CN104764445B - 水下物点坐标确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了水下物点坐标确定方法及装置，涉及双介质摄影领域。本发明提供的水下物点坐标确定方法，其通过先使用单介质成像原理，确定了目标物点的参考坐标信息，再根据目标物点的参考坐标信息，选取了靠近目标物点的多个测点作为参考点，进而利用多个参考点建立了平面，由于参考点距离目标物点的距离足够近，因此，参考点所在的平面即可以认为是目标物点所在的平面，那么根据该平面的法向量就可以推算出拍摄影像时拍摄光线的入射角，即光线入射角，并最终利用光线入射角来计算目标物点的三维坐标，由于在计算过程中，加入了参考点所在的平面，因此，能够得到拍摄光线的真实入射角，从而保证了计算目标物点三维坐标的准确性。

Description

水下物点坐标确定方法及装置

技术领域

本发明涉及双介质摄影领域，具体而言，涉及水下物点坐标确定方法及装置。

背景技术

航空摄影(aerial photography)，又称航拍，是指在飞机或其他航空飞行器上利用航空摄影机摄取地面景物像片的技术。按像片倾斜角分类(像片倾斜角是航空摄影机主光轴与通过透镜中心的地面铅垂线(主垂线)间的夹角)，可将摄影方式分为垂直摄影和倾斜摄影。

从摄影介质的角度来看，航空摄影中主要分为两大类，一类是对地面上的景物进行拍摄的单介质摄影，另一类是对水中景物进行拍摄的双介质摄影。

双介质摄影是被摄物体与摄影机处于不同介质中的摄影测量方法。双介质摄影测量的成像光线必定穿过两个不同的介质(如空气和水)，这就使摄影测量处理时需要考虑或像光线在介质分界处的折光问题。当摄影机置于空中向水中摄影，水面就是两介质的分界面；若用摄影机在水下摄影，则摄影机物镜的主平面就是两介质的分界面。双介质摄影测量多用于测绘海底地形和研究水中物体。基于双介质摄影，可以利用被摄目标在两种不同介质中的几何关系来确定水下物点三维位置坐标。

随着遥感技术的发展，利用海水可见光遥感反射率、高光谱遥感辐射亮度进行水深测量的卫星遥感技术逐步发展成熟，但这种技术只能在水色清澈的海域进行，同时，高分辨率航空遥感影像在远离大陆的海域获取困难，在数据处理时跨海高程传递方面存在困难。在双介质摄影测量方面，相关研究仅推导出了双介质摄影测量的相对定向和绝对定向的基本公式，采用模拟数据进行实验，没有实际数据进行验证，其基本公式的可靠性也就难以确定。我国海域岛礁具有水下礁盘面积大的特点，其露出水面部分面积远小于水下礁盘面积，海礁测绘的难题就是解决礁盘水下礁盘地形测绘的技术。传统的船基水深测量，受岛礁远离大陆难以到达、敏感海区无法靠近、岛礁近岸水深较浅船舶易搁浅等因素影响，难以实施；对于通用航空激光测深技术，测量装备昂贵，受敏感海区空域限制、远离大陆海域受飞行平台续航能力限制，难以实施。

目前，美国海洋测量局于20世纪90年代就开始了近岸、海岛礁、浅滩等周边海域的航空摄影水下地形探测和水深测量工作，在当时的航空摄影技术和成像条件下，浅海水深测量深度可达到5.5m，透明水域能达到20m。

国内外水下地形测量测量技术主要包括船载RTK GPS+多波束数字测深技术、机载激光测深技术和遥感水深反演测深技术。但现有技术中针对远离大陆的岛礁水下地形测量具有一定的缺点。

1，船载RTK GPS+多波束数字测深技术

该技术通过发射一束波束，接收多个窄的波束来形成多波束测深信号，从而获知水下地形的信息。它具有测深点多、测量方式灵活、测量精度高等优点。多波束系统与双频接收机结合可提高坐标定位和水下测深的效率和精度，RTK多波束测深系统是发展较为成熟的系统，最大测深为200-12000米，测深精度一般可以达到毫米级，但是多波束数字测深仪要借助于载体船，就远海礁盘测量应用而言，远离大陆礁盘难以到达，敏感海域无法靠近，也就无法实施。

2，机载激光测深技术

以大飞机作为激光探测仪器的载体，利用蓝绿光较易穿透海水而红外光不易穿透海水的特点，通过专门的扫描装置同时对海面测高和对海底测深，结合定位和姿态控制，经数据处理与分析来测量浅水海域海底地形，机载激光测深系统对清澈海底的最大探测深度为50-70m，对浑浊水体的探测深度相对较低，测深精度可达到0.3-1m。由于机载激光测深仪只能搭载在大飞机上获取，受敏感海域及航程限制无法全部覆盖远海岛礁，此种技术同样难以获得敏感海域的基础数据。

3，遥感反演测深技术

利用多光谱或高光谱遥感影像中所反应的部分光谱信息和部分实测水深拟合出水深反演模型，根据不同测量区域实际情况将相应的参数和相应的光谱信息，提取未知区域的水深值。遥感反演测深的精度与水体的深度、清澈度有关，水体越清澈可探测的水深就越深：测深精度一般在1-3m左右，探测深度在30m以内；当水体非常清澈时可探测到40m以内，而水体较为混浊时则只有10-20m。遥感反演测深技术在大面积数据获取方面有一定的优势，但遥感反演模型需要实测水深数据的参与，并且不同地区所需参数和模型不同，加之远海大部分礁盘数据无法获得实测水深数据，因此很难开展应用。

相关技术中，已有根据水下物点的成像机理推导出水下物点三维坐标的公式(公式中包括分别计算水下物点X、Y、Z三个方向上的坐标数值)，水下物点三维坐标公式中很重要的一个参数便是入射角(入射光线与入射表面法线的夹角)，相关技术中的水下物点三维坐标公式，将海面视为一个静止的平面，而实际上，海平面是时时都有波浪翻滚的，因而相关技术中认为海平面是静止的，进而将入射角作为常数带入水下物点三维坐标公式中，所计算出的结果是不够准确的。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供水下物点坐标确定方法和装置，以提高确定目标物点三维坐标的准确度。

第一方面，本发明实施例提供了水下物点坐标确定方法，其特征在于，包括：

根据单介质成像原理，确定目标物点的参考坐标信息；

根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点；

根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角；

根据光线入射角计算目标物点的三维坐标。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点包括：

对预先划定的测区进行格网化，以确定多个子区域；

根据参考坐标信息，将目标物点所在的子区域作为目标区域；

选取目标区域上的测点作为参考点。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，在步骤根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角前还包括：

使用距离加权的方式，内插出目标区域内多个参考点的卫星测高数据；

对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个参考点的瞬时水位高程；

根据每个参考点的瞬时水位高程和经纬度坐标，确定多个参考点所在的平面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角包括：

使用如下公式计算光线入射角，其中，β为子区域的法向量，η为摄影光线向量，Angle为光线入射角。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，使用距离加权的方式，内插出目标区域内多个参考点的卫星测高数据包括：

获取目标物点所在区域的原始测高数据；

对原始测高数据进行共线轨迹处理；

将原始测高数据带入预先设定的平均海平面高度模型中，以确定每个测点的平均海平面高度；

使用内插法，根据每个测点的平均海平面高度，确定多个参考点的卫星测高数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个参考点的瞬时水位高程包括：

选取预定数量个主分潮，对卫星测高数据进行潮汐调和分析，获取每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i；

根据每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i计算每个参考点的瞬时水位高程。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括：

获取每个参考点所对应的实测水位高程值；

分别使用平均海面高程值和天文潮位与每个实测水位高程值进行修正，以确定每个参考点所对应的余水位值；

使用相应的余水位值对参考点的瞬时水位高程进行优化。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，将原始测高数据带入预先设定的平均海平面高度模型中，以确定每个测点的平均海平面高度包括：

使用如下公式计算平均海平面高度，

其中，N为参与计算的测点的数量，u为常量的加权因子，φ(rⁱ)为测点所在曲面的局部拟合曲面函数，(B,L)为待计算点的经纬度坐标值，Z为待计算点的平均海面高度值，rⁱ为卫星轨迹测高点与待计算点之间的距离。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，分别使用平均海面高程值和天文潮位与每个实测水位高程值进行修正，以确定每个参考点所对应的余水位值包括：

使用如下公式确定参考点的余水位值，

S(t)＝h(t)-MSL-T(t)，其中，S(t)为拍摄影像时的余水位值；h(t)为拍摄影像时的实测水位高程值；MSL为平均海面高程值；T(t)为拍摄影像时的天文潮位。

第二方面，本发明实施例还提供了水下物点坐标确定装置，包括：

参考坐标信息确定模块，用于根据单介质成像原理，确定目标物点的参考坐标信息；

参考点确定模块，用于根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点；

光线入射角确定模块，用于根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角；

三维坐标计算模块，用于根据光线入射角计算目标物点的三维坐标。

本发明实施例提供的水下物点坐标确定方法，采用确定改善摄影光线入射角的方式，与现有技术中的在计算水下物点坐标时，均将海面视为一个静止的平面，进而将入射角作为一个常量进行计算相比，其通过先使用单介质成像原理，确定了目标物点的的参考坐标信息，再根据目标物点的参考坐标信息，选取了靠近目标物点的多个测点作为参考点，进而利用多个参考点建立了平面，由于参考点距离目标物点的距离足够近，因此，参考点所在的平面即可以认为是目标物点所在的平面，那么根据该平面的法向量就可以推算出拍摄影像时拍摄光线的入射角，即光线入射角，并最终利用光线入射角来计算目标物点的三维坐标，由于在计算过程中，加入了参考点所在的平面，因此，能够得到拍摄光线的真实入射角，从而保证了计算目标物点三维坐标的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的双介质摄影测量构象示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的多点共面示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的基本流程图；

图4示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的细节流程图；

图5示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的测区网格化示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的水深测量误差、折射率和入射角关系示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的双介质入射角示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的水下物点坐标确定方法的基于卫星测高数据的测区分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相关技术中，已经存在测定目标物点三维坐标的公式，下面首先就相关技术中的目标物点三维坐标公式推导进行说明：

如图1(双介质摄影测量构像图)所示，图中显示有，水下地形摄影测量物点(目标物点)A(X,Y,Z)，像点a(x,y)及摄影中心S(X_S,Y_S,Z_S)。与传统摄影测量(单介质摄影)不同，双介质摄影测量的物点A、像点a、摄影中心S不共线。摄影测量坐标系的平面XOY与当地水平面平行，Z轴垂直于平面XOY，此时，可以近似的假设海面与当地水平面平行。图1中的水下点A(X,Y,Z)经过折射构象于a(x,y)(x，y是以影像上的坐标系为基准所形成的横、纵坐标值)。由折射原理知，对应像点a(x,y)在单介质下交会情况下所对应的物点为A'(X,Y,Z')，其位于真实物点A(X,Y,Z)的垂直上方，平面坐标(X,Y的数值)相等。由此可以导出如下几个理论。

1，共线条件方程:

共线，即摄影中心S、像点a、水下礁盘物点A三点共线，由图1可知，由于折射影响，三点不在一条线上，这也是双介质摄影测量与单介质摄影测量的不同之处。由单介质摄影测量，经折射改正，得双介质摄影测量的解算模型。由图1可知，Z'＝Z·tanβ·cotα(1)其中,Z'为单介质交会高程点(单介质交汇对应的物点的高程值)，Z为双介质交会高程点(双介质摄影中，水下的目标物点的高程值)，β为光线折射角，α为光线入射角。

由折射定律可知：

其中α为入射角，β为折射角；n1为第一介质(水面以上的空气)折射率，n2为第二介质(水面以下的海水)折射率。把空气的折射率看为1，n就为介质分界面之下介质的折射率。

由公式(1)、(2)联立可得：

其中，

s为该点由介质改变光线折射引起的高程改正系数，它是相对折射率n和入摄角α的函数，每个像点均对应一个s值。结合公式(3)和传统共线条件方程可得双介质共线条件方程为：

式中(X_S,Y_S,Z_S)为影像曝光点S的坐标，(a₁、a₂、a₃，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃)均为旋转矩阵中的元素，(X,Y,Z)为双介质交会点坐标，f为相机焦距，(x,y)为像点坐标，s为高程改正系数。

2，共面条件方程

摄影测量中，一张影像的几何关系只能解算出目标物点的位置信息(在与水平面平行的坐标系的横、纵坐标值)，不能确定目标物点高程信息(与XOY面垂直方向的数值)。共面，即基于两张影像中，同名像所对应的两条光线(在两张影像上拍摄目标物点的光线)所构建的面，这个面取决于两张影像的摄影中心、目标物点以及目标物点分别在两张影像上对应的像点，该面计算的目的是为了解算同名像点的投影系数。如图2所示：P₁、P₂代表左右两张影像；O₁、O₂分别代表两张影像的像主点；S₁、S₂分别代表两张影像的摄影中心；a₁、a₂分别代表两张影像的同名像点；_B代表摄影基线；W_A代表目标物点。所说的共面即左右摄影中心、左右像点及对应的目标物点组成的面，即五点共面，其关系式为B·(S₁W_A×S₂W_A)＝0。

摄影测量中像空间辅助坐标系是以左摄影中心为坐标原点，地面摄测坐标系以平行于介质面某一点为坐标原点；X_SL,Y_SL,Z_SL,X_SR,Y_SR,Z_SR分别为左右影像的摄影中心坐标；s₁，s₂分别为左右影像像点的高程改正系数；分为左、右影像像点的像空间坐标系坐标；令B_X＝X_SR-X_SL,B_Y＝Y_SR-Y_SL,B_Z＝Z_SR-Z_SL，则双介质摄影测量的共面条件方程可表达为：

3，左右影像同名像点的投影系数

基于公式(6)，分别计算左右影像同名点投影系数，可得如下公式：

4，前方交会公式

根据计算出来的投影系数、摄影中心位置、像点坐标，计算出物点三维坐标：

至此，便可以通过预先获取上述参数，来完成目标像点的三维坐标的计算。

但实际使用中，为了简化计算，通常将公式(8)中的部分数值当做常数进行计算，如高程改正系数。由公式(4)可知，高程改正系数是折射率n和入摄角α的函数，通常当双介质的两个介质分别为水和空气的时候，射率可取为4/3，故高程改正系数的求解就是对入射角α的求解。

相关技术中，将海面认为是平静的水平面，但实际上，由于暗流、风浪等自然条件的影响，海面不可能是一个静止的平面。如图1所示，相关技术中的海平面是图1中的理论水位线，此时认为理论水位线是一条直线；而图1中的瞬时水位线则表明了实际海面的状态，能够直接想到的是，海面上必然是波澜起伏的。由此，当拍摄影像的摄影光线穿过波澜起伏的海面时，该摄影光线的入射角是随海面起伏程度、海面瞬时(拍摄影像时)朝向和海面瞬时起伏角度的变化而变化的。因而，在为了能够精确测定水下目标物点的三维坐标时，需要考虑这实时变化的入射角，才能够确定更为准确的目标物点的坐标信息。

由此，如图3所示，本发明所提供的水下物点坐标确定方法包括如下步骤：

S101，根据单介质成像原理，确定目标物点的参考坐标信息；

S102，根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点；

S103，根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角；

S104，根据光线入射角计算目标物点的三维坐标。

步骤S101，首先需要根据单介质成像原理，来计算目标物点的参考坐标信息，该参考目标信息即是图1中的A'(X,Y,Z')，当然，此处所求的可以只有横纵坐标值X、Y，以供后续步骤进行使用。

步骤S102中，根据步骤S101所确定的参考坐标信息来确定在目标物点附近的测点作为参考点。选择的参考点应当距离目标物点较近，此处的距离可以是指目标物点和参考点投影分别到XOY面上所形成的投影点间的直线距离。参考点与目标物点之间的距离不易过远，否则多个参考点可能并不在同一个平面上；当然，这多个参考点之间的距离也不易过近，否则难以体现出参考点位置的不同，后续步骤中也难以计算。

步骤S103，首先需要计算多个参考点所在的平面(参考平面)的法向量。在确定参考平面的法向量时，先要获取参考点的空间位置坐标，在确定了参考点的空间位置坐标之后，便能够确定参考面了(当然，至少需要知悉三个参考点的空间位置坐标)。进而，根据参考面的法向量，便能够确定摄影光线(摄影光线的坐标已知)的光线入射角。

需要说明的是，确定多个参考点所在的平面，可以通过至少三个参考点来确定这三个参考点所在的平面(优选为，目标物点在多个参考点之间，即目标投影点在顺序连接多个投影参考点所形成的图形上，目标投影点为目标物点在XOY面上的投影点，投影参考点为参考点在XOY面上的投影点)，还可以是通过多次选取不同的参考点来形成参考点组(每组中至少包括三个参考点)，再分别根据每个参考点组中的参考点来形成平面，而后，通过求取多个平面的法向量平均值的方式来确定参考点所在的平面的法向量。如，通过3个参考点组所确定的平面的法向量分别是A、B、C，而后，将这三个法向量的基准点(法向量的起始点)求取平均(指将基准点的X、Y、Z三个坐标求取平均)，再将三个法向量的角度求取平均，最后将求取平均值得到的向量作为多个参考点所在的平面的法向量(计算拍摄影像的光线入射角的法向量)。除了以上两种求取法向量的方式，还可以是，同时获取目标物点周围多个(如10个、20个)参考点，利用这多个参考点拟合形成一个曲面(该曲面可以理解为海面的模型)，再判断目标物点所对应(指竖直方向上的对应)的是这个曲面的哪个部分(局部平面)，而后，再确定这对应平面的法向量(目标物点)即可。

最终，步骤S104中，根据光线入射角来计算高程改正系数，进而通过修改后的高程改正系数来确定更为准确的目标物点的实际三维坐标。

具体的，步骤S102，即根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点，如图4所示，包括如下步骤：

S1021，对预先划定的测区进行格网化，以确定多个子区域；

S1022，根据参考坐标信息，将目标物点所在的子区域作为目标区域；

S1023，选取目标区域上的测点作为参考点。

具体的，步骤S1021，可以根据测区范围和航摄时刻风向，划定要模拟的海面区域范围，根据地理坐标位置按一定密度进行格网化，如图5所示，箭头代表风向，阵列分布的黑色圆点代表格网分布的点。相邻四个点所围成的区域即为子区域(当然，子区域也可以是不相邻的四个点围成的区域所形成)，如图5中虚线所围成的区域变为子区域，由此，可以形成数个子区域。需要说明的是，图5中阵列排布的原点可以是预先确定好的，圆点的排布方式除了阵列式的排布，还可以是不均匀的分布，也就是相邻的两个测点(圆点)之间的距离是不等的。并且，划定目标区域的方式也可以是多种的，如可以将任意至少三个测点所围成区域作为目标区域(前提是保证：目标物点在这至少三个测点所围成的图形中)。

步骤S1022中，根据参考坐标信息，来确定目标物点所在的子区域为目标区域。图5中，虚线方框内部的点即是目标物点，由此，目标物点所在的子区域即是虚线方框的范围，该范围也就是目标区域。

步骤S1023中，在确定参考点的时候，可以选择目标区域内的任意测点作为参考点，也可以将如图5中形成目标区域的圆点作为参考点(图5中虚线所形成的方兴中，顶角的四个测点便是参考点)。

进一步，在步骤S103，根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角前还包括：

使用距离加权的方式，内插出目标区域内多个参考点的卫星测高数据；

对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个参考点的瞬时水位高程；

根据每个参考点的瞬时水位高程和经纬度坐标，确定多个参考点所在的平面。

也就是在确定参考点所在的平面时，先需要确定参考点的位置，才能够计算出参考点所在平面的信息(具体指参考平面的法向量)

首先，可以使用距离加权的方式获得参考点的卫星测高数据，在通过潮汐调和分析来确定参考点的瞬时水位高程(Z轴方向的高度值，或者说是垂直于XOY面的高度值)，进而配合参考点的经纬度坐标(此处的经纬度坐标可以是指地理坐标，也可以是指任意与XOY面平行的参考坐标系的横纵坐标值)来确定参考点所在的平面。需要说明的是，此处确定的参考点所在的平面即是需要求得的参考平面，参考平面即是海面瞬时的平面，受到风浪的坐标，同一经纬度坐标所对应的海面是起伏不定的，因此同一经纬度坐标所对应的海面的法向量也是随时变化的，为了精确的测得拍摄影像时，对应海面的法向量，应当获取摄影时刻的参考点瞬时水位高程。

其中，潮汐调和分析是指：利用验潮站数据或卫星测高数据的分离出个分潮的参数，结合不同分潮的交点因子和格林尼治天文相角计算各分潮的调和常数，并根据这些常数对出任意时刻任意位置的潮位信息进行计算和预报。

具体的，根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角包括：

使用如下公式计算光线入射角，其中，β为子区域的法向量，η为摄影光线向量，Angle为光线入射角。

进一步，步骤使用距离加权的方式，内插出目标区域内多个参考点的卫星测高数据包括：

获取目标物点所在区域的原始测高数据；

对原始测高数据进行共线轨迹处理；

将原始测高数据带入预先设定的平均海平面高度模型中，以确定每个测点的平均海平面高度；

使用内插法，根据每个测点的平均海平面高度，确定多个参考点的卫星测高数据。

其中，原始测高数据一般是指选取卫星测高数据源(一般为T/P测高卫星，观测年限为10a)，根据航摄区域位置，选取目标区域(或包含有目标物点一定范围的区域)附近的卫星测高数据。

在对原始测高数据进行共线轨迹处理，以消除地球物理环境影响，进而提高数据精度。而后，通过将原始测高数据带入平均海平面高度模型，来计算出测点的平均海平面高度。并最终使用内插法，确定参考点的卫星测高数据。可以使用如下公式计算平均海平面高度，

其中，N为参与计算的测点的数量，u为常量的加权因子，φ(r)为测点所在曲面的局部拟合曲面函数，(B,L)为待计算点的经纬度坐标值，Z为待计算点的平均海面高度值，rⁱ为卫星轨迹测高点与待计算点之间的距离。

步骤，对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个参考点的瞬时水位高程包括：

选取预定数量个主分潮，对卫星测高数据进行潮汐调和分析，获取每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i；

根据每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i计算每个参考点的瞬时水位高程。

需要说明的是，根据主分潮的振幅H_i和迟角g_i计算出的参考点的瞬时水位高程还可以进行优化，也就是使用计算得出的余水位来调准瞬时水位高程，具体步骤如下：

获取每个参考点所对应的GPS浮标的实测水位高程值；

分别使用平均海面高程值和天文潮位与每个实测水位高程值进行修正，以确定每个参考点所对应的余水位值；

使用相应的余水位值对参考点的瞬时水位高程进行优化。

进行优化后的瞬时水位高程即是较为准确的瞬时水位高程，当然，步骤使用相应的余水位值对参考点的瞬时水位高程进行优化，应当在步骤根据每个参考点的瞬时水位高程和经纬度坐标，确定多个参考点所在的平面前完成。

具体的，可以使用如下公式确定参考点的余水位值，

S(t)＝h(t)-MSL-T(t)，其中，S(t)为拍摄影像时的余水位值；h为拍摄影像时的实测水位高程值；MSL为平均海面高程值；T(t)为拍摄影像时的天文潮位。

下面以一个具体的实例还说明本申请所提供的水下物点坐标确定方法，具体步骤如下：

1、测区稀少(无)控制点空三加密，

针对远离大陆、地域敏感的南海礁盘存在环境特殊、控制点稀少(无)等问题，须借助载有高精度POS(Position and Orientation System：定姿定位系统)和高像素相机的低空无人机获取曝光时刻飞行器位置姿态和水下礁盘影像。根据测区实际情况，进行POS辅助下的稀少控制空三平差或POS直接定向的无控制空三平差，进而结算处测区内所有影像(当然，为了简化计算量，此处的影像可以是指拍摄有目标物点的至少两个影像)的精准外方位元素(3个位置坐标：X、Y、Z；3个姿态角：Phi、Omega、Kappa)，为后续解算所有水下礁盘(目标物点)三维坐标提供了基础。同时，整个空三加密工程的数据与参数可用于构建测区立体模型，实现测区立体观测与水下同名像点采集。

2、影像立体恢复与采集

要实现水下礁盘(目标物点)的三维坐标解算，首要解决的问题就是水下礁盘同名像点坐标获取。然而，受水质和深度的影响，光线在传输过程中发生衰减，成像时光线亮度发生变化，随之地物在影像中所表现的特征亮度也发生变化；当传感器从不同角度拍摄水下同一地物，由于受光线传播折射的影响，影像中的地物不能真实反应目标物点的几何特征。受以上两个因素的限制，基于几何特征和灰度特征的点匹配算法不能很好的应用于水下同名像点的获取。

由此，为了准确的获取水下同名像点坐标，本申请所提供的方法，采用基于测区空三加密成果构建立体模型、进行水下像点立体采集。具体步骤如下：

首先基于空三加密成果计算整个测区的平均航向角θ、平均航高h、平均高程H；根据影像航向重叠度ζ_H、旁向重叠度ζ_V、原始影像宽高(W、H)以及测区平均航向角、航高、高程等参数计算“理想影像”的长宽以及缩放系数λ_i；利用以上参数，结合影像姿态数据、相机焦距等参数，实现“理想水平影像集”获取，也就是将每张影像(至少是包含有目标物点的两张影像)的分辨率调节为相同的状态，以便于两张影像在进行同名点匹配时，同名点的纹理相近；为了便于模型构建和后续坐标解算，将测区的所有摄影中心坐标平移到左下角影像的摄影中心，并将线元素的X元素旋转到平均航向角方向(进而，每条航带也都与坐标系的X轴平行，这样在进行像素点或者说坐标点计算的时候会更简便，计算量更小)；以像素为单位，计算航片在局部坐标系中的地面覆盖范围，并将所有立体像对左片、右片进行连接生成；对拼接线附近范围的影像进行拼接缝融合消除，最终得到整个测区的连续立体模型。

基于立体模型采用频闪或红绿模式进行立体采集，将采集得到的“理想影像”像点坐标转换到原始影像像素坐标，获取水下礁盘同名像点坐标。由于整个过程是可逆的，故转换得到的同名像点坐标是可靠的，同名像点在两张影像上的坐标分别为a₁(x,y)、a₂(x,y)。

3、双介质摄影目标物点计算模型

由前文中公式(1)-公式(8)的推导可知：相关技术中，在结算目标物点的Z方向数值时，由于没有考虑到入射角，进而导致求得的高程改正系数S是不够准确的，也就导致了最终所求的目标物点的Z方向数值是不够准确的，本申请所提供的水下物点坐标确定方法中步骤S104，计算目标物点的三维坐标也可以理解为计算目标物点的Z方向高程值(即垂直于海平面方向的高度值，Z方向高程值是三维坐标中的一个元素)。

计算目标物点三维坐标的公式也就是公式(8)，

4、折射率选取讨论

将公式(3)式对折射率微分，并转换为误差形式，得折射率误差对双介质摄影水深测量的关系如下：

公式(9)中σ_n为折射率误差，Z为水深值，α为光线入射角，σ_Z'为水深测量误差，n取值为4/3。

双介质摄影水深测量误差可用σ_Z'表示。由式(9)可知，当入射角和折射率误差一定时，水深测量误差与水深值随着水深值的增加而增长。取Z为双介质摄影测量最大探测理论的深度30m，水深测量误差范围为0-0.45m，并以0.05递增，入射角范围为0°-10°，同时限定水深测量误差和入射角，得出水深测量误差、入射角和折射率误差之间的关系图，如图6所示。从图中可以看出，入射角对水深测量误差基本上没有影响。利用式(9)，入射角随意取0°-10°的某一个值，实测水深取30m，折射率误差小于0.003和实测水深取10m，折射率误差小于0.01时，双介质水深测量误差达到百分位，即实测水深的百分之几，由此可见，折射率误差对实测水深的影响可以忽略不计。

另，由于海水折射率会受海水温度、盐度、工作波段和压力等四个方面的影响，但对于航空双介质摄影测量所能探测的浅海海域而言，主要考虑海水温度和盐度两个因素，一般来说，准确计算海水折射率，会精确到千分位，甚至为万分位。由此，如果为了更为精确的确定折射率n，可以实测目标区域的海水温度、盐度等信息，再根据所测得的海水温度、盐度等信息来确定折射率n，再根据折射率n来确定目标物点的三维坐标。也就是在步骤S104，根据光线入射角计算目标物点的三维坐标之前，还包括：根据海水温度、盐度、压力，摄影机工作波段确定折射率n；步骤S104包括：根据折射率和光线入射角计算目标物点的三维坐标。

5、精确入射角的确定

由公式(4)可知，高程改正系数是折射率n和入摄角α的函数，由4分析可知折射率可以近似取为4/3，故影响高程改正系数的参数主要就是入射角，因而，求解高程改正系数，或者说求解目标物点三维坐标的首要，就是对入射角α的求解。

前文中已经论述过，实际中海平面并不是静止的，因而，将入射角考虑为常量和将入射角考虑为变量，对求解目标物点的三维坐标值影响很大。由此，本申请通过先求解入射角进而求解目标物点的三维坐标，能够使求解得到的三维坐标更为准确。

具体求解入射角的方法流程如下：

(1)根据测区范围和航摄时刻风向，划定要模拟的海面区域范围，根据地理坐标位置按一定密度进行格网化，如图5所示，箭头代表风向，大圆点代表格网分布的测点；

(2)基于格网点(大圆点)位置信息，获取测区内的卫星测高数据(T/P)，基于距离加权原则内插出测区内每个测点(大圆点)的卫星测高数据；

(3)对每个测点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，计算得到每个测点的瞬时水位高程(基于某一高程基准面)；

(4)量测水下同名像点坐标，根据单介质原理交会出的目标物点的位置坐标信息，并在在划分格网内搜索其所在的格网位置(目标区域)，图5中，虚线圈出的位置便是目标区域，虚线内部的小圆点便是目标物点；

(5)找到目标物点所在的格网位置后，基于格网四角(虚线所围成方框的四个顶点)坐标构建平面(需要说明的是，构建平面最少需要三个测点的坐标，目标物点四周的这四个测点也就是参考点)，并求得该平面法向量β，与基于像辅系的摄影光线向量，根据向量求夹角公式(如图7所示)，完成双介质摄影测量入射角的求解：

以上3个公式中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)分别为离散面(虚线所围成的目标区域)的四个顶角的坐标，α₁、α₂、α₃为离散面三条边所在的向量，β为离散面的法向量，η为摄影光线向量，Angle为光线入射角(如果Angle大于900，则Angle＝180°-|Angle|；Angle小于90°，则Angle＝|Angle|)。

本部分，计算入射角方法的精度涉及到两个方面：空三加密精度、离散面大小的选取。空三加密成果直接影响摄影光线向量求解的准确性，外方位元素的姿态关系到像点坐标与像空间坐标之间的转换，外方位元素关系到立体模型的构建以及立体采集时视差大小；离散面大小的选取关系到模拟出来的海面是否能逼近真实海面的大体趋势，如果偏大，则可能平滑波浪效应(如构成离散面的多个参考点分别在不同的波浪上，根据这样的几个参考点所构建出的离散面也就不是一个波浪的波形，无法反应真实的波浪面)；如果偏小，潮汐模型在瞬时水位值上推断不出来区别(即当构成离散面的多个参考点距离过近的时候，所测得的这几个参考点的瞬时水位差别并不大，如还要考虑到误差的因素，也就无法形成趋势足够明显的离散面)，结合潮汐模型限制，根据航摄时刻测区海况波浪，确定离散面的大小。

6、基于卫星测高数据和余水位的瞬时水位精确计算

由图1可知，双介质摄影测量理论模型中，曝光点的高程值起算面为过摄影光线所在海面上入射点的平面，而曝光点高程是基于某一高程基准面(1984椭球面或1985高程基准面)表达的，因此需要将曝光点高程归算到瞬时海面上，即计算出航摄时刻的瞬时水位在曝光点表达值的高程基准面下的高程值。

针对远离大陆的岛礁，内陆的验潮站通常是不能满足计算瞬时水位的需求的，且由于验潮站比较稀少的问题，在推算瞬时水位的时候，本申请所提供的水下物点坐标确定方法中，采取卫星测高数据和余水位模型相结合的思路。

(1)选取卫星测高数据源(一般为T/P测高卫星，观测年限为10a)，根据航摄区域位置，选取航摄区域附近的卫星测高数据，对原始数据进行预处理和共线轨迹处理，以消除地球物理环境影响和提高数据精度，如图8所示，细实线为卫星测高轨迹，圆点为目标区域的位置，粗虚线所围成的区域内为整个测区，进而选取用于计算测区平均海面的测高数据；

(2)基于处理之后的海面大地高离散点数据(经过预处理和共线轨迹处理的原始数据)，构建一个平滑连续的平均海面高度模型。

在球面坐标系(B,L)中，已知卫星测高离散点(B_i,L_i)以及相应的海面大地高f_i＝f(B_i,L_i)。对于格网中心点坐标(B₀,L₀),内插点(B,L)海面大地高为f(B,L),拟合函数为F＝F(B,L)。局部拟合曲面(权函数)为：

公式(10)中,r为内插点(B,L)(需要计算的参考点或测点)至格网中心点(B₀,L₀)间的距离；R为选定的局部拟合半径,取2倍的格网间距；为权函数。相应的平均海平面高度模型为:

式中N为参与计算的点数，u为权因子,通常取1和2,由于海面大地高在小范围内平滑,所以u取1，在r＝0条件下，平均海平面高程为卫星测高点刚好是所要求的那个点和非0取值下，需要周围的点来拟合出待求点的值，即用到这个拟合函数。。

(3)参照第5步，精确入射角的确定中的测区格网化，利用卫星测高数据内插出格网点(测点)和测区内的GPS浮标点卫星测高值。选取m个主分潮(一般为8或13个)，对卫星测高数据进行潮汐调和分析，获取相应主分潮的振幅H_i和迟角g_i；

(4)根据各主分潮振幅和迟角，计算各个点基于平均海面的理论瞬时水位高程T(t)(相对于平均海面)：

公式(11)中，T(t)表示瞬时水位线高度，m为潮高模型中所取分潮个数，一般取为13，f_i为交点因子，H_i为分潮振幅，G_i(V₀+u)为格林尼治天文相角，g_i为分潮迟角，H_i、g_i为分潮调和常数，σ_it中，σ_i系数是分潮的角速度，t为时间。

(5)基于余水位模型改正瞬时水位

余水位，又称增减水位或异常水位，是指由气象等随机因素引起的海面扰动，主要由风、气压、降水等短周期气象因素引起的短期水位异常和气候因素引起的海面季节异常两部分组成。

余水位是瞬时水位与理论水位之间的差值，在忽略观测误差时，余水位是指从实测水位中去除天文潮位和平均海面之后的剩余部分，t时刻的余水位的数学表达式为：

S(t)＝h(t)-MSL-T(t) (12)

式中，S为余水位序列；h为实测水位序列；MSL为平均海面；T为天文潮位，天文潮位可由调和分析或响应分析获得。公式12也表示了t时刻余水位值的计算方式。

为精确确定瞬时水位高程，须引入余水位模型对理论瞬时水位高程进行改正。在理论推算中，获取了GPS浮标的理论瞬时水位高程值，GPS浮标记录的是在航摄区域某一点的瞬时水大地高，一秒一个值，即获取的是实测水位序列(包含有按照时间顺序排列的多个水位值)；根据余水位模型表达式(公式12)，可以获取测区航摄时刻的余水位值，进而完成对测区内，每个格网内插点完成瞬时水位值改正；以更精确地应用于双介质摄影测量模型计算。

基于小区域范围内，潮汐模型推算的瞬时水位值在模拟海面起伏上，一般精度可达到10cm，由于潮汐模型区域平滑，在推算小测区范围内可能存在系统差，即在相对区域内能模拟出海面的起伏状况，但是整体和实际真值有差别。本方法是基于测区内GPS浮标值进行改正的，因此影响瞬时水位值精度的因素有两个：GPS浮标值的精确性和瞬时水位理论推算值的精确性。在GPS浮标值不被接收或不可用的情况下，可以通过立体环境量取水边线高程值进行瞬时水位理论推算值改正，已达到精确修正瞬时水位值的目的。

通过上述精细化计算光线入射角的方式，所得到的入射角是较为精准的，考虑到了海浪实时起伏不定，而导致光线入射角的变化，进而在进行计算目标物点三维坐标时，将调整后的入射角带入，从而更为准确的确定了目标物点的三维坐标信息。

需要说明的是，计算得到的余水位、卫星测高数据、入射角均是相同时刻的，该时刻也是拍摄影像(包含有目标物点)的时刻。

本申请所提供的水下物点坐标确定方法，尤其适用于解决南海浅海区域礁盘水下地形高精度测绘所遇到的问题。并且，结合航摄时刻海况确定测区格网分布格局，利用潮汐模型解算出的任意位置(主要是参考点或测点)瞬时水位值离散测区海面，近似模拟海面起伏实况。通过解求入射光线与离散面法向量的夹角完成双介质摄影光线入射角的优化，还通过利用卫星测高数据计算平均海面以及理论瞬时水位值，并结合余水位模型对理论瞬时水位值进行优化，实现了测区内任意位置高精度瞬时水位值的获取。

本发明实施例还提供了水下物点坐标确定装置，包括：

参考坐标信息确定模块，用于根据单介质成像原理，确定目标物点的参考坐标信息；

参考点确定模块，用于根据目标物点的参考坐标信息，选取靠近目标物点的多个测点作为参考点；

光线入射角确定模块，用于根据多个参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角；

三维坐标计算模块，用于根据光线入射角计算目标物点的三维坐标。

需要说明的是，本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.水下物点坐标确定方法，其特征在于，包括：

根据单介质成像原理，确定目标物点的参考坐标信息；

根据所述目标物点的参考坐标信息，选取靠近所述目标物点的多个测点作为参考点；

根据多个所述参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角；

根据所述光线入射角计算所述目标物点的三维坐标；

所述根据所述目标物点的参考坐标信息，选取靠近所述目标物点的多个测点作为参考点包括：

对预先划定的测区进行格网化，以确定多个子区域；

根据所述参考坐标信息，将所述目标物点所在的子区域作为目标区域；

选取所述目标区域上的测点作为所述参考点；

在步骤所述根据多个所述参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角前还包括：

使用距离加权的方式，内插出所述目标区域内多个参考点的卫星测高数据；

对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个所述参考点的瞬时水位高程；

根据每个所述参考点的瞬时水位高程和经纬度坐标，确定多个所述参考点所在的平面。

2.根据权利要求1所述的水下物点坐标确定方法，其特征在于，所述根据多个所述参考点所在的平面的法向量，计算拍摄影像的光线入射角包括：

使用如下公式计算光线入射角，其中，β为所述子区域的法向量，η为摄影光线向量，Angle为光线入射角。

3.根据权利要求1所述的水下物点坐标确定方法，其特征在于，所述使用距离加权的方式，内插出所述目标区域内多个参考点的卫星测高数据包括：

获取所述目标物点所在区域的原始测高数据；

对所述原始测高数据进行共线轨迹处理；

将所述原始测高数据带入预先设定的平均海平面高度模型中，以确定每个所述测点的平均海平面高度；

使用内插法，根据每个所述测点的平均海平面高度，确定多个参考点的卫星测高数据。

4.根据权利要求3所述的水下物点坐标确定方法，其特征在于，所述对每个参考点的卫星测高数据进行潮汐调和分析，以确定每个所述参考点的瞬时水位高程包括：

选取预定数量个主分潮，对所述卫星测高数据进行潮汐调和分析，获取每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i；

根据每个主分潮的振幅H_i和迟角g_i计算每个参考点的瞬时水位高程。

5.根据权利要求4所述的水下物点坐标确定方法，其特征在于，还包括：

获取每个参考点所对应的GPS浮标的实测水位高程值；

分别使用平均海面高程值和天文潮位与每个所述实测水位高程值进行修正，以确定每个参考点所对应的余水位值；

使用相应的余水位值对所述参考点的瞬时水位高程进行优化。

6.根据权利要求5所述的水下物点坐标确定方法，其特征在于，所述分别使用平均海面高程值和天文潮位与每个所述实测水位高程值进行修正，以确定每个参考点所对应的余水位值包括：

使用如下公式确定参考点的余水位值，

S(t)＝h(t)-MSL-T(t)，其中，S(t)为拍摄影像时的余水位值；h(t)为拍摄影像时的实测水位高程值；MSL为平均海面高程值；T(t)为拍摄影像时的天文潮位。