一种基于单幅卫星图像提取油罐高度的方法与流程

本发明涉及遥感图像处理及信息提取技术领域，尤其涉及一种基于单幅卫星图像提取油罐高度的方法。

背景技术：

油罐是石油储备基地的核心设施，属于国家重点建设战略目标，其高度信息是油库识别、库容估算及定量化分析的重要内容和标志，在国家经济建设和国防安全能力等方面具有重要意义。但常规基于卫星图像的油罐高度提取方法中，一是激光测距法、立体像对等均存在对设备仪器及数据源要求较高，且紧急任务情况下时效性较弱、计算复杂的缺点；二是阴影长度法又依据油罐阴影边界的弧边特性，存在阴影长度难以精确量测进而致使油罐高度无法精确计算的问题。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于单幅卫星图像提取油罐高度的方法，用以解决常规基于卫星图像进行油罐高度提取技术中的一些不足。

为实现上述的发明目的，在基于本发明方法的一个实施例中，包括以下步骤：

步骤s0、获取油罐卫星图像拍摄时的成像参数；

步骤s1、获取油罐卫星图像，并经几何精校正得到几何精校正图像；

步骤s2、根据油罐在几何精校正卫星图像上的阴影边界特征，识别和定位油罐同名弧边p’和p"，其中同名弧边是指遥感图像上油罐顶部边缘的像p’和该边缘阴影的像p"；

步骤s3、根据步骤s2中定位的同名弧边p’和p”，确定相对应的同名弧点t’和t”，计算得到同名弧距t’t"；其中过两个同名弧边的圆心且斜率为太阳方位的直线与两个同名弧边的交点为同名弧点，两个同名弧点之间的距离为同名弧距；

步骤s4、将步骤s0中获取的油罐卫星图像成像参数及步骤s3得到的同名弧距代入油罐测高模型，得到油罐高度。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s0中成像参数包括：太阳高度角α、卫星高度角β、太阳方位角γ和卫星方位角θ。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s1中卫星图像几何精校正的步骤包括：

1)地面控制点采集：在获取的油罐卫星图像上，采集六个以上、具有清晰明显定位标志并尽可能均匀分布的控制点；

2)几何校正模型选择：采集完地面控制点之后，选择多项式几何校正模型，用于建立图像坐标与参考坐标的关系；

3)图像重采样：采用重采样方法，对油罐卫星图像进行重新插值计算，生成几何精校正卫星图像。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s2中同名弧边的识别与定位采取人机交互模式或专家判读模式；

采用人机交互模式，具体为首先基于计算机自动检测阴影边界，然后根据油罐阴影边界结合人工进行同名弧边的优选定位；

采用专家模式，基于专家判读知识，直接进行同名弧边的判读定位。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s3具体包括步骤：

步骤s31、在步骤s2中定位的同名弧边上选取关键元素；

步骤s32、根据步骤s31中选取的关键元素确定相对应的同名弧点t’和t"；

步骤s33、计算得到同名弧距。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s31具体包括：

基于几何精校正图像，分别在上述定位的油罐同名弧边p’和p"上任选三点，作为输入关键元素，其中：

同名弧边p’上的任三点坐标：p’1(x’1，y’1)、p’2(x’2，y’2)、p’3(x’3，y’3)；

同名弧边p"上的任三点坐标：p”1(x"1，y"1)、p”2(x"2，y"2)、p”3(x"3，y"3)。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s32具体包括：

计算圆弧和过圆弧圆心且斜率为太阳方位的直线的交点坐标模型为：

其中：圆心坐标m(a,b)、半径为r的圆的方程为(x-a)²+(y-b)²＝r²；过圆心m且斜率为k的直线方程为y＝kx+b-ka；

k＝ctgγ

分别将p’和p"的圆心坐标、半径以及直线斜率ctgγ代入上述交点坐标模型，可得到同名弧点t’(x′，y′)和t”(x"，y")的坐标。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s33中同名弧距为同名弧点t’(x′，y′)和t”(x"，y")之间的距离，其表达式为：

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s4具体包括：

步骤s41、构建油罐测高模型；

步骤s42、将步骤s0中获取的油罐卫星图像成像参数及步骤s33提取的同名弧距，利用步骤s41中构建的油罐测高模型，得到油罐高度h。

在本发明方法的另一个实施例中，步骤s41的油罐测高模型为

本发明的特点及有益效果是：

可基于单幅卫星图像进行油罐高度的精确提取，无需立体像对或其它特殊设备，放宽了对数据源及仪器的要求，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度，具有较强的时效性，可广泛应用于油库识别、储油量评估、应急响应等领域。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为油罐高度提取流程图；

图2为卫星图像上同名弧边、同名弧点和同名弧距示意图；

图3为同名弧距示意图

图4为有关油罐侧高模型构建原理示意图

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种基于单幅卫星图像提取油罐高度的方法，包括以下步骤：

步骤s0、获取油罐卫星图像拍摄时的成像参数；

光学卫星图像在成像时一般都是在光照条件相对较好的情况下进行拍摄，每幅图像都对应有其成像时刻的太阳、卫星位置信息，即瞬时成像参数。但传统基于阴影长度法进行地物高度提取模型中，仅利用了太阳高度角单一成像参数，忽略了太阳方位、卫星高度和卫星方位等成像参数，使得测高模型的严谨性有所欠缺，且误差较大，尤其随着亚米级高分辨率卫星图像的普遍使用，这些成像参数对于精度的影响亦非常凸显，有必要加以全面考虑。

卫星图像成像参数，一般记录于该幅图像产品相应的头文件或元数据信息或辅助数据中，可直接获取。在本发明的一个实施例中，采用从元数据文件中直接读取的方式获得。

从卫星图像相对应的元数据或头文件或辅助数据中，读取卫星图像拍摄时的成像参数，成像参数包括：太阳高度角α、卫星高度角β、太阳方位角γ和卫星方位角θ；

步骤s1、获取油罐卫星图像，并经几何精校正得到几何精校正图像；

卫星图像在成像过程中，由于传感器本身、地球曲率、地形起伏、地球自转、轨道姿态及投影方式等各种因素的图像，使得卫星图像一般存在各种几何畸变，致使图像上的地物几何形状及位置失真，表现为位移、旋转、缩放、仿射、弯曲和更高阶的歪曲等。为消除这些畸变，提高精度，需要对卫星图像几何畸变进行纠正，生成具有一定地图投影的新图像。

卫星图像几何精校正的步骤包括：

1)地面控制点采集：在获取的油罐卫星图像上，采集多个、具有清晰明显定位标志并尽可能均匀分布的控制点，控制点个数优选25个。

2)几何校正模型选择：采集完地面控制点之后，选择多项式几何校正模型，用于建立图像坐标与参考坐标的关系。

3)图像重采样：采用双线性内插等重采样方法，对油罐卫星图像进行重新插值计算，生成定位精度高、具有地理信息且可量算的几何精校正卫星图像。

步骤s2、根据油罐在几何精校正卫星图像上的阴影边界特征，识别和定位油罐同名弧边p’和p"；

本发明中主要借助同名特征的思想进行油罐高度的提取，这里的同名特征指的是单幅卫星图像上油罐的同名弧边，如图2、图3所示，图像上沿阴影方向上油罐顶部边缘弧p’与油罐阴影外边缘弧p"，这里称p’和p"为同名弧边，其物理意义为油罐顶部边缘的像p’和该边缘阴影的像p"，油罐同名弧边的识别与定位主要根据油罐设施在几何校正图像上的阴影边界特征，进行同名弧边的判读及定位；

同名弧边的识别与定位可采取人机交互模式或专家判读模式。在本发明的一个实施例中，采用人机交互模式，首先基于计算机自动检测阴影边界，然后根据油罐阴影边界结合人工进行同名弧边的优选定位；在本发明的另一个实施例中，采用专家模式，基于专家判读知识，直接进行同名弧边的判读定位。

步骤s3、根据步骤s2中定位的同名弧边p’和p"，确定相对应的同名弧点t’和t”，计算得到同名弧距t’t”；

同名弧距是本发明中进行油罐高度提取的重要参数，这里定义其含义是指两个同名弧边各自所在的圆与过该圆圆心且斜率为太阳方位的直线在阴影方向的交点之间的距离。过该圆圆心且斜率为太阳方位的直线与两个同名弧边的交点为同名弧点，同名弧距的提取其中重要的环节是关键元素的选取及同名弧点的确定。

步骤s3具体包括步骤：

步骤s31、在步骤s2中定位的同名弧边上选取关键元素；

基于几何精校正图像，分别在上述定位的油罐同名弧边p’和p"上任选三点，作为输入关键元素，其中：

同名弧边p’上的任三点坐标：p’1(x’1，y’1)、p’2(x’2，y’2)、p’3(x’3，y’3)；

同名弧边p"上的任三点坐标：p”1(x"1，y"1)、p”2(x"2，y"2)、p”3(x"3，y"3)；

步骤s32、根据步骤s31中选取的关键元素确定相对应的同名弧点t’和t”；

已知p’1、p’2、p’3为同名弧边p’上三点，p”1、p”2、p”3为同名弧边p"上三点，其坐标值可直接基于几何精校正图像读取，则存在：

弧边p’和p"所在圆的圆方程可表达为：

(x-a)²+(y-b)²＝r²，圆心坐标m(a,b)、半径为r；

其中弧边p’所在圆的圆心坐标m′(a'，b′)，半径为r′；弧边p"所在圆的圆心坐标m"(a"，b")，半径为r"。

过圆心m且斜率为k的直线方程为：

y＝kx+b-ka；

其中过圆心m′和过圆心m"的直线斜率均为ctgγ。

则同名弧点t’(x′，y′)和t"(x"，y")的坐标表达式为(即直线与圆在阴影方向的交点)：

其中：

k′＝ctgγ(γ太阳方位角)

k"＝ctgγ(γ太阳方位角)

分别代入后可以得到同名弧点t′(x′，y′)和t"(x"，y")的坐标。

步骤s33、计算得到同名弧距；

同名弧距即为同名弧点t′(x′，y′)和t"(x"，y")之间的距离，其表达式为：

步骤s4、将步骤s0中获取的油罐卫星图像成像参数及步骤s33得到的同名弧距代入油罐测高模型，得到油罐高度；

油罐测高模型是本发明的重要内容，基于该测高模型，代入油罐同名弧距及成像参数，可进行油罐高度提取。

步骤s4具体包括步骤：

步骤s41、构建油罐测高模型；

由图4所示，tt"为太阳光线，tt’为卫星拍摄视线，则同名弧点t’和t"的物理意义即为油罐顶部边缘t点在卫星图像上的像点及其阴影的像点，油罐的高度h即为to。太阳高度角α，卫星高度角β，太阳方位和卫星方位空间夹角为|γ-θ|则

由空间几何关系知，

t"o＝h*ctgα

t’o＝h*ctgβ

∠t’ot"＝|γ-θ|

由三角关系t’t”²＝t’o²+t"o²-2t’o*t"o*cos∠t’ot"，得知：

即为圆柱型设施测高模型。

步骤s42、将步骤s0中获取的油罐卫星图像成像参数及步骤s33提取的同名弧距，利用步骤s41中构建的油罐测高模型，得到油罐高度h。

本发明的特点及有益效果是：

可基于单幅卫星图像进行油罐高度的精确提取，无需立体像对或其它特殊设备，放宽了对数据源及仪器的要求，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度，具有较强的时效性，可广泛应用于油库识别、储油量评估、应急响应等领域。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。