专利名称：基于影像坐标映射的sar立体模型构建与量测方法
技术领域：
本发明涉及测绘技术领域，更具体地，涉及一种基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法。
背景技术：
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)作为一种主动式的微波传感器， 具有全天候、全天时实现对地观测的工作能力，SAR测图技术已经成为解决多云雾地区的地形图数据获取的重要技术手段之一。通过构建SAR数字立体观测环境进行地形、地物要素采集从而获取地形图，是SAR测图的关键技术之一。数字立体测图的基础是获得理想立体模型，理想立体模型需要满足两个条件一是理想立体像对，即消除像对的上下视差，重建左右视差，从而能够获得立体视觉；二是三维信息量测模型，即能够从模型中量测获取精确地物三维地理信息。立体视觉的建立和三维信息的获取都是通过立体观测来实现的，从不同角度对同一地区进行观测，可以构建立体观测模型，获得地物的三维信息。无论是光学影像，还是SAR影像都能实现立体观测。光学影像通过核线重采样能够消除上下视差，构建理想像对实现立体观测。然而，对于SAR立体观测来说，由于其采用斜距投影成像方式，不存在核线，因而不易消除像对上下视差，同时其形成的立体视觉和人眼的观测习惯不一致，对于立体量测和解译都是不便的。SAR数字立体测图的实现在很早的时候就已经被提出研究，国内外研究人员已经提出了一系列SAR理想立体模型的构建方法，但是构建的立体模型普遍存在立体观测效果不佳或量测模型不够严密等问题。
发明内容
数字立体测图的基础是获得理想立体模型，理想立体模型需要满足两个条件一是理想立体像对，即消除像对的上下视差，重建左右视差，从而能够获得立体视觉；二是三维信息量测模型，即能够从模型中量测获取精确地物三维地理信息。SAR由于其斜距投影成像方式，不存在核线而不易消除上下视差，同时其形成的立体视觉和人眼的观测习惯不一致，因此利用SAR影像构建用于数字立体测图的理想立体模型相对比较困难。因此，本发明为了实现SAR数字立体测图，提出了一种基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，既能够获得较好的立体视觉效果，同时通过构建严密的量测模型获取高精度三维地理信息。本发明所述的基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于， 包括以下步骤步骤1 由原始的SAR立体像对，根据DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)进行影像模拟消除上下视差，生成理想立体像对；步骤2 根据模拟成像模型和SAR构像模型，在所述影像模拟的基础上，通过保存高程查找表和构建影像坐标三角网(TIN)建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系；
步骤3 构建三维坐标量测模型，实现SAR数字立体量测。优选地，所述步骤1生成的理想立体像对包括左、右模拟立体影像。其中，所述左、 右模拟立体影像是将斜距投影的SAR影像模拟为中心投影的模拟影像。进一步优选地，所述步骤1进行的影像模拟包括建立SAR立体像对的原始影像与模拟影像间的坐标映射关系，然后基于DEM的高程信息进行灰度重采样得到所述左、右模拟立体图像。其中，所述重采样基于DEM沿相同的方向进行从而消除影像间的上下视差而重建左右视差。在重采样过程中将迭代得到的高程值保存在与模拟影像相对应的高程查找表中用于立体量测模型的构建。优选地，步骤2中所述建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系包括首先由模拟影像的点坐标(is，js)根据中心投影几何模型计算中间地理坐标(Xp，Yp，hp)，然后由中间地理坐标(Xp, Yp, hp)计算原始影像的点坐标(i0，j0)。进一步优选地，所述中间地理坐标的计算公式为Yp = Y0+Qis-js) · mryXp = xf · (Η-hp) /f+Xso其中hP根据模拟影像坐标(is，js)在相对应的高程查找表中获得的高程值，hs 为模拟影像高度，^为目标点像方坐标，f为模拟焦距，H为航高，Ytl为成像区域方位向起始地理坐标，Is。为模拟航迹在投影方向起始地理坐标，mrx, m”为两个方向分辨率，Xf = xA+is · mrx · f/H0进一步优选地，步骤2中所述建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系进一步包括将模拟影像的点坐标(is，js)分别作为原始影像点的两种数值属性，由模拟影像进行网格采样得到的原始影像的像点，构建三角网(TIN)，然后根据规则格网间隔进行插值，得到原始影像到模拟影像在影像坐标映射表。优选地，所述步骤3的SAR数字立体量测包括物方驱动和像方驱动模式。基于本发明上述方法制作的SAR立体模型，立体观测效果良好，能够用于数字立体测图，进行地形、地物要素采集，精度能满足测图要求。利用实际机载SAR立体数据进行测图试验表明，本发明的方法能够取得很好效果。
图1是本发明实施例的理想立体像对示意图；图2是本发明实施例的影像模拟的基本原理示意图；图3是本发明实施例的中心投影几何模型；图4是本发明实施例的影像坐标三角网内插过程；图5A-B本发明实施例的立体驱动模式流程示意图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式
并配合附图详予说明。SAR数字立体测图的基础是理想立体模型，建立理想立体模型首先需要构造理想立体像对，即消除原始立体像对的上下视差，重建左右视差，从而能够获得立体视觉。SAR由于其斜距投影成像方式而不易消除上下视差，因此利用SAR的原始影像构建用于数字立体测图的理想立体模型相对比较困难。本发明所述的基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，包括以下步骤1)实现理想立体像对的制作步骤1 由原始的SAR立体像对，根据DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)进行影像模拟消除上下视差，生成理想立体像对。通过影像模拟生成的理想立体像对如图1所示，其中理想立体像对由左右模拟立体影像组成，左右模拟立体影像消除了原始立体像对的上下视差，重建左右视差，用于产生立体视觉。图2是本发明实施例的影像模拟的基本原理示意图。模拟立体影像的制作是将斜距投影的SAR原始影像模拟成中心投影的模拟影像。影像模拟的基础是DEM，为了获得立体影像，必须将DEM格网点的(X，Y，h)坐标用中心投影共线方程变换到立体影像上去。影像模拟是一个重采样的过程，关键在于建立原始影像和模拟影像间的坐标映射关系，然后基于DEM的高程信息进行灰度重采样得到模拟立体影像。模拟影像重采样基于DEM沿相同方向进行的，从而影像间上下视差将被消除，左右视差得到重建。重采样过程中，将迭代得到的高程值保存在与模拟影像相对应的高程查找表中，用于立体量测模型的构建。2)影像坐标映射步骤2 根据模拟成像模型和SAR构像模型，在所述影像模拟的基础上，通过保存高程查找表和构建影像坐标三角网(TIN)建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系。步骤1中由SAR原始影像生成了模拟影像的基础上，在本步骤2中通过建立模拟影像的图像坐标和原始影像的图像坐标之间的映射关系，实现将模拟立体像对视差换算为原始影像视差。由模拟影像坐标到原始SAR影像坐标映射，主要根据模拟成像模型和模拟重采样获得的高程查找表。首先由模拟影像点(is，js)，根据中心投影几何模型，计算中间地理坐标(Xp, Yp, hp)。然后根据R-D模型，由(Xp, Yp, hp)计算原始SAR影像点坐标(i0，j。)。图3是本发明实施例的中心投影几何模型。其中中间地理坐标0(P，YP，hP)计算有公式Yp = Y0+(hs-js) · niryXp = xf · (Η-hp) /f+XS0其中hP根据影像坐标(is，js)在高程查找表中获得，hs为模拟影像高度，^ca为目标点像方坐标，f为模拟焦距，H为航高，Ytl为成像区域方位向起始地理坐标，Is。为模拟航迹在投影方向起始地理坐标，mrx, mry为两个方向分辨率，xf = xA+is · mrx · f/H。步骤2中所述建立模拟影像和原始SAR影像的坐标映射关系主要通过建立影像坐标映射表实现。对任意一个模拟影像点(is，js)，根据高程查找表获得高程hs，可以计算出相应的原始影像点坐标(i。，j。)。将模拟影像的点坐标(is，js)分别作为原始影像点的两种数值属性，由模拟影像进行网格采样得到的原始影像的像点，构建如图4所示的三角网 (TIN)，然后根据规则格网间隔进行插值，得到原始影像到模拟影像在影像坐标映射表。基于映射表，可以由任意一个原始影像点，找到对应得模拟影像点。上述基于影像坐标的三角网内插过程如图4所示。
3)立体模型量测步骤3 构建三维坐标量测模型，实现SAR数字立体量测。数字立体测量有物方驱动和像方驱动两种模式。像方驱动时，是由观测的影像坐标(模拟影像坐标)计算地理坐标，其过程是根据模拟成像模型和高程查找表，由模拟影像坐标计算原始影像坐标，再根据 SAR立体几何模型，由原始影像坐标计算地理坐标，其驱动流程如图5A的所示。物方驱动时，由地理坐标根据SAR几何构像模型，计算原始影像点影像坐标，再根据影像坐标映射表得到模拟影像点影像坐标，其驱动流程如图5B所示。综上，基于本发明上述方法制作的SAR立体模型，立体观测效果良好，能够用于数字立体测图，进行地形、地物要素采集，精度能满足测图要求。利用实际机载SAR立体数据进行测图试验表明，本发明的方法能够取得很好效果。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 由原始的SAR立体像对，根据DEM(数字高程模型)进行影像模拟消除上下视差，生成理想立体像对；步骤2 根据模拟成像模型和SAR构像模型，在所述影像模拟的基础上，通过保存高程查找表和构建影像坐标三角网(TIN)建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系；步骤3 构建三维坐标量测模型，实现SAR数字立体量测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1生成的理想立体像对包括左、 右模拟立体影像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述左、右模拟立体影像是将斜距投影的 SAR影像模拟为中心投影的模拟影像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1进行的影像模拟包括建立 SAR立体像对的原始影像与模拟影像间的坐标映射关系，然后基于DEM的高程信息进行灰度重采样得到所述左、右模拟立体图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述重采样基于DEM沿相同的方向进行从而消除影像间的上下视差而重建左右视差。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在重采样过程中将迭代得到的高程值保存在与模拟影像相对应的高程查找表中用于立体量测模型的构建。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中所述建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系包括首先由模拟影像的点坐标(is，js)根据中心投影几何模型计算中间地理坐标(Xp, Yp, hp)，然后由中间地理坐标(Xp, Yp, hp)计算原始影像的点坐标(i0，j0)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中间地理坐标的计算公式为 Yp = V (hs-js) · mryXp = xf · (Η-hp) /Mso其中hP根据模拟影像坐标(is，js)在相对应的高程查找表中获得的高程值，hs为模拟影像高度，xA为目标点像方坐标，f为模拟焦距，H为航高，Y0为成像区域方位向起始地理坐标，夂s。为模拟航迹在投影方向起始地理坐标，mM，m,y为两个方向分辨率， =xA+is -Iiirx -f/ H0
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2中所述建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系进一步包括将模拟影像的点坐标(is，js)分别作为原始影像点的两种数值属性，由模拟影像进行网格采样得到的原始影像的像点，构建三角网(TIN)，然后根据规则格网间隔进行插值，得到原始影像到模拟影像在影像坐标映射表。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3的SAR数字立体量测包括物方驱动和像方驱动模式。
全文摘要
本发明涉及一种基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1由原始的SAR立体像对，根据DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)进行影像模拟消除上下视差，生成理想立体像对；步骤2根据模拟成像模型和SAR构像模型，在所述影像模拟的基础上，通过保存高程查找表和构建影像坐标三角网(TIN)建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系；步骤3构建三维坐标量测模型，实现SAR数字立体量测。基于本发明上述方法制作的SAR立体模型，立体观测效果良好，能够用于数字立体测图，进行地形、地物要素采集，精度能满足测图要求。
文档编号G01S13/90GK102520406SQ20111042903
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者张继贤, 杨书成, 段连飞, 赵争, 黄国满 申请人:中国测绘科学研究院