CN111121650B - 一种利用dem辅助卫星影像测算建筑物高度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法及系统，包括卫星影像数据、数字高程模型、卫星影像导入模块、像素模拟坐标采集模块、经纬度及高程迭代验证系统和建筑物高度运算及输出模块，经纬度及高程迭代验证系统用于通过有理函数正变换公式计算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的运算地面经纬度坐标并迭代运算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的地面经纬度坐标和高程值；建筑物高度运算及输出模块用于计算得出卫星影像中同一建筑物的高度并输出数据。本发明通过单幅遥感影像或卫星影像并结合公开DEM的高程数据通过迭代运算即可量测出建筑物的高度，能够大幅降低获取净空区建筑物高度的成本，同时也提高了效率。

Description

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法及系统

技术领域

本发明涉及净空区飞机起降飞行保障技术领域，尤其涉及一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法及系统。

背景技术

为了保证飞机起飞和降落飞行时，不能有地面的障碍物来妨碍导航和飞行，因此快速、周期监测净空区的人工建筑物高度的工作十分重要。目前常用的做法是人工巡查或者通过立体卫星影像，人工巡查是工作人员定期巡查净空区内的建筑物或障碍物高度，这比较费时费力且准确度较差；立体卫星影像是在立体环境下采集建筑物高度或者通过密集匹配的方法，获取地表的数字表面模型，来获得建筑物高度。通过立体卫星数据获取建筑物或障碍物高度的方法存在如下缺陷：一是专业性太强，操作复杂，对工作人员的专业素质要求太高；二是立体卫星数据被国外所垄断，商用价格昂贵，长周期性的购买数据，其成本太高，而中国机场数量较多，运营成本太大。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法及系统，通过单幅遥感影像或卫星影像并结合公开DEM的高程数据通过迭代运算即可量测出建筑物的高度，能够实现通过单幅卫星影像快速量测建筑物的高度，该方法能够大幅降低获取净空区的建筑物高度的成本，同时也提高了效率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法，其方法如下：

A、导入卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，在卫星影像上建立像素模拟坐标系，模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数，采集卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标数据，由此得到卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)；

B、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

C、从公开DEM上采集步骤B中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

D、以卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)替换卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，按照步骤B、步骤C的方法得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终；根据如下公式即可得出卫星影像中该建筑物的高度H，H＝Z_顶终-Z_底终；

E、重复步骤A～D即可得到卫星影像中所有建筑物的高度。

为了更好地实现本发明方法，所述步骤C中的阈值d取值范围如下：阈值d≤0.00001米。

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的系统，包括卫星影像数据、数字高程模型、卫星影像导入模块、像素模拟坐标采集模块、建筑物量测模块、经纬度及高程迭代验证系统和建筑物高度运算及输出模块，所述卫星影像数据存储有卫星影像和卫星影像RPC参数文件，所述数字高程模型存储有经纬度坐标体系下的高程值，所述卫星影像导入模块、建筑物量测模块、像素模拟坐标采集模块、经纬度及高程迭代验证系统、建筑物高度运算及输出模块依次连接，所述卫星影像导入模块用于导入卫星影像及卫星影像RPC参数文件，所述像素模拟坐标采集模块用于在卫星影像中建立像素模拟坐标系，所述模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，所述模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；所述建筑物量测模块用于在卫星影像中通过图像识别构建出卫星影像的所有建筑物，所述像素模拟坐标采集模块还用于采集建筑物量测模块所构建的同一建筑物的底部点像素坐标P1(x1，y1)以及顶部点像素坐标P2(x2，y2)；所述经纬度及高程迭代验证系统包括经纬度及高程迭代模块和验证模块，所述经纬度及高程迭代模块用于根据卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数通过有理函数正变换公式计算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的运算地面经纬度坐标并迭代运算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的地面经纬度坐标和高程值；所述验证模块用于对经纬度及高程迭代模块的迭代过程进行验证以确定是否结束迭代运算过程；所述建筑物高度运算及输出模块包括建筑物高度运算模块和数据输出模块，所述建筑物高度运算模块用于计算得出卫星影像中同一建筑物的高度，所述数据输出模块用于输出建筑物的地面经纬度坐标及高度。

为了更好地实现本发明系统，所述经纬度及高程迭代验证系统所包括的迭代运算及验证方法如下：

B1、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终，其方法如下：

B11、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B12、从公开DEM上采集步骤B11中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B11中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B11并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部存储有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

B2、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终，其方法如下：

B21、给定卫星影像中建筑物的顶部点P2的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B22、从公开DEM上采集步骤B21中运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B21中顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B21并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部设置有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过单幅遥感影像或卫星影像并结合公开DEM的高程数据通过迭代运算即可量测出建筑物的高度，能够实现通过单幅卫星影像快速量测建筑物的高度，该方法能够大幅降低获取净空区的建筑物高度的成本，同时也提高了效率。

附图说明

图1为本发明系统实施例的结构框图；

图2为本发明实施例的卫星影像底部点及顶部点示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法，其方法如下：

A、导入卫星影像数据，卫星影像数据来源于已有的卫星影像设备或购买的卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，在卫星影像上建立像素模拟坐标系，模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；如图2所示，图2举例说明截取一部分卫星影像并确定出一个建筑物的底部点与顶部点的示例，采集卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标数据，由此得到卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)；

B、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或“0”，HEIGHT_OFF值为RPC参数文件中的值，其为已知值，当然本实施例还可以任意选择一个值，其值最好为正值，其选择的值尽量与卫星影像的平均地面海拔或最低地面海拔或已知地面最低高程相适应；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，像点坐标(r,c)也即为底部点P1的像素坐标(公式中用r代表x1，c代表Y1)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

C、从公开DEM上采集步骤B中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，DX、DY均小于阈值d时(阈值d取值范围如下：阈值d≤0.00001米，阈值d选取的值越低，其精度就越高，运算迭代的次数也就越多)，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

D、以卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)替换卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，按照步骤B、步骤C的方法得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终；根据如下公式即可得出卫星影像中该建筑物的高度H，H＝Z_顶终-Z_底终；

E、重复步骤A～D即可得到卫星影像中所有建筑物的高度。

如图1所示，一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的系统，包括卫星影像数据、数字高程模型、卫星影像导入模块、像素模拟坐标采集模块、建筑物量测模块、经纬度及高程迭代验证系统和建筑物高度运算及输出模块，所述卫星影像数据存储有卫星影像和卫星影像RPC参数文件，所述卫星影像数据可以来源于已有的卫星影像设备或购买的卫星影像数据，卫星影像设备中存储有卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，卫星影像为图2所截取的卫星影像。数字高程模型又称DEM，为已有数据库，所述数字高程模型存储有经纬度坐标体系下的高程值，所述卫星影像导入模块、建筑物量测模块、像素模拟坐标采集模块、经纬度及高程迭代验证系统、建筑物高度运算及输出模块依次连接，所述卫星影像导入模块用于导入卫星影像及卫星影像RPC参数文件，所述像素模拟坐标采集模块用于在卫星影像中建立像素模拟坐标系，所述模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，所述模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；所述建筑物量测模块用于在卫星影像中通过图像识别构建出卫星影像的所有建筑物，所述像素模拟坐标采集模块还用于采集建筑物量测模块所构建的同一建筑物的底部点像素坐标P1(x1，y1)以及顶部点像素坐标P2(x2，y2)；所述经纬度及高程迭代验证系统包括经纬度及高程迭代模块和验证模块，所述经纬度及高程迭代模块用于根据卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数通过有理函数正变换公式计算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的运算地面经纬度坐标并迭代运算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的地面经纬度坐标和高程值；所述验证模块用于对经纬度及高程迭代模块的迭代过程进行验证以确定是否结束迭代运算过程；所述建筑物高度运算及输出模块包括建筑物高度运算模块和数据输出模块，所述建筑物高度运算模块用于计算得出卫星影像中同一建筑物的高度，所述数据输出模块用于输出建筑物的地面经纬度坐标及高度。

实施例二

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法，其方法如下：

A、导入卫星影像数据，卫星影像数据来源于已有的卫星影像设备或购买的卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，在卫星影像上建立像素模拟坐标系，模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；如图2所示，图2举例说明截取一部分卫星影像并确定出一个建筑物的底部点与顶部点的示例，采集卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标数据，由此得到卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)；

B、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值，HEIGHT_OFF值为RPC参数文件中的值，其为已知值，当然本实施例还可以任意选择一个值，其值最好为正值，其选择的值尽量与卫星影像的平均地面海拔或最低地面海拔或已知地面最低高程相适应；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，像点坐标(r,c)也即为底部点P1的像素坐标(公式中用r代表x1，c代表y1)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；其值为：

(Z₀，Y₀，X₀，r₀，c₀)为标准化的平移参数，(Z_s，Y_s，X_s，r_s，c_s)为标准化的比例参数，(Z₀，Y₀，X₀，r₀，c₀)与(Z_s，Y_s，X_s，r_s，c_s)均为卫星影像RPC参数文件里的已知值。

C、从公开DEM上采集步骤B中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B并依次迭代运算(即第二次运算为：利用步骤B中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B并得到底部点P1的第二次运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)，然后通过底部点P1的第二次运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)从公开DEM上采集该位置处的第二次高程值Zi，然后再以底部点P1的第二次运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、第二次高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B的运算，……，依次类推)；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，DX、DY均小于阈值d时(阈值d取值范围如下：阈值d≤0.00001米，阈值d选取的值越低，其精度就越高，运算迭代的次数也就越多)，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

D、给定卫星影像中建筑物的顶部点P2的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值，HEIGHT_OFF值为RPC参数文件中的值，其为已知值，当然本实施例还可以任意选择一个值，其值最好为正值，其选择的值尽量与卫星影像的平均地面海拔或最低地面海拔或已知地面最低高程相适应；利用卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，像点坐标(r,c)也即为顶部点P2的像素坐标(公式中用r代表x2，c代表y2)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；其值为：

(Z₀，Y₀，X₀，r₀，c₀)为标准化的平移参数，(Z_s，Y_s，X_s，r_s，c_s)为标准化的比例参数，(Z₀，Y₀，X₀，r₀，c₀)与(Z_s，Y_s，X_s，r_s，c_s)均为卫星影像RPC参数文件里的已知值。

F、从公开DEM上采集步骤D中运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤D中顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤D并依次迭代运算(即第二次运算为：利用步骤D中顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤D并得到顶部点P2的第二次运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)，然后通过顶部点P2的第二次运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)从公开DEM上采集该位置处的第二次高程值Zi，然后再以顶部点P2的第二次运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、第二次高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤D的运算，……，依次类推)；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，DX、DY均小于阈值d时(阈值d取值范围如下：阈值d≤0.00001米，阈值d选取的值越低，其精度就越高，运算迭代的次数也就越多)，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终；

G、根据如下公式即可得出卫星影像中该建筑物的高度H，H＝Z_顶终-Z_底终；

H、重复步骤A～G即可得到卫星影像中所有建筑物的高度。

一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的系统，包括卫星影像数据、数字高程模型、卫星影像导入模块、像素模拟坐标采集模块、建筑物量测模块、经纬度及高程迭代验证系统和建筑物高度运算及输出模块，所述卫星影像数据存储有卫星影像和卫星影像RPC参数文件，所述数字高程模型存储有经纬度坐标体系下的高程值，所述卫星影像导入模块、建筑物量测模块、像素模拟坐标采集模块、经纬度及高程迭代验证系统、建筑物高度运算及输出模块依次连接，所述卫星影像导入模块用于导入卫星影像及卫星影像RPC参数文件，所述像素模拟坐标采集模块用于在卫星影像中建立像素模拟坐标系，所述模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，所述模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；所述建筑物量测模块用于在卫星影像中通过图像识别构建出卫星影像的所有建筑物，所述像素模拟坐标采集模块还用于采集建筑物量测模块所构建的同一建筑物的底部点像素坐标P1(x1，y1)以及顶部点像素坐标P2(x2，y2)；所述经纬度及高程迭代验证系统包括经纬度及高程迭代模块和验证模块，所述经纬度及高程迭代模块用于根据卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数通过有理函数正变换公式计算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的运算地面经纬度坐标并迭代运算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的地面经纬度坐标和高程值；所述验证模块用于对经纬度及高程迭代模块的迭代过程进行验证以确定是否结束迭代运算过程；所述建筑物高度运算及输出模块包括建筑物高度运算模块和数据输出模块，所述建筑物高度运算模块用于计算得出卫星影像中同一建筑物的高度，所述数据输出模块用于输出建筑物的地面经纬度坐标及高度。

本发明系统中建筑物量测模块以及像素模拟坐标采集模块的底部点、顶部点像素坐标采集方法如下：

A1、向建筑物量测模块以及像素模拟坐标采集模块中导入卫星影像数据，本实施例的建筑物量测模块以及像素模拟坐标采集模块为相互交互模块，或者建筑物量测模块以及像素模拟坐标采集模块共同构成一个像素坐标采集系统，卫星影像数据来源于已有的卫星影像设备或购买的卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，像素模拟坐标采集模块在卫星影像上建立像素模拟坐标系，模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；如图2所示，图2举例说明截取一部分卫星影像并确定出一个建筑物的底部点与顶部点的示例，建筑物量测模块在卫星影像中通过图形识别技术构建出所有建筑物，像素模拟坐标采集模块在卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标数据，由此得到卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)；

本发明系统中经纬度及高程迭代验证系统所包括的迭代运算及验证方法如下：

B1、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终，其方法如下：

B11、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B12、从公开DEM上采集步骤B11中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B11中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B11并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部存储有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

B2、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终，其方法如下：

B21、给定卫星影像中建筑物的顶部点P2的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX

+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标(r,c)，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B22、从公开DEM上采集步骤B21中运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B21中顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B21并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部设置有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终。

本发明系统中建筑物高度运算及输出模块计算同一建筑物的高度方法如下：

D1、根据如下公式即可得出卫星影像中该建筑物的高度H，H＝Z_顶终-Z_底终；对卫星影像中所有建筑物进行高度迭代运算，即可得到卫星影像中所有建筑物的高度，然后输出卫星影像中建筑物的地面经纬度坐标及高度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的方法，其特征在于：其方法如下：

A、导入卫星影像数据，卫星影像数据包括卫星影像和RPC参数文件，在卫星影像上建立像素模拟坐标系，模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数，采集卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标数据，由此得到卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)；

B、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

C、从公开DEM上采集步骤B中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，DX、DY均小于阈值d时，阈值d取值范围如下：阈值d≤0.00001米，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

D、以卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)替换卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)，按照步骤B、步骤C的方法得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终；根据如下公式即可得出卫星影像中该建筑物的高度H，H＝Z_顶终-Z_底终；

E、重复步骤A～D即可得到卫星影像中所有建筑物的高度。

2.一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的系统，包括卫星影像数据和数字高程模型，所述卫星影像数据存储有卫星影像和卫星影像RPC参数文件，所述数字高程模型存储有经纬度坐标体系下的高程值，其特征在于：还包括卫星影像导入模块、像素模拟坐标采集模块、建筑物量测模块、经纬度及高程迭代验证系统和建筑物高度运算及输出模块，所述卫星影像导入模块、建筑物量测模块、像素模拟坐标采集模块、经纬度及高程迭代验证系统、建筑物高度运算及输出模块依次连接，所述卫星影像导入模块用于导入卫星影像及卫星影像RPC参数文件，所述像素模拟坐标采集模块用于在卫星影像中建立像素模拟坐标系，所述模拟坐标系的横轴坐标为像素的列数，所述模拟坐标系的纵轴坐标为像素的行数；所述建筑物量测模块用于在卫星影像中通过图像识别构建出卫星影像的所有建筑物，所述像素模拟坐标采集模块还用于采集建筑物量测模块所构建的同一建筑物的底部点像素坐标P1(x1，y1)以及顶部点像素坐标P2(x2，y2)；所述经纬度及高程迭代验证系统包括经纬度及高程迭代模块和验证模块，所述经纬度及高程迭代模块用于根据卫星影像中建筑物的底部点与顶部点的像素坐标、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数通过有理函数正变换公式计算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的运算地面经纬度坐标并迭代运算出建筑物的底部点、顶部点各自对应的地面经纬度坐标和高程值；所述验证模块用于对经纬度及高程迭代模块的迭代过程进行验证以确定是否结束迭代运算过程；所述建筑物高度运算及输出模块包括建筑物高度运算模块和数据输出模块，所述建筑物高度运算模块用于计算得出卫星影像中同一建筑物的高度，所述数据输出模块用于输出建筑物的地面经纬度坐标及高度。

3.按照权利要求2所述的一种利用DEM辅助卫星影像测算建筑物高度的系统，其特征在于：所述经纬度及高程迭代验证系统所包括的迭代运算及验证方法如下：

B1、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终，其方法如下：

B11、给定卫星影像中建筑物的底部点P1的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的底部点P1的像素坐标P1(x1，y1)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B12、从公开DEM上采集步骤B11中运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B11中底部点P1的运算地面经纬度坐标P1(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B11并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部存储有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的底部点P1的地面经纬度坐标和高程值Z_底终；

B2、所述经纬度及高程迭代模块计算卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终，其方法如下：

B21、给定卫星影像中建筑物的顶部点P2的初始高程值Z0，所述初始高程Z0为卫星影像数据中RPC参数文件中的HEIGHT_OFF值或0；利用卫星影像中建筑物的顶部点P2的像素坐标P2(x2，y2)、初始高程值Z0、RPC参数文件中的RPC参数，根据如下有理函数正变换公式计算建筑物的顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)：

其中，像点坐标(r,c)表示为以相应地面点空间坐标(X,Y,Z)为自变量的多项式的比值，p_i(X_n,Y_n,Z_n)为普通多项式，i＝1，2，3，4，形式如下：

p_i(X,Y,Z)＝a₀+a₁Z+a₂Y+a₃X+a₄ZY+a₅ZX+a₆YX+a₇Z²+a₈Y²+a₉X²+a₁₀ZYX+a₁₁Z²Y+a₁₂Z²X+a₁₃Y²Z+a₁₄Y²X+a₁₅ZX²+a₁₆YX²+a₁₇Z³+a₁₈Y³+a₁₉X³

上述式中的多项式系数a₀，……，a₁₉为有理函数系数，为RPC参数文件里的已知量，式中(r_n，c_n)表示为像点坐标，(X_n，Y_n，Z_n)表示为地面点空间坐标(X,Y,Z)的标准化坐标值；

B22、从公开DEM上采集步骤B21中运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)位置处的高程值Zi；利用步骤B21中顶部点P2的运算地面经纬度坐标P2(x0，y0)、高程值Zi、RPC参数文件中的RPC参数重复步骤B21并依次迭代运算；直至计算出的运算地面经纬度坐标与上次计算出的运算地面经纬度坐标的对应坐标差值DX、DY，验证模块内部设置有阈值d，验证模块对DX、DY进行验证，当DX、DY均小于阈值d时，结束迭代过程，并最终得到卫星影像中建筑物的顶部点P2的地面经纬度坐标和高程值Z_顶终。

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