CN107765245B - 基于机载sar立体像对计算地面点三维位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置；根据所述飞机三维位置计算基线参数；根据所述图像坐标、飞机三维位置及飞机速度计算变换参数；以及根据所述基线参数及变换参数计算地面点的三维位置。本公开基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，通过机载SAR立体像对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，无需地面点的位置初始值，计算中也无任何的迭代和近似过程，提高了计算效率，保证了三维位置计算结果的严密性。

Description

基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法
技术领域
本公开涉及航空遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法。
背景技术
机载合成孔径雷达(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，可以采用立体像对的方法来得到地面点的三维信息。立体像对是由覆盖同一区域的左右各1幅共两幅图像构成，并利用空间几何关系来重建地面点的高度信息。
目前国内外对利用机载SAR立体像对直接计算地面点高度的研究极少，一般都是通过间接方法采用迭代求解的技术来实现地面点的高度提取。如邱春平(邱春平、张红敏、靳国旺、秦志远,机载SAR影像距离-斜视角模型立体定位，《测绘科学技术学报》2014年,第31卷第4期)建立了SAR影像的距离-斜视角模型立体定位方法，是根据SAR立体像对的左右影像建立4个方程通过给定地面点初始坐标采用最小二乘迭代解算地面点的三维坐标。高力(高力、赵杰、王仁礼，利用Leberl模型进行机载SAR图像的立体定位，《测绘学院学报》，第21卷第4期2004年12月)为实现SAR影像立体定位的方法，提出基于Leberl的SAR构像模型和解算过程，通过在立体SAR图像重叠区域的同名像点分别可以建立两个方程，再进行迭代计算来得到地面点的三维坐标；张红敏(张红敏、靳国旺、徐青、李向英，利用单个地面控制点的SAR图像高精度立体定位，《雷达学报》，第3卷第1期，2014年2月)则根据SAR建立了斜侧视距离-多普勒模型，得到了同名像点与相应地面点关系的非线性方程组，需要采用线性化迭代解算得到地面点的三维位置。方勇则(方勇、常本义、胡海彦、陈虹，机载SAR图像数字测图技术研究,《测绘通报》，2006年第8期)采用了光学立体摄影测量的方法处理SAR立体像对，通过等效共线方程重建SAR图像外方位元素和立体模型，也需要进行初值计算、误差方程建立和迭代解算等过程。
上述这些方法都是采用相应的模型来计算得到地面点的高度，但是解算过程中都是采用了复杂的非线性方程组，需要给定地面点三维位置的初始近似值，并通过多次迭代计算才能给出高度的最佳值，工程应用中十分不便。
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机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，通过机载SAR立体像对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，无需地面点的位置初始值，计算中也无任何的迭代和近似过程，提高了计算效率，保证了三维位置计算结果的严密性。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置；根据所述飞机三维位置计算基线参数；根据所述图像坐标、飞机三维位置及飞机速度计算变换参数；以及根据所述基线参数及变换参数计算地面点的三维位置。
在本公开的一些实施例中，所述提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置的步骤，包括：提取地面点在SAR立体像对的左图像上的二维图像坐标(x1,y1)及右图像上的二维图像坐标(x2,y2)；提取SAR立体像对的左图像对应的飞机速度及右图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000022
以及根据飞机平台上GPS记录的位置数据和图像坐标拟合得到左图像所对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000023
和右图像所对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000024
在本公开的一些实施例中，所述基线参数为：
Figure BDA0001443732610000031
在本公开的一些实施例中，利用图像匹配软件或人工方法，提取地面点在SAR立体像对的左图像上的二维图像坐标(x1,y1)和右图像上的二维图像坐标(x2,y2)。
在本公开的一些实施例中，根据飞机平台上GPS记录的位置数据和图像行方向坐标值y1、y2进行拟合确定左图像地面点所对应的飞机三维位置和右图像地面点所对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000033
在本公开的一些实施例中，通过飞机上GPS记录的辅助数据读取所述左图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000034
和右图像对应的飞机速度
在本公开的一些实施例中，根据左图像上二维图像坐标(x1,y1)和右图像上的二维图像坐标(x2,y2)中的列向坐标x1,x2、左图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000036
和右图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000037
左图像对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000038
和右图像对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000039
计算变换参数。
在本公开的一些实施例中，所述变换参数为：
Figure BDA00014437326100000310
式中，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，R0，Mx均为机载SAR的已知参数，x1为提取的左图像的列方向坐标值，x2为提取的右图像的列方向坐标值。
在本公开的一些实施例中，所述地面点的三维位置为：
Figure BDA00014437326100000311
Figure BDA00014437326100000312
Figure BDA0001443732610000041
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于机载SAR立体像对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)本公开基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，通过机载SAR立体像对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，无需地面点的位置初始值，计算中也没有任何的迭代和近似过程，提高了计算效率。
(2)本公开基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，通过SAR立体像对严密的成像几何关系进行计算，没有进行任何逼近和替换，保证了三维位置计算结果的严密性。
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机载SAR立体像对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机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，通过机载SAR立体像对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，无需地面点的位置初始值，计算中也无任何的迭代和近似过程，提高了计算效率，保证了三维位置计算结果的严密性。
图1为根据本公开实施例基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法的流程图。如图1所示，所述基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，包括：
S1，提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置；
S2，根据所述飞机三维位置计算基线参数；
S3，根据所述图像坐标、飞机三维位置及飞机速度计算变换参数；以及
S4，根据所述基线参数及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机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法的具体步骤：
在步骤S1中，利用图像匹配软件或人工的方法，提取地面点在SAR立体像对的左图像上二维图像坐标(x1,y1)和右图像上的二维图像坐标(x2,y2)；左图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000051
从飞机上GPS记录的辅助数据中读取，右图像对应的飞机速度
Figure BDA0001443732610000052
也从飞机上GPS记录的辅助数据中读取；并根据飞机平台上GPS记录的位置数据和图像行方向坐标值y1、y2进行拟合得到左图像所对应的飞机三维位置
Figure BDA0001443732610000053
和右图像所对应的飞机三维位置
在步骤S2中，根据所述飞机三维位置计算基线参数，所述立体像对的基线参数为：
Figure BDA0001443732610000055
Figure BDA0001443732610000056
Figure BDA0001443732610000057
其中，ΔXa,ΔYa,ΔZa表示SAR立体像对的基线参数，
Figure BDA0001443732610000058
左幅图像对应的飞机三维位置，
Figure BDA0001443732610000059
右幅图像对应的飞机三维位置。
在步骤S3中，根据图像坐标、立体图像对应的飞机三维位置和飞机速度计算变换参数，所述变换参数的计算公式如下：
Figure BDA0001443732610000061
Figure BDA0001443732610000062
Figure BDA0001443732610000063
其中，P1，P2，P3为计算的三个变换参数，是左图像对应的飞机速度，可以从通过飞机上GPS记录的辅助数据中读取，
Figure BDA0001443732610000065
是右图像对应的飞机速度，可以从通过飞机上GPS记录的辅助数据中读取，
Figure BDA0001443732610000066
左幅图像对应的飞机三维位置，右幅图像对应的飞机三维位置，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，这两个都是机载SAR的已知参数，x1为提取的左幅SAR图像的列方向坐标值，x2为提取的右幅SAR图像的列方向坐标值。
步骤S4，利用基线参数和变换参数计算地面点的三维位置，计算公式如下，
Figure BDA0001443732610000068
Figure BDA0001443732610000069
其中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置，ΔXa,ΔYa,ΔZa表示SAR立体像对的三 个基线参数，由步骤S1计算得到，P1,P2,P3为三个变换参数，由步骤S2计算得到，
Figure BDA00014437326100000611
是左图像对应的飞机速度，从飞机上GPS记录的辅助数据中读取，是右图像对应的飞机速度，也从飞机上GPS记录的辅助数据中读取。
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利用机载SAR立体像对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，本公开利用机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法应用了获取SAR立体像对的飞机平台参数和系统参数直接显式地计算地面点的三维位置信息，无需给出任何初值，计算方法也是采用了严密的成像几何关系，没有任何迭代和近似，是十分严密的计算过程。
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 (4)

1.一种基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，包括以下步骤：
提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置；
根据所述飞机三维位置计算基线参数；
根据所述图像坐标、飞机三维位置及飞机速度计算变换参数；以及
根据所述基线参数及变换参数计算地面点的三维位置；
所述提取地面点在SAR立体像对上的图像坐标及飞机速度，根据所述图像坐标确定获取立体像对时对应的飞机三维位置的步骤，包括：
提取地面点在SAR立体像对的左图像上的二维图像坐标(x1，y1)及右图像上的二维图像坐标(x2，y2)；
提取SAR立体像对的左图像对应的飞机速度
Figure FDA0002159543100000011
及右图像对应的飞机速度
Figure FDA0002159543100000012
根据飞机平台上GPS记录的位置数据和图像坐标拟合得到左图像所对应的飞机三维位置和右图像所对应的飞机三维位置
所述基线参数为：
Figure FDA0002159543100000015
Figure FDA0002159543100000016
Figure FDA0002159543100000017
根据左图像上二维图像坐标(x1，y1)和右图像上的二维图像坐标(x2，y2)中的列方向坐标值x1，x2、左图像对应的飞机速度
Figure FDA0002159543100000018
和右图像对应的飞机速度
Figure FDA0002159543100000019
左图像对应的飞机三维位置和右图像对应的飞机三维位置
Figure FDA00021595431000000111
计算变换参数；
所述变换参数为：
Figure FDA0002159543100000021
式中，R0为近地点斜距，Mx为斜距的分辨率，R0，Mx均为机载SAR的已知参数，x1为提取的左图像的列方向坐标值，x2为提取的右图像的列方向坐标值；
所述地面点的三维位置为：
Figure FDA0002159543100000022
Figure FDA0002159543100000023
Figure FDA0002159543100000024
2.根据权利要求1所述的基于机载SAR立体像对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方法，提取地面点在SAR立体像对的左图像上的二维图像坐标(x1，y1)和右图像上的二维图像坐标(x2，y2)。
3.根据权利要求1所述的基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，其中，根据飞机平台上GPS记录的位置数据和图像行方向坐标值y1，y2进行拟合确定左图像地面点所对应的飞机三维位置
Figure FDA0002159543100000025
和右图像地面点所对应的飞机三维位置
Figure FDA0002159543100000026
4.根据权利要求1所述的基于机载SAR立体像对计算地面点三维位置的方法，其中，通过飞机上GPS记录的辅助数据读取所述左图像对应的飞机速度
Figure FDA0002159543100000027
和右图像对应的飞机速度
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