CN104851130A - 一种卫星遥感影像的三维生成方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星遥感影像的三维生成方法，步骤为：(1)获取卫星遥感正射影像；(2)利用数字高程模型数据反演每一个像元的坡角和坡向；(3)从卫星遥感影像元文件中，查找原始卫星遥感影像每一个像元的太阳高度角、方位角和空间分辨率信息；(4)计算得到每一个像元的地形生成因子；(5)将地形生成因子与卫星遥感正射影像上的对应像元的DN值相乘，得到三维卫星遥感影像。本发明利用地面高程信息推算卫星遥感影像成像时的真实地表明暗差异及阴影分布，反演每个像元的地形因子并与卫星遥感影像进行拟合，使得平面地貌信息中融入了真实的地表高低、明暗等地形信息，使平面卫星遥感影像能同时显示三维效果，更易于辨识地貌形态。

Description

一种卫星遥感影像的三维生成方法

技术领域

本发明属于遥感图像处理领域，涉及一种三维遥感图像的生成方法。

背景技术

卫星遥感影像具有快速获取大范围地表信息的能力，能够直观、真实地反映地表综合景观特征，目前已取得了广泛应用。但卫星遥感影像显示的为二维景观，不能直观表达地表起伏的三维信息，如何对平面图像赋予地表实际高低起伏的地貌形态，使其具有三维仿真效果，是制图学中的难点之一。

目前，要获取卫星遥感影像的三维图像，使之具有立体效果，一般都是用ERDAS、ARGIS等商业软件中类似Google Earth的三维显示模块，根据数字高程模型(DEM)和卫星遥感影像的地理坐标信息进行匹配，即以三维显示的DEM为底，根据对应的地理坐标将卫星遥感影像叠加到DEM上进行显示，这种方法仅能在***中在线演示，而且仅是一种叠加效果，并非赋予卫星遥感影像本身三维地形特征，也无法生成具有三维地形效果的卫星遥感图片，使用方法复杂且便利性不高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星遥感影像的三维生成方法，利用地面高程信息推算卫星遥感影像成像时的真实地表明暗差异及阴影分布，反演卫星遥感影像的每个像元的地形因子，再与卫星遥感影像进行拟合，赋予平面地貌形态真实的地表高低、明暗等地形信息，直接生成平面的但同时具有三维显示效果的卫星遥感图片，使得平面卫星遥感图像具有立体感，更能直观反映真实的地表和地貌形态。

本发明的技术解决方案是：一种卫星遥感影像的三维生成方法，包括如下步骤：

(1)获取原始卫星遥感影像，对原始卫星遥感影像进行正射校正，获得卫星遥感正射影像；

(2)利用数字高程模型数据反演原始卫星遥感影像每一个像元的坡角β和坡向θ；

(3)从卫星遥感影像元文件中，查找原始卫星遥感影像每一个像元的太阳高度角ω、方位角α和空间分辨率数值Δ；

(4)利用步骤(3)和步骤(4)的结果，计算得到原始卫星遥感影像每一个像元的地形生成因子S_BCGH＝Δ²*(1+tanβ·cotω·cos(α-θ))；

(5)将每一个像元的地形生成因子与步骤(1)中卫星遥感正射影像上的对应像元的DN值进行乘法运算，得到三维卫星遥感影像。

所述的坡角β和坡向θ的计算方法为：

$\mathrm{\β}=\arctan \sqrt{{\left(\frac{(C_5+C_2+C_6)-(C_8+C_4+C_7)}{6P}\right)}^2+{\left(\frac{(C_7+C_3+C_6)+(C_8+C_1+C_5)}{6P}\right)}^2}$

其中，P为地面高程模型的采样间隔，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈分别为与像元C相邻像元的高程值，像元C正上方像元对应的高程值为C₂，然后沿顺时针方向，与像元C相邻像元的高程值依次为C₆、C₃、C₇、C₄、C₈、C₁、C₅。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法从卫星遥感影像成像的原理和卫星遥感影像三维可视化模拟角度出发，充分考虑地形对卫星成像的影响，通过引入地形生成因子对原始卫星遥感影像进行改进，模拟受地形影响产生的明暗差异在卫星影像上的表现，具有较强的理论依据，可以生成具有显著立体感、真实展现地形地貌的具有三维立体效果的平面卫星图像，操作简单、使用灵活方便，更易于在实际业务工作中应用。经过三维地形模拟后的图像比原始图像立体感明显增强，凸显了地形山脊线、山谷线的空间展布，能够直观判读地貌地形，具有较好的可视化效果，在提高视觉美观和立体感的同时，在工程选线、地质环境调查等领域具有良好的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明计算像元坡角和坡向时相邻像元高程值的分布示意图；

图3为本发明地形生成因子计算示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

(1)获取原始卫星遥感影像，对原始卫星遥感影像进行正射校正，获得卫星遥感正射影像。

例如，可以利用ERDAS软件，选择正射校正模块，打开原始卫星遥感影像和参考影像，这里参考影像可以是地形图等具有精确定位信息的资料。在原始卫星遥感影像和参考影像上选取20余个同名控制点，进行正射校正，得到具有精确定位的卫星遥感正射影像。

(2)利用数字高程模型(DEM)数据反演坡角和坡向。

数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，坡角、坡向及坡角变化率等地形特征可以在DEM的基础上进行推算反演。数字高程模型数据为利用DEM生成的数据产品，其表现形式与卫星遥感影像相同，每个像元都具有地理坐标信息，像元值即为该坐标处的高程值。

坡角反映曲面的倾斜程度，定义为曲面上一点P的法线方向与垂直方向(即天顶)之间的夹角，而坡向是斜坡面对的方向，定义为P的法线正方向在平面的投影与正北方向按顺时针方向的夹角。

根据文献资料(刘学军等.基于DEM的任意方向坡度计算方法[J].地域研究与开发，2009(04)：139-141.)，对于空间曲面z＝f(x,y)上点C(x,y)，坡角为沿C的梯度反方向f(x,y)取得的下降最快值，其下降最快方向即为坡向。

坡角β和坡向θ的计算公式为：

$\mathrm{\β}=\arctan \sqrt{f_x^2+f_y^2}$

θ＝arctan(f_y/f_x)

式中f_x，f_y分别为x,y方向的偏导数。

实际工作中，坡向一般以北方向为起始方向，并按顺时针方向度量，则坡向在x轴为南北方向、y轴为东西方向的坐标系中表示为：

θ＝270°+arctan(f_y/f_x)-90°*(f_x/|f_x|)

在DEM数据中，f_x和f_y的计算一般是在局部范围内(3*3移动窗口，如图2所示)，利用数值微分方法或局部曲面拟合方法进行，计算公式如下：

$f_x=\frac{(C_5+C_2+C_6)-(C_8+C_4+C_7)}{6P}$

$f_y=\frac{(C_7+C_3+C_6)-(C_8+C_1+C_5)}{6P}$

其中，P为数字高程模型数据的采样间隔，记录在数字高程模型数据的元文件中，元文件一般以*.xml、*.txt等格式存储，打开可以直接读取数据的采样间隔。C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈分别为与像元C相邻像元的高程值，具体分布如图2所示。

由以上推导得出，本发明中坡角β和坡向θ的计算公式如下：

$\mathrm{\β}=\arctan \sqrt{{\left(\frac{(C_5+C_2+C_6)-(C_8+C_4+C_7)}{6P}\right)}^2+{\left(\frac{(C_7+C_3+C_6)+(C_8+C_1+C_5)}{6P}\right)}^2}$

对于处于影像边缘的像元，缺少的值以数值0替代。

(3)从卫星遥感影像元文件中，查找该景影像成像时的太阳高度角ω和太阳方位角α，以及该影像的空间分辨率Δ。

每景卫星遥感影像都包含有元文件，元文件一般以*.xml、*.txt等格式存储，包含有该景卫星遥感影像的基本信息，如成像时间、经纬度范围、空间分辨率、太阳高度角和太阳方位角等。

太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。空间分辨率是指像元所代表的地面范围的大小，即卫星遥感影像上能够识别的两个相邻地物的最小距离。

由于卫星的幅宽有限，一景图像内的太阳高度角和方位角基本一致，因此在卫星遥感影像成像时同步测量影像中心点的太阳高度角和方位角并记录在卫星遥感影像元数据中，作为该景图像各像元的太阳高度角和方位角值。

卫星遥感影像的空间分辨率则是作为卫星载荷的重要参数在卫星传感器设计时就已确定，同一传感器获取的卫星遥感影像的空间分辨率相同。

(4)计算地形生成因子。

由于受地形高低起伏影响，地表会出现阴坡、阳坡等明暗差异，表明投影到平面二维卫星遥感影像上的各个像元所接收的直射太阳辐射能量是不同的，反而言之，像元所接收的直射太阳辐射能量亦能够成为反映地形的重要因素。因此，本发明采用像元所接收的直射太阳辐射能量推导卫星成像时地表的真实明暗差异情况，用以修正平面的卫星遥感影像，赋予卫星遥感影像真实的地形环境，从而凸显平面图像的三维显示效果，使得地貌地形更易辨识。

由于卫星影像像元所接收的直射太阳辐射能量与其在太阳直射方向的水平投影面积成正比，因此本发明将每个卫星影像像元在太阳直射方向的水平投影面积作为地形生成因子。

如图3所示，假设ABCD为某像元的真实地表，其位于坡角为β、坡向为θ的坡面上，其垂直投影BCEF为卫星遥感影像上的像元范围，该像元接收的直射太阳辐射能量与ABCD在太阳直射方向的水平投影BCGH成正比，BCGH的面积即为本发明中使用的地形生成因子。

BCGH的面积S_BCGH计算公式如下：

S_BCGH＝S_BCEF*(1+tanβ·cotω·cos(α-θ))＝Δ²*(1+tanβ·cotω·cos(α-θ))式中S_BCEF为BCEF的面积，β为ABCD的坡角，ω为太阳高度角，α为太阳方位角，θ为ABCD的坡向，S_BCEF仅与卫星遥感影像的空间分辨率Δ相关，S_BCEF＝Δ²。

根据以上公式可以计算出卫星遥感影像成像时各个像元的地形生成因子。

(5)将地形生成因子与卫星遥感正射影像进行乘法计算，得到地形生成后的卫星遥感影像。

利用ERDAS软件，将地形生成因子与卫星遥感正射影像各像元的原始DN值进行乘法运算，得到经过地形生成后的图像。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种卫星遥感影像的三维生成方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)获取原始卫星遥感影像，对原始卫星遥感影像进行正射校正，获得卫星遥感正射影像；

(2)利用数字高程模型数据反演原始卫星遥感影像每一个像元的坡角β和坡向θ；

(3)从卫星遥感影像元文件中，查找原始卫星遥感影像每一个像元的太阳高度角ω、方位角α和空间分辨率数值Δ；

(4)利用步骤(3)和步骤(4)的结果，计算得到原始卫星遥感影像每一个像元的地形生成因子S_BCGH＝Δ²*(1+tanβ·cotω·cos(α-θ))；

(5)将每一个像元的地形生成因子与步骤(1)中卫星遥感正射影像上的对应像元的DN值进行乘法运算，得到三维卫星遥感影像。

2.根据权利要求1所述的一种卫星遥感影像的三维生成方法，其特征在于：所述的坡角β和坡向θ的计算方法为：

$\mathrm{\β}=\arctan \sqrt{{\left(\frac{(C_5+C_2+C_6)-(C_8+C_4+C_7)}{6P}\right)}^2+{\left(\frac{(C_7+C_3+C_6)-(C_8+C_1+C_5)}{6P}\right)}^2}$

其中，P为地面高程模型的采样间隔，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈分别为与像元C相邻像元的高程值，像元C正上方像元对应的高程值为C₂，然后沿顺时针方向，与像元C相邻像元的高程值依次为C₆、C₃、C₇、C₄、C₈、C₁、C₅。