CN108981673B - 利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，包括首先，提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标，利用每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数，计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；其次，根据每幅星载光学遥感图像对应的卫星位置和地面点对应的三维辅助坐标，计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数；最后，利用变换系数和卫星位置及地面点辅助坐标，计算地面点的三维位置。本公开应用了星载光学遥感图像的平台参数和相机参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也不需迭代和近似过程，有效简化计算过程，更加适合大规模工程化应用。

Description

利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法

技术领域

本公开涉及遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法。

背景技术

星载光学遥感图像经过几何定位或几何校正后只能获取地面二维图像信息，为了得到地面的三维位置信息，一般需要采用立体相对的方法来得到地面点的三维信息。立体相对是根据获取的同一区域的两幅图像利用空间几何关系来计算地面点的三维位置，常规的处理流程是要经过相对定向和绝对定向两大过程，而每个过程均需要较为复杂的非线性迭代解算。基于两幅图像的立体相对所计算的地面点三维位置精度也较为有限，目前随着遥感的发展，对地面的某个点可以在多个时间上获取多幅光学遥感图像，遥感呈现出一定的大数据特点，这些覆盖同一区域的多幅光学遥感图像就构成了序列遥感图像(这儿序列图像的数量一般大于20幅)。由于这些序列光学遥感图像是对同一个地面点的多次重复观测，它们之间存在许多几何约束关系，充分应用序列图像间的空间几何关系就能提高地面三维位置解算精度，即序列化光学遥感图像计算的地面点三维位置要比常规两幅立体图像计算的三维位置精度高，而随着序列遥感图像数量的增加，三维位置精度也会随之提高，因此序列的光学遥感图像可以精化地面点的三维位置。

利用序列化的卫星光学遥感图像计算地面点的三维位置，也可以每次从序列图像中提取两幅图像进行常规的相对定向和绝对定向较复杂的非线性迭代解算过程，再将所有计算的结果整合求出地面点的最佳值，但是大数据量的序列化的图像会使计算过程十分复杂，不适合大规模工程化应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，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，提供了一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，包括：步骤S10：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标，利用每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数，计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；步骤S20：根据每幅星载光学遥感图像对应的卫星位置和地面点对应的三维辅助坐标，计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数；步骤S30：利用变换系数和卫星位置及地面点辅助坐标，计算地面点的三维位置。

在本公开的一些实施例中，步骤S10包括：步骤S11：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标为(x_i，y_i)；步骤S12：每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数为q0，q1，q2，q3；步骤S13：计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标，计算公式为：

其中，(X_i、Y_i、Z_i)为计算得到的每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；i表示从1开始到n结束的星载光学遥感图像的索引序号；n表示序列星载光学遥感图像的总数；f表示星载光学遥感图像的对应的光学相机焦距。

在本公开的一些实施例中，步骤S20包括：步骤S21：根据步骤S10计算，得到每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；步骤S22：计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数，计算公式为：

其中，N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数，i表示从1开始到(n-1)结束的光学星载光学遥感图像的索引序号，n表示序列星载光学遥感图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号；索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为i时对应的地面点三维辅助坐标为(X_i、Y_i、Z_i)；索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为j时对应的地面点三维辅助坐标为(X_j、Y_j、Z_j)。

在本公开的一些实施例中，步骤S30中计算地面三维位置的计算公式为：

其中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置；n表示序列星载光学遥感图像的总数；

表示i从1开始到n-1结束进行求和计算；

表示j从(i+1)开始到n结束进行求和计算；

表示索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；

表示索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；(X_i、Y_i、Z_i)表示索引序号为i时，对应的地面点三维辅助坐标；(X_j、Y_j、Z_j)表示索引序号为j时，对应的地面点三维辅助坐标；N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数。

在本公开的一些实施例中，步骤S10中提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标的方法为通过图像匹配软件和/或人工进行提取。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)应用了星载光学遥感图像的平台参数和相机参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也不需迭代和近似过程，有效简化计算过程，更加适合大规模工程化应用。

(2)三维位置的计算中将全部序列星载光学遥感图像综合在一起并采用了统一的计算方法，不会因星载光学遥感图像的数量变化对计算步骤和方法产生影响。

附图说明

图1为本公开实施例利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法的流程框图。

具体实施方式

本公开提供了一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，包括首先，提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标，利用每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数，计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；其次，根据每幅星载光学遥感图像对应的卫星位置和地面点对应的三维辅助坐标，计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数；最后，利用变换系数和卫星位置及地面点辅助坐标，计算地面点的三维位置。本公开应用了星载光学遥感图像的平台参数和相机参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也不需迭代和近似过程，有效简化计算过程，更加适合大规模工程化应用。

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。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法。图1为本公开实施例利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法的流程框图。如图1所示，本公开包括：

步骤S10：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标，利用每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数，计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；所述步骤S10包括：步骤S11：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标为(x_i，y_i)，这里提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标的方法可以为通过图像匹配软件，也可以为人工进行提取；步骤S12：每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数为q0，q1，q2，q3；步骤S13：计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标，计算公式为：

其中，(X_i、Y_i、Z_i)为计算得到的每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；i表示从1开始到n结束的星载光学遥感图像的索引序号；n表示序列星载光学遥感图像的总数；f表示星载光学遥感图像的对应的光学相机焦距。

步骤S20：根据每幅星载光学遥感图像对应的卫星位置和地面点对应的三维辅助坐标，计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数；所述步骤S20包括：步骤S21：根据步骤S10计算，得到每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；步骤S22：计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数，计算公式为：

其中，N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数，i表示从1开始到(n-1)结束的星载光学遥感图像的索引序号，n表示序列星载光学遥感图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号；索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为i时对应的地面点三维辅助坐标为(X_i、Y_i、Z_i)；索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为j时对应的地面点三维辅助坐标为(X_j、Y_j、Z_j)。

步骤S30：利用变换系数和卫星位置及地面点辅助坐标，计算地面点的三维位置，具体计算公式为：

其中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置；n表示序列星载光学遥感图像的总数；

表示i从1开始到n-1结束进行求和计算；

表示j从(i+1)开始到n结束进行求和计算；

表示索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；

表示索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；(X_i、Y_i、Z_i)表示索引序号为i时，对应的地面点三维辅助坐标；(X_j、Y_j、Z_j)表示索引序号为j时，对应的地面点三维辅助坐标；N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数。

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利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开三维位置的计算中将全部序列星载光学遥感图像综合在一起并采用了统一的计算方法，不会因序列星载光学遥感图像的数量变化对计算步骤和方法产生影响。通过应用星载光学遥感图像的平台参数和相机参数直接显式地计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也不需迭代和近似过程，有效简化计算过程，更加适合大规模工程化应用。

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***或者其它设备固有相关。各种通用***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***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 (4)

1.一种利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，包括：

步骤S10：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标，利用每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数，计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；所述步骤S10包括：

步骤S11：提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标为(x_i，y_i)；

步骤S12：每幅星载光学遥感图像所对应的星敏四元数参数为q0，q1，q2，q3；

步骤S13：计算每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标，计算公式为：

其中，(X_i、Y_i、Z_i)为计算得到的每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；i表示从1开始到n结束的星载光学遥感图像的索引序号；n表示序列星载光学遥感图像的总数；f表示星载光学遥感图像的对应的光学相机焦距

步骤S20：根据每幅星载光学遥感图像对应的卫星位置和地面点对应的三维辅助坐标，计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数；

步骤S30：利用变换系数和卫星位置及地面点辅助坐标，计算地面点的三维位置。

2.根据权利要求1所述的利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，所述步骤S20包括：

步骤S21：根据步骤S10计算，得到每幅星载光学遥感图像上地面点对应的三维辅助坐标；

步骤S22：计算任意两幅星载光学遥感图像构成的变换系数，计算公式为：

其中，N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数，i表示从1开始到(n-1)结束的光学星载光学遥感图像的索引序号，n表示序列星载光学遥感图像的总数，j表示从i+1开始到n结束的索引序号；

索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为i时对应的地面点三维辅助坐标为(X_i、Y_i、Z_i)；

索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标为

索引序号为j时对应的地面点三维辅助坐标为(X_j、Y_j、Z_j)。

3.根据权利要求1所述的利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，所述步骤S30中计算地面三维位置的计算公式为：

其中，(X、Y、Z)表示计算的地面点三维位置；n表示序列星载光学遥感图像的总数；

表示i从1开始到n-1结束进行求和计算；

表示j 从(i+1)开始到n结束进行求和计算；

表示索引序号为i时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；

表示索引序号为j时，自卫星下传的辅助数据中提取的星载光学遥感图像所对应的卫星三维辅助坐标；(X_i、Y_i、Z_i)表示索引序号为i时，对应的地面点三维辅助坐标；(X_j、Y_j、Z_j)表示索引序号为j时，对应的地面点三维辅助坐标；N_ij和M_ij表示索引号为i和j之间的两个变换系数。

4.根据权利要求1所述的利用序列星载光学遥感图像计算地面点三维位置的方法，步骤S10中提取地面点在每幅星载光学遥感图像上的二维图像坐标的方法为通过图像匹配软件和/或人工进行提取。

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