面向單幅衛(wèi)星影像的自獲取三角元高度計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種面向單幅衛(wèi)星影像的自獲取三角元高度計(jì)算方法，利用單幅衛(wèi)星影像中存在的方向信息以及太陽(yáng)方位角與太陽(yáng)高度角之間的關(guān)系，計(jì)算出太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角和衛(wèi)星方位角三個(gè)角度參數(shù)，然后將衛(wèi)星高度角以建筑物高度和建筑物投影長(zhǎng)度進(jìn)行等效表示，最終求解出不含衛(wèi)星高度角的三角元高度。針對(duì)單幅衛(wèi)星影像中的建筑物高度求取問題效果良好。
【專利說(shuō)明】面向單幅衛(wèi)星影像的自獲取三角元高度計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用單幅衛(wèi)星影像信息計(jì)算物體高度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來(lái)各種高分辨率衛(wèi)星影像相繼出現(xiàn)，為人們利用遙感影像獲取建筑物高度提供了可能性。建筑物高度獲取在城市規(guī)劃、城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以及軍事領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，在利用衛(wèi)星影像實(shí)現(xiàn)真實(shí)城市環(huán)境的三維虛擬重建中，建筑物高度獲取是為建筑物三維建模提供建模數(shù)據(jù)的必要途徑，決定著三維模型的建模精度，對(duì)整個(gè)三維虛擬重建環(huán)境的真實(shí)程度產(chǎn)生直接影響。目前，利用衛(wèi)星影像獲取建筑物高度信息的方法主要有兩個(gè)研究方向:(1)利用立體像對(duì)進(jìn)行立體量測(cè)；(2)從單幅遙感影像入手，利用陰影計(jì)算建筑物高度。由于利用立體像對(duì)獲取高度對(duì)兩幅遙感影像有著嚴(yán)格的要求，因此在很難在實(shí)際中得到應(yīng)用。而利用陰影從單幅遙感影像中獲取高度，則因其方便、經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單受到了廣大研究者的關(guān)注。早期的研究簡(jiǎn)化了三維空間關(guān)系，假設(shè)太陽(yáng)、衛(wèi)星和建筑物位于同一平面，提出衛(wèi)星成像的二維空間模型，對(duì)衛(wèi)星影像中的建筑物高度進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮太陽(yáng)方位角和衛(wèi)星方位角對(duì)陰影的影響。后續(xù)研究擴(kuò)展到三維空間成像模型，進(jìn)行了多方面的改進(jìn):一種是假設(shè)遙感影像采樣方向?yàn)闁|西、南北方向，即像元的排列是東西、南北方向的，這種情況下沒有考慮衛(wèi)星方位角對(duì)陰影測(cè)量的影響；一種是根據(jù)太陽(yáng)、衛(wèi)星與建筑物的相對(duì)位置分情況討論建筑物高度計(jì)算模型的方法，這種方法假設(shè)“太陽(yáng)、衛(wèi)星對(duì)屋頂同一點(diǎn)在地面上投影點(diǎn)的連線垂直于建筑物主軸方向(即:建筑物的長(zhǎng)邊)”，但是多數(shù)衛(wèi)星影像中的圖像特征并不滿足這一特定情況；另外還有利用垂直于建筑物主軸方向的陰影長(zhǎng)度計(jì)算建筑物高度的算法，這種算法需要單獨(dú)量測(cè)垂直于建筑物主軸方向的陰影長(zhǎng)度和建筑物的方位角，增加了計(jì)算的工作量。另一種思路是利用建筑物高度H與陰影長(zhǎng)度L之間的線性關(guān)系H=K*L，通過已知建筑物的高度和對(duì)應(yīng)陰影長(zhǎng)度，反推出K值，進(jìn)而計(jì)算其他建筑物高度，這種方法需要預(yù)先知道影像中某一建筑物的實(shí)際高度，這一約束條件在實(shí)際應(yīng)用中往往難以達(dá)到。
[0003]以上利用陰影計(jì)算建筑物高度的方法中，除方法“H=K*L”外，從原理上講，太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星方位角和衛(wèi)星高度角四個(gè)參數(shù)對(duì)高度的求解結(jié)果都有影響，建筑物高度計(jì)算有解的前提建立在已經(jīng)提供所有四個(gè)角度參數(shù)的情況下(一些算法簡(jiǎn)化地不考慮某些參數(shù)的影響，會(huì)增大計(jì)算誤差)。這里稱這類方法為“陰影基四角元高度計(jì)算法”，其中“四角元”指太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星方位角和衛(wèi)星高度角這四個(gè)角度參數(shù)。但實(shí)際中，這四個(gè)角度參數(shù)的數(shù)據(jù)由衛(wèi)星發(fā)射方存放入遙感影像的元數(shù)據(jù)中，對(duì)普通研究者來(lái)說(shuō)很難獲取到，這一矛盾嚴(yán)重限制了基于陰影計(jì)算建筑物高度的方法的應(yīng)用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自獲取三角元高度計(jì)算法，基于攝影測(cè)量理論，首先充分利用單幅衛(wèi)星影像中存在的方向信息，以及太陽(yáng)方位角與太陽(yáng)高度角之間的關(guān)系，并輔以星空模擬軟件Stellarium計(jì)算出太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角和衛(wèi)星方位角三個(gè)角度參數(shù)。因這三個(gè)角度參數(shù)由該方法自行推導(dǎo)獲得，故稱之為“自獲取三角元”。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)衛(wèi)星高度角仍無(wú)法得到的問題，將衛(wèi)星高度角以建筑物高度和建筑物投影長(zhǎng)度進(jìn)行等效表示，進(jìn)一步推導(dǎo)，最終求解出不含衛(wèi)星高度角的三角元高度。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0006]步驟一、從衛(wèi)星影像中測(cè)量計(jì)算參數(shù):
[0007](I)衛(wèi)星方位角α:測(cè)量衛(wèi)星影像中建筑物側(cè)棱I在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為衛(wèi)星方位角；以正北方向?yàn)槠鹗嘉恢?，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正角；
[0008](2)太陽(yáng)方位角α’:測(cè)量衛(wèi)星影像中建筑物側(cè)棱陰影在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為太陽(yáng)方位角；
[0009](3)建筑物側(cè)棱投影長(zhǎng)度Lpb:在像平面上，根據(jù)衛(wèi)星影像中的比例尺獲得建筑物側(cè)棱I在像平面上的投影線段長(zhǎng)度；
[0010](4)側(cè)棱頂點(diǎn)P及其陰影點(diǎn)的像點(diǎn)間距離Lps:在像平面上，根據(jù)衛(wèi)星影像中的比例尺獲得建筑物側(cè)棱I的頂點(diǎn)P在像平面上的投影點(diǎn)P與頂點(diǎn)P的陰影點(diǎn)在像平面上的投影點(diǎn)s之間的距離；
[0011]步驟二、計(jì)算建筑物當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角；
[0012]步驟三、三角元高度計(jì)算關(guān)系式的推導(dǎo):
[0013]將公式tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【權(quán)利要求】
1.一種面向單幅衛(wèi)星影像的自獲取三角元高度計(jì)算方法，其特征在于包括下述步驟: 步驟一、從衛(wèi)星影像中測(cè)量計(jì)算參數(shù): (1)衛(wèi)星方位角α:測(cè)量衛(wèi)星影像中建筑物側(cè)棱I在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為衛(wèi)星方位角；以正北方向?yàn)槠鹗嘉恢茫槙r(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正角； (2)太陽(yáng)方位角α’:測(cè)量衛(wèi)星影像中建筑物側(cè)棱陰影在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為太陽(yáng)方位角； (3)建筑物側(cè)棱投影長(zhǎng)度Lpb:在像平面上，根據(jù)衛(wèi)星影像中的比例尺獲得建筑物側(cè)棱I在像平面上的投影線段長(zhǎng)度； (4)側(cè)棱頂點(diǎn)P及其陰影點(diǎn)的像點(diǎn)間距離Lps:在像平面上，根據(jù)衛(wèi)星影像中的比例尺獲得建筑物側(cè)棱I的頂點(diǎn)P在像平面上的投影點(diǎn)P與頂點(diǎn)P的陰影點(diǎn)在像平面上的投影點(diǎn)s之間的距離； 步驟二、計(jì)算建筑物當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角； 步驟三、三角元高度計(jì)算關(guān)系式的推導(dǎo): 將公式 tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【文檔編號(hào)】G01C5/00GK103791885SQ201410053348
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】齊敏, 家建奎, 李珂, 樊養(yǎng)余, 齊榕, 趙子巖 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)