基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法，包括如下步骤：(I)野外测量:第I-1步，确定测量方向；第I-2步，限定拍摄范围；第I-3步，铺设坐标控制尺；第I-4步，拍摄；第5步，重复步骤(I-1)-(I-4)进行多次测量；(II)内业处理：第II-1步，匹配“同名像对”；第II-2步，三维定标与精度验证；第II-3步，提取粗糙度采样点；第II-4步，筛选测量点，获取粗糙度曲线；第II-5步，计算多尺度下的粗糙度参数。本发明可以测量大范围的地表粗糙度，并且可以获取研究区域在不同波长尺度上的粗糙度，实现区域性的面粗糙度的测量，具有测量精度高、效率高、灵活方便及实用性强的特点，适于推广应用。
【专利说明】基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粗糙度测量【技术领域】，具体地，涉及基于三维微地貌重建的雷达遥感 多尺度面粗糙度测量方法。
【背景技术】
[0002] 土壤粗糙度在农业、土壤学、天气与气候预测、地质等应用领域有重要的应用。在 农业和土壤学方面，粗糙度对入渗、洪水和土壤侵蚀过程都有影响；在气候和天气预报领 域，土壤贮存和蒸发水分也依赖于土壤粗糙度情况；在地质学方面，可以依据表面粗糙度情 况判断风蚀砂石的地质元素信息。
[0003] 目前，雷达遥感作为一种新型、先进、实用、大面积的地表观测手段，在农业、土壤、 气候、地质等各应用领域发挥越来越重要的作用。综观雷达遥感反演地表参数研究的发展 历程，地表粗糙度一直以来都是研究的重点，土壤粗糙度对雷达后向散射有直接影响，是地 表参数获取模型中的关键输入参数。只有将地表粗糙度的问题解决之后，才能够建立正确 的地表电磁散射模型，有效地开展地表参数反演工作。
[0004] 从粗糙度测量技术的发展历程看，粗糙度测量技术经历了三个发展阶段：
[0005] 第一个阶段，按触式测针粗糙度仪。这是最原始的粗糙度仪。中间用一排间隔相 等（约3cm)的测针（100根左右），反复测量后取平均值。为了使用方便，在仪器上可以放 置罗盘和水平指示器等；
[0006] 第二个阶段，改进的按触式测针粗糙度仪。这个阶段的粗糙度测量与第一阶段相 t匕，在实地测量的仪器及方式方法上几无区别，最大的改进在于第一个阶段使用的是全人 工的读取探针上下起伏的刻度（△);而第二个阶段的处理方式是通过计算机数字化，然后 利用程序自动进行照片校正以及提取曲线，从而更加节省人力，同时提高了精度，固化了整 个测量流程；
[0007] 第三个阶段，激光扫描仪。最近，欧空局以及中国科学院遥感与数字地球研究所雷 达应用技术研究室各自自主研发了一套地表粗糙度激光扫描仪来获取高精度的地表起伏 状态。这两套激光扫描仪能够更密集地获取地面起伏点，相比以上二种方法，精度提高了一 个量级（毫米）。
[0008] 目前，就工程应用而言，第二种粗糙度测量技术应用的最为广泛；而科学研究中， 第三种技术已经受到了越来越大的关注。
[0009] 以上三种方法的缺点与不足非常明显。从科研探索和工程应用两个方面进行说 明：
[0010] 就科研探索角度，众所周知，不同尺度的粗糙度结果是不同的。测量长度越长，相 关长度越长。例如，在同一地区，对测量截面长度分别为3m和30m粗糙度进行测量，其相关 长度是不同的。30m测量截面情况下的相关长度往往更大；此外，不同波长观测尺度下，粗 糙度可能发生变化。例如，用波长20cm的L波段看起来平坦的地表在波长5cm的C波段下 看起来就变得粗糙。针对以上两个方面，可以看出： toon] (1)现有的三种方法无一例外的都是在很小范围内测量粗糙度--（改进的）按 触式测针粗糙度仪和激光扫描仪均只有3米左右。如果要测量30m或更大范围的粗糙度就 需要不断地进行拼接，而拼接过程中无疑会带来不可忽略的误差；
[0012] (2)按触式测针粗糙度仪和激光扫描仪测量结果的尺度效应并不明显，依赖于测 针间距和扫描仪探测密度，即我们无法利用现有的测量技术同时获取研究区域在X波段-L 波段等不同波长尺度上的粗糙度；
[0013] (3)现有的三种方法都只能测量某一方向上的"线粗糙度"，对于该方向上的区域 性"面粗糙度"的测量无法完成，这对于现代雷达卫星的新型成像模式是不适用的。以上三 个方面的缺陷极大地制约了科研工作中粗糙度的获取精度，会存在测量结果并不是雷达卫 星信号所探测到的微地貌起伏程度。
[0014] 从工程应用的角度，测量精度和实用效率是主要需要考虑的因素。因此从这些方 面分析，可以发现：
[0015] (1)按触式测针粗糙度仪的相邻探针有2_4cm的间隔。用按触式测针测量技术很 难测量这些探针间隔之间的粗糙度变化，从而不可避免地出现较大的误差。该技术更多地 应用于微粗糙地表，不适用于起伏较大的极粗糙地表的粗糙度测量。同时，测量过程中人为 因素影响很大，无论是确定测量方向还是按压测针的力度，这些都会造成测量结果与实际 粗糙度的不同；
[0016] (2)激光扫描仪相比于按触式测针粗糙度仪，精度明显提高。但仪器要求高，成本 相对昂贵，且由于仪器复杂，在搬运过程中较为不便，测量效率低下，不利于实际测量。
[0017] 综上所述，现有方法无论在科学研究还是工程应用中，都存在重要的不可忽略的 缺陷。
【发明内容】
[0018] 本发明的目的在于提供一种基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测 量方法，使其可进行大范围、多尺度的面测量，且测量精度高、实用性强。
[0019] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0020] 基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法，包括如下步骤：
[0021] (I)野外测量：
[0022] 第1-1步，确定测量方向；
[0023] 第1-2步，沿测量方向，限定拍摄范围；
[0024] 第1-3步，在拍摄范围内铺设坐标控制尺；
[0025] 第1-4步，在拍摄范围内多角度重叠拍摄；
[0026] 第1-5步，沿不同方向，重复步骤（1-1)-(1-4)进行多次测量；
[0027] (II)内业处理：
[0028] 第II-1步，对野外测量获得的照片进行匹配"同名像对"，建立地表起伏的三维模 型；
[0029] 第II-2步，结合坐标控制尺对第II-1步得到的三维模型进行三维定标和精度验 证；
[0030] 第II-3步，根据三维模型提取"同名点"的"点云"坐标集，即提取粗糙度采样点；
[0031] 第II-4步，从上述采样点中筛选测量点，获取测量方向的一条表征地表起伏的粗 糙度曲线；
[0032] 第ΙΙ-5步，在筛选出来的测量点中，根据不同波长的观测尺度，选择不同的采样 间隔，计算不同波长观测尺度下的粗糙度参数。
[0033] 进一步地，所述第1-2步中，沿测量方向，根据测量长度需求，平行拉两个皮尺，两 个皮尺之间距离50-70cm。
[0034] 进一步地，所述第1-3步中，在测量长度内均匀分布坐标控制尺，且坐标控制尺有 水平和坚直分量。
[0035] 进一步地，所述第1-4步中，对于平滑表面，拍摄天顶角为0°的照片以及在一侧 以45°的天顶角拍摄，且保证沿测量方向相邻照片重叠度在30% -40% ;对于中等粗糙的 表面，拍摄天顶角为〇°的照片以及在左侧和右侧各以45°的天顶角拍摄，且保证沿测量 方向相邻照片重叠度在40% -60% ;对于极粗糙表面，拍摄天顶角为0°的照片以及在左右 两侧各以45°和60°的天顶角拍摄，且保证沿测量方向相邻照片重叠度在60%-80%。
[0036] 进一步地，所述第1-4步中，采用单反相机进行拍摄，相机焦距在18mm-32mm之间， 等效焦距在27mm-48mm之间。
[0037] 进一步地，所述第II-2步具体为：选择坐标控制尺，对第II-1步得到的三维模型 进行校正，使得其长度和大小与真实地表一致1:1 ;取已知长度的地物的测量值，计算测量 值与已知值之间的误差。
[0038] 进一步地，所述第II-3步中的同名点的坐标集通过python脚本导出。
[0039] 进一步地，所述第II-4步中，具体筛选测量点的方法为：
[0040] ①读取内业处理第II-3步得到的"同名点"坐标集；
[0041] ②求点集在与测量方向X方向垂直的Y方向的坐标直方图；
[0042] ③选择直方图中所含"同名点"最多的分组区间作为E (Y)的取值范围，取其中的 某个数为E(Y)，筛选Y值在（E(Y)-Ac，E(Y) + Ac)范围内的X，Z值取出；其中Ac为直方 图的分组组距；
[0043] ④对筛选出来的点集在X方向从小到大进行排序，从而得到沿着测量方向的粗糙 度表征曲线。
[0044] 进一步地，所述第II-5步中的具体方法为：
[0045] ①采样间隔为1，相邻同名点间隔Λχ = 0. 0083m，表征尺度等效于Ka波段，得到 的粗糙度是Ka波段尺度下的地表粗糙度；
[0046] ②采样间隔为2,即每2个点中选择1个参与计算，相邻同名点间隔Λ X = 0. 0166m，表征尺度等效于Κ波段，得到的粗糙度是Κ波段尺度下的地表粗糙度；
[0047] ③采样间隔为3,相邻同名点间隔Λχ = 0. 0331m，表征尺度等效于X波段，得到的 粗糙度是X波段尺度下的地表粗糙度；
[0048] ④采样间隔为5,相邻同名点间隔Λχ = 0. 0413m，表征尺度等效于C波段，得到的 粗糙度是C波段尺度下的地表粗糙度；
[0049] ⑤采样间隔为10,相邻同名点间隔Λχ = 〇· 0822m，表征尺度等效于S波段，得到 的粗糙度是S波段尺度下的地表粗糙度；
[0050] ⑥采样间隔为20,相邻同名点间隔Λχ = 〇· 1646m，表征尺度等效于L波段，得到 的粗糙度是L波段尺度下的地表粗糙度；
[0051] 根据以上原理，利用公式计算得到不同尺度下的均方根高度和相关长度。
[0052] 进一步地，利用公式（1)，（2)计算得到均方根高度和相关长度；
【权利要求】
1. 基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法，其特征在于，包括如下 步骤： (I) 野外测量： 第1-1步，确定测量方向； 第1-2步，沿测量方向，限定拍摄范围； 第1-3步，在拍摄范围内铺设坐标控制尺； 第1-4步，在拍摄范围内多角度重叠拍摄； 第1-5步，沿不同方向，重复步骤（1-1)-(1-4)进行多次测量； (II) 内业处理： 第II-1步，对野外测量获得的照片进行匹配"同名像对"，建立地表起伏的三维模型； 第II-2步，结合坐标控制尺对第II-1步得到的三维模型进行三维定标和精度验证； 第Π -3步，根据三维模型提取"同名点"的"点云"坐标集，即提取粗糙度采样点； 第II-4步，从上述采样点中筛选测量点，获取测量方向的一条表征地表起伏的粗糙度 曲线； 第II-5步，在筛选出来的测量点中，根据不同波长的观测尺度，选择不同的采样间隔， 计算不同波长观测尺度下的粗糙度参数。
2. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第1-2步中，沿测量方向，根据测量长度需求，平行拉两个皮尺，两个皮尺之间距 离 50_70cm。
3. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第1-3步中，在测量长度内均匀分布坐标控制尺，且坐标控制尺有水平和坚直分 量。
4. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第1-4步中，对于平滑表面，拍摄天顶角为0°的照片以及在一侧以45°的天顶角 拍摄，且保证沿测量方向相邻照片重叠度在30% -40% ;对于中等粗糙的表面，拍摄天顶角 为0°的照片以及在左侧和右侧各以45°的天顶角拍摄，且保证沿测量方向相邻照片重叠 度在40%-60%;对于极粗糙表面，拍摄天顶角为0°的照片以及在左右两侧各以45°和 60°的天顶角拍摄，且保证沿测量方向相邻照片重叠度在60% -80%。
5. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第1-4步中，采用单反相机进行拍摄，相机焦距在18mm-32mm之间，等效焦距在 27mm-48mm 之间。
6. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第II-2步具体为：选择坐标控制尺，对第II-1步得到的三维模型进行校正，使得 其长度和大小与真实地表一致1:1 ;取已知长度的地物的测量值，计算测量值与已知值之 间的误差。
7. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第Π -3步中的同名点的坐标集通过python脚本导出。
8. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第II-4步中，具体筛选测量点的方法为： ① 读取内业处理第II-3步得到的"同名点"坐标集； ② 求点集在与测量方向X方向垂直的Y方向的坐标直方图； ③ 选择直方图中所含"同名点"最多的分组区间作为E(Y)的取值范围，取其中的某个 数为E(Y)，筛选Y值在（E(Y)-Ac，E(Y) + Ac)范围内的X，Z值取出；其中Ac为直方图的 分组组距； ④ 对筛选出来的点集在X方向从小到大进行排序，从而得到沿着测量方向的粗糙度表 征曲线。
9. 根据权利要求1所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方法， 其特征在于： 所述第II-5步中的具体方法为： ① 采样间隔为1，相邻同名点间隔ΛΧ = 0. 0083m，表征尺度等效于Ka波段，得到的粗 糙度是Ka波段尺度下的地表粗糙度； ② 采样间隔为2,即每2个点中选择1个参与计算，相邻同名点间隔Λ X = 0. 0166m，表 征尺度等效于K波段，得到的粗糙度是K波段尺度下的地表粗糙度； ③ 采样间隔为3,相邻同名点间隔ΛΧ = 0. 0331m，表征尺度等效于X波段，得到的粗糙 度是X波段尺度下的地表粗糙度； ④ 采样间隔为5,相邻同名点间隔ΛΧ = 0. 0413m，表征尺度等效于C波段，得到的粗糙 度是C波段尺度下的地表粗糙度； ⑤ 采样间隔为10,相邻同名点间隔ΛΧ = 0. 0822m，表征尺度等效于S波段，得到的粗 糙度是S波段尺度下的地表粗糙度； ⑥ 采样间隔为20,相邻同名点间隔ΛΧ = 0. 1646m，表征尺度等效于L波段，得到的粗 糙度是L波段尺度下的地表粗糙度； 根据以上原理，利用公式计算得到不同尺度下的均方根高度和相关长度。
10. 根据权利要求9所述的基于三维微地貌重建的雷达遥感多尺度面粗糙度测量方 法，其特征在于： 利用公式（1)，（2)计算得到均方根高度和相关长度；
式中，s为剖面均方根高度，N为剖面点的数目，Zi为点i坚直方向的表面高度，i为整 个剖面的平均高度；所述剖面为粗糙度曲线对应的剖面；
【文档编号】G01S13/88GK104062653SQ201410339948
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】杨知, 宫华泽, 王龙飞, 邵芸, 柴勋 申请人:中国科学院遥感与数字地球研究所