CN110940966A - 一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，该方法包括以下步骤：激光测高卫星数据获取步骤：获取足印影像和卫星测绘影像，所述足印影像中包括激光足印；足印影像足印中心探测步骤：在足印影像中探测出激光足印中心；足印定位步骤：将足印影像中的激光足印中心转换到卫星测绘影像中，获取激光足印平面定位结果。与现有技术相比，本发明基于GF‑7号卫星的载荷特点(搭载足印相机)进行激光足印平面定位，具有平面定位精度高和激光足印中心探测的效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光测高技术领域，尤其是涉及一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法。
背景技术
卫星激光测高因其探测精度高，指向性强，成为了对地观测的重要技术之一。将星载激光测高技术应用于高分辨率测绘卫星，辅助光学相机等载荷提高高程精度是一种新颖的手段。激光测高仪上包含激光发射器和激光接收器，各部件按照设计的安装角安装在卫星上，但各角在卫星在发射过程中受到机械的震动及在运行过程中复杂的太空环境会发生变化，致使激光发射器与激光接收器、卫星平台之间的实际安装角与设计值有微小偏差，使得激光打在地面上的水平位置不确定。因此，高精度在轨几何检校是激光数据应用的前提。
激光以一定的发散角从卫星平台发射到地面并非一个点，而是一个有一定半径的圆形光斑，称为激光足印。对于基于地面探测器的星载激光测高仪在轨几何检校而言，激光足印中心(即激光发射器指向地面点的确切位置)的确定是在轨几何检校的第一步，其精度高低直接影响到检校的精度。
但由于卫星激光测高缺乏对地表的纹理细节描述，使激光足印定位结果中平面位置的精度比高程的精度差。关于该问题，目前主要的应对策略分为3种，包括直接使用其定位信息而不仔细检查位置偏差、仅使用其高程信息作为高程控制点、通过与其他遥感影像在三维空间坐标系的相似变换或二维平面坐标系下的点线特征进行匹配提高其平面位置信息，如公开号为CN106646430A的发明，公开了一种基于地面探测器的激光足印中心确定方法，该方法根据地面探测器进行激光足印定位；公开号为CN105631886A的发明，公开了一种基于航空影像的激光光斑与足印相机相对定位方法，该方法通过在地面铺设发光靶标进行激光足印定位；这些方法都受到了卫星激光测高点在地形分布上的限制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种平面定位结果精度高、不受地形分布限制的基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，该方法包括以下步骤：
激光测高卫星数据获取步骤：获取足印影像和卫星测绘影像，所述足印影像中包括激光足印；
足印影像足印中心探测步骤：在足印影像中探测出激光足印中心；
足印定位步骤：将足印影像中的激光足印中心转换到卫星测绘影像中，获取激光足印平面定位结果。
进一步地，所述足印影像足印中心探测步骤具体包括以下步骤：
S101：以预设的激光足印中心值为中心，选择第一区域作为初始激光足印探测区域；
S102：在初始激光足印探测区域中，获取灰度最大值的坐标位置，以该位置为中心，选择第二区域作为激光足印探测区域；
S103：在激光足印探测区域中进行激光足印中心探测。
进一步地，所述步骤S103中，采用灰度重心法、高斯拟合法、Gabor拟合法或椭圆拟合法，在激光足印探测区域中进行激光足印中心探测。
进一步地，所述预设的激光足印中心值由生成足印影像的仪器的硬件设置确定。
进一步地，所述第一区域为边长为激光足印长度四倍的正方形区域。
进一步地，所述第二区域为边长为激光足印长度二倍的正方形区域。
进一步地，所述足印定位步骤具体包括以下步骤：
S201：对卫星测绘影像进行重采样，使得卫星测绘影像与足印影像的空间分辨率相同；
S202：对重采样后的卫星测绘影像与足印影像进行影像配准，获得两幅影像的同名点像对，构建卫星测绘影像与足印影像间的坐标转换关系；
S203：根据步骤S202获取的坐标转换关系，将激光足印中心转换到卫星测绘影像中，获取激光足印平面定位结果。
进一步地，所述步骤S202中，采用新的亚像素相位相关方法，进行影像配准。亚像素相位相关方法在fourie域中可以直接获得准确可靠的亚像素估计。
进一步地，所述坐标转换关系表示为二阶多项式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于GF-7号卫星的载荷特点(搭载足印相机)，提出了一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，并通过多幅模拟的足印影像进行验证；验证结果表明了该方法可以实现激光足印高精度平面位置的提取，激光足印中心在测绘影像中的平面定位精度可优于1m。
(2)本发明激光足印平面定位方法在足印影像足印中心探测步骤中，可以通过四种方法在激光足印探测区域中进行激光足印中心探测，并通过实验得出结论：椭圆拟合法在足印影像中表现性能最佳，其次是高斯拟合法和Gabor拟合法。
(3)本发明激光足印平面定位方法在足印影像足印中心探测步骤中，在对激光足印中心进行探测前，先在足印影像中提取出激光足印探测区域，提高了激光足印中心探测的效率和准确度。
(4)本发明激光足印平面定位方法在足印定位步骤，采用亚像素相位相关方法进行影像配准，可以直接获得准确可靠的足印定位结果。
附图说明
图1为足印影像示意图；
图2为本发明激光足印平面定位方法的流程示意图；
图3为本发明实施例足印影像模拟示意图；
图4为本发明实施例对不同方法的足印影像足印中心探测精度分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
星载激光测高技术具有探测方向性好、测距精度高等特点，是最为核心和前沿的对地观测技术之一。除了一些实验性载荷，如SLA01等，由美国国家航空航天局发射的ICESat卫星的激光测高仪(GLAS)是真正意义上的全球第一个星载卫星激光测高系统，主要科学目标在于测量南北极冰盖高程和、海冰的变化、云和气溶胶高度，以及地形和植被特征参数。目前，该卫星已停止工作，其第二代新型的激光测高卫星ICESat-2也已于2018年9月15日发射，正在发布相关数据中。我国除发射资源三号02星实验性载荷外，于2019年11月3日发射的高分七号(GF-7)激光测高仪是我国第一台业务化运行的星载激光测高仪。该卫星不同之前的发射激光测高卫星，其卫星上还搭载了足印相机，可以辅助测高仪提高足印平面定位精度，更好地解决卫星激光测高仪在对地观测中缺乏对地表的纹理细节描述能力从而使得其足印平面定位精度比高程定位精度差的问题。关于该问题，先前的应对的策略主要分为3种，包括直接使用其定位信息而不仔细检查位置偏差、仅使用其高程信息作为高程控制点、通过与其他遥感影像在三维空间坐标系的相似变换或二维平面坐标系下的点线特征进行匹配提高其平面位置信息，但这些方法都受到卫星激光测高点足印点在地形分布上的限制。因此，本实施例基于GF-7号卫星的载荷特点(搭载足印相机)，提出了一种基于激光测高卫星足印影像的高精度激光足印平面定位方法，并通过模拟的足印影像进行验证。
激光测高卫星的激光测高仪向地球表面发射激光束进行表面高程探测时，卫星上搭载的足印相机对该激光束进行成像并获取发射激光的光斑影像。在该过程中，足印相机在对测高仪发射的一束激光束的足印进行有效成像时，也对地球表面进行有效成像并生成一幅足印影像。如图1所示，该足印影像中不仅有地物影像也有激光足印影像。
如图2所示，本实施例一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法主要包括两个部分：(1)在足印影像坐标系下，对激光足印中心坐标进行探测提取。(2)通过影像匹配，将激光足印中心在足印影像坐标下转换到测绘影像坐标系下，实现最终的高精度平面定位。
下面进行详细介绍：
1、足印影像足印中心探测
激光足印在足印影像中的分布比较小，如果直接在整幅足印影像中对激光足印中心进行探测会效率低下且精度比较低，特别足印影像中地物影像较复杂时，因此在对激光足印中心进行探测前，需先在足印影像中提取出激光足印探测区域。该探测区域的提取过程如下：
(1)首先以预设的激光足印中心值为中心，选择一个长度为激光足印大小4倍的正方形区域作为初始激光足印探测区域。预设的激光足印中心值为固定值，该值的是依据仪器硬件设置所得。
(2)在对该初始激光足印探测区域内，探测出区域内的灰度最大值(表现为在区域内最亮的点)所在的坐标位置，并以该位置为中心选择一个长度为激光足印大小2倍的正方形区域作为激光足印探测区域。
当获得了激光足印探测区域后，便可以使用常用的足印探测方法进行激光足印中心探测，在本文中，选取了四种常用的激光足印中心探测方法，包括灰度重心法、高斯拟合法、Gabor拟合法和椭圆拟合法。
2、激光足印中心在足印影像坐标下转换到测绘影像坐标系
首先将卫星测绘影像进行重采样，使得其影像空间分辨率与足印影像空间分辨率相同。然后通过影像配准的方法将重采样后的卫星测绘影像与足印影像进行配准，获得两幅影像的同名点像对。影像配准的处理所使用的配准算法为一种新的亚像素相位相关方法，该方法在fourie域中可以直接获得准确可靠的亚像素估计。依据这些同名点像对构建两幅影像间关于二阶多项式之间的坐标转换关系。最后依据该坐标转换关系和激光足印中心在足印影像中的坐标，实现激光足印中心在足印影像坐标系转换到测绘影像坐标系的处理过程，从而获得激光足印在测绘影像中的平面位置。
新的亚像素相位相关方法记载在文献“A Novel Subpixel Phase CorrelationMethod Using Singular Value Decomposition and Unified Random SampleConsensus”(Tong,X.H,Ye,Z.,Xu,Y.S.,et al.,2015.IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing,53(8):4143-4156)以及文献“Image Registration With Fourier-Based Image Correlation:A Comprehensive Review of Developments andApplications.”(Tong,X.H,Ye,Z.,Xu,Y.S.,et al.,2019.IEEE Journal of selectedtopics in applied earth observations and remote sensing,DOI:10.1109/JSTARS.2019.2937690)中。
3、实验结果与讨论
由于GF-7号卫星目前处于在轨测试中，无法以实际的足印影像对本文所提取的方法进行验证，因此，本实施例依据GF-7号卫星的载荷特点，通过一幅快鸟影像对足印影像进行模拟。其中，10幅足印影像如图3所示。图中黄色虚线边框为足印影像所在的区域，黄色圆圈为激光足印所在的位置。
通过使用四种不同的激光足印中心探测方法，10幅足印影像的激光足印中心的探测误差如图4所示。图中，蓝色线代表灰度重心法的探测结果误差、橙色线代表高斯拟合法的探测结果误差、灰色线代表Gabor拟合法的探测结果误差、黄色线代表椭圆拟合法的探测结果误差。总体上，四种激光足印探测方法中，灰度重心法的足印探测结果最差，而椭圆拟合法的足印探测结果最好。
依据激光足印中心在足印影像坐标下转换到测绘影像坐标系的处理过程，对生成的足印影像进行处理，结果如表1所示。处理过程中，足印影像与测绘影像的配准误差为0.16m。
表1激光足印中心平面定位精度分析
4、结论
本实施例基于GF-7号卫星的载荷特点(搭载足印相机)，提出了一种基于激光测高卫星足印影像的高精度激光足印平面定位方法，并通过多幅模拟的足印影像进行验证。验证结果表明了该方法可以实现激光足印高精度平面位置的提取，激光足印中心在测绘影像中的平面定位精度可优于1m。在四种不同的激光足印探测方法中，椭圆拟合法在足印影像中表现性能最佳，其次是高斯拟合法和Gabor拟合法，最差的是灰度重心法。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
激光测高卫星数据获取步骤：获取足印影像和卫星测绘影像，所述足印影像中包括激光足印；
足印影像足印中心探测步骤：在足印影像中探测出激光足印中心；
足印定位步骤：将足印影像中的激光足印中心转换到卫星测绘影像中，获取激光足印平面定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述足印影像足印中心探测步骤具体包括以下步骤：
S101：以预设的激光足印中心值为中心，选择第一区域作为初始激光足印探测区域；
S102：在初始激光足印探测区域中，获取灰度最大值的坐标位置，以该位置为中心，选择第二区域作为激光足印探测区域；
S103：在激光足印探测区域中进行激光足印中心探测。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述步骤S103中，采用灰度重心法、高斯拟合法、Gabor拟合法或椭圆拟合法，在激光足印探测区域中进行激光足印中心探测。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述预设的激光足印中心值由生成足印影像的仪器的硬件设置确定。
5.根据权利要求2所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述第一区域为边长为激光足印长度四倍的正方形区域。
6.根据权利要求2所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述第二区域为边长为激光足印长度二倍的正方形区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述足印定位步骤具体包括以下步骤：
S201：对卫星测绘影像进行重采样，使得卫星测绘影像与足印影像的空间分辨率相同；
S202：对重采样后的卫星测绘影像与足印影像进行影像配准，获得两幅影像的同名点像对，构建卫星测绘影像与足印影像间的坐标转换关系；
S203：根据步骤S202获取的坐标转换关系，将激光足印中心转换到卫星测绘影像中，获取激光足印平面定位结果。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述步骤S202中，采用新的亚像素相位相关方法，进行影像配准。
9.根据权利要求7所述的一种基于激光测高卫星足印影像的激光足印平面定位方法，其特征在于，所述坐标转换关系表示为二阶多项式。
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