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面向單幅衛星影像的自獲取三角元高度計算方法
【專利摘要】本發明提供了一種面向單幅衛星影像的自獲取三角元高度計算方法，利用單幅衛星影像中存在的方向信息以及太陽方位角與太陽高度角之間的關系，計算出太陽高度角、太陽方位角和衛星方位角三個角度參數，然后將衛星高度角以建筑物高度和建筑物投影長度進行等效表示，最終求解出不含衛星高度角的三角元高度。針對單幅衛星影像中的建筑物高度求取問題效果良好。
【專利說明】面向單幅衛星影像的自獲取三角元高度計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用單幅衛星影像信息計算物體高度的方法。
【背景技術】
[0002]近幾年來各種高分辨率衛星影像相繼出現，為人們利用遙感影像獲取建筑物高度提供了可能性。建筑物高度獲取在城市規劃、城市經濟活動以及軍事領域中有廣泛的應用，在利用衛星影像實現真實城市環境的三維虛擬重建中，建筑物高度獲取是為建筑物三維建模提供建模數據的必要途徑，決定著三維模型的建模精度，對整個三維虛擬重建環境的真實程度產生直接影響。目前，利用衛星影像獲取建筑物高度信息的方法主要有兩個研究方向:(1)利用立體像對進行立體量測；(2)從單幅遙感影像入手，利用陰影計算建筑物高度。由于利用立體像對獲取高度對兩幅遙感影像有著嚴格的要求，因此在很難在實際中得到應用。而利用陰影從單幅遙感影像中獲取高度，則因其方便、經濟、操作簡單受到了廣大研究者的關注。早期的研究簡化了三維空間關系，假設太陽、衛星和建筑物位于同一平面，提出衛星成像的二維空間模型，對衛星影像中的建筑物高度進行計算，沒有考慮太陽方位角和衛星方位角對陰影的影響。后續研究擴展到三維空間成像模型，進行了多方面的改進:一種是假設遙感影像采樣方向為東西、南北方向，即像元的排列是東西、南北方向的，這種情況下沒有考慮衛星方位角對陰影測量的影響；一種是根據太陽、衛星與建筑物的相對位置分情況討論建筑物高度計算模型的方法，這種方法假設“太陽、衛星對屋頂同一點在地面上投影點的連線垂直于建筑物主軸方向(即:建筑物的長邊)”，但是多數衛星影像中的圖像特征并不滿足這一特定情況；另外還有利用垂直于建筑物主軸方向的陰影長度計算建筑物高度的算法，這種算法需要單獨量測垂直于建筑物主軸方向的陰影長度和建筑物的方位角，增加了計算的工作量。另一種思路是利用建筑物高度H與陰影長度L之間的線性關系H=K*L，通過已知建筑物的高度和對應陰影長度，反推出K值，進而計算其他建筑物高度，這種方法需要預先知道影像中某一建筑物的實際高度，這一約束條件在實際應用中往往難以達到。
[0003]以上利用陰影計算建筑物高度的方法中，除方法“H=K*L”外，從原理上講，太陽方位角、太陽高度角、衛星方位角和衛星高度角四個參數對高度的求解結果都有影響，建筑物高度計算有解的前提建立在已經提供所有四個角度參數的情況下(一些算法簡化地不考慮某些參數的影響，會增大計算誤差)。這里稱這類方法為“陰影基四角元高度計算法”，其中“四角元”指太陽方位角、太陽高度角、衛星方位角和衛星高度角這四個角度參數。但實際中，這四個角度參數的數據由衛星發射方存放入遙感影像的元數據中，對普通研究者來說很難獲取到，這一矛盾嚴重限制了基于陰影計算建筑物高度的方法的應用和推廣。

【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種自獲取三角元高度計算法，基于攝影測量理論，首先充分利用單幅衛星影像中存在的方向信息，以及太陽方位角與太陽高度角之間的關系，并輔以星空模擬軟件Stellarium計算出太陽高度角、太陽方位角和衛星方位角三個角度參數。因這三個角度參數由該方法自行推導獲得，故稱之為“自獲取三角元”。在此基礎上，針對衛星高度角仍無法得到的問題，將衛星高度角以建筑物高度和建筑物投影長度進行等效表示，進一步推導，最終求解出不含衛星高度角的三角元高度。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟:
[0006]步驟一、從衛星影像中測量計算參數:
[0007](I)衛星方位角α:測量衛星影像中建筑物側棱I在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為衛星方位角；以正北方向為起始位置，順時針方向旋轉為正角；
[0008](2)太陽方位角α’:測量衛星影像中建筑物側棱陰影在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為太陽方位角；
[0009](3)建筑物側棱投影長度Lpb:在像平面上，根據衛星影像中的比例尺獲得建筑物側棱I在像平面上的投影線段長度；
[0010](4)側棱頂點P及其陰影點的像點間距離Lps:在像平面上，根據衛星影像中的比例尺獲得建筑物側棱I的頂點P在像平面上的投影點P與頂點P的陰影點在像平面上的投影點s之間的距離；
[0011]步驟二、計算建筑物當地當時的太陽高度角；
[0012]步驟三、三角元高度計算關系式的推導:
[0013]將公式tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【權利要求】
1.一種面向單幅衛星影像的自獲取三角元高度計算方法，其特征在于包括下述步驟: 步驟一、從衛星影像中測量計算參數: (1)衛星方位角α:測量衛星影像中建筑物側棱I在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為衛星方位角；以正北方向為起始位置，順時針方向旋轉為正角； (2)太陽方位角α’:測量衛星影像中建筑物側棱陰影在像平面上的投影與正北方向的夾角，即為太陽方位角； (3)建筑物側棱投影長度Lpb:在像平面上，根據衛星影像中的比例尺獲得建筑物側棱I在像平面上的投影線段長度； (4)側棱頂點P及其陰影點的像點間距離Lps:在像平面上，根據衛星影像中的比例尺獲得建筑物側棱I的頂點P在像平面上的投影點P與頂點P的陰影點在像平面上的投影點s之間的距離； 步驟二、計算建筑物當地當時的太陽高度角； 步驟三、三角元高度計算關系式的推導: 將公式 tan λ = Lh/Lpb 代入公式
【文檔編號】G01C5/00GK103791885SQ201410053348
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2014年2月18日
【發明者】齊敏, 家建奎, 李珂, 樊養余, 齊榕, 趙子巖 申請人:西北工業大學