CN107728145B - 基于序列星载sar图像计算地面点三维位置的方法 - Google Patents

基于序列星载sar图像计算地面点三维位置的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：S1，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据图像坐标计算卫星三维位置及地面点到卫星的斜距；S2，根据卫星三维位置计算任意两幅SAR图像构成的卫星基线参数；S3，获取两幅SAR图像对应的卫星速度，根据卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数；S4，根据卫星基线参数和物方变换参数计算地面点的三维位置。本公开计算地面点三维位置的方法，应用了星载SAR遥感图像的平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置，无需地面点的初始近似值，计算中也没有任何迭代和近似过程，提高了计算效率，有利于大规模工程化应用。

Description

基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法
技术领域
本公开涉及遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法。
背景技术
星载合成孔径雷达(英文简称SAR，下文都用SAR表示)遥感图像经过几何定位或几何校正后只能获取地面二维图像信息，为了得到地面的三维位置信息，一般需要采用立体像对或干涉的方法来得到地面点的三维信息。立体像对是根据获取的同一区域的两幅图像利用空间几何关系来计算地面点的三维位置,常规的处理流程是要经过相对定向和绝对定向两大过程，而每个过程均需要较为复杂的迭代解算，基于两幅图像的立体像对所计算的地面点三维位置精度也较为有限。干涉SAR对图像的相干性和干涉基线都有严格要求，我国目前还没有支持同轨干涉的双天线SAR卫星，基于已有SAR卫星进行重轨干涉也很难实现。
目前随着星载SAR技术的发展，且SAR具有全天候、全天时的优势，可以很容易地在多个时间上对地面的某个地面点获取多幅SAR图像，这些SAR图像就构成了序列SAR图像(这儿序列图像的数量一般大于20幅)。由于这些序列SAR图像是对同一个地面点的多次重复观测，它们之间存在很强的几何约束关系，充分应用序列图像间的空间几何关系就能提高地面点三维位置解算精度，即序列化SAR图像计算的地面点三维位置要比常规两幅立体SAR图像计算的三维位置精度高，而随着序列SAR图像数量的增加，三维位置精度也会随之提高，因此序列的SAR图像可以精化地面点的三维位置。
利用序列化的卫星SAR图像计算地面点的三维位置，也可以每次从序列图像中提取两幅SAR图像进行常规的相对定向和绝对定向较复杂的非线性迭代解算过程，再将所有计算的结果整合求出地面点之最佳值，但是大数据量的序列化SAR图像会使计算过程十分复杂，不适合大规模工程化应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，应用了星载SAR遥感图像的平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也没有任何的迭代和近似过程。三维位置的计算中将全部序列星载SAR图像综合在一起并采用了统一的计算方法，因此序列图像的数量变化不会对计算步骤和方法产生影响。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：S1，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据该图像坐标计算这两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置及地面点到卫星的斜距；S2，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置计算所述两幅SAR图像构成的卫星基线参数；S3，获取所述两幅SAR图像对应的卫星速度，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数；S4，根据所述卫星基线参数和物方变换参数计算地面点的三维位置。
在一些实施例中，所述提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据该图像坐标计算这两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置及地面点到卫星的斜距的步骤，包括以下子步骤：S11，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标(xi、yi)、(xj、yj)，其中，xi、xj分别为提取的地面点列方向坐标值，yi、yj分别为提取的地面点行方向坐标值，1≤i≤n、i+1≤j≤n，n为序列星载SAR图像的总数；S12，根据地面点列方向坐标值xi及近地点斜距R0计算地面点到卫星的斜距Ri；根据地面点列方向坐标值xj及近地点斜距R0计算地面点到卫星的斜距Rj；S13，根据地面点行方向坐标值yi及SAR卫星对应的起始行三维位置计算地面点对应的卫星三维位置根据地面点行方向坐标值yj及SAR卫星对应的起始行三维位置计算地面点对应的卫星三维位置
在一些实施例中，所述斜距Ri和地面点对应的卫星三维位置分别为：
R＝R0+xiMx
所述斜距Rj和地面点对应的卫星三维位置分别为：
Rj＝R0+xjMx
其中，Ri、Rj为地面点到卫星的斜距，为地面点对应的卫星三维位置，i表示从1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，j表示从i+1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，xi、xj为提取的地面点列方向坐标值，yi、yj为提取的地面点行方向坐标值，表示SAR卫星对应的起始行三维位置，a0、b0、c0为卫星三维位置在三个坐标方向上随图像行方向变化的比例系数。
在一些实施例中，利用图像匹配软件或人工的方法提取地面点在两幅SAR图像上的图像坐标(xi、yi)、(xj、yj)。
在一些实施例中，通过卫星下传的辅助数据读取所述SAR卫星对应的起始行三维位置及卫星速度
在一些实施例中，通过卫星下传的辅助数据进行拟合处理得到卫星三维位置在三个坐标方向上随图像行方向变化的比例系数a0、b0、c0。
在一些实施例中，所述计算任意两幅SAR图像构成的卫星基线参数为：
式中，表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数，i表示从1开始到n-1结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置。
在一些实施例中，所述获取所述两幅SAR图像对应的卫星速度，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数的步骤，包括：
确定索引序号为i时对应的卫星速和索引序号为j时对应的卫星速度
根据地面点对应的卫星三维位置以及速度计算物方变换参数，计算公式如下：
式中，li、lj、nij为计算的三个物方变换参数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号；fD为多普勒参数，从星载SAR成像处理的参数中进行提取；λ为雷达的波长，是星载SAR的已知参数；是索引序号为i时对应的卫星速度，是索引序号为j时对应的卫星速度，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置；Ri表示索引序号为i时地面点到卫星的斜距，Rj表示索引序号为j时地面点到卫星的斜距。
在一些实施例中，所述地面点的三维位置的计算公式如下，
式中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置，n表示序列星载SAR图像的总数；表示i从1开始到n-1结束进行求和计算，表示j从i+1开始到n结束进行求和计算；表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数；li、lj、nij为三个物方变换参数；是索引序号为i时对应的卫星速度，是索引序号为j时对应的卫星速度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，应用了星载SAR遥感图像的平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也没有任何的迭代和近似过程，计算过程简单，提高了计算效率，有利于大规模工程化应用。
(2)本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，三维位置的计算中将全部序列星载SAR图像综合在一起并采用了统一的计算方法，因此序列图像的数量变化不会对计算步骤和方法产生影响。
附图说明
通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1为根据本公开实施例基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法的流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供了一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，应用了星载SAR遥感图像的平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也没有任何的迭代和近似过程。三维位置的计算中将全部序列星载SAR图像综合在一起并采用了统一的计算方法，因此序列图像的数量变化不会对计算步骤和方法产生影响。
图1为根据本公开实施例基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法的流程图。如图1所示，所述基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，包括：
S1，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据该图像坐标计算这两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置及地面点到卫星的斜距；
S2，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置计算所述任意两幅SAR图像构成的卫星基线参数；
S3，获取所述两幅SAR图像对应的卫星速度，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数；
S4，根据所述卫星基线参数和物方变换参数计算地面点的三维位置。
以下进一步详细介绍本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法的具体步骤：
步骤S1：利用图像匹配软件或人工的方法提取地面点在每幅SAR图像上的图像坐标，并计算地面点对应的卫星位置和地面点到卫星的斜距。计算公式如下：
Ri＝R0+xiMx
其中，Ri计算的地面点到卫星的斜距，计算的地面点对应的卫星三维位置，i表示从1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，而n表示序列星载SAR图像的总数，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，这两个都是星载SAR的已知参数，xi为提取的地面点列方向坐标值，yi为提取的地面点行方向坐标值，(xi、yi)表示索引序号为i时的图像坐标，表示SAR卫星对应的起始行三维位置，由辅助数据中读取，a0、b0、c0为卫星位置在三个坐标方向上随图像行方向变化的比例系数，通过卫星下传的辅助数据进行拟合处理得到。
步骤S2：根据地面点对应的卫星三维位置计算任意两幅SAR图像构成的卫星基线参数，
其中，表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载SAR图像的索引序号，而n表示序列SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，由步骤S1计算，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置，也由步骤S1计算。
步骤S3：根据地面点对应的卫星三维位置和速度计算物方变换参数，计算公式如下
其中li、lj、nij为计算的三个物方变换参数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载SAR图像的索引序号，而n表示序列星载SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号，fD为多普勒参数，从星载SAR成像处理的参数中进行提取，λ为雷达的波长,是星载SAR的已知参数,是索引序号为i时对应的卫星速度，从卫星下传的辅助数据中读取，是索引序号为j时对应的卫星速度，也从卫星下传的辅助数据中读取，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，由步骤S1计算，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置，也由步骤S1计算。Ri表示索引序号为i时地面点到卫星的斜距，由步骤S1计算，Rj表示索引序号为j时地面点到卫星的斜距，也由步骤S1计算，Rj及表示如下：
Rj＝R0+xjMx
式中，xi为提取的地面点列方向坐标值，yi为提取的地面点行方向坐标值，(xi、yi)表示索引序号为i时的图像坐标。
步骤S4：利用卫星基线参数和物方变换参数计算地面点的三维位置，计算公式如下，
其中(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置，n表示序列星载SAR图像的总数，表示i从1开始到n-1结束进行求和计算，表示j从(i+1)开始到n结束进行求和计算，表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数，由步骤S2计算得到，li、lj、nij为三个物方变换参数，由步骤S3计算得到，是索引序号为i时对应的卫星速度，从卫星下传的辅助数据中读取，是索引序号为j时对应的卫星速度，也从卫星下传的辅助数据中读取。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本公开基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法应用了SAR图像的卫星平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置，无需给出任何初值，也没有任何迭代和近似，是十分严密的计算，此外在三维位置的计算中将全部序列SAR图像综合起来采用了统一的计算方法，序列图像的数量变化不会对计算产生影响。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：
S1，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据该图像坐标计算这两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置及地面点到卫星的斜距；
S2，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置计算所述两幅SAR图像构成的卫星基线参数；
S3，获取所述两幅SAR图像对应的卫星速度，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数；
S4，根据所述卫星基线参数和物方变换参数计算地面点的三维位置；
所述提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标，根据该图像坐标计算这两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置及地面点到卫星的斜距的步骤，包括以下子步骤：
S11，提取地面点在任意两幅SAR图像上的图像坐标(xi、yi)、(xj、yj)，其中，xi、xj分别为提取的地面点列方向坐标值，yi、yj分别为提取的地面点行方向坐标值，1≤i≤n、i+1≤j≤n，n为序列星载SAR图像的总数；
S12，根据地面点列方向坐标值xi及近地点斜距R0计算地面点到卫星的斜距Ri；根据地面点列方向坐标值xj及近地点斜距R0计算地面点到卫星的斜距Rj；
S13，根据地面点行方向坐标值yi及SAR卫星对应的起始行三维位置计算地面点对应的卫星三维位置根据地面点行方向坐标值yj及SAR卫星对应的起始行三维位置计算地面点对应的卫星三维位置
所述获取所述两幅SAR图像对应的卫星速度，根据所述两幅SAR图像地面点对应的卫星三维位置和卫星速度计算物方变换参数的步骤，包括：
确定索引序号为i时对应的卫星速和索引序号为j时对应的卫星速度
根据地面点对应的卫星三维位置以及速度计算物方变换参数，计算公式如下：
式中，li、lj、nij为计算的三个物方变换参数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号；fD为多普勒参数，从星载SAR成像处理的参数中进行提取；λ为雷达的波长，是星载SAR的已知参数；是索引序号为i时对应的卫星速度，是索引序号为j时对应的卫星速度，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置；Ri表示索引序号为i时地面点到卫星的斜距，Rj表示索引序号为j时地面点到卫星的斜距；
所述地面点的三维位置的计算公式如下，
式中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置；n表示序列星载SAR图像的总数；表示i从1开始到n-1结束进行求和计算，表示j从i+1开始到n结束进行求和计算；表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数；li、lj、nij为三个物方变换参数；是索引序号为i时对应的卫星速度，是索引序号为j时对应的卫星速度。
2.根据权利要求1所述的基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，其中，所述斜距Ri和地面点对应的卫星三维位置分别为：
Ri＝R0+xiMx
所述斜距Rj和地面点对应的卫星三维位置分别为：
Rj＝R0+xjMx
其中，Ri、Rj为地面点到卫星的斜距，为地面点对应的卫星三维位置，i表示从1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，j表示从i+1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，xi、xj为提取的地面点列方向坐标值，yi、yj为提取的地面点行方向坐标值，表示SAR卫星对应的起始行三维位置，a0、b0、c0为卫星三维位置在三个坐标方向上随图像行方向变化的比例系数。
3.根据权利要求1所述的基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，其中，利用图像匹配软件或人工的方法提取地面点在两幅SAR图像上的图像坐标(xi、yi)、(xj、yj)。
4.根据权利要求1所述的基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，其中，通过卫星下传的辅助数据读取所述SAR卫星对应的起始行三维位置及卫星速度
5.根据权利要求1所述的基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，其中，通过卫星下传的辅助数据进行拟合处理得到卫星三维位置在三个坐标方向上随图像行方向变化的比例系数a0、b0、c0。
6.根据权利要求1所述的基于序列星载SAR图像计算地面点三维位置的方法，其中，所述计算任意两幅SAR图像构成的卫星基线参数为：
式中，表示计算的两幅SAR图像的在三个坐标轴方向的卫星基线参数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载SAR图像的索引序号，n表示序列星载SAR图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的星载SAR图像的索引序号，表示索引序号为i时地面点对应的卫星三维位置，表示索引序号为j时地面点对应的卫星三维位置。
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