全球新一代地球静止轨道（GEO）气象卫星凭借高频次观测优势，在陆地生态系统动态监测、灾害快速响应及碳循环研究等方面展现出重要的应用潜力。然而，定量遥感反演对数据的几何定位精度提出了严格要求。受卫星姿态变化、轨道漂移及地形起伏等多因素影响，静止卫星原始影像往往存在几何偏差，尤其在内陆高海拔区域，由观测角度引起的视差效应更为显著。当前，面向海量静止卫星数据、兼顾地形校正的高效全自动几何处理方法仍较为欠缺。
近日，兰州大学西部环境教育部重点实验室马轩龙教授团队在静止卫星数据预处理研究中取得新进展。团队面向我国第二代静止轨道气象卫星首颗业务星FY-4B搭载的先进静止轨道辐射成像仪（AGRI）数据，发展了一套基于FFT-POC（快速傅里叶变换相位相关）和Ray-tracing光线追踪正射校正的全自动、全波段几何校正流程，并利用2023年全年FY4B/AGRI数据，系统评估了原始影像的几何误差特征，验证了该方法在消除系统性定位偏差与地形视差方面的有效性。
该研究发现，FY-4B原始影像存在显著的几何不稳定性，主要表现为东西方向的系统性偏移：受日间热变形和轨道控制影响，东西方向偏差（COFF）常在±5至±10像素间波动（极端情况达±15像素），而南北方向偏差（LOFF）相对稳定。针对这一特征，研究提出的工作流首先通过FFT-POC步骤有效修正了系统性误差，随后的正射校正进一步改善了高海拔地区超过3个像素的地形视差畸变，将整体几何定位精度提升至亚像素级。
该算法计算高效，单景全波段处理仅需约9分钟，具备全自动、业务化运行能力。几何校正后的FY4B/AGRI数据具备高精度的地理定位能力，可为国产静止气象卫星数据在植被动态监测、地表能量平衡估算及灾害应急响应等高时效定量遥感应用提供可靠的高精度几何基准。
相关成果发表于遥感领域国际期刊《Science of Remote Sensing》。实验室研究生邓振铎为论文第一作者，马轩龙教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（42311540014，42171305）、JSPS Core-to-Core项目（JPJSCCA20220008）、中日双边合作项目（JPJSBP 120237404）、风云卫星应用先行计划（FY-APP-2024.0302）及甘肃省自然科学基金重点项目（25JRRA646）的资助。
图 1 由新一代地球静止轨道卫星组成的环绕全球的地球静止轨道环（GEO-ring）。每个彩色圆环代表一颗地球静止轨道卫星的观测覆盖范围，并标明了卫星的运行位置。
图 2 FY4B/AGRI全圆盘假彩色合成影像（2023.04.01 04:00 UTC）与GSHHG（f）海岸线叠加图。
图 3 两阶段几何校正工作流程图。该流程图主要展示了FFT-POC算法（阶段1），并概述了其与后续正射校正步骤（阶段2）的集成。
图 4 采用光线追踪间接法进行正射校正的过程示意图。该算法通过追踪从卫星到地面目标（A、B、C、D）的视线矢量，并确定原始图像平面（a、b、c、d）上的正确采样位置，来校正由地形高程引起的视差位移。
图 5 评估了NSMC数据（未校正）和LZU数据（使用FFT-POC校正）在几何精度方面的改进情况，选取了分布在FY4B/AGRI全圆盘不同位置的六个感兴趣区域（ROI）。第一列显示了每个ROI在全圆盘上的地理位置，用红色实心区域标示。第二列和第三列分别显示了NSMC（未校正）和LZU（校正）FY4B/AGRI红波段图像的TOA反射率，红色实线代表L1全分辨率GSHHG海岸线。第四列显示了每个ROI内COFF和LOFF值沿行数的变化曲线。
图 6 对比高海拔内陆地区正射校正前后的几何精度。红线代表GSHHG参考矢量。图中重点展示了青藏高原（a）青海湖和（b）哈拉湖，以及蒙古高原（c）哈尔乌斯湖和（d）呼伦湖视差畸变校正的成功案例。
图 7几何校正偏移量在多波段数据的应用效果。展示了基于红波段计算的参数应用于FY4B/AGRI数据的其他低分辨率波段（1公里：蓝光波段1，近红外波段3；2公里：短波红外波段5；4公里：长波红外波段13）。
图 8 FY4B/AGRI全圆盘地形视差引起的像素位移（以像素为单位）的空间分布。颜色标度表示正射校正过程中影像的位移量级。
图 9 NSMC FY4B/AGRI数据几何误差的空间分布模式。图中分别展示了2023年1月1日、4月1日、7月1日和10月1日 04:00 UTC（中国标准时间，12:00 CST）未经校正的FY4B/AGRI红波段大气层顶反射率全圆盘图像的偏移分布。
图 10 图示为2023年1月至12月期间，基于FY4B/AGRI全圆盘计算得到的COFF和LOFF最大值、平均值和最小值的时间序列和直方图。上图显示了COFF（左）和LOFF（右）的时间序列，其中垂直的绿色虚线表示主要的南北轨道控制事件。下图显示了这些每日偏移值的相应频率分布。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.srs.2025.100348
