CN108053416B - 一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统 - Google Patents

一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统，包括卫星遥感图像浏览模块、图像子区域分割模块、边界点自动捕捉模块、油罐阴影测高模块和储油量计算模块；其中，卫星遥感图像浏览模块用于获取卫星遥感图像操作时的人机交互信息：图像子区域分割模块用于提取油罐目标的轮廓边缘，方便关键点选取；边界点自动捕捉模块用于弧边上的关键点的辅助选取；油罐阴影测高模块用于基于油罐阴影信息计算油罐的高度。可基于单幅卫星图像进行油罐高度的精确提取，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度。

Description

一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统
技术领域
本发明涉及遥感图像处理及信息提取技术领域，尤其涉及一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统。
背景技术
油罐是石油储备基地的核心设施，属于国家重点建设战略目标，其高度信息是油库识别、库容估算及定量化分析的重要内容和标志，在国家经济建设和国防安全能力等方面具有重要意义，因此通过卫星观测某一区域的最大储油量具有重要的战略意义。通过卫星图像提取油管高度，然后通过公式计算出油管的体积从而可以确定最大储油量。常规基于卫星图像的油罐高度提取方法中，一是激光测距法、立体像对等均存在对设备仪器及数据源要求较高，且紧急任务情况下时效性较弱、计算复杂的缺点；二是阴影长度法又依据油罐阴影边界的弧边特性，存在阴影长度难以精确量测进而致使油罐高度无法精确计算的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统，用以解决常规基于卫星图像进行油罐高度提取技术中的一些不足。
为实现上述的发明目的，在基于本发明方法的一个实施例中，
在基于本发明的一个实施例中提供了一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统，包括卫星遥感图像浏览模块、图像子区域分割模块、边界点自动捕捉模块、油罐阴影测高模块和储油量计算模块；
其中，卫星遥感图像浏览模块用于获取卫星遥感图像操作时的人机交互：图像子区域分割模块用于提取油罐目标的轮廓边缘，方便关键点选取；边界点自动捕捉模块用于弧边上的关键点的辅助选取；油罐阴影测高模块用于基于油罐阴影信息计算油罐的高度；储油量计算模块用于根据油罐高度和底部半径计算得到最大储油量。
在基于本发明的另一个实施例中，卫星遥感图像浏览模块用于在人机交互时，获取油罐卫星图像拍摄时的成像参数；其中所述成像参数包括：太阳高度角α、卫星高度角β、太阳方位角γ和卫星方位角θ。
在基于本发明的另一个实施例中，系统还包括图像校正模块，用于对卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像油罐卫星图像进行几何精校正得到几何精校正图像；
其中，图像校正模块执行下述流程：
1)采集地面控制点：在获取的油罐卫星图像上，采集六个以上、具有清晰明显定位标志并尽可能均匀分布的控制点；
2)选择几何校正模型：选择多项式几何校正模型，建立图像坐标与参考坐标的关系；
3)图像重采样：采用重采样方法，对油罐卫星图像进行重新插值计算，生成几何精校正图像。
在基于本发明的另一个实施例中，图像子区域分割模块根据油罐在几何精校正卫星图像上的阴影边界特征，识别和定位油罐同名弧边P’和P”；其中同名弧边是指遥感图像上油罐顶部边缘的像P’和该边缘阴影的像P”；
同名弧边的识别与定位采取人机交互模式或专家判读模式；
采用人机交互模式，具体为首先基于计算机自动检测阴影边界，然后根据油罐阴影边界结合人工进行同名弧边的优选定位；
采用专家模式，基于专家判读知识，直接进行同名弧边的判读定位。
在基于本发明的另一个实施例中，还包括图像增强模块，所述图像增强模块对图像校正模块输出后的图像进行增强，经图像增强模块输出的图像输入图像子区域分割模块。
在基于本发明的另一个实施例中，还包括同名弧距计算模块，所述边界点自动捕捉模块根据图像子区域分割模块定位的同名弧边P’和P”，确定相对应的同名弧点A’和A”，经由所述同名弧距计算模块计算得到同名弧距A’A”；
其中过两个同名弧边的圆心且斜率为太阳方位的直线与两个同名弧边的交点为同名弧点，两个同名弧点之间的距离为同名弧距。
在基于本发明的另一个实施例中，计算同名弧距的包括：
在图像子区域分割模块定位的同名弧边上选取关键元素；
根据选取的关键元素确定相对应的同名弧点A’和A”；
计算得到同名弧距。
在基于本发明的另一个实施例中，在图像子区域分割模块定位的同名弧边上选取关键元素包括：基于几何精校正图像，分别在上述定位的油罐同名弧边P’和P”上任选三点，作为输入关键元素，其中：
同名弧边P’上的任三点坐标：P’1(x’1，y’1)、P’2(x’2，y’2)、P’3(x’3，y’3)；
同名弧边P”上的任三点坐标：P”1(x"1，y"1)、P”2(x"2，y"2)、P”3(x"3，y"3)；
确定相对应的同名弧点A’和A”包括：计算圆弧和过圆弧圆心且斜率为太阳方位的直线的交点坐标模型为：
Figure BDA0001508021520000041
其中：圆心坐标M(A,B)、半径为R的圆的方程为(x-A)2+(y-B)2＝R2；过圆心M且斜率为K的直线方程为y＝Kx+B-KA；
分别将P’和P”的圆心坐标、半径以及直线斜率ctgγ代入上述交点坐标模型，可得到同名弧点A’(x′，y′)和A”(x"，y")的坐标；
同名弧距为同名弧点A’(x′，y′)和A”(x"，y")之间的距离，其表达式为：
Figure BDA0001508021520000042
在基于本发明的另一个实施例中，油罐阴影测高模块将卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像成像参数及边界点自动捕捉模块得到的同名弧距代入油罐测高模型，得到油罐高度H。
在基于本发明的另一个实施例中，储油量计算模块根据油罐阴影测高模块得到油罐的高度H和同名弧距计算模块得到的半径R，结合圆柱公式计算出油罐的体积，从而得到油罐的最大储油量。
本发明的特点及有益效果是：
在评估某一区域的最大储油量时，可基于单幅卫星图像进行油罐高度的精确提取，然后根据公式计算储油罐的体积，无需立体像对或其它特殊设备，放宽了对数据源及仪器的要求，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度，可以快速确定某一区域的最大储油量。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为油罐高度提取流程图；
图2为阴影测高工具软件界面；
图3为图像属性窗口示意图；
图4为油罐阴影测高过程中选择起点坐标示意图；
图5为油罐阴影测高过程中选择终点坐标示意图；
图6为油罐阴影测高过程中选择必经点坐标示意图；
图7为选择结果示意图；
图8为微调结果示例1；
图9为弧线选定结果示意图；
图10为微调结果示例2；
图11为同名点显示示意图；
图12为油罐阴影测高计算结果示意图；
图13为卫星图像上同名弧边、同名弧点和同名弧距示意图；
图14为同名弧距示意图
图15为有关油罐侧高模型构建原理示意图
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个具体实施例，公开了一种基于单幅卫星图像的油罐高度提取系统，如图1所示，包括卫星遥感图像浏览模块、图像子区域分割模块、边界点自动捕捉模块、油罐阴影测高模块和储油量计算模块。
其中卫星遥感图像浏览模块用于卫星遥感图像操作时的人机交互：图像子区域分割模块用于提取油罐目标的轮廓边缘，方便关键点选取；边界点自动捕捉模块用于弧边上的关键点的辅助选取；油罐阴影测高模块用于基于油罐阴影信息计算油罐的高度。
如图2所示，卫星遥感图像浏览模块具体可以获取油罐卫星图像拍摄时的成像参数。
光学卫星图像在成像时一般都是在光照条件相对较好的情况下进行拍摄，每幅图像都对应有其成像时刻的太阳、卫星位置信息，即瞬时成像参数。但传统基于阴影长度法进行地物高度提取模型中，仅利用了太阳高度角单一成像参数，忽略了太阳方位、卫星高度和卫星方位等成像参数，使得测高模型的严谨性有所欠缺，且误差较大，尤其随着亚米级高分辨率卫星图像的普遍使用，这些成像参数对于精度的影响亦非常凸显，有必要加以全面考虑。
卫星图像成像参数，一般记录于该幅图像产品相应的头文件或元数据信息或辅助数据中，可直接获取。在本发明的一个实施例中，采用从元数据文件中直接读取的方式获得。图3为元文件参数读取结果的例子。
从卫星图像相对应的元数据或头文件或辅助数据中，读取卫星图像拍摄时的成像参数，成像参数包括：太阳高度角α、卫星高度角β、太阳方位角γ和卫星方位角θ；
系统还包括图像校正模块，用于对卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像油罐卫星图像进行几何精校正得到几何精校正图像；卫星图像在成像过程中，由于传感器本身、地球曲率、地形起伏、地球自转、轨道姿态及投影方式等各种因素的图像，使得卫星图像一般存在各种几何畸变，致使图像上的地物几何形状及位置失真，表现为位移、旋转、缩放、仿射、弯曲和更高阶的歪曲等。为消除这些畸变，提高精度，需要对卫星图像几何畸变进行纠正，生成具有一定地图投影的新图像。
卫星图像几何精校正的步骤包括：
1)地面控制点采集：在获取的油罐卫星图像上，采集多个、具有清晰明显定位标志并尽可能均匀分布的控制点，控制点个数优选25个。
2)几何校正模型选择：采集完地面控制点之后，选择多项式几何校正模型，用于建立图像坐标与参考坐标的关系。
3)图像重采样：采用双线性内插等重采样方法，对油罐卫星图像进行重新插值计算，生成定位精度高、具有地理信息且可量算的几何精校正卫星图像。
图像子区域分割模块根据油罐在几何精校正卫星图像上的阴影边界特征，识别和定位油罐同名弧边P’和P”；
本发明中主要借助同名特征的思想进行油罐高度的提取，这里的同名特征指的是单幅卫星图像上油罐的同名弧边，如图13、图14所示，图像上沿阴影方向上油罐顶部边缘弧P’与油罐阴影外边缘弧P”，这里称P’和P”为同名弧边，其物理意义为油罐顶部边缘的像P’和该边缘阴影的像P”，油罐同名弧边的识别与定位主要根据油罐设施在几何校正图像上的阴影边界特征，进行同名弧边的判读及定位；
同名弧边的识别与定位可采取人机交互模式或专家判读模式。在本发明的一个实施例中，采用人机交互模式，首先基于计算机自动检测阴影边界，然后根据油罐阴影边界结合人工进行同名弧边的优选定位；在本发明的另一个实施例中，采用专家模式，基于专家判读知识，直接进行同名弧边的判读定位。
还包括图像增强模块，所述图像增强模块对图像校正模块输出后的图像进行增强，经图像增强模块输出的图像输入图像子区域分割模块。遥感图像在成像过程中，在曝光不足、曝光过度或受天气影响等条件下，图像灰度可能会局限在一个很小的范围内，显示一个模糊不清、似乎没有灰度层次、不利用人们判读的遥感图像。为提高图像质量、改善图像的视觉效果，突出油罐阴影边界特征信息，使图像变得更为清晰，提高对油罐边界的解象力，必要条件下需对遥感图像进行增强处理。
图像增强是选择空间滤波、直方图修正或灰度变换等方法，对图像进行增强处理，高质量显示图像的油罐区域，生成一幅视觉效果更好、油罐阴影边界更易判读的遥感图像。
还包括同名弧距计算模块，边界点自动捕捉模块根据图像子区域分割模块定位的同名弧边P’和P”，确定相对应的同名弧点A’和A”，计算得到同名弧距A’A”；
同名弧距是本发明中进行油罐高度提取的重要参数，这里定义其含义是指两个同名弧边各自所在的圆与过该圆圆心且斜率为太阳方位的直线在阴影方向的交点之间的距离。过该圆圆心且斜率为太阳方位的直线与两个同名弧边的交点为同名弧点，同名弧距的提取其中重要的环节是关键元素的选取及同名弧点的确定。
具体步骤包括：
步骤S11、在图像子区域分割模块定位的同名弧边上选取关键元素，如图4至图10所示；
基于几何精校正图像，分别在上述定位的油罐同名弧边P’和P”上任选三点，作为输入关键元素，其中：
同名弧边P’上的任三点坐标：P’1(x’1，y’1)、P’2(x’2，y’2)、P’3(x’3，y’3)；
同名弧边P”上的任三点坐标：P”1(x"1，y"1)、P”2(x"2，y"2)、P”3(x"3，y"3)；
步骤S12、根据步骤S11中选取的关键元素确定相对应的同名弧点A’和A”；
已知P’1、P’2、P’3为同名弧边P’上三点，P”1、P”2、P”3为同名弧边P”上三点，其坐标值可直接基于几何精校正图像读取，则存在：
弧边P’或P”所在圆的圆方程可表达为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2，圆心坐标M(A,B)、半径为R；
其中弧边P’所在圆的圆心坐标M′(A'，B′)，半径为R′；弧边P”所在圆的圆心坐标M"(A"，B")，半径为R"。
过圆心M且斜率为K的直线方程为：
y＝Kx+B-KA；
其中过圆心M′和过圆心M"的直线斜率为ctgγ。
则同名弧点A′(x′，y′)和A"(x"，y")的坐标表达式为(即直线与圆在阴影方向的交点)：
Figure BDA0001508021520000091
其中：
Figure BDA0001508021520000092
Figure BDA0001508021520000093
Figure BDA0001508021520000101
K′＝ctgγ(γ太阳方位角)
Figure BDA0001508021520000102
Figure BDA0001508021520000103
Figure BDA0001508021520000104
K"＝ctgγ(γ太阳方位角)
分别代入后可以得到同名弧点A′(x′，y′)和A"(x"，y")的坐标。
步骤S13、计算得到同名弧距；
同名弧距即为同名弧点A′(x′，y′)和A"(x"，y")之间的距离，其表达式为：
Figure BDA0001508021520000105
油罐阴影测高模块将卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像成像参数及边界点自动捕捉模块得到的同名弧距代入油罐测高模型，得到油罐高度；同名弧点的示意图见图11，计算结果示意图见图12
油罐测高模型是本发明的重要内容，基于该测高模型，代入油罐同名弧距及成像参数，可进行油罐高度提取。
具体步骤包括：
步骤S21、构建油罐测高模型；
由图15所示，AA"为太阳光线，AA′为卫星拍摄视线，则同名弧点A′和A"的物理意义即为油罐顶部边缘A点在卫星图像上的像点及其阴影的像点，油罐的高度H即为AO。太阳高度角α，卫星高度角β，太阳方位和卫星方位空间夹角为|γ-θ|则
由空间几何关系知，
A"O＝H*ctgα
A’O＝H*ctgβ
∠A’OA"＝|γ-θ|
由三角关系A’A”2＝A′O2+A"O2-2A′O*A"O*COS∠A′OA"，得知：
Figure BDA0001508021520000111
即为圆柱型设施测高模型。
步骤S22、将卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像成像参数及边界点自动捕捉模块提取的同名弧距，利用步骤S21中构建的油罐测高模型，得到油罐高度H。
储油量计算模块根据油罐的高度H和半径为R，根据圆柱公式计算出油罐的体积，从而得到油罐的最大储油量。
本发明的特点及有益效果是：
在评估某一区域的最大储油量时，可基于单幅卫星图像进行油罐高度的精确提取，然后根据公式计算储油罐的体积，无需立体像对或其它特殊设备，放宽了对数据源及仪器的要求，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度，可以快速确定某一区域的最大储油量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统，其特征在于，包括卫星遥感图像浏览模块、图像子区域分割模块、边界点自动捕捉模块、油罐阴影测高模块和储油量计算模块；
其中，卫星遥感图像浏览模块用于获取卫星遥感图像操作时的人机交互信息：图像子区域分割模块用于提取油罐目标的轮廓边缘，方便关键点选取；边界点自动捕捉模块用于弧边上的关键点的辅助选取；油罐阴影测高模块用于基于油罐阴影信息计算油罐的高度；储油量计算模块用于根据油罐高度和底部半径计算得到最大储油量；
还包括同名弧距计算模块，所述边界点自动捕捉模块根据图像子区域分割模块定位的同名弧边P’和P”，确定相对应的同名弧点A’和A”，经由所述同名弧距计算模块计算得到同名弧距A’A”；
其中过两个同名弧边的圆心且斜率为太阳方位的直线与两个同名弧边的交点为同名弧点，两个同名弧点之间的距离为同名弧距；
计算同名弧距包括：
在图像子区域分割模块定位的同名弧边上选取关键元素；
根据选取的关键元素确定相对应的同名弧点A’和A”；
计算得到同名弧距；
在图像子区域分割模块定位的同名弧边上选取关键元素包括：
基于几何精校正图像，分别在上述定位的油罐同名弧边P’和P”上任选三点，作为输入关键元素，其中：
同名弧边P’上的任三点坐标：P’1(x’1，y’1)、P’2(x’2，y’2)、P’3(x’3，y’3)；
同名弧边P”上的任三点坐标：P”1(x"1，y"1)、P”2(x"2，y"2)、P”3(x"3，y"3)；
确定相对应的同名弧点A’和A”包括：计算圆弧和过圆弧圆心且斜率为太阳方位的直线的交点坐标模型为：
Figure FDA0002406582060000021
上式中，K表示过圆心直线的斜率；R表示圆的半径；γ表示太阳方位角；
其中：圆心坐标M(A，B)、半径为R的圆的方程为(x-A)2+(y-B)2＝R2；过圆心M且斜率为K的直线方程为y＝Kx+B-KA；
分别将P’和P”的圆心坐标、半径以及直线斜率ctgγ代入上述交点坐标模型，可得到同名弧点A’(x'，y')和A”(x"，y")的坐标；
同名弧距为同名弧点A’(x'，y')和A”(x"，y")之间的距离，其表达式为：
Figure FDA0002406582060000022
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，卫星遥感图像浏览模块用于在人机交互时，获取油罐卫星图像及拍摄图像时的成像参数；其中所述成像参数包括：太阳高度角α、卫星高度角β、太阳方位角γ和卫星方位角θ。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括图像校正模块，用于对卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像进行几何精校正得到几何精校正图像；
其中，图像校正模块执行下述流程：
1)采集地面控制点：在获取的油罐卫星图像上，采集六个以上、具有清晰明显定位标志并尽可能均匀分布的控制点；
2)选择几何校正模型：选择多项式几何校正模型，建立图像坐标与参考坐标的关系；
3)图像重采样：采用重采样方法，对油罐卫星图像进行重新插值计算，生成几何精校正图像。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述图像子区域分割模块根据油罐在几何精校正卫星图像上的阴影边界特征，识别和定位油罐同名弧边P’和P”；其中同名弧边是指遥感图像上油罐顶部边缘的像P’和该边缘阴影的像P”；
同名弧边的识别与定位采取人机交互模式或专家判读模式；
人机交互模式，具体为首先基于计算机自动检测阴影边界，然后根据油罐阴影边界结合人工进行同名弧边的优选定位；
专家模式，基于专家判读知识，直接进行同名弧边的判读定位。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括图像增强模块，所述图像增强模块对图像校正模块输出后的图像进行增强，经图像增强模块输出的图像输入图像子区域分割模块。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述油罐阴影测高模块将卫星遥感图像浏览模块获取的油罐卫星图像成像参数及边界点自动捕捉模块得到的同名弧距代入油罐测高模型，得到油罐高度H。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述储油量计算模块根据油罐阴影测高模块得到油罐的高度H和同名弧距计算模块得到的半径R，结合圆柱公式计算出油罐的体积，从而得到油罐的最大储油量。
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