一种航空面阵CCD遥感图像上直立地物高度的提取方法与流程

一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法
技术领域
1.本发明属于遥感图像处理技术领域，具体涉及一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法。


背景技术：

2.随着航空遥感技术的不断进步和发展，航空面阵(charge coupled device，ccd)遥感图像所具有的一次成像所获取的地面覆盖范围大、空间分辨率高、几何刚性好等优点，使其在各行各业得到了深入而广泛的应用。在航空面阵ccd遥感应用中常常会对某种专题信息进行提取和分析，而直立地物是一类特殊的专题地物，如各种类型的工业烟囱、各种塔型构筑物、输电线杆、高程建筑等等，这类地物具有垂直立于地面上，且其高度远大于其长度或宽度。在应用航空ccd遥感图像分析这类直立地物时，经常要提取得到它的高度信息。
3.目前从航空遥感图像上提取地物高度的方法主要有基于单幅ccd遥感图像的提取方法和基于航空立体ccd图像的提取方法。
4.基于单幅ccd遥感图像提取地物高度的方法主要利用了航空ccd图像上地物的阴影特征信息。图像上直立地物形成阴影的根源是由于太阳和航空飞机不同的方位和高度造成的，当太阳与飞机的方位和高度相同或者太阳高度角大于或等于飞机高度角时，图像上没有阴影出现；当太阳高度角小于飞机高度角时，图像上有阴影形成，其在图像上表现为低亮度值，利于识别。根据航空ccd图像成像时飞机所处的位置不同，图像上的阴影信息与太阳、飞机高度角有明确的几何关系。因此，利用直立地物阴影与其高度、太阳高度角和方位角、飞机高度角和方位角等参数之间存在的明确几何关系，可以对地物的高度进行解算，从而最终根据ccd遥感图像成像时飞机和太阳的高度角、方位角，以及在图像上直立地物的阴影长度推算出该直立地物的高度信息。
5.基于航空立体ccd图像提取直立地物高度的方法，通过获取同一地物的两幅图像构成立体像对。根据两幅图像中该直立地物的同名像点的两条反向投影光线，基于前方交会原理可以确定地物点的高度。其本质是将该摄影过程几何反转，从而获取地物点的高度。基于航空立体ccd图像提取直立地物高度的前提条件是必需有两幅图像(不同位置上获取的两幅图像)且两幅图像之间有一定的重叠度，互相重叠部分构成“立体像对”。因此，利用立体图像获取地面的三维位置，就需要以下几点：1、至少在两个位置获取两幅图像；2、提取两幅图像上同名点，一般通过图像匹配的方式来实现；3、恢复这两条对应直线的空间方位，最后求得地物点的高度值；目前航空立体测量技术已相对成熟，也已经商业化应用化了，例如pix4dmapper、photoscan、pixelgrid等软件就能实现各种地物的高度提取。
6.由此可见，基于单幅ccd遥感图像提取直立地物高度的方法必需要在航空ccd图像上有阴影，阴影的形成又依赖于太阳以及太阳高度角度和飞机高度角之间的关系。一旦航空ccd遥感图像上没有阴影，则这种方法就不能提取出地物的高度，而实际获取的航空ccd遥感图像在一些情况下，会由于多种原因得图像上不能得到地物的阴影，这种情况下就不能提取出直立地物的高度。而当仅有一幅航空ccd遥感图像情况下，就不能采用基于航空立
体ccd图像提取直立地物高度的方法提取地物的高度信息。
7.综上所述，现有技术中基于单幅ccd遥感图像提取直立地物高度的方法存在依赖地物阴影的问题，而基于航空立体ccd图像提取直立地物高度的方法则存在需要至少两幅图像进行分析的不足。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法，能够根据航空面阵ccd成像几何关系计算得到直立地物的高度。
9.本发明提供的一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法，包括以下步骤：
10.提取待分析直立地物在航空面阵ccd遥感图像上的底点图像坐标及顶点图像坐标，获取航空飞机的三维位置和姿态；根据所述姿态计算坐标旋转系数；根据所述坐标旋转系数、所述待分析直立地物的底点图像坐标和航空相机的焦距，计算坐标变换系数；根据所述坐标变换系数计算投影比例系数；根据所述待分析直立地物的图像坐标、所述坐标旋转系数和所述投影比例系数，计算得到所述待分析直立地物的高度值。
11.进一步地，所述获取航空飞机的三维位置和姿态的方式为：通过读取航空面阵辅助数据文件得到所述三维位置和姿态。
12.进一步地，所述坐标旋转系数(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3)为采用公式(1)计算得到：
[0013][0014]
其中，为航空飞机的俯仰角，ω为航空飞机的侧滚角,κ为航空飞机的航向角；
[0015]
根据计算得到的所述坐标旋转系数(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3)、所述待分析直立地物的底点图像坐标(x1,y1)和航空相机的焦距f，采用公式(2)计算坐标变换系数(l1,l2,m1,m2,n1,n2)：
[0016]
[0017]
根据计算得到的所述坐标变换系数(l1,l2,m1,m2,n1,n2)，采用公式(3)计算投影比例系数k1和k2：
[0018][0019]
进一步地，所述根据所述待分析直立地物的图像坐标、所述坐标旋转系数和所述投影比例系数，计算得到所述待分析直立地物的高度值h的方式为采用公式(4)计算：
[0020][0021]
其中，h0为地面的高度值。
[0022]
进一步地，所述提取待分析直立地物在航空面阵ccd遥感图像上的底点图像坐标及顶点图像坐标的方式为，采用图像分析软件对所述航空面阵ccd遥感图像进行分析得到所述底点图像坐标及顶点图像坐标。
[0023]
有益效果：
[0024]
本发明应用了航空面阵ccd遥感图像的严密成像几何关系模型，通过根据飞机的姿态计算得到的坐标变换系数和投影比例系数对直立地物的顶点图像坐标和底点图像坐标进行计算得到直立地物的高度，无需提取直立地物的其它特征，也不需要采用两幅图像数据，因此本发明能够简化航空面阵ccd遥感图像上各类直立地物的高度信息提取过程。
附图说明
[0025]
图1为本发明提供的一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法的流程图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0027]
本发明提供的一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法，其核心思想是：利用航空面阵严密成像的几何关系模型，采用从航空面阵ccd遥感图像中提取到的待分析直立地物的位置信息及飞机的速度和姿态信息，再根据飞机的姿态计算坐标旋转系数，然后根据坐标旋转系数、底点图像坐标及相机焦距计算坐标转换系数，根据坐标转换系数计算投影比例系数，最后根据图像坐标、坐标旋转系数和投影比例系数计算得到待分析直立地物的高度。
[0028]
本发明提供的一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法，流程如图1所示，具体包括以下步骤：
[0029]
步骤1、采用图像分析软件提取航空面阵ccd遥感图像中包含的待分析直立地物的底点图像坐标(x1,y1)及顶点图像坐标(x2,y2),同时读取航空面阵辅助数据文件得到该航空面阵ccd遥感图像所对应飞机的飞行高度zs和姿态其中，表示飞机的俯仰角，ω表示飞机的侧滚角,κ表示飞机的航向角。
[0030]
步骤2、根据步骤1获取的飞机的姿态计算坐标旋转系数(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3)，计算公式如公式(1)所示：
[0031][0032]
其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数。
[0033]
步骤3、根据步骤2计算得到的坐标旋转系数、待分析直立地物的底点图像坐标和航空相机的焦距计算坐标变换系数(l1,l2,m1,m2,n1,n2)，计算公式如公式(2)所示：
[0034][0035]
其中，f为航空相机的焦距，航空相机的焦距可由相机的生产商提供。
[0036]
步骤4、根据步骤3计算得到的坐标变换系数计算投影比例系数k1和k2，计算公式如公式(3)所示：
[0037][0038]
步骤5、根据上述步骤得到的待分析直立地物的图像坐标、坐标旋转系数和投影比例系数，计算待分析直立地物的高度值h，计算公式如公式(4)所示：
[0039][0040]
其中，h0为地面的高度值。
[0041]
由此可见，本发明提供的一种航空面阵ccd遥感图像上直立地物高度的提取方法应用了航空面阵ccd遥感图像的严密成像几何关系模型，几何关系严密，没有提取地物的其它特征，也没有采用两幅图像数据，计算中无需初值设置和迭代过程就可以直接计算得到直立地物的高度。
[0042]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
保护范围之内。