一种基于立体视觉的高精度激光测量方法.pdf

本发明一种基于立体视觉的高精度激光测量方法，具体涉及到利用遥感影像立体影像信息，提高激光测距仪使用精度，进而获取高精度地面高程信息的方法。分四个步骤：(1)利用激光光斑影像和高分辨率影像信息，获取高分辨率光学影像上的激光光斑位置；(2)利用高分辨率前后视影像数据，获取光斑区域内地形的相对数字高程模型；(3)利用步骤(2)得到的相对数字高程模型，模拟仿真光斑区域激光回波波形；(4)利用激光测距仪的测距信息，确定获取光斑区域内绝对高程平均值；(5)利用步骤(3)的仿真波形数据和步骤(4)测距回波全波形数据，获取高分辨率光学影像上各格网点对应的精确绝对高程值。

权利要求书
1.  一种基于立体视觉的高精度激光测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用激光光斑影像与高分辨率可见光影像进行影像匹配，获取激光光斑对应的高分辨率光学影像上的位置和区域；
(2)根据步骤(1)激光光斑影像对应高分辨率光学影像上的区域，利用高分辨率可见光前、后视影像数据，进行该区域内高分辨率光学影像的立体影像匹配，获取激光光斑区域内划分的格网点同名像元坐标，再根据该格网点同名像元坐标，计算立体影像同名像元的左右视差，设定相对高程平均值为0，得到激光光斑区域内n个格网点对应的相对高程值hi，即满足i＝1.2…n,n为非零正整数，以恢复激光光斑区域内相对地形模型；
(3)根据步骤(2)恢复的激光光斑区域内相对地形模型，利用激光光斑强度图像与光斑区域内相对地形模型进行激光回波仿真，得到激光光斑区域的仿真回波的波形，并通过积分求解得到该激光光斑区域的仿真回波的重心位置；
(4)利用激光测距仪获取回波全波形数据，对该回波全波形数据进行积分并求解得到该回波的重心位置，再由该回波的重心位置对时刻与激光出射时刻的差值确定激光总计飞行时间ΔT，通过公式L＝1/2cΔT确定激光测距值L，c为光速，进而确定对应点的绝对高程平均值
(5)利用步骤(3)的激光光斑区域的仿真回波的重心位置和步骤(4)激光测距仪获取的回波的重心位置进行匹配，并根据步骤(2)得到的相对高程值hi和步骤(4)得到的绝对高程平均值进行计算，求出激光光斑区域内格网点对应的绝对高程值。

2.  根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的高精度激光测量方法，其特征在于所述步骤(1)的步骤如下：
(1)利用高分辨率影像，对激光光斑区域内高分辨率可见光影像进行灰度重采样，得到与激光光斑的影像分辨率一致的高分辨率可见光影像；
(2)利用步骤(1)得到的灰度重采样的与激光光斑的影像分辨率一致的高分辨率可见光影像，以激光光斑的影像作为待匹配目标，利用灰度相关方法，在激光光斑区域内高分辨率可见光影像范围内进行搜索匹配，确定激光光斑影像在高分辨率影像上所对应的位置和区域。

3.  根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的高精度激光测量方法，其特征在于所述步骤(5)的步骤如下：
(1)根据激光回波与仿真的激光回波波形的相似性，利用相关系数法，对激光回波与仿真的回波进行匹配，从而确定光斑区域的绝对高程平均值
(2)利用步骤(1)所得光斑区域的绝对高程平均值对于光斑区域内任意高程模型格网点pi，该任意高程模型格网点pi的绝对高程Hi等于步骤(1)所得光斑区域的绝对高程平均值与相对高程值 hi之和，即对所有格网点进行以上计算，即得到光斑区域内绝对高程模型即绝对高程值。

说明书一种基于立体视觉的高精度激光测量方法
技术领域
本发明属于高精度激光测量技术领域，具体涉及到利用高分辨率光学影像立体视觉信息，提高激光测高仪测量精度，进而获取高精度数字地面高程模型的技术和方法。
背景技术
传统的地形图(大于1:2000比例尺外)主要是通过航空摄影测量的方法测绘的，但航空摄影成像覆盖范围有限，测绘成本高、效率低。随着航天技术、计算机技术以及信息处理技术的发展，卫星摄影测量成为地形图测绘的重要途径之一，我国已经利用光学测绘卫星数据实现了1：2.5万比例尺地形图的测绘。但是地形图测绘的平面精度可以随着卫星定轨、影像空间分辨率的提高明显改善，而提高高程测量精度已经成为测绘更大比例尺地形图的瓶颈问题。利用高精度激光测高技术，结合摄影测量与遥感的立体视觉技术，可以有效提高地形图高程测量精度。主要技术难点在于：1)星载激光测高仪成像光斑较大，即使采用全回波激光测高仪，也无法直接提取激光光斑内不同平面位置的地形起伏变化情况；2)如何利用高分辨率光学立体影像包含的地物空间信息，有效提高激光测高仪的测量精度。针对上述难点，本项目提出基于立体视觉的高精度激光测量技术，以提高卫星摄影测量地形图测绘的高程测量精度，满足大比例尺地形图测绘的精度要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有激光测距仪的测距数据在使用时精度难以满足要求技术不足，提出一种基于立体视觉的高精度激光测量方法，解决了激光光斑影像与高分辨率可见光影像匹配方法、光斑区域内相对地形模型的激光回波波形仿真方法，以及高分辨率影像得到的相对高程值与激光测距仪得到的绝对高程平均值匹配算法。
本发明的技术解决方案是：一种基于立体视觉的高精度激光测量方法步骤如下：
(1)利用激光光斑影像与高分辨率可见光影像进行影像匹配，获取激光光斑对应的高分辨率光学影像上的位置和区域；
(2)根据步骤(1)激光光斑影像对应高分辨率光学影像上的区域，利用高分辨率可见光前、后视影像数据，进行该区域内高分辨率光学影像的立体影像匹配，获取激光光斑区域内划分的格网点同名像元坐标，再根据该格网点同名像元坐标，计算立体影像同名像元的左右视差，设定相对高程平均值为0，得到激光光斑区域内n个格网点对应的相对高程值hi，即满足为非零正整数，以恢复激光光斑区域内相对地形模型；
(3)根据步骤(2)恢复的激光光斑区域内相对地形模型，利用激光光斑强度图像与光斑区域内相对地形模型进行激光回波仿真，得到激光光斑区域的仿真回波的波形，并通过积分求解得到该激光光斑区域的仿真回波的重心位置；
(4)利用激光测距仪获取回波全波形数据，对该回波全波形数据进行积分并求解得到该回波的重心位置，再由该回波的重心位置对时刻与激光出射时刻的差值确定激光总计飞行时间ΔT，通过公式L＝1/2cΔT确定激光测距值L，c为光速，进而确定对应点的绝对高程平均值
(5)利用步骤(3)的激光光斑区域的仿真回波的重心位置和步骤(4)激光测距仪获取的回波的重心位置进行匹配，并根据步骤(2)得到的相对高程值hi和步骤(4)得到的绝对高程平均值进行计算，求出激光光斑区域内格网点对应的绝对高程值。
所述步骤(1)的步骤如下：
(1)利用高分辨率影像，对激光光斑区域内高分辨率可见光影像进行灰度重采样，得到与激光光斑的影像分辨率一致的高分辨率可见光影像；
(2)利用步骤(1)得到的灰度重采样的与激光光斑的影像分辨率一致的高分辨率可见光影像，以激光光斑的影像作为待匹配目标，利用灰度相关方法，在激光光斑区域内高分辨率可见光影像范围内进行搜索匹配，确定激光光斑影像在高分辨率影像上所对应的位置和区域。
所述步骤(5)的步骤如下：
(1)根据激光回波与仿真的激光回波波形的相似性，利用相关系数法，对激光回波与仿真的回波进行匹配，从而确定光斑区域的绝对高程平均值
(2)利用步骤(1)所得光斑区域的绝对高程平均值对于光斑区域内任意高程模型格网点pi，该任意高程模型格网点pi的绝对高程Hi等于步骤(1)所得光斑区域的绝对高程平均值与相对高程值hi之和，即对所有格网点进行以上计算，即得到光斑区域内绝对高程模型。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用激光光斑影像数据和高分辨率可见光影像数据，基于灰度相关方法，解决激光光斑与可见光影像匹配问题，可以获得激光光斑在可见光影像上的精确坐标；
(2)本发明利用激光光斑强度图像与相应光斑区域的相对数字高程模型进行激光回波仿真，得到光斑区域激光回波的仿真波形。通过与真实回波的匹配比较，可分析得到激光回波信号的各项特性参数；
(3)本发明利用仿真波形数据和测距仪得到的回波全波形数据，基于光斑区仿真回波波形重心和激光测距仪获取的回波全波形重心的匹配，获取高分辨率光学影像上光斑区域对应的绝对高程平均值，再利用相对高程值进一步确定各格网点的绝对高程值。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的激光回波与激光仿真匹配的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进行详细说明。
如图1所示，利用同一目标区域的可见光立体影像数据及激光回波数据，其中立体影像的地面分辨率应小于激光光斑尺寸，影像的空间采样频率与激光回波的采样频率相适应，即可按本发明方法提取激光光斑范围内的绝对高程信息。
第一步，提取高分辨率可见光影像的激光光斑位置。过程如下：
1)按照激光光斑影像的分辨率，对原始高分辨率可见光影像进行灰度重采样，得到与光斑影像分辨率一致的重采样可见光影像。
2)以光斑影像作为待匹配目标，根据激光光斑位置信息和可见光影像的成像几何信息(如形状及灰度特征)，确定光斑影像所对应的可见光影像大致范围，在可见光影像范围内进行影像搜索匹配，获取与光斑影像对应的可见光影像精确位置和区域。
第二步，获取光斑区域相对地形模型。过程如下：
1)在可见光立体影像对的其中一幅影像上(设为左影像)获取到激光光斑对应的区域，那么在另一幅影像(设为右影像)上可容易地找到与之对应的区域，在光斑对应的可见光影像区域内，进行逐点立体影像匹配，获取同名像元坐标。
2)计算立体影像同名像元的左右视差，假设地面点A在左右影像上的位置分别是a1和a2，则点A的左右视差pA表示为：
pA＝a1+a2
3)以地面点A为基准，任意一点B与点A之间的高差，可以通过A、B两点的左右视差比较得到，高差与左右视差的关系公式：
h＝Δp×HA/(b+Δp)
式中，h为B点相对于A点的高差；Δp为B像点左右视差相对于A像点左右视差的较差；b为两幅影像像主点的距离；HA为摄影高度。
4)逐点计算各格网点相对于基准点A的高差，即得到激光光斑区域内n个格网点对应的相对高程值hi，即满足n为非零正整数，从而得到光斑区域的相对地面高程模型。
第三步，进行光斑区域激光回波仿真。过程如下：
1)回波仿真数据准备
由激光测距仪在轨测量记录，得到光斑回波仿真需要光斑强度分布、相应点的回波延时以及激光测距分辨率等数据，为激光光斑回波仿真提供输入参数。
2)激光光斑回波仿真
利用目标成像回波信号模型进行激光光斑回波仿真，t时刻目标表面点的回波信号fi(t)表示为：

式中，ti为对应点的回波延时；ai为表面反射率；为激光光斑能量分布；β为激光入射角与目标表面法线的夹角；c为与探测器响应、k为大气衰减等相关的系数；si为目标点成像距离；τ为大气透过率。
并通过对仿真波形信号曲线进行积分，获得波形信号曲线在Φ1～Φ2区间内对应图形的面积p(t)表示为：(Φ1为回波信号起始时刻，Φ2为回波信号结束时刻)

并计算得到该图形面积的质心位置，即为该激光光斑区域的仿真回波的重心位置；
第四步，进行真实回波与仿真回波匹配，提取光斑区域平均高程信息。过程如下：
1)激光与仿真回波匹配
同上，通过对激光测距仪得到的波形信号曲线进行积分得到对应的面积，并计算该图形面积的质心位置，即为该激光光斑区域的仿真回波的重心位置。受激光成像信噪比与仿真误差影响，激光真实光斑回波波形与仿真回波波形不可能完全一致，但其波形分布具有很大的相似性，可通过相关系数法实现真实激光回波与仿真回波(即模拟回波)的匹配，利用重心对应关系确定光斑区域的绝对高程平均值如图2所示。获取的计算过程为：
①对激光回波和仿真回波按一定间隔进行采样和量化，分别得到数字化波形信号g(i)和g'(i)；
②在激光回波信号序列中设置一定大小的目标窗口，在仿真回波信号序列中设置同样大小的搜索区相关窗口，则目标窗口和搜索窗口的相关系数为ρ=Σ(g(i)-g‾)(g′(i)-g′‾)Σ(g(i)-g‾)2Σ(g′(i)-g′‾)2]]>(式中分别为目标窗口和搜索窗口的平均值)；
③不断改变搜索区相关窗口的位置，通过相关系数的计算与比较，找到相关系数最大的位置im，则对应的激光测距值(式 中c为光速，Δt为波形采样时间间隔)；
2)提取光斑区域内绝对高程平均值
在惯性赤道坐标系J2000下，坐标原点与地球球体重心重合，X轴指向J2000的春分点，Z轴指向天极(北)，Y轴由右手坐标系确定，按距离定位原理计算目标点的三维坐标(XP,YP,ZP)，公式如下：
XPYPZP=XSYSZS-Lcosθa1a2a3b1b2b3c1c2c30tanθ1]]>
则有其中(XS,YS,ZS)为激光测距仪的空间坐标，ai,bi,ci(i＝1,2,3)为激光测距仪姿态角的方向余弦值，θ为激光束的指向角。
第五步，光斑区域的绝对高程模型信息提取
对于光斑区域内任意高程模型格网点pi，其绝对高程Hi等于区域绝对高程平均值与相对高程值hi之和，即对所有格网点进行以上计算，求出激光光斑区域内所有格网点对应的绝对高程值。
利用该方法，高程中误差其中相对高程值hi中误差σh取决于像点匹配误差，绝对高程平均值中误差取决于激光测距精度及单摄站姿态角误差。按目前的图像匹配的处理水平约为0.1像元分辨率，故hi误差可忽略不计。因此对光斑区域内的所有格网点，其绝对高程精度能达到绝对高程平均值