星上遥感数据处理理论与方法

　　《星上遥感数据处理理论与方法》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。

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目录
序
前言
第1章绪论1
1.1“智能地球观测卫星系统”提出的背景1
1.1.1地球观测卫星发展的规律1
1.1.2第五代地球观测卫星是什么？3
1.2“智能地球观测卫星系统”框架4
1.2.1设计原则4
1.2.2“智能地球观测卫星系统”架构6
1.2.3“智能地球观测卫星系统”运行模式7
1.2.4最终用户操作7
1.2.5智能地面控制站9
1.3“智能地球观测卫星系统”的特性9
1.4“智能地球观测卫星系统”的关键技术9
1.4.1智能传感器、探测器10
1.4.2高速传输率和高速网络通信10
1.4.3星上数据的处理能力11
1.5国内外典型“智能地球观测卫星系统”11
1.5.1海军地球地图观察者11
1.5.2星上自主项目(project for on-board autonomy，PROBA)12
1.5.3双波段红外探测卫星(bi-spectral infrared detection，BIRD)13
1.5.4太空立方2.0（SpaceCube 2.0）13
1.5.5首颗太空网智能卫星（First Smart Satellite for Space Mesh）14
1.5.6-Sat系统15
1.5.7星上数据系统框架15
1.5.8对地观测脑(earth observation brain，EOB)16
1.6本章小结19
参考文献19
第2章星上遥感数据处理22
2.1引言22
2.2“智能地球观测卫星系统”与星上遥感数据处理24
2.3星上数据处理的主要内容25
2.3.1星上数据管理与传输系统25
2.3.2星上卫星平台/传感器控制25
2.3.3星上星务及资源管理26
2.3.4星上成像参数智能优化26
2.4星上遥感数据处理挑战27
2.5基于FPGA的星上遥感数据并行处理28
2.5.1基于FPGA的星上遥感数据处理算法设计29
2.5.2基于FPGA的星上遥感数据并行算法优化30
2.5.3运算层分析31
2.5.4基于FPGA的星上遥感数据处理算法优化31
2.6本章小结33
参考文献34
第3章星上影像特征点检测与匹配37
3.1引言37
3.2特征点检测SURF算法38
3.2.1传统的SURF算法38
3.2.2基于FPGA的SURF算法40
3.3特征点匹配方法42
3.3.1BRIEF描述子43
3.3.2汉明距离匹配43
3.3.3误匹配剔除44
3.4亚像素定位47
3.5星上影像特征点检测与匹配FPGA硬件实现47
3.5.1DDR3读写48
3.5.2SURF检测子49
3.5.3汉明距离匹配50
3.5.4误匹配剔除52
3.5.5亚像素定位53
3.6实验验证和FPGA性能分析54
3.6.1遥感图像数据54
3.6.2影像特征点匹配55
3.6.3匹配精度分析57
3.6.4亚像素定位结果60
3.6.5FPGA处理速度和硬件资源消耗情况60
3.7本章小结61
参考文献62
第4章星上地面控制点识别64
4.1引言64
4.2地面特征控制点检测优化算法68
4.2.1特征检测器和描述子算法68
4.2.2SURF检测器的优化71
4.3地面控制点星上检测FPGA实现75
4.3.1地面控制点星上检测FPGA实现框架75
4.3.2积分图像生成模块(IIG)76
4.3.3SURF 检测器设计76
4.3.4非最大值抑制实现78
4.3.5BRIEF描述子的实现78
4.3.6BRIEF匹配实现79
4.4实验仿真结果80
4.4.1硬件环境和数据集传感器80
4.4.2控制点点检匹配81
4.4.3FPGA的性能分析82
4.5本章小结84
参考文献85
第5章星上卫星相对、绝对姿态解算90
5.1引言90
5.2卫星相对姿态和绝对姿态解算基础92
5.2.1P-H法92
5.2.2像方坐标系94
5.2.3物方坐标系95
5.3卫星相对姿态P-H法星上解算模型95
5.3.1误差方程的优化95
5.3.2LU分解-分块算法的矩阵求逆97
5.3.3相对姿态解算流程99
5.3.4时间复杂度分析100
5.3.5数值仿真100
5.4卫星绝对姿态P-H法星上解算模型103
5.4.1误差方程的优化过程103
5.4.2LU分解-分块算法的6×6矩阵求逆105
5.4.3绝对姿态解算流程106
5.4.4时间复杂度分析106
5.4.5数值仿真106
5.5卫星相对姿态星上解算的FPGA实现107
5.5.1卫星相对姿态解算FPGA硬件实现整体架构107
5.5.2卫星相对姿态P-H法解算模块107
5.5.3Modelsim仿真114
5.6卫星相对姿态星上解算的FPGA实现119
5.6.1卫星绝对姿态解算FPGA硬件实现整体架构119
5.6.2卫星绝对姿态P-H法解算模块119
5.6.3卫星绝对姿态P-H法解算模块126
5.7实验验证130
5.7.1相对姿态P-H法解算验证131
5.7.2P-H法绝对姿态解算验证132
5.8本章小结133
参考文献133
第6章星上影像几何定标 136
6.1引言136
6.2影像几何定标数学模型137
6.3FPGA软硬件平台及设计开发139
6.3.1FPGA介绍139
6.3.2基于ISE软件的FPGA设计开发方法142
6.3.3基于System Generator的FPGA开发方法143
6.4星上影像几何定标FPGA实现144
6.4.1数据输入模块的实现145
6.4.2参数计算模块的实现146
6.4.3矩阵相乘并行计算的实现149
6.4.4矩阵求逆的硬件实现152
6.5仿真与验证159
6.5.1实验数据159
6.5.2一次计算的仿真验证与硬件资源使用分析161
6.5.3迭代计算系统的实现与验证164
6.6本章小结167
参考文献168
第7章星上线阵推扫卫星影像几何定标170
7.1引言170
7.2线阵推扫卫星影像星上几何定标模型173
7.2.1线阵推扫卫星CCD传感器成像几何模型173
7.2.2线阵推扫卫星影像星上几何定标模型174
7.3线阵推扫卫星影像星上几何定标的FPGA实现180
7.3.1星上几何定标硬件实现的整体硬件实现结构180
7.3.2外方位参数初始值的硬件实现181
7.3.3姿态参数转换的硬件实现182
7.3.4外方位参数插值的硬件实现185
7.3.5星上定标并行计算的硬件实现185
7.4星上定标实验结果与硬件资源分析199
7.4.1实验数据199
7.4.2仿真与结果分析201
7.5本章小结206
参考文献206
第8章星上影像地理配准210
8.1引言210
8.2二次多项式地理配准优化模型211
8.2.1传统的二次多项式模型211
8.2.2优化的二阶多项式模型212
8.2.3地理配准坐标转换212
8.2.4双线性插值重采样213
8.3星上影像二次多项式地理配准FPGA实现214
8.3.1星上地理配准的FPGA结构214
8.3.2二阶多项式误差方程式FPGA实现215
8.3.3ATA逆的LU分解FPGA的实现216
8.3.4二次方程式解算的FPGA实现223
8.3.5坐标变换和双线性插值的FPGA实现224
8.4实验验证与FPGA性能分析226
8.4.1软件和硬件环境226
8.4.2实验与验证226
8.4.3处理性能227
8.5本章小结231
参考文献231
第9章星上无控制点影像定位234
9.1引言234
9.2无控制点星上定位数学模型234
9.2.1线阵推扫式卫星的成像几何234
9.2.2星历数据插值234
9.2.3基于SLERP的卫星姿态插值236
9.2.4几何视线模型——VGM模型237
9.3星上影像实时无控影像定位FPGA实现241
9.3.1卫星姿态数据的FPGA硬件实现241
9.3.2星历数据的拉格朗日插值算法的FPGA硬件实现243
9.4基于VGM模型的无控定位算法的FPGA硬件实现251
9.4.1基于VGM模型的无控定位的FPGA硬件架构251
9.4.2CTRL_VGM模块252
9.4.3VVCM模块254
9.4.4VVLocalSys模块254
9.4.5VVOrbitSys模块256
9.4.6Fixed2Float模块258
9.4.7VVTerrestrialSys模块258
9.4.8RAM_VV模块261
9.4.9ITERATION模块262
9.4.10CtrlIter模块263
9.4.11SolveEquation模块264
9.4.12XYZ2LonLat模块267
9.5本章小结273
参考文献273
第10章星上无控制点RFM解算275
10.1引言275
10.2卫星遥感影像RFM模型276
10.2.1卫星遥感影像RFM模型277
10.2.2RFM模型系数求解方案278
10.3RFM模型参数求解算法279
10.3.1最小二乘求解RFM模型参数算法279
10.3.2递推最小二乘求解RFM模型参数算法282
10.3.3像方空间坐标补偿方案284
10.4RFM参数递推最小二乘求解的FPGA硬件实现285
10.4.1FPGA硬件架构285
10.4.2NORMALIZE模块285
10.4.3CTRLNOR模块286
10.4.4CALNOR模块287
10.4.5快速的矩阵乘法并行结构的硬件设计289
10.4.6TEMP1模块的矩阵乘法并行结构291
10.4.7TEMP2模块的矩阵乘法并行结构291
10.4.8TEMP模块的矩阵乘法并行结构291
10.4.9UPDATE_W模块的矩阵乘法并行结构292
10.4.10UPDATE_S模块的矩阵乘法并行结构293
10.5本章小结294
参考文献294
第11章星上影像正射纠正298
11.1引言298
11.2GA算法概述299
11.2.1RFM模型系数优选300
11.2.2编码方案301
11.2.3适应度函数301
11.2.4基于GA-RFM模型的间接正射纠正302
11.3基于FPGA的GA-RFM正射影像纠正硬件实现304
11.3.1基于FPGA的GA-RFM影像正射纠正的硬件架构304
11.3.2GARFM模块304
11.3.3GA_NORCOD模块305
11.3.4SELECT模块