地面地物点的几何定位方法、装置、设备及介质

1.本发明涉及遥感图像处理技术领域，尤其涉及一种地面地物点的几何定位方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.合成孔径雷达（synthetic aperture radar，sar）图像过几何定位或几何校正后只能获取地面地物点二维图像信息，为了得到地面地物点的三维位置信息，一般需要采用两幅图像构成立体像对的方式，通过建立对地定位成像模型计算得到地面地物点的三维位置。也即，立体像对是根据获取的同一区域的两幅sar图像利用对地几何成像模型来计算地面点的三维位置。
3.基于sar立体像对计算地物点的成像模型，就是利用sar的距离方程和多普勒方程分别针对同一个地物点各自建立方程，然后联立四个方程求解地面点的三维位置，从本质上利用严密的成像模型解求地面点的三维参数。
4.由于sar图像对地物点的定位分别采用了距离方程和多普勒方程，其中，距离方程是雷达的基本方程，具有精度高的特点，可以得到亚米至厘米级的测距精度，而多普勒方程是由于sar卫星的运动而导致接收的雷达回波具有多普勒效应而建立物理方程，但多普勒频率是依赖于sar成像处理中通过杂波锁定或自聚焦得到，一般得到的多普勒频率都会有一定的误差，目前精度大约为1hz，这也会带来好几米的等效距离误差。因此，sar定位采用的多普勒方程精度明显低于距离方程的精度，而联合使用距离方程与多普勒方程进行sar图像的定位计算也会因为多普勒方程的多普勒参数精度有限而制约最终sar图像对地定位精度。


技术实现要素：

5.鉴于上述技术问题，本发明提供一种地面地物点的几何定位方法、装置、设备及介质，用于至少部分解决上述技术问题。
6.本发明第一方面提供一种地面地物点的几何定位方法，包括：分别提取同一地面地物点在多幅卫星sar图像上的二维图像坐标，得到多个二维图像坐标；根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的卫星位置和地面地物点到卫星的斜距，得到多个卫星位置和多个斜距；计算多个卫星位置的位置平均值，并根据多个卫星位置和多个斜距计算距离差参数；根据多个卫星位置、多个斜距、位置平均值以及距离差参数计算地面地物点的三维位置。
7.根据本发明的实施例，根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的卫星位置，具体包括：根据
计算每一二维图像坐标对应的卫星位置，其中，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，[x
i0
，y
i0
，z
i0
]为第i幅卫星sar图像对应的卫星的起始位置，vi为第i幅卫星sar图像对应的二维图像坐标中的行方向坐标值， a0、b0、c0分别为卫星位置在三个坐标方向上随卫星sar图像行方向变化的比例系数。
[0008]
根据本发明的实施例，根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，具体包括：根据计算每一二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，其中，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，ui为第i幅卫星sar图像对应的二维图像坐标中的列方向坐标值，m
x
为斜距的分辨率，r0为近地点斜距。
[0009]
根据本发明的实施例，根据多个卫星位置和多个斜距计算距离差参数，具体包括：根据计算距离差参数q，其中，n为卫星sar图像的总数量，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距。
[0010]
根据本发明的实施例，根据多个卫星位置、多个斜距、位置平均值以及距离差参数计算地面地物点的三维位置，具体包括：根据卫星位置、位置平均值以及距离差参数计算系数矩阵和常数矩阵；根据系数矩阵和常数矩阵计算地面地物点的三维位置。
[0011]
根据本发明的实施例于，根据卫星位置、位置平均值以及距离差参数计算系数矩阵和常数矩阵，具体包括：根据计算系数矩阵h；根据
计算系数矩阵l；其中，i取1到n，n为卫星sar图像的总数量，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，[x
avg
，y
avg
，z
avg
]为位置平均值，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，q为距离差参数。
[0012]
根据本发明的实施例，根据系数矩阵和常数矩阵计算地面地物点的三维位置，具体包括：根据计算地面地物点的三维位置[x，y，z]，h为系数矩阵，l为系数矩阵l，h
t
表示对系数矩阵h求转置，(
·
)-1
表示对矩阵进行求逆运算。
[0013]
本发明第二方面提供一种地面地物点的几何定位装置，包括：提取模块，用于分别提取同一地面地物点在多幅卫星sar图像上的二维图像坐标，得到多个二维图像坐标；第一计算模块，用于根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的卫星位置和地面地物点到卫星的斜距，得到多个卫星位置和多个斜距；第二计算模块，用于计算多个卫星位置的位置平均值，并根据多个卫星位置和多个斜距计算距离差参数；第三计算模块，用于根据多个卫星位置、多个斜距、位置平均值以及距离差参数计算地面地物点的三维位置。
[0014]
本发明第三方面提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现上述方法。
[0015]
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现上述方法。
[0016]
根据本发明实施例提供的地面地物点的几何定位方法、装置、设备及介质，至少具备以下有益效果：通过应用多幅卫星sar图像的精确斜距几何方程，并根据卫星平台参数和sar系统参数直接计算地面地物点的三维位置，不需要地面地物点的初始近似值，计算中也没有任何的迭代和近似过程，并且，地面地物点的三维位置的计算过程没有采用精度较低的多普勒参数和多普勒物理方程，而是采用高精度的sar斜距几何方程，降低了多普勒的影响，进而提高了地面地物点的几何定位的精度。
附图说明
[0017]
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的地面地物点的几何定位方法的流程图；图2示意性示出了根据本发明实施例的地面地物点的几何定位装置的框图；图3示意性示出了根据本发明实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。
具体实施方式
[0018]
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0020]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0021]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0022]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
[0023]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0024]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0025]
针对现有技术问题，本发明的在于提供一种基于多幅卫星sar图像精确的对地几何定位的方法。通过卫星sar图像对地定位的方程出发，选择精度高的距离方程，并依据多
幅卫星sar图像得到多个距离方程，利用多个距离方程等式巧妙变换而实现地物点三维位置的直接显式计算，无需提供任何初值，也不用进行任何迭代就能得到地物点的高精度三维位置。下面结合具体的实施例进行详细介绍。
[0026]
图1示意性示出了根据本发明实施例的地面地物点的几何定位方法流程图。
[0027]
如图1所示，该地面地物点的几何定位方法例如可以包括操作s110~操作s140。
[0028]
在操作s110，分别提取同一地面地物点在多幅卫星sar图像上的二维图像坐标，得到多个二维图像坐标。
[0029]
由于sar具有全天候、全天时的优势，可以很容易地在多个时间上对地面的某个地物点获取多幅卫星sar图像（多幅卫星sar图像的数量一般大于3幅）。由于多幅卫星sar图像是对同一个地面地物点的多次观测，它们之间存在很强的几何及物理约束关系，为此可以充分应用多幅卫星sar图像的多个斜距方程计算地面点三维位置，即多幅卫星sar图像计算的地面点三维位置时同时应用斜距观测条件。换言之，利用多幅卫星sar图像计算地面点的三维位置，可以借鉴立体sar的方法将所有计算的斜距方程联立一起而整体求解得到地面点的三维位置。
[0030]
在本发明实施例中，可以利用图像匹配软件或人工的方法提取同一地物点在每幅卫星sar图像上的二维图像坐标。
[0031]
在操作s120，根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的卫星位置和地面地物点到卫星的斜距，得到多个卫星位置和多个斜距。
[0032]
在本发明实施例中，可以根据计算每一二维图像坐标对应的卫星位置，其中，i 表示从1开始到n结束的卫星sar图像的索引序号，n表示多幅卫星sar图像的总数， [xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，[x
i0
，y
i0
，z
i0
]为第i幅卫星sar图像对应的卫星的起始位置，vi为第i幅卫星sar图像对应的二维图像坐标中的行方向坐标值， a0、b0、c0分别为卫星位置在三个坐标方向上随卫星sar图像行方向变化的比例系数。每一幅卫星sar图像计算得到一个卫星位置，n幅卫星sar图像计算得到n个卫星位置。
[0033]
在本发明实施例中，可以根据计算每一二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，其中，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，ui为第i幅卫星sar图像对应的二维图像坐标中的列方向坐标值，m
x
为斜距的分辨率，r0为近地点斜距。每一幅卫星sar图像计算得到一个斜距，n幅卫星sar图像计算得到n个斜距。
[0034]
需要说明的是，斜距的分辨率m
x
和近地点斜距r0是卫星已知的参数，[x
i0
，y
i0
，z
i0
]可以从卫星的辅助数据中读取，a0、b0、c0可以通过卫星下传的辅助数据进行拟合处理得到。
[0035]
在操作s130，计算多个卫星位置的位置平均值，并根据多个卫星位置和多个斜距
计算距离差参数。
[0036]
在本发明实施例中，可以根据计算距离差参数q，其中，n为卫星sar图像的总数量，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距。[x
i0
，y
i0
，z
i0
]在本发明实施例中，可以根据计算多个卫星位置的位置平均值[x
avg
，y
avg
，z
avg
]，i取1到n，n为卫星sar图像的总数量，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置。
[0037]
在操作s140，根据多个卫星位置、多个斜距、位置平均值以及距离差参数计算地面地物点的三维位置。
[0038]
在本发明实施例中，可以根据卫星位置、位置平均值以及距离差参数计算系数矩阵和常数矩阵，根据系数矩阵和常数矩阵计算地面地物点的三维位置。
[0039]
进一步地，可以根据计算系数矩阵h。
[0040]
可以根据
计算系数矩阵l。
[0041]
可以根据计算地面地物点的三维位置[x，y，z]。
[0042]
其中，i取1到n，n为卫星sar图像的总数量，[xi，yi，zi]为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的卫星位置，[x
avg
，y
avg
，z
avg
]为位置平均值，ri为第i幅卫星sar图像提取的二维图像坐标对应的地面地物点到卫星的斜距，q为距离差参数，h
t
表示对系数矩阵h求转置，(
·
)-1
表示对矩阵进行求逆运算。
[0043]
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明利用多幅卫星sar图像计算地面物体对应三维精确位置的方法具备清楚的认识。
[0044]
综上所述，本发明利用多幅卫星sar图像计算地面物体对应三维精确位置的方法应用了每幅卫星sar图像的精确斜距几何方程，并根据卫星平台参数和系统参数直接计算地面点的三维位置，不需要地面点的初始近似值，计算中也没有任何的迭代和近似过程。计算中没有采用精度较低的多普勒参数和多普勒物理方程，而是采用高精度的sar斜距几何方程，降低了多普勒的影响，因此最终的定位具有精度高的特点。
[0045]
图2示意性示出了根据本发明实施例的地面地物点的几何定位装置的框图。
[0046]
如图2所示，地面地物点的几何定位装置200可以提取模块210、第一计算模块220、第二计算模块230及第三计算模块240。
[0047]
提取模块210，用于分别提取同一地面地物点在多幅卫星sar图像上的二维图像坐标，得到多个二维图像坐标。
[0048]
第一计算模块220，用于根据每一二维图像坐标计算该二维图像坐标对应的卫星位置和地面地物点到卫星的斜距，得到多个卫星位置和多个斜距。
[0049]
第二计算模块230，用于计算多个卫星位置的位置平均值，并根据多个卫星位置和多个斜距计算距离差参数。
[0050]
第三计算模块240，用于根据多个卫星位置、多个斜距、位置平均值以及距离差参数计算地面地物点的三维位置。
[0051]
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（fpga）、可编程逻辑阵列（pla）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（asic），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
[0052]
例如，提取模块210、第一计算模块220、第二计算模块230及第三计算模块240中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本发明的实施例提取模块210、第一计算模块220、第二计算模块230及第三计算模块240中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（fpga）、可编程逻辑阵列（pla）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（asic），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，提取模块210、第一计算模块220、第二计算模块230及第三计算模块240中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
[0053]
需要说明的是，本发明的实施例中地面地物点的几何定位装置部分与本发明实施例中的地面地物点的几何定位方法部分是相对应的，其具体实施细节及带来的技术效果也是相同的，在此不再赘述。
[0054]
图3示意性示出了根据本发明实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。图3示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0055]
如图3所示，根据本发明实施例的电子设备300包括处理器301，其可以根据存储在只读存储器（rom）302中的程序或者从存储部分308加载到随机访问存储器（ram）303中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器301例如可以包括通用微处理器（例如cpu）、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器（例如，专用集成电路（asic）），等等。处理器301还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器301可以包括用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
[0056]
在ram 303中，存储有电子设备300操作所需的各种程序和数据。处理器 301、rom 302以及ram303通过总线304彼此相连。处理器301通过执行rom 302和/或ram303中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除rom 302和ram 303以外的一个或多个存储器中。处理器301也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。
[0057]
根据本发明的实施例，电子设备300还可以包括输入/输出（i/o）接口305，输入/输出（i/o）接口305也连接至总线304。电子设备300还可以包括连接至i/o接口305的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分306；包括诸如阴极射线管（crt）、液晶显示器（lcd）等以及扬声器等的输出部分307；包括硬盘等的存储部分308；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至i/o接口305。可拆卸介质311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分308。
[0058]
根据本发明的实施例，根据本发明实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上
的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。在该计算机程序被处理器301执行时，执行本发明实施例的系统中限定的上述功能。根据本发明的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
[0059]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本发明实施例的方法。
[0060]
根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（ram）、只读存储器（rom）、可擦式可编程只读存储器（eprom或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（cd-rom）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0061]
例如，根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的rom302和/或ram 303和/或rom 302和ram 303以外的一个或多个存储器。
[0062]
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。