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面向单幅卫星影像的自获取三角元高度计算方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向单幅卫星影像的自获取三角元高度计算方法，利用单幅卫星影像中存在的方向信息以及太阳方位角与太阳高度角之间的关系，计算出太阳高度角、太阳方位角和卫星方位角三个角度参数，然后将卫星高度角以建筑物高度和建筑物投影长度进行等效表示，最终求解出不含卫星高度角的三角元高度。针对单幅卫星影像中的建筑物高度求取问题效果良好。
【专利说明】面向单幅卫星影像的自获取三角元高度计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用单幅卫星影像信息计算物体高度的方法。
【背景技术】
[0002]近几年来各种高分辨率卫星影像相继出现，为人们利用遥感影像获取建筑物高度提供了可能性。建筑物高度获取在城市规划、城市经济活动以及军事领域中有广泛的应用，在利用卫星影像实现真实城市环境的三维虚拟重建中，建筑物高度获取是为建筑物三维建模提供建模数据的必要途径，决定着三维模型的建模精度，对整个三维虚拟重建环境的真实程度产生直接影响。目前，利用卫星影像获取建筑物高度信息的方法主要有两个研究方向:(1)利用立体像对进行立体量测；(2)从单幅遥感影像入手，利用阴影计算建筑物高度。由于利用立体像对获取高度对两幅遥感影像有着严格的要求，因此在很难在实际中得到应用。而利用阴影从单幅遥感影像中获取高度，则因其方便、经济、操作简单受到了广大研究者的关注。早期的研究简化了三维空间关系，假设太阳、卫星和建筑物位于同一平面，提出卫星成像的二维空间模型，对卫星影像中的建筑物高度进行计算，没有考虑太阳方位角和卫星方位角对阴影的影响。后续研究扩展到三维空间成像模型，进行了多方面的改进:一种是假设遥感影像采样方向为东西、南北方向，即像元的排列是东西、南北方向的，这种情况下没有考虑卫星方位角对阴影测量的影响；一种是根据太阳、卫星与建筑物的相对位置分情况讨论建筑物高度计算模型的方法，这种方法假设“太阳、卫星对屋顶同一点在地面上投影点的连线垂直于建筑物主轴方向(即:建筑物的长边)”，但是多数卫星影像中的图像特征并不满足这一特定情况；另外还有利用垂直于建筑物主轴方向的阴影长度计算建筑物高度的算法，这种算法需要单独量测垂直于建筑物主轴方向的阴影长度和建筑物的方位角，增加了计算的工作量。另一种思路是利用建筑物高度H与阴影长度L之间的线性关系H=K*L，通过已知建筑物的高度和对应阴影长度，反推出K值，进而计算其他建筑物高度，这种方法需要预先知道影像中某一建筑物的实际高度，这一约束条件在实际应用中往往难以达到。
[0003]以上利用阴影计算建筑物高度的方法中，除方法“H=K*L”外，从原理上讲，太阳方位角、太阳高度角、卫星方位角和卫星高度角四个参数对高度的求解结果都有影响，建筑物高度计算有解的前提建立在已经提供所有四个角度参数的情况下(一些算法简化地不考虑某些参数的影响，会增大计算误差)。这里称这类方法为“阴影基四角元高度计算法”，其中“四角元”指太阳方位角、太阳高度角、卫星方位角和卫星高度角这四个角度参数。但实际中，这四个角度参数的数据由卫星发射方存放入遥感影像的元数据中，对普通研究者来说很难获取到，这一矛盾严重限制了基于阴影计算建筑物高度的方法的应用和推广。

【发明内容】

[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自获取三角元高度计算法，基于摄影测量理论，首先充分利用单幅卫星影像中存在的方向信息，以及太阳方位角与太阳高度角之间的关系，并辅以星空模拟软件Stellarium计算出太阳高度角、太阳方位角和卫星方位角三个角度参数。因这三个角度参数由该方法自行推导获得，故称之为“自获取三角元”。在此基础上，针对卫星高度角仍无法得到的问题，将卫星高度角以建筑物高度和建筑物投影长度进行等效表示，进一步推导，最终求解出不含卫星高度角的三角元高度。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
[0006]步骤一、从卫星影像中测量计算参数:
[0007](I)卫星方位角α:测量卫星影像中建筑物侧棱I在像平面上的投影与正北方向的夹角，即为卫星方位角；以正北方向为起始位置，顺时针方向旋转为正角；
[0008](2)太阳方位角α’:测量卫星影像中建筑物侧棱阴影在像平面上的投影与正北方向的夹角，即为太阳方位角；
[0009](3)建筑物侧棱投影长度Lpb:在像平面上，根据卫星影像中的比例尺获得建筑物侧棱I在像平面上的投影线段长度；
[0010](4)侧棱顶点P及其阴影点的像点间距离Lps:在像平面上，根据卫星影像中的比例尺获得建筑物侧棱I的顶点P在像平面上的投影点P与顶点P的阴影点在像平面上的投影点s之间的距离；
[0011]步骤二、计算建筑物当地当时的太阳高度角；
[0012]步骤三、三角元高度计算关系式的推导:
[0013]将公式tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【权利要求】
1.一种面向单幅卫星影像的自获取三角元高度计算方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤一、从卫星影像中测量计算参数: (1)卫星方位角α:测量卫星影像中建筑物侧棱I在像平面上的投影与正北方向的夹角，即为卫星方位角；以正北方向为起始位置，顺时针方向旋转为正角； (2)太阳方位角α’:测量卫星影像中建筑物侧棱阴影在像平面上的投影与正北方向的夹角，即为太阳方位角； (3)建筑物侧棱投影长度Lpb:在像平面上，根据卫星影像中的比例尺获得建筑物侧棱I在像平面上的投影线段长度； (4)侧棱顶点P及其阴影点的像点间距离Lps:在像平面上，根据卫星影像中的比例尺获得建筑物侧棱I的顶点P在像平面上的投影点P与顶点P的阴影点在像平面上的投影点s之间的距离； 步骤二、计算建筑物当地当时的太阳高度角； 步骤三、三角元高度计算关系式的推导: 将公式 tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【文档编号】G01C5/00GK103791885SQ201410053348
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】齐敏, 家建奎, 李珂, 樊养余, 齐榕, 赵子岩 申请人:西北工业大学