part, building a dense geometric correction model for ray vector refraction error based on atmospheric continuous stratification,

본 실례는 100m 표고 간격에 근거해, 대기층에 대해 연속적인 계층화를 진행한다. 100m의 고도차 변화 폭가 작으므로, 100미터의 수직 단면 범위 내에서 대기 굴절률이 동일한 것으로 판단할 수 있다.This example uses continuous stratification of the atmospheric layer based on 100 m elevation intervals. Since the change in altitude difference of 100 m is small, it can be judged that the atmospheric refractive index is the same within the vertical cross-section range of 100 m.

본 실례에서, 대기 광 굴절의 계산방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 광선이 대기층에 진입할 때 공기 밀도가 점차 커짐에 따라 대기 굴절 계수도 점점 커지고, 광선 전파 경로가 굴곡된 연속 꺽은선으로 변한다. 는 광선이 지면에 도달하는 실제 위치이고, 는 대기 굴절의 영향을 받지 않고 광선이 직선 경로를 따라 지면과 교차하는 위치이다. 이로부터 알 수 있다 시피, 대기 굴절이 지면에서 발생되는 오차는 ,으로서, 지구 표면의 한 구간의 커브선이다. 지구는 반경이 인 원형 구에 가깝고, 이차원 직각 좌표계를 구축하고, 지구 구심에서부터 위성까지의 S가 y축이고, 천정(zenith) 방향이 정방향이고, y축과 수직되는 방향이 x축이고, 동쪽 방향이 정방향이고, N이 위성의 직하점일 경우, 에 대응되는 원심각은 이고, 에 대응되는 원심각이 일 경우, 대기 굴절 오차 크기는,In this example, the method of calculating atmospheric light refraction is as shown in Figure 1. As the air density gradually increases when the light ray enters the atmospheric layer, the atmospheric refraction coefficient gradually increases, and the light propagation path becomes a curved continuous line. It changes. is the actual position where the ray reaches the ground, is the position where the light ray intersects the ground along a straight path without being affected by atmospheric refraction. As can be seen from this, the error caused by atmospheric refraction at the ground is , It is a curved line of a section of the Earth's surface. The Earth has a radius is close to a circular sphere, constructing a two-dimensional rectangular coordinate system, S from the Earth's centripetal to the satellite is the y-axis, the zenith direction is the positive direction, the direction perpendicular to the y-axis is the x-axis, the east direction is the positive direction, and N If it is the direct point of this satellite, The centrifugal angle corresponding to is ego, The centrifugal angle corresponding to In this case, the atmospheric refraction error size is,

(4)이고, (4),

여기에서, 도 1에 도시된 바와 같이, , 이다.Here, as shown in Figure 1, , am.

X좌표는 광선 벡터와 지구 구면의 교차를 통해 확정되고, 구면은 반경이 R+Hi인 원형 구의 면인 것으로 정의하고, Hi는 광선에 굴절이 발생할 경우의 표고 면이고, 이 경우, Hi는, The Is,

(5)이고, (5),

Δh는 인접한 표고 굴절 면 간의 고도차이고, 본 실례는 100미터마다의 고도차에 근거해 대기 굴절률을 계산한다. 100미터 고도차 범위 내에서, 대기 굴절률이 변하지 않는 것으로 판단할 수 있다.Δh is the altitude difference between adjacent elevation refractive surfaces, and this example calculates the atmospheric refractive index based on the altitude difference every 100 meters. Within the range of 100 meters altitude difference, it can be determined that the atmospheric refractive index does not change.

다층 대기 중에서 광선의 전파 과정은 도 1에 도시된 바와 같으며, 다층 대기 굴절의 치밀한 기하학적 보정 모델을 구체적으로 계산하는 기술적 절차에 있어서,The propagation process of light rays in the multilayer atmosphere is as shown in Figure 1, and in the technical procedure for specifically calculating a detailed geometric correction model of multilayer atmospheric refraction,

1. 입사 광선을 확정하는 직선 방정식1. Straight line equation that determines the incident ray

위성 센서 위치에서부터 한 줄기의 광선을 발사하여 고도 가 위성까지 0.5의 거리를 둔 지점에 도달해 굴절이 발생하고, 측면 시각이 라고 가정할 경우, 입사 광선의 단위 벡터는,It emits a beam of light from the satellite sensor location to determine altitude up to 0.5 satellites When reaching a point at a distance of , refraction occurs and lateral vision changes. Assuming that, the unit vector of the incident ray is,

(6)이고, (6),

입사 광선에 해당되는 직선 방정식은,The equation of the straight line corresponding to the incident ray is:

; (7)이고, ; (7),

여기에서, , , 는 위성 고도를 표시한다.From here, , , displays the satellite altitude.

2. 입사 광선과 동심 구면의 교차 위치 계산2. Calculate the intersection position of the incident ray and the concentric sphere

지구를 구심으로 하는 원심을 구축하고, 가 반경인 원 방정식은 반경의 원방정식으로서,Build a centripetal center with the Earth as its centripetal center, The equation of a circle with a radius is the equation of a circle with a radius,

; (8) 이고, ; (8) and

여기에서, 이고, 는 인접한 대기의 계층화에서 고도 간격을 표시하고, 는 기구 반경을 표시한다.From here, ego, denotes the altitude interval in the stratification of the adjacent atmosphere, indicates the mechanism radius.

연립방정식(7), (8)에 의해,By simultaneous equations (7) and (8),

을 얻는다. get

3. 입사 광선의 굴절각 계산3. Calculate the angle of refraction of the incident ray

지령 벡터 일 경우, 단위 벡터는 이고, 벡터 와 벡터 의 협각이 일 경우, 이고, 이 경우,Command vector If , the unit vector is and vector and vector The chelicerae of In case, And in this case,

;(9)이다. ;(9).

4. 입사 광선의 굴절각 계산4. Calculate the angle of refraction of the incident ray

굴절의 법칙(스넬의 법칙)에 근거해,Based on the law of refraction (Snell's law),

(10)이고, (10),

(11)이다. It is (11).

5. 표고를 Δh 낮추고, 다음 표고 면의 굴절각을 계산한다.5. Lower the elevation by Δh and calculate the refraction angle of the next elevation plane.

를 다음 입사각으로 삼고 단계 1 내지 4를 반복해 각 표고 면의 굴절각 을 차례대로 계산한다. Take as the next angle of incidence and repeat steps 1 to 4 to obtain the refraction angle of each elevation plane. Calculate in order.

6. 광선과 지구 표면이 교차할 경우, 최종 굴절각 계산6. Calculate the final angle of refraction when the ray intersects the Earth's surface.

H=0일 때까지 단계 1 내지 4를 반복하여 최종적으로 을 얻고, 공식(4)에 대입해 지상 대기 굴절 오차 d를 산출한다.Repeat steps 1 to 4 until H=0 and finally Obtain and substitute into formula (4) to calculate the ground atmosphere refraction error d.

최종적으로, 고해상도위성 영상의 위치 고정에 대한 수정을 진행한다.Finally, corrections are made to fix the position of the high-resolution satellite image.

7. 영상의 P 지점이 지구중심 지구고정 좌표계(earth-centered,earth-fixed,ECEF)에 위치하고 좌표계 중의 좌표가(x,y,z)이라고 가정할 경우, 위성 방위각은 이고, 이 경우, 대기 굴절 보정값에 대한 계산은 도 2에 도시된 바와 같으며, 계산 공식은 공식 12:7. Assuming that point P in the image is located in the earth-centered, earth-fixed coordinate system (ECEF) and that the coordinates in the coordinate system are (x,y,z), the satellite azimuth is In this case, the calculation for the atmospheric refraction correction value is as shown in Figure 2, and the calculation formula is Formula 12:

(12)이다. It is (12).

실시예 2 Example 2

본 발명의 실용성과 우월성을 확정하기 위해, 본 실례는 측면 시각별로 대기 굴절오차를 계산한다.To confirm the practicality and superiority of the present invention, this example calculates the atmospheric refractive error for each side view.

먼저, 위성 궤적 고도가 650km이고 지구 평균 반경이 6371km인 조건하에서, 중심파장이 0.5μm인 블루 광에 의해 대기 굴절 계수를 계산하며, 식(1) 내지 식(10)을 사용해 5°의 간격을 두고 15°내지 45°의 측면 시각 범위 내에서 대기 굴절이 발생한 기하학적 위치 고정 편차를 계산하고, 문헌(Noerdlinger 1999)의 단일층 대기 및 문헌(Ming et al. 2016)의 이층 대기에서 계산한 대기 굴절의 기하학적 편차와 대조하며, 결과는 도 3에 도시된 바와 같다.First, under the condition that the satellite trajectory altitude is 650km and the Earth's average radius is 6371km, the atmospheric refraction coefficient is calculated by blue light with a central wavelength of 0.5μm, and an interval of 5° is used using equations (1) to (10). Calculate the geometric position fixation deviation where atmospheric refraction occurs within a lateral visual range of 15° to 45°, and calculate atmospheric refraction in the single-layer atmosphere from the literature (Noerdlinger 1999) and the double-layer atmosphere from the literature (Ming et al. 2016). Contrast with the geometric deviation of , the results are as shown in Figure 3.

도 3의 실험 결과에 기반해 아래와 같이 분석할 수 있다.Based on the experimental results in Figure 3, it can be analyzed as follows.

1. 측면 시각이 30°보다 작을 경우, 본 발명의 알고리즘을 이용하고 표준 대기 모델의 계산결과와 참조 문헌 중 단일층법 및 이층법을 이용한 결과, 기본적으로 일치하다.1. When the side visual angle is less than 30°, the calculation results of the standard atmospheric model using the algorithm of the present invention and the results using the single-layer method and the double-layer method in the reference literature are basically consistent.

2. 측면 시각이 30°보다 클 경우, 3개의 방법으로 산출된 계산결과의 차이값이 점차 커지고, 본 발명의 알고리즘으로 산출된 결과가 더 정확하다. 대기 굴절 오차는 이층법이 가장 크고 단일층법이 가장 작으며, 본 발명의 방법은 양자 사이에 있다. 그 원인은 분석할 경우, 아래와 같다. 본 발명은 위성 센서의 시선을 시발점으로 하여 대기 연속 계층화에 의해 대기 굴절 계수와 이에 해당되는 시선의 굴절 편차를 계산하며; 이층법도 위성 센서의 시선을 시발점으로 하여 계산하고, 가중 평균 알고리즘에 근거해 대류권과 성층권(stratosphere)의 굴절 계수를 계산한다. 실제적으로, 대류권과 성층권의 내부는 대기 굴절 계수의 변화가 선형을 이루지 않는다. 가중편균법은 이런 변화를 정확하게 반영할 수 없다. 특히, 고도가 11km보다 높을 경우, 대류권의 꼭대기층은 성층권으로 전이하고, 이 경우, 대기 굴절 계수는 가속해 작아진다. 이층법 전이는 대기 굴절 오차를 추정하였고, 단일층법은 대류권과 성층권을 일괄적으로 단일층 대기 모델로 삼아 대기 굴절 편차를 계산한다. 이런 가설 또한 대기 굴절 계수의 실제 변화를 낮게 추정한다. 본 발명의 알고리즘은 100미터 마다의 고도 변화값에 근거해 대기층에 대한 계층화를 진행하고, 각 층의 대기 굴절 계수와 대응되는 굴절각을 연속 계산하며, 광선 전파의 기하학적 원리에서부터 알 수 있다시피, 본 발명은 치밀한 계산방법으로서, 계산결과가 더 정확하다.2. When the side visual angle is greater than 30°, the difference between the calculation results calculated by the three methods gradually increases, and the results calculated by the algorithm of the present invention are more accurate. The atmospheric refraction error is largest for the two-layer method and smallest for the single-layer method, and the method of the present invention lies between the two. When analyzed, the cause is as follows. The present invention calculates the atmospheric refraction coefficient and the corresponding refraction deviation of the line of sight through atmospheric continuous stratification using the line of sight of the satellite sensor as a starting point; The two-layer method is also calculated using the line of sight of the satellite sensor as a starting point, and calculates the refraction coefficients of the troposphere and stratosphere based on a weighted average algorithm. In reality, the change in atmospheric refraction coefficient is not linear in the troposphere and stratosphere. The weighted average method cannot accurately reflect these changes. In particular, when the altitude is higher than 11 km, the top layer of the troposphere transitions to the stratosphere, and in this case, the atmospheric refraction coefficient accelerates and decreases. The two-layer method estimates the atmospheric refraction error, and the single-layer method uses the troposphere and stratosphere as a single-layer atmospheric model to calculate the atmospheric refraction error. This hypothesis also underestimates the actual change in atmospheric refraction coefficient. The algorithm of the present invention stratifies the atmospheric layers based on the altitude change value every 100 meters, continuously calculates the atmospheric refraction coefficient of each layer and the corresponding refraction angle, and, as can be seen from the geometric principles of light propagation, The invention is a precise calculation method, so the calculation results are more accurate.

실시예 3Example 3

본 실례는 티베트고원 지역의 고해상도 위성 영상을 이용해 실험한다.This example experiments using high-resolution satellite images of the Tibetan Plateau region.

본 발명의 실제 사용 효과에 있어서, 본 실례는 4폭의 티베트고원 지역의 WorldView-2위성 0.5 미터 해상도의 전정색 영상에 대한 실험을 진행하며, 영상 커버 구역은 동경 95°41′17.19″~ 96°01′45.24″, 북위36°07′46.54″~ 36°19′57.60″에 위치하고, 행정 구역은 칭하이(靑海) 두란(都蘭)현 경내에 속하고, 차이다무(柴達木) 분지의 남쪽 변두리 및 쿤룬산(昆侖)산 중간 구간 북쪽 비탈에 위치하고, 지모는 깊이 깎여진 고산구역이고, 해발 표고는 3300 내지 4500 미터 사이이고, 상대적 고도차는 300 내지 800 미터 내외이고, 영상의 기본 정보는 표 3에 기재된 바와 같다.In terms of the practical use effect of the present invention, this example conducts an experiment on panchromatic images with a resolution of 0.5 meters from the WorldView-2 satellite in the quadruple Tibetan Plateau region, and the image coverage area is 95°41′17.19″~96°E. Located at °01′45.24″, 36°07′46.54″~36°19′57.60″N, the administrative district is within the territory of Dulan County, Qinghai, and the Caidam Basin. Located on the southern outskirts of and on the northern slope of the middle section of Kunlun Mountain, the area is a deeply carved alpine area, the altitude is between 3300 and 4500 meters, and the relative altitude difference is around 300 to 800 meters. Basic information of the video is as described in Table 3.

표 2 티베트고원 지역 고해상도 위성 영상 실험의 기본 정보Table 2 Basic information of high-resolution satellite imaging experiments in the Tibetan Plateau region

상기 영상 커버 구역에 있어서, 80개의 지면 검사 지점을 인공으로 균일하지 않게 분포하고, GPS 기술을 이용해 야외에서 현지 측량을 진행하고, 검사 지점의 평면 정밀도와 표고 정밀도는 5cm보다 우수하다.In the above image coverage area, 80 ground inspection points are artificially distributed unevenly, and field surveying is conducted outdoors using GPS technology, and the planar precision and elevation precision of the inspection points are better than 5cm.

4개의 방안에 의해 영상 위치 고정 정밀에 대한 실험을 실시하였는데, 첫 번째는 영상 제공업자의 다항식 비례 모델(Rational Function Model , RFM)을 이용해 계산하고, 대기 굴절 보정을 진행하지 않았으며; 두 번째는 단일층법을 이용하였고; 세 번재는 이층법을 이용하였고; 네 번째는 본 발명의 계산방법을 이용하였다.An experiment was conducted on image position fixation precision using four methods: the first was calculated using the image provider's Rational Function Model (RFM) and no atmospheric refraction correction was performed; The second used the single layer method; The third time used the two-layer method; Fourth, the calculation method of the present invention was used.

원격 탐지 영상 위치 고정 모델에 근거해, 검사 지점의 모델 계산 위치 P(X,Y,Z)와 주지의 좌표 P0(X0,Y0,Z0)의 차이값을 계산하며, e는 WGS84공간 직각 좌표계에서의 포인트 오차를 표시하고, 이 경우, e의 계산공식은,Based on the remote sensing image position fixation model, the difference between the model calculated position P(X,Y,Z) of the inspection point and the known coordinates P 0 (X 0 ,Y 0 ,Z 0 ) is calculated, and e is WGS84 Indicates the point error in the spatial rectangular coordinate system. In this case, the calculation formula for e is:

(13)이고, (13),

각 폭의 영상 중의 각 검사 지점의 오차에 근거해, 오차 평균값과 평균 제곱근 오차(root mean square error, RMSE)를 산출한다.Based on the error of each inspection point in the image of each width, the average error value and root mean square error (RMSE) are calculated.

도 4에서부터 알 수 있다시피, 실험 구역의 영상에 있어서, 본 발명의 방법을 이용한 영상 위치 고정의 정밀도가 가장 높다. 여기에서, 실험 구역의 4폭의 영상 위치 고정 정밀도는 평균 18% 향상되었으며; 현재 계산방법에 대비되게, 본 발명의 계산방법은 정밀도가 평균 11% 향상되었다. 현재의 결과는 측면 시각이 32°보다 작은 상황에서 획득하였을 뿐이고, 측면 시각이 커짐에 따라, 본 발명의 계산방법이 보여주는 우세는 더 뚜렷해질 것으로 보여진다.As can be seen from Figure 4, in the images of the experimental area, the precision of image position fixation using the method of the present invention is the highest. Here, the image position fixation accuracy of the four widths of the experimental area was improved by 18% on average; Compared to the current calculation method, the precision of the calculation method of the present invention was improved by an average of 11%. The current results were obtained only in situations where the side visual angle is less than 32°, and as the side visual angle increases, the superiority of the calculation method of the present invention appears to become more evident.

총체적으로, 광학적 고해상도 위성 원격 탐지는 대지 관측 기술의 중요한 구성부분으로서, 국민경제와 사회의 다양한 측면에서 중요한 응용가치가 있고, 대기 굴절 오차는 광학적 원격 탐지 위성 위치 고정의 정밀도에 대해 비교적 큰 영향을 미친다. 종래기술의 계산방법은 대기층 계층화 모델에 대한 기재가 지나치게 간단하고 대기 굴절률이 연속 변하는 특점을 간과하였지만, 본 발명은 100미터 마다의 고도차 변화를 이용해 대기 굴절률과 굴절각을 계산하여 광선을 관측한 실제 전파 경로를 더 정확하게 기재하였으며; 이와 동시에, 티베트고원 지역의 특수한 기상 조건에 대해, 구역 기상 모델을 이용하여 대기 광 굴절 계수를 계산하여 계산결과가 더 정확하고, 광학적 고해상도 위성 영상이 상기 지역에서 보여주는 영상의 실제적인 위치 고정 정밀도를 향상한다.Overall, optical high-resolution satellite remote sensing is an important component of ground observation technology, and has important application value in various aspects of the national economy and society, and atmospheric refraction error has a relatively large impact on the precision of optical remote sensing satellite positioning fixation. It's crazy. The calculation method of the prior art was too simple in its description of the atmospheric layer stratification model and overlooked the feature that the atmospheric refractive index continuously changes, but the present invention calculates the atmospheric refractive index and refraction angle using the altitude difference change every 100 meters to calculate the actual radio wave observed by rays. The route was described more accurately; At the same time, for the special meteorological conditions of the Tibetan Plateau region, the atmospheric light refraction coefficient is calculated using a zonal meteorological model, so that the calculation results are more accurate, and the optical high-resolution satellite image shows the actual positioning accuracy of the image shown in the region. improve

Claims (7)

티베트고원(靑藏高原) 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법에 있어서,
이하의 단계,
단계 1: 티베트고원 지역의 역사적 지상 관측에 기반한 기상 자료에 근거해, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅(fitting)을 진행함으로써, 티베트고원 지역의 구형 대기 모델을 구축하는 단계;
단계 2: 미리 설정한 층차에 근거해 대기에 대한 계층화를 실시하고, 피팅한 후의 수치에 근거해 각 층의 대기 굴절률을 계산하는 단계;
단계 3: 초기 고도의 굴절각을 계산하고, 이에 근거해 최저층 대기의 굴절각을 차례대로 하향으로 층별로 계산하는 단계;
단계 4: 최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하는 단계;
단계 5: 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
In the method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region,
The following steps,
Step 1: Based on meteorological data based on historical ground observations in the Tibetan Plateau region, numerical fitting is performed on the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude. building a regional spherical atmospheric model;
Step 2: Performing stratification of the atmosphere based on preset levels and calculating the atmospheric refractive index of each layer based on the values after fitting;
Step 3: Calculate the refraction angle of the initial altitude, and based on this, calculate the refraction angle of the lowest layer of the atmosphere in descending order for each layer;
Step 4: Calculating ground atmospheric refraction error based on the lowest layer atmospheric refraction angle;
Step 5: Correcting the position fixation of the satellite image based on the ground atmospheric refraction error; A method of correcting the atmospheric refraction position fixation error of the optical remote sensing satellite image in the Tibetan Plateau region, comprising:
제1항에 있어서,
상기 단계 1에서, 티베트고원 지역 대기의 온도, 기압 및 수증기 압력 강도 파라미터에 대해, 대기 고도 변화에 따라 수치 피팅을 진행하는 것은 상세하게,
대기 고도 H가 0-11(km)일 경우,
T(K)=-5.85473×H+305.549;
P(Pa)=9740×exp(-((H+41.29)/27.35)2);
e(Pa)=194.2×exp(-((H+11.88)/8.654)2)이며;
대기 고도 H가 11-17(km)일 경우,
T(K)=-6.317868×H+308.321;
P(Pa)=2501×exp(-((H+21.3)/21.3)2);
e(Pa)=1183×exp(-0.8605×H)이고;
대기 고도 H가 17-30(km)일 경우,
T(K)=2.54×H+156.4;
P(Pa)=1985×exp(-0.2286×H)+537.7×exp(-0.1313×H);
e(Pa)=-0.000001378×H3+0.00009408×H2-0.002092×H+0.01566이며;
대기 고도 H가 30-100(km)일 경우,
T(K)=0.00008621×H4-0.01916×H3+1.429×H2-41.91×H+651.7;
P(Pa)=3.956420×[214.65/(214.65-2×(h-71))](34.1632/-2);
e(Pa)=0.1393×exp(-0.1968×H)이며;
여기에서, T는 온도, H는 대기 고도, P는 대기 압력 강도, e는 수증기 압력 강도를 표시하는 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to paragraph 1,
In step 1, numerical fitting is performed in detail for the temperature, barometric pressure, and water vapor pressure intensity parameters of the atmosphere in the Tibetan Plateau region according to changes in atmospheric altitude,
When the atmospheric altitude H is 0-11(km),
T(K)=-5.85473×H+305.549;
P(Pa)=9740×exp(-((H+41.29)/27.35) 2 );
e(Pa)=194.2×exp(-((H+11.88)/8.654) 2 );
When the atmospheric altitude H is 11-17(km),
T(K)=-6.317868×H+308.321;
P(Pa)=2501×exp(-((H+21.3)/21.3) 2 );
e(Pa)=1183×exp(-0.8605×H);
When the atmospheric altitude H is 17-30 (km),
T(K)=2.54×H+156.4;
P(Pa)=1985×exp(-0.2286×H)+537.7×exp(-0.1313×H);
e(Pa)=-0.000001378×H 3 +0.00009408×H 2 -0.002092×H+0.01566;
When the atmospheric altitude H is 30-100 (km),
T(K)=0.00008621×H 4 -0.01916×H 3 +1.429×H 2 -41.91×H+651.7;
P(Pa)=3.956420×[214.65/(214.65-2×(h-71))] (34.1632/-2) ;
e(Pa)=0.1393×exp(-0.1968×H);
Here, T is temperature, H is atmospheric altitude, P is atmospheric pressure intensity, and e is water vapor pressure intensity. Atmospheric refraction position fixation error correction method of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region.
제2항에 있어서,
상기 단계 2에서, 임의의 한 층의 대기 굴절률의 계산공식은,
이고;
여기에서,
이고;
T는 온도, H는 대기 고도, P는 대기 압력 강도, 는 수증기 압력 강도를 표시하고, 모두 수치 피팅 표에서부터 알 수 있고, 여기에서, 는 군 굴절도이고, 는 대기 굴절률이고, 는 상 굴절도이고, 는 상 굴절률이고, 는 광학 파장인 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to paragraph 2,
In step 2, the formula for calculating the refractive index of the atmosphere in any one layer is:
ego;
From here,
ego;
T is temperature, H is atmospheric altitude, P is atmospheric pressure intensity, denotes the water vapor pressure intensity, all of which can be found from the numerical fitting table, where: is the group refraction, is the atmospheric refractive index, is the phase refraction, is the phase refractive index, Method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region, characterized in that the optical wavelength is.
제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 단계 2에서, 미리 설정한 층차는 100미터인 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to claim 1 or 2 or 3,
In step 2, a method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region, characterized in that the preset level difference is 100 meters.
제4항에 있어서,
상기 단계 3는 이하의 단계,
단계 31: 위성 센서 위치에서부터 한 줄기의 광선을 발사하여 고도 가 위성까지 0.5 의 거리를 둔 지점에 도달해 굴절이 발생하고, 측면 시각이 라고 가정할 경우, 입사 광선의 단위 벡터는,
이고;
입사 광선에 해당되는 직선 방정식은,
이고;
여기에서, ,,는 위성 고도를 표시하며;
단계 32: 지구를 구심으로 하는 원심을 구축할 경우, 를 반경으로 하는 원 방정식은,
이고;
여기에서,이고, 는 인접한 대기의 계층화에서 고도 간격을 표시하고, 는 지구 반경을 표시하고;
연립방정식:
을 얻으며;
단계 33: 입사 광선의 굴절각을 계산하되, 지령 벡터가 이고, 단위 벡터가 이고, 와 벡터 의 협각이 일 경우, 가 성립되고, 이 경우,
이며;
단계 34: 다음 층의 입사 광선의 굴절각을 계산하고, 굴절의 법칙에 근거해,
가 성립되고;
이고;
여기에서, 는 각각 제1층의 대기 굴절률과 제2층의 대기 굴절률을 표시하며;
단계 35: 다음 층 대기의 굴절각을 계산하고, 를 다음 층의 입사각으로 삼아 상기 단계를 반복하고, 각 층 대기의 굴절각을 차례대로 계산하고; 광선과 지구 표면이 교차할 때 최저층 대기의 굴절각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to clause 4,
Step 3 is the following steps,
Step 31: Emit a beam of light from the satellite sensor location to determine altitude. up to 0.5 satellites Refraction occurs when a point is reached at a distance of Assuming that, the unit vector of the incident ray is,
ego;
The equation of the straight line corresponding to the incident ray is:
ego;
From here, , , indicates satellite altitude;
Step 32: When constructing a centrifuge centered on the Earth, The equation of a circle with radius is,
ego;
From here, ego, denotes the altitude interval in the stratification of the adjacent atmosphere, denotes the Earth's radius;
Simultaneous equations:
obtain;
Step 33: Calculate the angle of refraction of the incident ray, where the command vector is , and the unit vector is ego, and vector The chelicerae of In case, is established, and in this case,
and;
Step 34: Calculate the refraction angle of the incident ray of the next layer, based on the law of refraction,
is established;
ego;
From here, class represents the atmospheric refractive index of the first layer and the atmospheric refractive index of the second layer, respectively;
Step 35: Calculate the angle of refraction of the next layer of atmosphere, Repeat the above steps using as the angle of incidence for the next layer, and calculate the refraction angle of the atmosphere at each layer in turn; A method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region, comprising calculating the refraction angle of the lowest layer of the atmosphere when a light ray intersects the Earth's surface.
제5항에 있어서,
상기 단계 4에서, 최저층 대기 굴절각에 근거해 지상 대기 굴절 오차를 산출하는 것은 상세하게 이하의 단계,
가 광선이 지면에 도달하는 실제 위치라고 가정할 경우, 는 대기 굴절의 영향을 받지 않고 광선이 직선 경로를 따라 지면과 교차하는 위치이고; 대기 굴절이 지면에서 발생하는 오차는 이고, 지구는 반경이 인 원형 구에 가깝고, 이차원 직각 좌표계를 구축하고, 지구 구심에서부터 위성까지가 y축이고, 천정(zenith) 방향이 정방향이고, y축과 수직되는 방향이 x축이고, 동쪽 방향이 정방향이고, N이 위성의 직하점일 경우, 에 대응되는 원심각은 이고, 에 대응되는 원심각이 일 경우, 대기 굴절 오차 크기는,
인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to clause 5,
In step 4 above, calculating the ground atmospheric refraction error based on the lowest layer atmospheric refraction angle is detailed in the following steps,
Assuming that this is the actual location where the ray reaches the ground, is the position at which the light ray intersects the ground along a straight path, unaffected by atmospheric refraction; The error caused by atmospheric refraction at the ground is And the Earth has a radius of It is close to a circular sphere and constructs a two-dimensional rectangular coordinate system. The y-axis is from the Earth's centripetal to the satellite, the zenith direction is the positive direction, the direction perpendicular to the y-axis is the x-axis, the east direction is the positive direction, and N is the satellite. If it is a point directly under , The centrifugal angle corresponding to is ego, The centrifugal angle corresponding to In this case, the atmospheric refraction error size is,
A method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region, comprising the step of:
제6항에 있어서,
상기 단계 5에서, 영상의 P 지점이 지구중심 지구고정 좌표계(earth-centered,earth-fixed,ECEF)에 위치하고 좌표계 중의 좌표가(x,y,z)이라고 가정할 경우, 위성 방위각은 이고, 지상 대기 굴절 오차에 근거해 위성 영상의 위치 고정을 수정하는 계산공식은,
인 것을 특징으로 하는 티베트고원 지역에서 광학적 원격 탐지 위성 영상의 대기 굴절 위치 고정 오차 수정방법.
According to clause 6,
In step 5 above, assuming that point P of the image is located in an earth-centered, earth-fixed coordinate system (ECEF) and that the coordinates in the coordinate system are (x, y, z), the satellite azimuth is And the calculation formula to correct the position fixation of the satellite image based on the ground atmosphere refraction error is,
A method for correcting atmospheric refraction position fixation error of optical remote sensing satellite images in the Tibetan Plateau region, characterized in that:
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