●序
前言
第1章緒論1
1.1“智能地球觀測衛星繫統”提出的背景1
1.1.1地球觀測衛星發展的規律1
1.1.2第五代地球觀測衛星是什麼？3
1.2“智能地球觀測衛星繫統”框架4
1.2.1設計原則4
1.2.2“智能地球觀測衛星繫統”架構6
1.2.3“智能地球觀測衛星繫統”運行模式7
1.2.4最終用戶操作7
1.2.5智能地面控制站9
1.3“智能地球觀測衛星繫統”的特性9
1.4“智能地球觀測衛星繫統”的關鍵技術9
1.4.1智能傳感器、探測器10
1.4.2高速傳輸率和高速網絡通信10
1.4.3星上數據的處理能力11
1.5國內外典型“智能地球觀測衛星繫統”11
1.5.1海軍地球地圖觀察者11
1.5.2星上自主項目(project for on-board autonomy，PROBA)12
1.5.3雙波段紅外探測衛星(bi-spectral infrared detection，BIRD)13
1.5.4太空立方2.0（SpaceCube 2.0）13
1.5.5首顆太空網智能衛星（First Smart Satellite for Space Mesh）14
1.5.6-Sat繫統15
1.5.7星上數據繫統框架15
1.5.8對地觀測腦(earth observation brain，EOB)16
1.6本章小結19
參考文獻19
第2章星上遙感數據處理22
2.1引言22
2.2“智能地球觀測衛星繫統”與星上遙感數據處理24
2.3星上數據處理的主要內容25
2.3.1星上數據管理與傳輸繫統25
2.3.2星上衛星平臺/傳感器控制25
2.3.3星上星務及資源管理26
2.3.4星上成像參數智能優化26
2.4星上遙感數據處理挑戰27
2.5基於FPGA的星上遙感數據並行處理28
2.5.1基於FPGA的星上遙感數據處理算法設計29
2.5.2基於FPGA的星上遙感數據並行算法優化30
2.5.3運算層分析31
2.5.4基於FPGA的星上遙感數據處理算法優化31
2.6本章小結33
參考文獻34
第3章星上影像特征點檢測與匹配37
3.1引言37
3.2特征點檢測SURF算法38
3.2.1傳統的SURF算法38
3.2.2基於FPGA的SURF算法40
3.3特征點匹配方法42
3.3.1BRIEF描述子43
3.3.2漢明距離匹配43
3.3.3誤匹配剔除44
3.4亞像素定位47
3.5星上影像特征點檢測與匹配FPGA硬件實現47
3.5.1DDR3讀寫48
3.5.2SURF檢測子49
3.5.3漢明距離匹配50
3.5.4誤匹配剔除52
3.5.5亞像素定位53
3.6實驗驗證和FPGA性能分析54
3.6.1遙感圖像數據54
3.6.2影像特征點匹配55
3.6.3匹配精度分析57
3.6.4亞像素定位結果60
3.6.5FPGA處理速度和硬件資源消耗情況60
3.7本章小結61
參考文獻62
第4章星上地面控制點識別64
4.1引言64
4.2地面特征控制點檢測優化算法68
4.2.1特征檢測器和描述子算法68
4.2.2SURF檢測器的優化71
4.3地面控制點星上檢測FPGA實現75
4.3.1地面控制點星上檢測FPGA實現框架75
4.3.2積分圖像生成模塊(IIG)76
4.3.3SURF 檢測器設計76
4.3.4非優選值抑制實現78
4.3.5BRIEF描述子的實現78
4.3.6BRIEF匹配實現79
4.4實驗仿真結果80
4.4.1硬件環境和數據集傳感器80
4.4.2控制點點檢匹配81
4.4.3FPGA的性能分析82
4.5本章小結84
參考文獻85
第5章星上衛星相對、絕對姿態解算90
5.1引言90
5.2衛星相對姿態和絕對姿態解算基礎92
5.2.1P-H法92
5.2.2像方坐標繫94
5.2.3物方坐標繫95
5.3衛星相對姿態P-H法星上解算模型95
5.3.1誤差方程的優化95
5.3.2LU分解-分塊算法的矩陣求逆97
5.3.3相對姿態解算流程99
5.3.4時間復雜度分析100
5.3.5數值仿真100
5.4衛星絕對姿態P-H法星上解算模型103
5.4.1誤差方程的優化過程103
5.4.2LU分解-分塊算法的6×6矩陣求逆105
5.4.3絕對姿態解算流程106
5.4.4時間復雜度分析106
5.4.5數值仿真106
5.5衛星相對姿態星上解算的FPGA實現107
5.5.1衛星相對姿態解算FPGA硬件實現整體架構107
5.5.2衛星相對姿態P-H法解算模塊107
5.5.3Modelsim仿真114
5.6衛星相對姿態星上解算的FPGA實現119
5.6.1衛星絕對姿態解算FPGA硬件實現整體架構119
5.6.2衛星絕對姿態P-H法解算模塊119
5.6.3衛星絕對姿態P-H法解算模塊126
5.7實驗驗證130
5.7.1相對姿態P-H法解算驗證131
5.7.2P-H法絕對姿態解算驗證132
5.8本章小結133
參考文獻133
第6章星上影像幾何定標 136
6.1引言136
6.2影像幾何定標數學模型137
6.3FPGA軟硬件平臺及設計開發139
6.3.1FPGA介紹139
6.3.2基於ISE軟件的FPGA設計開發方法142
6.3.3基於System Generator的FPGA開發方法143
6.4星上影像幾何定標FPGA實現144
6.4.1數據輸入模塊的實現145
6.4.2參數計算模塊的實現146
6.4.3矩陣相乘並行計算的實現149
6.4.4矩陣求逆的硬件實現152
6.5仿真與驗證159
6.5.1實驗數據159
6.5.2一次計算的仿真驗證與硬件資源使用分析161
6.5.3迭代計算繫統的實現與驗證164
6.6本章小結167
參考文獻168
第7章星上線陣推掃衛星影像幾何定標170
7.1引言170
7.2線陣推掃衛星影像星上幾何定標模型173
7.2.1線陣推掃衛星CCD傳感器成像幾何模型173
7.2.2線陣推掃衛星影像星上幾何定標模型174
7.3線陣推掃衛星影像星上幾何定標的FPGA實現180
7.3.1星上幾何定標硬件實現的整體硬件實現結構180
7.3.2外方位參數初始值的硬件實現181
7.3.3姿態參數轉換的硬件實現182
7.3.4外方位參數插值的硬件實現185
7.3.5星上定標並行計算的硬件實現185
7.4星上定標實驗結果與硬件資源分析199
7.4.1實驗數據199
7.4.2仿真與結果分析201
7.5本章小結206
參考文獻206
第8章星上影像地理配準210
8.1引言210
8.2二次多項式地理配準優化模型211
8.2.1傳統的二次多項式模型211
8.2.2優化的二階多項式模型212
8.2.3地理配準坐標轉換212
8.2.4雙線性插值重采樣213
8.3星上影像二次多項式地理配準FPGA實現214
8.3.1星上地理配準的FPGA結構214
8.3.2二階多項式誤差方程式FPGA實現215
8.3.3ATA逆的LU分解FPGA的實現216
8.3.4二次方程式解算的FPGA實現223
8.3.5坐標變換和雙線性插值的FPGA實現224
8.4實驗驗證與FPGA性能分析226
8.4.1軟件和硬件環境226
8.4.2實驗與驗證226
8.4.3處理性能227
8.5本章小結231
參考文獻231
第9章星上無控制點影像定位234
9.1引言234
9.2無控制點星上定位數學模型234
9.2.1線陣推掃式衛星的成像幾何234
9.2.2星歷數據插值234
9.2.3基於SLERP的衛星姿態插值236
9.2.4幾何視線模型——VGM模型237
9.3星上影像實時無控影像定位FPGA實現241
9.3.1衛星姿態數據的FPGA硬件實現241
9.3.2星歷數據的拉格朗日插值算法的FPGA硬件實現243
9.4基於VGM模型的無控定位算法的FPGA硬件實現251
9.4.1基於VGM模型的無控定位的FPGA硬件架構251
9.4.2CTRL_VGM模塊252
9.4.3VVCM模塊254
9.4.4VVLocalSys模塊254
9.4.5VVOrbitSys模塊256
9.4.6Fixed2Float模塊258
9.4.7VVTerrestrialSys模塊258
9.4.8RAM_VV模塊261
9.4.9ITERATION模塊262
9.4.10CtrlIter模塊263
9.4.11SolveEquation模塊264
9.4.12XYZ2LonLat模塊267
9.5本章小結273
參考文獻273
第10章星上無控制點RFM解算275
10.1引言275
10.2衛星遙感影像RFM模型276
10.2.1衛星遙感影像RFM模型277
10.2.2RFM模型繫數求解方案278
10.3RFM模型參數求解算法279
10.3.1最小二乘求解RFM模型參數算法279
10.3.2遞推最小二乘求解RFM模型參數算法282
10.3.3像方空間坐標補償方案284
10.4RFM參數遞推最小二乘求解的FPGA硬件實現285
10.4.1FPGA硬件架構285
10.4.2NORMALIZE模塊285
10.4.3CTRLNOR模塊286
10.4.4CALNOR模塊287
10.4.5快速的矩陣乘法並行結構的硬件設計289
10.4.6TEMP1模塊的矩陣乘法並行結構291
10.4.7TEMP2模塊的矩陣乘法並行結構291
10.4.8TEMP模塊的矩陣乘法並行結構291
10.4.9UPDATE_W模塊的矩陣乘法並行結構292
10.4.10UPDATE_S模塊的矩陣乘法並行結構293
10.5本章小結294
參考文獻294
第11章星上影像正射糾正298
11.1引言298
11.2GA算法概述299
11.2.1RFM模型繫數優選300
11.2.2編碼方案301
11.2.3適應度函數301
11.2.4基於GA-RFM模型的間接正射糾正302
11.3基於FPGA的GA-RFM正射影像糾正硬件實現304
11.3.1基於FPGA的GA-RFM影像正射糾正的硬件架構304
11.3.2GARFM模塊304
11.3.3GA_NORCOD模塊305
11.3.4SELECT模塊308
11.3.5ISSTOP模塊311
11.3.6CTRLCOMU模塊312
11.3.7GETCORD模塊315
11.3.8GetLonLat模塊315
11.3.9InterpolateHei模塊317
11.3.10ORTHOM模塊317
11.3.11GetTerm模塊319
11.3.12DetermineCoeff模塊320
11.3.13CoeffMTermPE模塊320
11.3.14GetRowClm模塊321
11.3.15InterpolateGrey模塊322
11.4仿真實驗323
11.5本章小結327
參考文獻328
第12章星上雲檢測330
12.1引言330
12.2最小交叉熵和SVM聯合的雲檢測算法330
12.2.1支持向量機雲檢測330
12.2.2最小交叉熵的雲檢測算法333
12.2.3最小交叉熵和SVM聯合的雲檢測算法334
12.3基於DSP的星上雲檢測335
12.3.1基於DM642核心芯片的DSP開發板336
12.3.2核心芯片TMS320DM642336
12.3.3FPGA控制電路338
12.3.4DSP軟件開發平臺339
12.3.5檢測算法的DSP移植340
12.3.6聯合最小交叉熵和SVM的雲檢測DSP實現343
12.4本章小結351
參考文獻351
第13章星上艦船檢測352
13.1引言352
13.2基於視覺顯著性和多特征綜合的艦船檢測方法352
13.2.1艦船檢測的整體流程353
13.2.2基於視覺顯著性的艦船目標候選區域提取方法353
13.2.3多特征綜合的目標判別361
13.3基於FPGA的光學遙感圖像艦船檢測的設計與實現363
13.3.1軟硬件平臺介紹364
13.3.2光學遙感圖像艦船檢測的硬件總體設計364
13.3.3遙感圖像預處理模塊的硬件架構設計與仿真366
13.3.4目標候選區域提取模塊的硬件架構設計和仿真367
13.3.5特征提取與目標判別模塊的硬件架構設計與仿真370
13.3.6實驗與分析377
13.4本章小結381
參考文獻381
第14章星上洪水變化檢測383
14.1引言383
14.2基於小波分析SAR影像洪水檢測方法384
14.2.1小波多尺度分析385
14.2.2對數比值差異圖構造386
14.2.3SWT差異圖構造386
14.2.4邊緣區域合理尺度融合388
14.2.5自動閾值分割389
14.3基於似然比與對數比值融合的SAR影像洪水檢測391
14.3.1似然比方法變化檢測391
14.3.2LLI-CDM結果同質異質區域提取392
14.3.3差異圖融合策略393
14.3.4自動閾值分割394
14.4基於小波多分析洪水變化星上檢測FPGA實現395
14.4.1FPGA硬件架構395
14.4.2子模塊396
14.4.3仿真結果399
14.4.4性能分析401
14.5基於對數比與似然比值融合的星上洪水檢測FPGA實現402
14.5.1FPGA硬件架構403
14.5.2子模塊403
14.5.3仿真結果405
14.6本章小結407
參考文獻407
後記409

本書共分14章，第1~2章介紹星上數據處理的基本知識；第3~11章詳細介紹了星上遙感數據處理的理論、數學模型、需要解決的關鍵技術和基於FPGA星上數據處理的實現方法，並用實例驗證了這些理論和方法，包括星上影像特征點檢測與匹配、星上地面控制點識別、星上衛星相對和絕對姿態解算、星上幾何校正、星上幾何定標、星上影像地理配準、星上無控制點影像定位、無控制點星上正射糾正等；第12~14章介紹星上遙感處理應用，包括星上雲檢測、星上艦船檢測、星上洪水變化檢測。本書可作為航空航天、計算機科學與技術、電子信息、遙感科學與技術、攝影測量等專業，以及環境、大氣、海洋、地理、災害等遙感應用專業教師和科研工作者的擦考書籍，也可以作為各類高等院校相關專業研究生、本科生的教材。