CN108761444B - 联合星载sar和光学图像计算地面点高度的方法 - Google Patents

联合星载sar和光学图像计算地面点高度的方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，包括分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标；根据光学图像对应的卫星星敏四元数参数，计算光学图像的像方变换参数；根据光学卫星位置、SAR卫星位置和SAR卫星运动速度计算距离变换参数；利用像方变换参数、距离变换参数和SAR卫星运动速度计算地面点的高度。本公开通过联合星载SAR和光学图像，无需给出地面点的初值和迭代求解，就可以直接计算得到地面点的高度，具有直接而高效的特点，更加适合工程应用；同时严格应用了SAR图像的物理和几何模型以及光学图像的几何模型进行计算，没有进行任何逼近和替换，保证了高度计算结果的严密性。

Description

联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法
技术领域
本公开涉及遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法。
背景技术
星载合成孔径雷达(英文简称SAR，下文都用SAR表示)和光学遥感是最为典型两种遥感技术。SAR是通过装载在卫星上的雷达基于合成孔径的技术来获取地面的高分辨率图像，具有全天时、全天候的优势，光学遥感则是将光学相机安装在卫星上来获取地面的可见光或红外图像。而为了利用卫星遥感获取地面的高度信息，一般主要采用立体像对或干涉SAR等。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。而立体像对大多都要求采用同一种遥感器(都是SAR或都是光学)的遥感图像，大大限制了图像数据源的选择范围，其中光学遥感图像的立体像对受云层等天气影响大，且对图像侧视角、基高比等成像要求也十分苛刻，不易实现；而SAR立体像对由于SAR本身的侧视成像原理，局部几何畸变复杂，且受地形坡度起伏的影响，导致提取高程精度较低。
因此，越来越多的技术人员将研究方向集中在如何放宽对遥感成像条件的严格限制。但目前提出的各种方法基本都是联合SAR和光学等不同类型的遥感图像来提取地面的高度，但是解算过程中都是采用了复杂的非显式计算方法，需要提供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，工程应用中十分不方便。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，依据获取的同一地区的星载光学图像和SAR图像数据，可以无需迭代而直接计算得到地面点的高度，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，包括：步骤s10：分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标；步骤s20：根据光学图像对应的卫星星敏四元数参数，计算光学图像的像方变换参数；步骤s30：根据光学卫星位置、SAR卫星位置和SAR卫星运动速度计算距离变换参数；步骤s40：利用步骤s20获得的像方变换参数、步骤s30获得的距离变换参数和SAR图像运动速度计算地面点的高度。
在本公开的一些实施例中，步骤s10中，地面点在光学图像上的二维图像坐标为(x1，y1)；地面点在SAR图像上的二维图像坐标为(x2，y2)。
在本公开的一些实施例中，步骤s20中像方变换参数为：
Figure BDA0001672208840000021
m2＝2(q2q3-q0q1)x1+2(q1q2+q0q3)f
Figure BDA0001672208840000022
n1＝2(q1q3+q0q2)y1+2(q1q2-q0q3)f
Figure BDA0001672208840000023
Figure BDA0001672208840000024
其中，(x1，y1)为地面点在光学图像的二维图像坐标；q0，q1，q2，q3为该幅光学图像对应的卫星星敏四元数参数；f为光学相机的焦距。
在本公开的一些实施例中，步骤s30中距离变换参数为：
l1＝m1XS1+m2YS1+m3ZS1
l2＝n1XS1+n2YS1+n3ZS1
Figure BDA0001672208840000025
其中，(XS1、YS1、ZS1)表示光学卫星三维位置；(XS2、YS2、Zs2)表示SAR卫星三维位置；m1，m2，m3，n1，n2，n3为步骤s20获得的光学图像的像方变换参数；(VX、VY、VZ)表示SAR卫星运动三维速度；R0为近地点斜距；λ为雷达的波长；MX为斜距的分辨率；fD为多普勒频率。
在本公开的一些实施例中，步骤s40中地面点的高度为：
Figure BDA0001672208840000031
其中，Z目标表示计算的地面点高度；l1，l2，l3表示由步骤s30获得的距离变换参数；m1，m2，m3，n1，n2，n3表示由步骤s20获得的像方变换参数；VX为SAR卫星在X方向的速度。
在本公开的一些实施例中，利用图像匹配软件和/或人工测量分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标。
在本公开的一些实施例中，通过卫星下传辅助数据获得卫星星敏四元数参数。
在本公开的一些实施例中，通过卫星下传辅助数据获得光学和SAR卫星三维位置、SAR卫星运动三维速度和星载SAR的已知参数；星载SAR的已知参数包括近地点斜距、雷达波长和斜距的分辨率。
在本公开的一些实施例中，通过卫星下传辅助数据获得SAR卫星在X方向的速度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)通过联合星载SAR和光学图像，无需给出地面点的初值和迭代求解，就可以直接计算得到地面点的高度，具有直接而高效的特点，更加适合工程应用。
(2)严格应用了SAR图像的物理和几何模型以及光学图像的几何模型进行计算，没有进行任何逼近和替换，保证了高度计算结果的严密性。
附图说明
图1为本公开实施例联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法的流程框图。
图2(a)为在图1提供的方法中输入的地面点对应的SAR图像样例。
图2(b)为在图1提供的方法中输入的地面点对应的光学图像样例。
具体实施方式
本公开提供了一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，包括分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标；根据光学图像对应的卫星星敏四元数参数，计算光学图像的像方变换参数；根据光学卫星位置、SAR卫星位置和SAR卫星运动速度计算距离变换参数；利用像方变换参数、距离变换参数和SAR卫星运动速度计算地面点的高度。本公开通过联合星载SAR和光学图像，无需给出地面点的初值和迭代求解，就可以直接计算得到地面点的高度，具有直接而高效的特点，更加适合工程应用；同时严格应用了SAR图像的物理和几何模型以及光学图像的几何模型进行计算，没有进行任何逼近和替换，保证了高度计算结果的严密性。
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。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法。图1为本公开实施例联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法的流程框图。如图1所示，本公开包括
步骤s10：利用图像匹配软件和/或人工测量分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标；其中，地面点在光学图像上的二维图像坐标为(x1，y1)；地面点在SAR图像上的二维图像坐标为(x2，y2)。
步骤s20：根据光学图像对应的卫星星敏四元数参数，计算光学图像的像方变换参数，计算公式如下：
Figure BDA0001672208840000041
m2＝2(q2q3-q0q1)x1+2(q1q2+q0q3)f
Figure BDA0001672208840000042
n1＝2(q1q3+q0q2)y1+2(q1q2-q0q3)f
Figure BDA0001672208840000043
Figure BDA0001672208840000044
其中，(x1，y1)为地面点在光学图像的二维图像坐标；q0，q1，q2，q3为该幅星载光学图像对应的卫星星敏四元数参数，可以自卫星下传的辅助数据中读取；f为光学相机的焦距，可以由卫星研制方提供。
步骤s30：根据光学卫星位置、SAR卫星位置和SAR卫星运动速度计算距离变换参数，计算公式如下：
l1＝m1XS1+m2YS1+m3ZS1
l2＝n1XS1+n2YS1+n3ZS1
Figure BDA0001672208840000051
其中，(XS1、YS1、ZS1)表示光学卫星三维位置，可以自卫星下传的辅助数据中读取；(XS2、YS2、ZS2)表示SAR卫星三维位置，可以自卫星下传的辅助数据中读取；m1，m2，m3，n1，n2，n3为步骤s20获得的光学图像的像方变换参数；(VX、VY、VZ)表示SAR卫星运动三维速度，可以自卫星下传的辅助数据中读取；R0为近地点斜距，λ为雷达的波长，MX为斜距的分辨率，R0、λ和MX为星载SAR的已知参数，可以自卫星下传的辅助数据中读取；fD为多普勒频率，可以从星载SAR成像处理的参数中提取。
步骤s40：利用步骤s20获得的像方变换参数、步骤s30获得的距离变换参数和SAR卫星运动速度计算地面点的高度，计算公式如下：
Figure BDA0001672208840000052
其中，Z目标表示计算的地面点高度；l1，l2，l3表示由步骤s30获得的距离变换参数；m1，m2，m3，n1，n2，n3表示由步骤s20获得的像方变换参数；VX为SAR卫星在X方向的速度，可以自卫星下传的辅助数据中读取。
图2(a)为在图1提供的方法中输入的地面点对应的SAR图像样例。图2(b)为在图1提供的方法中输入的地面点对应的光学图像样例。如图2(a)和图2(b)所示，利用上述方法，当光学图像上的地面点坐标为(9291.0，5988.0)时，SAR图像上的地面点坐标为(5144.0，1973.0)，而光学卫星的位置为(4433577.93、20422019.31、505283.40)、星敏四元数参数为(0.000332643、0.023341469、0.49465758，0.7123234)，SAR图像对应的卫星位置为(4354638.406215、20766106.348257、495332.698677)、速度为(-20.692326、-10.398871、-0.280570)，采用星载SAR和光学图像联合计算得到的地面点高度值是71.6m。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，通过联合星载SAR和光学图像，无需给出地面点的初值和迭代求解，就可以直接计算得到地面点的高度，具有直接而高效的特点，更加适合工程应用；同时严格应用了SAR图像的物理和几何模型以及光学图像的几何模型进行计算，没有进行任何逼近和替换，保证了高度计算结果的严密性。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
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)

1.一种联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，包括：
步骤s10：分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标；
步骤s20：根据光学图像对应的卫星星敏四元数参数，计算光学图像的像方变换参数；其中，所述步骤s20中像方变换参数为：
Figure FDA0003297665610000011
m2＝2(q2q3-q0q1)x1+2(q1q2+q0q3)f
Figure FDA0003297665610000012
n1＝2(q1q3+q0q2)y1+2(q1q2-q0q3)f
Figure FDA0003297665610000013
Figure FDA0003297665610000014
其中，(x1，y1)为地面点在光学图像的二维图像坐标；q0，q1，q2，q3为该幅光学图像对应的卫星星敏四元数参数；f为光学相机的焦距；
步骤s30：根据光学卫星位置、SAR卫星位置和SAR卫星运动速度计算距离变换参数；其中，所述步骤s30中距离变换参数为：
l1＝m1XS1+m2YS1+m3ZS1
l2＝n1XS1+n2YS1+n3ZS1
Figure FDA0003297665610000015
其中，(XS1、YS1、ZS1)表示光学卫星三维位置；(XS2、YS2、ZS2)表示SAR卫星三维位置；m1，m2，m3，n1，n2，n3为步骤s20获得的光学图像的像方变换参数；(VX、VY、VZ)表示SAR卫星运动三维速度；R0为近地点斜距；λ为雷达的波长；MX为斜距的分辨率；fD为多普勒频率；
步骤s40：利用步骤s20获得的像方变换参数、步骤s30获得的距离变换参数和SAR图像运动速度计算地面点的高度，其中，所述步骤s40中地面点的高度为：
Figure FDA0003297665610000021
其中，Z目标表示计算的地面点高度；l1，l2，l3表示由步骤s30获得的距离变换参数；m1，m2，m3，n1，n2，n3表示由步骤s20获得的像方变换参数；VX为SAR卫星在X方向的速度。
2.根据权利要求1所述的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，其中，步骤s10中，地面点在光学图像上的二维图像坐标为(x1，y1)；地面点在SAR图像上的二维图像坐标为(x2，y2)。
3.根据权利要求1所述的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，其中，利用图像匹配软件和/或人工测量分别在光学图像和SAR图像上获取同一地面点对应的图像坐标。
4.根据权利要求1所述的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，其中，通过卫星下传辅助数据获得卫星星敏四元数参数。
5.根据权利要求1所述的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，其中，通过卫星下传辅助数据获得光学和SAR卫星三维位置、SAR卫星运动三维速度和星载SAR的已知参数；星载SAR的已知参数包括近地点斜距、雷达波长和斜距的分辨率。
6.根据权利要求1所述的联合星载SAR和光学图像计算地面点高度的方法，其中，通过卫星下传辅助数据获得SAR卫星在X方向的速度。
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