一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法技术

本发明专利技术公开了一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，包括：采集不同目标地形区域的偏振图像；计算目标地形区域表面的偏振度以及入射光的入射角、方位角；构建法向量与入射光的入射角、方位角之间的第一映射关系，获得第一法向量信息；计算太阳的天顶角与方位角，构建光源矢量与天顶角、方位角之间的第二映射关系，获得目标地形区域表面的光源矢量；构建目标地形区域表面的辐射模型，并计算先验法向量信息；基于先验法向量信息对第一法向量信息进行修正，得到修正法向量信息；根据修正法向量信息和预设角度下不同目标地形区域的偏振图像，进行目标区域的三维场景重建。本发明专利技术可以实现大场景下的卫星遥感地形三维重建，提高了运算速度。提高了运算速度。提高了运算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法


[0001]本专利技术属于遥感成像
，具体涉及一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法。

技术介绍

[0002]航天光学遥感技术通常指利用卫星、航天飞机等在高空对地面上的目标进行远距离的探测，通常卫星平台搭载着空间相机或成像光谱仪等设备来收集目标所反射或发射出的辐射信息，利用所捕获到的信息进行光电转换、信息处理等来实现目标的监测。同时，利用卫星遥感影像的优势，在国土资源统计与监测、灾情监测与城市变迁等领域有着重要应用。随着科技水平的飞速发展，原始的二维遥感影像已无法满足应用需求，因此，需要寻求一种三维成像技术来对地形建立三维重建模型，而三维重建的主要目标是通过计算获取目标区域地形的数字高程信息。
[0003]目前，常见的三维重建方法是利用航空航天影像结合摄影测量理论，通过获取立体像对进行三维重建，其中，遥感卫星的立体像对是指对相同目标区域从不同的角度进行拍摄，获取到两幅或者多幅图像，再利用模拟人眼的立体视觉，最终实现目标地形区域的三维重建。通过确定立体像对的内、外方位元素，结合共线条件以及两幅或多幅匹配图像(通常是同一卫星对同一目标区域不同角度所拍摄得到的多幅，具有一定重叠区域的图像)上的像点坐标进行影像匹配，得到立体像对上的同名像点，再进一步构建出两条同名射线，通过两条同名射线的交点即可计算出对应地面点的三维坐标，最终实现基于立体像对的三维重建。
[0004]由于卫星遥感图像地形多为山地且起伏较大，影像匹配得到的同名点数量往往会存在极大的限制，导致最终重建效果受到影响；另外，虽然影像匹配方法较多，但其往往存在对噪声与光照影响精度与算法运行速度上无法同时兼顾的缺陷；再者，由于基于立体像对遥感影像三维重建技术匹配时往往需要多幅图片中包含相同的重叠区域，因此对于大范围大场景的目标区域拼接往往较为繁琐复杂，无法高效精确实现。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术提供一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，包括：
[0007]采集预设角度下不同目标地形区域的偏振图像；
[0008]针对每个目标地形区域，计算目标地形区域表面的偏振度，并根据所述偏振度计算所述目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角
[0009]根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系，获得第一法向量信息；
[0010]计算太阳的天顶角θ
z
与方位角θ
s
，构建光源矢量与所述天顶角θ
z
及所述方位角θ
s
之间的第二映射关系，获得所述目标地形区域表面的光源矢量；
[0011]构建所述目标地形区域表面的辐射模型，并结合所述目标地形区域表面的光源矢量计算先验法向量信息；
[0012]基于所述先验法向量信息对所述第一法向量信息进行修正，得到所述目标地形区域表面的修正法向量信息；
[0013]根据所述修正法向量信息和所述预设角度下不同目标地形区域的偏振图像，进行目标区域的三维场景重建。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述预设角度包括0
°
、45
°
、90
°
和135
°
；
[0015]针对每个目标地形区域，计算目标地形区域表面的偏振度，并根据所述偏振度计算所述目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角的步骤，包括：
[0016]针对每个目标地形区域，获取采集预设角度下的偏振图像时通过0
°
偏光片的光强I
00
、通过45
°
偏光片的光强I
+450
、通过90
°
偏光片的光强I
900
和通过135
°
方向线偏振器的光强I
‑
45
°
，并计算斯托克斯参数S0、S1和S2：
[0017]S0＝I0°
+I
90
°
；
[0018]S1＝I0°
‑
I
90
°
；
[0019]S2＝I
+45
°
‑
I
‑
45
°
；
[0020]根据所述斯托克斯参数S0、S1和S2，计算目标地形区域表面的偏振度：
[0021][0022]根据所述斯托克斯参数S0、S1及所述偏振度，计算目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角
[0023]在本专利技术的一个实施例中，根据所述斯托克斯参数S0、S1及所述偏振度，计算目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角的步骤，包括：
[0024]根据所述斯托克斯参数S0、S1计算目标地形区域表面的入射光的方位角
[0025][0026]根据所述偏振度DOLP计算入射光的入射角θ：
[0027][0028]式中，n表示目标地形区域表面的折射率，n＝1.5。
[0029]在本专利技术的一个实施例中，根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系，获得第一法向量
信息的步骤，包括：
[0030]根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系：
[0031][0032]式中，n
x
、n
y
、n
z
分别表示所述目标地形区域表面的法向量在x方向、y方向和z方向上的分量，其中，z方向与所述目标地形区域表面垂直，x方向与y方向垂直且二者所在平面与所述z方向垂直；
[0033]根据所述第一映射关系计算第一法向量信息D。
[0034]在本专利技术的一个实施例中，计算太阳的天顶角θ
z
与方位角θ
s
，构建光源矢量与所述天顶角θ
z
及所述方位角θ
s
之间的第二映射关系，获得所述目标地形区域表面的光源矢量的步骤，包括：
[0035]根据所述目标地形区域的被拍摄时间，计算太阳赤纬角：
[0036][0037]式中，N表示积日数；
[0038]根据所述太阳赤纬角δ、目标地形区域的纬度φ和太阳时角ω计算太阳的高度角：
[0039]sinh
s
＝sinδ
·
sinφ+cosδ
·
cosφ
·
cosω；
[0040]式中，ω＝(12
‑
t)
×
15
°
，t表示目标地形区域被拍摄时的当地时间；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，其特征在于，包括：采集预设角度下不同目标地形区域的偏振图像；针对每个目标地形区域，计算目标地形区域表面的偏振度，并根据所述偏振度计算所述目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系，获得第一法向量信息；计算太阳的天顶角θ
z
与方位角θ
s
，构建光源矢量与所述天顶角θ
z
及所述方位角θ
s
之间的第二映射关系，获得所述目标地形区域表面的光源矢量；构建所述目标地形区域表面的辐射模型，并结合所述目标地形区域表面的光源矢量计算先验法向量信息；基于所述先验法向量信息对所述第一法向量信息进行修正，得到所述目标地形区域表面的修正法向量信息；根据所述修正法向量信息和所述预设角度下不同目标地形区域的偏振图像，进行目标区域的三维场景重建。2.根据权利要求1所述的基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，其特征在于，所述预设角度包括0
°
、45
°
、90
°
和135
°
；针对每个目标地形区域，计算目标地形区域表面的偏振度，并根据所述偏振度计算所述目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角的步骤，包括：针对每个目标地形区域，获取采集预设角度下的偏振图像时通过0
°
偏光片的光强I0°
、通过45
°
偏光片的光强I
+45
°
、通过90
°
偏光片的光强I
90
°
和通过135
°
方向线偏振器的光强I
‑
45
°
，并计算斯托克斯参数S0、S1和S2：S0＝I0°
+I
90
°
；S1＝I0°
‑
I
90
°
；S2＝I
+45
°
‑
I
‑
45
°
；根据所述斯托克斯参数S0、S1和S2，计算目标地形区域表面的偏振度：根据所述斯托克斯参数S0、S1及所述偏振度，计算目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角3.根据权利要求2所述的基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，其特征在于，根据所述斯托克斯参数S0、S1及所述偏振度，计算目标地形区域表面的入射光的入射角θ和方位角的步骤，包括：根据所述斯托克斯参数S0、S1计算目标地形区域表面的入射光的方位角
根据所述偏振度DOLP计算入射光的入射角θ：式中，n表示目标地形区域表面的折射率，n＝1.5。4.根据权利要求2所述的基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，其特征在于，根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系，获得第一法向量信息的步骤，包括：根据所述入射角θ和所述方位角构建所述目标地形区域表面的法向量与所述入射角θ及所述方位角之间的第一映射关系：式中，n
x
、n
y
、n
z
分别表示所述目标地形区域表面的法向量在x方向、y方向和z方向上的分量，其中，z方向与所述目标地形区域表面垂直，x方向与y方向垂直且二者所在平面与所述z方向垂直；根据所述第一映射关系计算第一法向量信息D。5.根据权利要求4所述的基于偏振三维成像的遥感地形三维测绘方法，其特征在于，计算太阳的天顶角θ
z
与方位角θ
s
，构建光源矢量与所述天顶角θ
z
及所述方位角θ
s
之间的第二映射关系，获得所述目标地形区域表面的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩，祝锦涛，邵晓鹏，蔡玉栋，刘志强，吴秉松，宋家伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学杭州研究院，
类型：发明
国别省市：