基于GIS和SAR的建筑物高度反演方法和装置与流程

本发明涉及高度测算技术领域，尤其涉及一种基于gis和sar的建筑物高度反演方法和装置。

背景技术：

近年来，我国城市化建设进程明显加快，中心城区向周边地区的辐射扩张作用越发显著，使得我国大中型城市大范围爆发性出现建筑群。已经影响到机场净空区的高度要求，给飞机安全飞行造成隐患。

目前，对于机场净空区高度的动态监测通常采用人工巡视的方式进行监测。该方法虽然时效性能够得到满足，但针对性不强、效率不高、实效性较差。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种基于gis和sar的建筑物高度反演方法和装置，以解决现有技术中对于机场净空区建筑物高度监测时效性和准确率较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了基于gis和sar的建筑物高度反演方法，包括：

获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的参数信息，作为模拟参数，所述参数信息包括：入射角、方位角、方位向分辨率和距离向分辨率；

设定初始预测高度，根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像；

将所述模拟合成孔径雷达图像与原始合成孔径雷达图像进行比较，计算得到相似度；并根据所述设定初始预测高度单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像并建立相似度-高度序列，直至所述相似度满足预设条件；

将所述相似度满足预设条件对应的预测高度选定为建筑物高度。

进一步的，所述预设条件包括：

在相似度-高度序列中，所述相似度高于前一预测高度和后一预测高度的相似度且大于预设的相似度阈值。

进一步的，根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像包括：

根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型；

对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分及其后向散射强度信息；

计算面元在地面形成阴影区域，以所有可见部分形成的阴影区域与非建筑物面元散射区域的交集作为阴影区域；

根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。

进一步的，将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像进行比较，包括：

将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像基于阴影区域和/或边缘提取的特征匹配进行图像配准。

更进一步的，所述计算得到相似度，包括：

其中，为模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像的互信息匹配度量值，h(x)分别为和x的熵，为它们的联合熵；

和px(x)是边际概率密度函数，是联合概率密度函数，其中：

其中hist为联合直方图。

第二方面，本发明实施例还提供了基于gis和sar的建筑物高度反演装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的参数信息，作为模拟参数，所述参数信息包括：入射角、方位角、方位向分辨率和距离向分辨率；

模拟合成模块，用于设定初始预测高度，根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像；

相似度计算模块，用于将所述模拟合成孔径雷达图像与原始合成孔径雷达图像进行比较，计算得到相似度；并根据所述设定初始预测高度单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像并建立相似度-高度序列，直至所述相似度满足预设条件；

选定模块，用于将所述相似度满足预设条件对应的预测高度选定为建筑物高度。

进一步的，所述预设条件包括：

在相似度-高度序列中，所述相似度高于前一预测高度和后一预测高度的相似度且大于预设的相似度阈值。

进一步的，所述模拟合成模块，包括：

三维模型生成单元，用于根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型；

分析单元，用于对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分及其后向散射强度信息；

计算单元，计算面元在地面形成阴影区域，以所有可见部分形成的阴影区域与非建筑物面元散射区域的交集作为阴影区域；

合成单元，用于根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。

进一步的，所述相似度计算模块包括：

配准单元，用于将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像基于阴影区域和边缘提取的特征匹配进行图像配准。

更进一步的，所述相似度计算模块，包括：

相似度计算单元，用于利用如下公式计算相似度：

其中，为模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像的互信息匹配度量值，h(x)分别为和x的熵，为它们的联合熵；

和px(x)是边际概率密度函数，是联合概率密度函数，其中：

其中hist为联合直方图。

本发明实施例提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法和装置，通过获取建筑物的相关信息和传感器的参数，并设定初始预测高度，根据上述参数模拟合成孔径雷达图像，并根据所述模拟合成孔径雷达图像和实际孔径雷达卫星图像的相似度对初始预测高度进行修正，直至相似度满足要求。与传统监测方式相比，具有良好的时效性和准确性。此外，由于采用建筑物的地理坐标信息生成模拟合成孔径雷达图像，其相对于其它方式更为准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法中sar地理编码模型示意图；

图3是本发明实施例二提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法的流程示意图；

图4是本发明实施例三提供的基于gis和sar的建筑物高度反演装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法的流程示意图，本实施例可适用于利用合成孔径雷达图像计算建筑物的高度的情况，该方法可以由基于gis和sar的建筑物高度反演装置来执行，并可集成于用于监测机场净空区建筑物高度变化的监控服务器中，具体包括如下步骤：

s110，获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的参数信息，作为模拟参数，所述参数信息包括：入射角、方位角、方位向分辨率和距离向分辨率。

近年来，随着机载sar(syntheticapertureradar，合成孔径雷达)技术的不断成熟，获取的sar图像分辨率得到了很大提高，目前国外机载sar图像分辨率已经达到0.1m(如美国minisar，法国ramses)，我国机载sar的分辨率也已经达到了很高的水平。在高分辨率条件下，建筑物在高分辨率sar图像上的空间信息更加丰富，几何结构特征更加明显，为建筑物提取和三维重构提供了一个重要的数据源。

高分辨率sar图像建筑物各个可见表面的局部入射角和观测路径不同，表现出的后向散射特性存在较大的差异，同时建筑物表面附属的强散射局部几何结构(如窗台二面角，空调或者太阳能设施)给利用高分辨率sar图像提取建筑物带来了较大的困难。

具体的，按照雷达回波信号传播路径的不同，建筑物产生的后向散射主要分为单次散射、二次散射和多次散射。其中，单次散射主要是由入射表面直接返回到雷达接收天线的电磁波，包括分别来自地面、墙面和屋顶的散射；二次散射主要是来自于地面-墙体或者墙体-地面之间的二次弹射，主要包括sar发射的电磁波，先到达地面，然后从地面反射到墙面，再由墙面反射到雷达接收机，或者先达到墙面，然后由墙面反射到地面，再由地面反射到雷达接收机的电磁散射部分；三次以及三次以上的多次散射主要指的是电磁波在墙面和地面之间发射多次反射，典型的三次散射作用为"地面-墙体-地面"或"墙体-地面-墙体"的散射。

在sar影像中，典型的城市结构受到叠掩、二次散射和阴影效应的影响。而上述这些因素很明显与建筑结构直接相关。因此，在本实施例中，首先获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的参数信息，作为模拟参数。示例性的，所述建筑物的地理坐标可以由gis数据中获取。地理信息系统(gis)是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上,这是一个具有集中、存储、操作和显示地理参考信息的计算机系统。利用其数据可以获取到建筑物的结构的具体的位置信息。例如：建筑物四角的坐标。

同样的，叠掩、二次散射和阴影效应也与雷达传感器的斜距几何相关，因此，也需获取合成孔径雷达图像对应的参数信息，以方便确定该建筑物的叠掩、二次散射和阴影效应等因素。

s120，设定初始预测高度，根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像。

根据上述描述可知，合成孔径雷达图像中的叠掩、二次散射和阴影效应等重要因素也与建筑物的高度密切相关。例如：在建筑物背向雷达接收机一侧的部分地面，雷达波束被建筑物屋顶或者墙面的遮挡，对应距离向单元没有回波信号，在sar图像上形成亮度较低的阴影区域。该阴影区域与建筑物的高度正向相关。因此，只有确定了高度，才能模拟得到较为准确的sar图像。

具体的，在本实施例中，可以预先设定一初始预测高度，并利用该初始预测高度和上述模拟参数生成模拟合成孔径雷达图像。可选的，所述初始预测高度可以采用预估该建筑物的高度的中间值。所述预估建筑物的高度可以采用根据sar图像的阴影面积估算得到，也可通过gis信息中附带的高程信息获取得到。采用采用用预估该建筑物的高度的中间值作为初始预测高度，可以方便后期对初始预测高度进行微调，可以利用较少的模拟合成孔径雷达图像确定建筑物的高度。

在本实施例中，所述根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像，包括：将建筑物的地理坐标信息编码至雷达坐标系，根据所述雷达坐标系、所述传感器入射角和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像。

gis数据库位于真实的地理空间坐标系，而为了尽可能的提高sar数据的质量和分辨率，需要将地理空间坐标地理编码至雷达坐标系，其模型为距离-多普勒构像模型(rd模型)。

rd模型基于f.leberl成像条件，主要包括距离条件与多普勒条件两个方程，它充分利用了微波的工作机理和sar图像的构像机理，是目前sar传感器成像的经典模型。如图2所示，图2是本发明实施例一提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法中sar地理编码模型示意图，s为传感器所在位置，s'是其星下点位置，t为地面目标点，t'是其在地球表面上的投影点，tt'为t的高程ht，r是s点到s点的斜距。在sar照射区域内，分布着等时延的同心圆束(斜距方程)和等多普勒频移的双曲线束(多普勒方程)。由同心圆、双曲线集地球物理模型共同确定了sar影像上行列号为(i,j)相应地面点t的位置rtc。

sar卫星到地面目标点之间的斜距为：

r＝|rsc-rtc|

由于地面目标点的回波数据在频率上出现偏移，偏移量正比于卫星与目标间的相对速度，由doppler方程得：

式中，rsc、vsc分别表示sar卫星的空间位置矢量(xs,ys,zs)和速度矢量(xv,yv,zv)，rtc为地面目标的空间位置矢量(xt,yt,zt)，fd表示sar多普勒频移，λ表示sar电磁波波长。

同时，地面目标点满足地球物理模型，即：

式中，分别re、rp表示地球参考椭球的赤道半径和极半径；ht为该目标点的高程。

由上述公式共同组成了星载sar影像地理编码数学模型。

对图像的每个坐标点，基于其改善后的高程信息、卫星参数信息代入上述定位的数学模型即可解算出相应的地心坐标，实现坐标点的雷达坐标系地理编码。

s130，将所述模拟合成孔径雷达图像与原始合成孔径雷达图像进行比较，计算得到相似度；并根据所述设定初始预测高度单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像并建立相似度-高度序列，直至所述相似度满足预设条件。

在所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像一致时，可以确定当前估计的高度与实际建筑物的高度完全一致。但在实际中，很难实现二者完全一致。因此，在本实施例中，可以计算二者之间的近似度，在二者之间的近似度小于一个设定标准时，即可认为当前估计的高度与建筑物的实际高度一致。所述预设条件可以包括：预先设定一个极值，在近似度大于所述极值时，可以认为其满足预设条件。在实际工作过程中，通常预设高度高于或者低于建筑物实际高度时，其对应的近似度都低于实际高度对应的近似值。只有预设高度接近于实际高度时，其近似度越高。因此，在本实施例中，所述预设条件可以包括：在预测高度-相似度序列中，所述相似度高于前一预测高度和后一预测高度的相似度。示例性的，可以建立预测高度与相似度的坐标系，其中预测高度可以为横坐标，相似度为纵坐标。根据预测高度与相似度之间的对应关系在该坐标系中绘制点，并连接绘制点，形成预测高度-相似度序列。在在预测高度-相似度序列中，所述相似度高于前一预测高度和后一预测高度的相似度，如果某预测高度对应的相似度既高于前一预测高度的相似度，又高于后一预测高度的相似度。可以在相似度不满足预设条件时，单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像直至所述相似度满足预设条件。采用单向调整预测高度，可以使预测高度逐渐接近于建筑物的实际高度，并超过所述实际高度，以使得预测高度-相似度序列呈抛物线形态，便于确定相似度最高对应的预测高度。优选的，可以按照预设的步长对预测高度进行调整。

示例性的，所述将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像进行比较，包括：将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像基于阴影区域和边缘提取的特征匹配进行图像配准。

为了计算模拟和实际场景之间的匹配度，两个图像首先需要配准。在实际操作过程中，配准和高度估计是可以在匹配过程中同时执行的类似任务。对于图像匹配而言存在两种类型的方法：基于区域和基于特征的方法。基于区域的方法直接计算两个相应图像中所有(或一部分)样本之间的相关性；而基于特征的方法首先从要比较的图像中提取结构信息，例如线和边，然后在特征空间进行匹配。由于实际sar数据具有斑点噪声，而模拟sar影像没有斑点噪声，在对二者进行配准时，应考虑特征较为丰富的区域进行配准，而阴影区域和/或边缘具有丰富的特征，因此，适用于进行配准。

此外，所述计算得到相似度，可以包括：

其中，为模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像的互信息匹配度量值，h(x)分别为和x的熵，为它们的联合熵；

和px(x)是边际概率密度函数，是联合概率密度函数，其中：

其中hist为联合直方图。

由于基于特征的方法的缺点是特征提取程序的有效性和稳定性对参数设置的依赖性，这对于sar图像来说特别重要。相似性度量与两幅图像的绝对强度值的独立性的原因在于，mi仅对x和中的相同强度值对的出现敏感。能够有效克服对于其它参数的依赖性，提高相似度计算的准确性。

s140，将所述相似度满足预设条件对应的预测高度选定为建筑物高度。

在相似度满足预设条件时，可以近似认为预测高度与建筑物实际高度相差较小，可以将该预测高度作为该建筑物实际高度。

本实施例通过获取建筑物的相关信息和参数信息，并设定初始预测高度，根据上述参数模拟合成孔径雷达图像，并根据所述模拟合成孔径雷达图像和实际孔径雷达卫星图像的相似度对初始预测高度进行修正，直至相似度满足要求。与传统监测方式相比，具有良好的时效性和准确性。此外，由于采用建筑物的地理坐标信息生成模拟合成孔径雷达图像，其相对于其它方式更为准确。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，在本实施例中，将根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像具体优化为：根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型；对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分及其后向散射强度信息；计算面元在地面形成阴影区域，以所有可见部分形成的阴影区域与非建筑物面元散射区域的交集作为阴影区域；根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。

相应的，本实施例所提供基于gis和sar的建筑物高度反演方法，具体包括：

s210，获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的，作为模拟参数，所述参数信息包括：入射角、方位角、方位向分辨率和距离向分辨率。

s220,设定初始预测高度，根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型。

在模拟场景和实际场景完全配准的假设下，将建筑物在不同高度进行模拟并与实际场景进行比较。这个仿真过程需要知道与实际sar图像获取有关的一组参数、与建筑物的形状和大小有关的一组参数、关于建筑物高度h的假设。因此，仿真过程可以由来定义，其中w是建筑物的宽度，l是建筑物的长度，θ是入射角，φ是方位角，δa是方位向分辨率，δr是距离向分辨率。

可以根据上述实施例的描述，根据星载sar影像地理编码数学模型对应的中的信息生成三维模型；其次，对三维模型进行三角化处理

s230，对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分及其后向散射强度信息。

示例性的，可以使用射线追踪来确定通用建筑物对象的哪些表面可见。可以选择包含多次反射散射，因此可以区分单反射和双反射反射。其可输出一个二维的矩形图像，其尺寸被确定为包括模拟物体的散射效应(即单次反射贡献，阴影，平移和双反弹)和一个边界地区，其中也同时包含来自地面的散射。

s240，计算面元在地面形成阴影区域，以所有可见部分形成的阴影区域与非建筑物面元散射区域的交集作为阴影区域。

示例性的，综合考虑θ，φ，δa和δr等参数来计算其后向散射系数。

在本实施例中，是从表面粗糙度参数、材料的介电属性未知的sar场景中提取建筑信息。基于朗伯和镜面反射的可调混合模型用于计算来自表面和建筑物模型的后向散射。这个简化的散射模型并没有计算与材料性质和表面粗糙度参数相关的绝对辐射效应，而是计算后向散射的相对差异，同时保留了表面和二面散射的主要几何效应。利用朗伯和镜面反射的可调混合模型对可见部分进行后向散射计算，得到阴影区域。

s250,根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。

s260,将所述模拟合成孔径雷达图像与原始合成孔径雷达图像进行比较，计算得到相似度；并根据所述设定初始预测高度单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像并建立相似度-高度序列，直至所述相似度满足预设条件。

s270,将所述相似度满足预设条件对应的预测高度选定为建筑物高度。

本实施例通过将根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像具体优化为：根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型；对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分；对可见部分进行后向散射计算，得到阴影区域；根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。可以更好的与gis提供的地理信息结合，生成对应的星载sar影像地理编码数学模型，提高模拟合成孔径雷达图像的准确性。

实施例三

图4是本发明实施例三提供的基于gis和sar的建筑物高度反演装置的结构示意图，如图4所示，所述装置包括：

获取模块310，用于获取建筑物的地理坐标信息和当前采集到的合成孔径雷达图像对应的参数信息，作为模拟参数，所述参数信息包括：入射角、方位角、方位向分辨率和距离向分辨率；

模拟合成模块320，用于设定初始预测高度，根据所述模拟参数和初始预测高度生成模拟合成孔径雷达图像；

相似度计算模块330，用于将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像进行比较，计算得到相似度，在所述相似度不满足预设条件时，根据所述设定初始预测高度单向调整预测高度，重复生成模拟合成孔径雷达图像直至所述相似度满足预设条件；

选定模块340，用于将所述相似度满足预设条件对应的预测高度选定为建筑物高度。

本实施例提供的基于gis和sar的建筑物高度反演装置，通过获取建筑物的相关信息和传感器的入射角，并设定初始预测高度，根据上述参数模拟合成孔径雷达图像，并根据所述模拟合成孔径雷达图像和实际孔径雷达卫星图像的相似度对初始预测高度进行修正，直至相似度满足要求。与传统监测方式相比，具有良好的时效性和准确性。此外，由于采用建筑物的地理坐标信息生成模拟合成孔径雷达图像，其相对于其它方式更为准确。

在上述各实施例的基础上，所述基于gis和sar的建筑物高度反演装置，还包括：

作为建筑物高度作为模块，用于在所述相似度满足预设条件时，将初始预测高度作为建筑物高度。

在上述各实施例的基础上，所述预设条件包括：

在预测高度-相似度序列中，所述相似度高于前一预测高度和后一预测高度的相似度。

在上述各实施例的基础上，所述模拟合成模块，包括：

三维模型生成单元，用于根据所述模拟参数和初始预测高度生成建筑物的三维模型；

分析单元，用于对所述三维模型进行面元可见性分析，得到可见部分；

计算单元，用于对可见部分进行后向散射计算，得到阴影区域；

合成单元，用于根据可见部分和阴影区域生成模拟合成孔径雷达图像。

在上述各实施例的基础上，所述相似度计算模块包括：

配准单元，用于将所述模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像基于阴影区域和边缘提取的特征匹配进行图像配准。

在上述各实施例的基础上，所述相似度计算模块，包括：

相似度计算单元，用于：利用如下公式计算相似度：

其中，为模拟合成孔径雷达图像与合成孔径雷达图像的互信息匹配度量值，h(x)分别为和x的熵，为它们的联合熵；

和px(x)是边际概率密度函数，是联合概率密度函数，其中：

其中hist为联合直方图。

本发明实施例所提供的基于gis和sar的建筑物高度反演装置可执行本发明任意实施例所提供的基于gis和sar的建筑物高度反演方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。