专利名称：一种基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法
技术领域：
本发明属于卫星立体遥感数据城市空间数据采集与更新应用领域，涉及一种基于 卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，特别是一种基于多源遥感数据的高分辨 率卫星立体影像建筑物高程定位控制与精度评价方法。
背景技术：
高分辨率卫星影像是目前对地观测领域最重要的空间信息源之一，针对高分辨率 卫星影像各方面的研究工作都已成为相关领域的研究热点，而高精度的几何定位是高分辨 率卫星影像各种应用的基础和关键，对其研究到目前为止已经取得了一定的成果。目前广 泛采用的有理函数模型RFM取得了较好的效果，RFM模型的定义式如下
剛-I^ttIi其中rn，cn是分别是标准化的影像行列坐标，单位为像素；Xn，Yn, Zn为地面坐标系 像方坐标的标准化坐标。坐标的标准化过程使用以下的等式计算=^cn ^Xn =^Zfl 碎(2)
rsCsXsYsZs其中rQ，C0是两个影像坐标的平移参数，rs，cs为缩放参数。同样，X0, Y0, Z0为三 个地面坐标的平移参数，Xs, Ys, Zs为缩放参数。多项式中每一项地面坐标的最大幂通常不超过3，每一项各个坐标分量的幂的总 和也不超过3。Pi (i = 1,2,3,4)是物方地面坐标(Xn，Yn，Zn)的三阶多项式函数，分母项P2 和P4的取值通常有两种情况=P2 = P4，P2 ^ Ρ4。对于每个多项式，有如下形式
ml m3Ρ(Χ,Υ,Ζ) = Y^￡dijkXYJZk =d0+d,Y+d2X+d3Z+d4J(Y+d5YZ+d6XZ+d7Y2
/=0 >=0 k=0+dgX2 +dgZ2 +dl0XYZ+dnY3 +duYX2 +dnYZ2(3)
+CllJ2 X+dl5X3 +dl6XZ2 +d Y2Z+diSX2Z+dl9Z3其中dijk是多项式的系数，叫做有理多项式系数RPC(Rati0nal Polynomial Coefficients)。在高分辨率卫星影像中厂商会提供平移参数、缩放参数以及有理多项式系数RPC。 在利用立体像对的左右影像的RPC建立了 RFM以后，需要进行基于RFM的立体交会，根据同 名像点的像坐标计算出相应地面点的空间坐标。由于RFM中的RPC系数一般仅仅采用卫星轨道参数计算获得，一般只能获取20m 左右的精度，针对此问题，通常利用控制点对原始的RFM模型进行几何校正，常用的有物方 空间校正和像方空间校正。像方RFM几何校正模型可以在公式(1)的基础上加入变换参数 得到「 ] (/- + 4, + + + Arc + Ay + A5C2) - r0 = Pi(XnJ^Zn) _6] {c + B0+Bxc + B2r + B,rc + By+B5c2)-c0_P,{Xn,Yn,Zn)
cS户4(H,Z )式(4)中的变换参数有以下四种选择1)A0, Btl，表示像方坐标平移，代表平移模型；2) A0, A1, B0, B1，表示像方坐标平移和缩放，为平移缩放模型；3) A0, A1, A2, B0, B1, B2，表示像方仿射变换模型；4) A0, A1. . . A5, B0, B1. . . B5,表示像方二阶多项式模型。目前高分辨率卫星影像几何定位的主要区域位于地形地物比较简单的地区，如空 旷的平原和沿海地区等，针对建筑物密集的城市地区还很少见。对于城市地区，建筑物的高 度调查与控制对于城市规划、功能定位等显得尤为重要。同时，城市地区地面基本平坦，高 分辨率卫星影像几何定位地面控制信息容易获取，但是对于高层建筑物，由于各种原因，要 直接获取顶部控制信息相对困难，在这种情况下进行几何定位，存在对高程精度要求高和 建筑物顶部控制信息难以获取的困难。GPS测量可以提供高精度的地面点坐标作为地面控制点和检核点，航空影像现 在也可以提供高精度的水平方向几何定位信息，而机载LiDAR(Light Detection And Ranging)点云数据可以提供高精度的垂直方向定位信息，将航空影像与机载LiDAR数据结 合可以获得高精度的建筑物楼顶控制信息，作为高分辨率卫星影像建筑物几何定位的控制 与检核信息。

发明内容
为了解决现有高分辨率卫星影像在建筑物密集区域几何定位技术的不足，本发明 目的在于提供一种基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其结合GPS测 量、航空影像和机载LiDAR点云数据，进而得到建筑物控制点高程与检核点高程精度之间 的关系。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，通过采用GPS外业测 量获取城市中心地区地面控制点，进行航空影像区域网光束法平差，集成航空影像与机载 LiDAR数据获取建筑物楼顶高精度的控制信息，然后基于像方有理函数模型RFM的高分辨 率卫星立体影像几何定位获取地面和建筑物楼顶精确的三维坐标，最后采用基于点组的建 筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点高程与检核点点组高程精度之间的关系， 包括以下步骤(I)GPS外业测量获取地面控制点数据；在卫星立体影像和航空影像区域范围内，均勻地选取一定数量的同名地面点， 量测出其在卫星立体影像和多景航空影像上的坐标，并通过GPS测量得到这些点在 WGS84(WorldGeodetic System 1984)中的空间坐标。(2)对航空影像进行区域网光束法平差获取建筑物楼顶点坐标；在多景航空影像上选取均勻分布的建筑物楼顶点，量测出其影像坐标，将其与步
5骤1中选取的同名地面点一起进行光束法区域网平差，地面点的WGS84空间坐标已知，可以 根据光束法区域网平差得到建筑物楼顶点的WGS84空间坐标。(3)将航空影像获取的水平坐标与机载LiDAR数据获取的建筑物楼顶点垂直坐标 集成得到建筑物楼顶控制点；根据步骤2中航空影像上求的建筑物楼顶点的WGS84空间坐标位置，在相同区域 的机载LiDAR数据中选取同一建筑物的同一楼顶角点区域，并通过求此区域内所有LiDAR 数据点的平均值来获得建筑物角点的垂直坐标，此坐标替换航空影像区域网光束法平差得 到的建筑物楼顶点坐标中的垂直坐标，得到建筑物楼顶控制点。(4)基于像方有理函数模型的高分辨率卫星立体影像几何定位，获取地面和建筑 物楼顶精确的三维坐标；在卫星立体影像上量取与航空影像对应的建筑物楼顶点的像素坐标，根据高分辨 率卫星立体影像供应商提供的有理多项式系数以及对应的控制点坐标，列立像方有理函数 几何校正模型，求解未知的地面点和建筑物楼顶点的WGS84空间坐标。(5)采用基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点点组高程 与检核点点组高程精度之间的关系。在已知WGS84空间坐标的所有点中，给定一个预定义的高程间隔，将所有的已知 点分为数个点组，位于同一个点组中的所有点具有相同的高程范围值。这种方案包括若干 个实验，对于每个实验，都从某个点组中选取数个平面分布均勻的点作为控制点，根据步骤 (4)所述的方法进行几何定位，在精度评价时对于检核点也是以点组为单元进行评价，评价 指标为点组内的所有检核点的高程差异的平均值，得到控制点高程与检核点点组精度之间 的关系。所述地面控制点，其选取时，该点必须在卫星立体影像和多景航空影像中同时存 在，且是影像和实地上都明显的交汇点。所述建筑物楼顶点，其选取时，该点必须在卫星立体影像、多景航空影像和机载 LiDAR数据中都明显存在。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点本发明可以集成GPS外业测量、航空 影像、机载LiDAR数据获取城市地区地面与建筑物的高精度控制信息，采用有理函数模型 获得高分辨率卫星影像建筑物楼顶精确的三维坐标，得到控制点高程与检核点点组高程之 间的关系，促进高分辨率卫星立体遥感影像在城市空间数据与更新领域中的应用。


图1为本发明方法的流程图。图2为实施例中像方RFM校正几何定位求解流程图。图3为实施例中控制点位于地面时检核点点组高程精度分布图。图4为实施例中控制点位于建筑物楼顶时检核点点组高程精度分布图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。参见附图1，本发明采用GPS外业测量获得地面控制点坐标，并对航空影像进行区域网光束法平差获得建筑物楼顶点水平坐标，与LiDAR数据获得的建筑物楼顶点垂直坐标 集成得到建筑物楼顶点控制信息，采用像方RFM几何校正模型对高分辨率卫星立体影像进 行几何定位，提出基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案得到控制点高程与检核 点点组高程精度之间的关系。本发明包括以下步骤(I)GPS外业测量获取地面控制点数据；在卫星立体影像和航空影像区域范围内，均勻分布地选取若干同名地面点，分别 在卫星立体影像和多景航空影像中量测出其影像像素坐标，并通过GPS测量方式得到其 WGS84空间坐标，作为地面控制点。在选取地面控制点时应注意，此点必须在卫星立体影像 和多景航空影像中同时存在，且一般为影像和实地上都明显的交汇点，如道路交叉点、混凝 土角点，以及矩形物体角点，这些特征点便于清晰的辨认和量测。(2)对航空影像进行区域网光束法平差获取建筑物楼顶点坐标；在多景航空影像上选取均勻分布的建筑物楼顶点，同时考虑到这些建筑物楼顶点 需在卫星立体影像和机载LiDAR数据中都可以明显地找到，量测出这些建筑物楼顶点的影 像坐标，将其与地面点一起进行光束法区域网平差，地面点的WGS84空间坐标已知，可以根 据光束法区域网平差得到建筑物楼顶点的WGS84空间坐标。(3)将航空影像获取的水平坐标与机载LiDAR数据获取的建筑物楼顶点垂直坐标 集成得到建筑物楼顶控制点；相对于航空影像区域网光束法平差得到的垂直坐标，机载LiDAR点云数据的垂直 坐标具有更高的精度，所以本发明在建筑物楼顶点将航空影像的水平坐标与机载LiDAR数 据的垂直坐标集成作为楼顶控制信息。航空影像与LiDAR数据首先都被转换为WGS84坐标系统，然后通过交互式过程匹 配航空影像与LiDAR数据对应的建筑物楼顶点。首先将立体航空影像放大到要进行匹配的 建筑物，通过航空影像区域网光束法平差得到建筑物角点坐标，然后将机载LiDAR数据投 影到三维视图，并可以明显地观察到同一建筑物角点并加以人工确认。在确认后的建筑物 角点小窗口内，选取若干建筑物楼顶角点附近的LiDAR点数据，并将其垂直坐标取平均值 作为该建筑物角点的垂直坐标。将航空影像平差得到的水平坐标与该垂直坐标集成作为建 筑物楼顶点的三维坐标。(4)基于像方有理函数模型的高分辨率卫星立体影像几何定位，获取地面和建筑 物楼顶精确的三维坐标；在卫星立体影像上量取与航空影像对应的建筑物楼顶点的像素坐标，根据高分辨 率卫星立体影像供应商提供的RPC以及对应的控制点坐标，列立像方有理函数几何校正模 型，如公式(4)，求解未知的地面点和建筑物楼顶点的WGS84空间坐标，求解过程如图2所
7J\ ο本发明以像方仿射变换RFM模型为例，说明像方校正模型的三维重建过程由公式(4)可以得到r + A^ + A^r + A2C = rs c+ B0+BiC + B2r = cs
令
F = r = Pl(Xn'Yn'Zn)
“P2{X Jn,Zn) w
巧(Κ’ζ ) Ρ3(Χ ,Υ ’Ζ )
+ ^O
+ C0
(5)
P,(,Xn,Yn,Zn)
得到
|r + 為 + 命 + A2C = rx-F+ r0 [c + + B1C + B2r = cs - G+ C0
阶展开得到 dr
(7)
将上式Taylor r + ^o + A{r + A2C 丨
dX DY
dcdc
c + Bn+B,c + B7r c +--AX +--
012 SX dY
于是单景影像的误差方程为
8r
AY + ——ΔΖ dZ
AY + —-AZ dZ
=
上式中 dr
~8X 一 dX
drdrdr■ΔΖ + —■Δ7 + —dXdYdZdcdc.” dc■ΑΧ + ——■AY + —dYdZ
AZ-(A0+A^ + A2C) -(r-r) AZ-(B0 +BjC + B2r)-(c-c)
dF dF dXn _ rs QF
:rs
r、ay/2 p dx
dXn dX Xs dXn Xs
PiPi
dr_ dY
dr
dF
'rs~dY~ dY dY
dF dYn _ rs dF _ rs dY/2 dY
Y, dV Y
dF
~dZ~r"~dZ~ r's dZ dZ
dF dZ _ rs dF _ rs dZ,
P2P2
Φι φ2 P2-A
5Z
Ζ. δΖ Ζ.
P2P2
dc
dG
dG dX
~dX _ °s ~dX _ Cs ST dX
^ P,-P^ cx dG _ cs dX/4 dX
X.. dX X,
P4P4
dc_ ~5
dc
dG dY
dG
~dZ~Cs dZ
■cs
■Cs
φ3 φ4
dG dY cs dG cs dY F4 8Yn dY dY Ys dY Ys p4p4
φ3 Φ4
D. - D1 -j^
OG dZn _ Cs dG — C, ez/4 ^dZn
SZn dZ Zs dZ Z1
各偏导数的形式为
P4Pa
(8)
(9)

(10)于是，坐标改正数Δ的最小二乘方程为 其中 初始值的确定由于解算地面点坐标采用的数学模型是线性化以后的模型，为获 取最优解需要进行迭代。地面坐标的初始值(x(°)，Y(°)，ζ(0))可以使用左右影像对应的RFM 的标准化平移参数平均值。(5)采用基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点高程与检 核点点组高程精度之间的关系。在已知WGS84空间坐标的所有点中，给定一个预定义的高程间隔，将所有的已知
则由左右像片的同名点坐标Ovc1), (r2，c2)，可以列出以下四个误差方程点分为数个点组，位于同一个点组中的所有点具有相同的高程范围值。这种方案包括若干 个实验，对于每个实验，都从某个点组中选取数个平面分布均勻的点作为控制点，根据步骤 (4)所述的方法进行几何定位，在精度评价时对于检核点也是以点组为单元进行评价，评价 指标为点组内的所有检核点的高程差异的平均值，得到控制点高程与检核点点组精度之间 的关系。本实施例中的GPS以及航空影像和LiDAR集成获取的地面和建筑物楼顶点的高程 如表1所示，共包含200个已知点，其中地面点高程小于50m，共22个，其余都为建筑物楼顶
点o根据本实施例数据的高程范围分布特点，取高程间隔为50m，考虑到高程最高的一 个点360. 76m与其余点高程相差太大，将其与200 250m点组合为一个点组，则总共有0 50m, 50 100m，100 150m，150 200m，200 360. 76m 5个点组。每个点组的点的高程 情况如表2所示表1实施例中采用的控制点和检核点的高程列表 表2控制点与检核点点组列表 当控制点位于地面点组时，本实施例每个点组中的控制点个数为5，使其尽量保持 平面分布均勻。根据步骤(4)所述方法进行几何定位，将定位结果按照检核点点组的平均 高程与平均高程误差来进行分析，则得到图3。从图3中可以清晰的发现检核点点组的平均高程与平均高程误差之间存在对应 关系。控制点位于地面，平均高程为13. 01m，位于0 50m这个点组，由图可以看出此点组 的检核点平均高程误差最小，为0. 57m，随着检核点点组平均高程的增加，其对应的平均高 程误差也增大，当检核点点组平均高程达到最大的254. 41m时，其平均高程也达到最大的 1. 37m。当控制点位于建筑物顶部的另外4个点组时，对于表2中的每一个点组，选择本点 组内5个均勻分布的点作为控制点。采用像方仿射RFM模型加入这5个控制点来提高几 何定位精度。本点组内剩余的所有点以及其余4个点组内的点被用作检核点，用来分析控 制点位于一个高程点组时，本点组内和其余点组内检核点的高程精度情况。根据步骤(4) 所述方法进行几何定位，将定位结果按照检核点点组的平均高程与平均高程误差来进行分 析，则得到图4。从图4中可以看出，检核点点组的平均高程与平均高程误差以及对应的控制点高 程范围之间存在明显的对应关系。例如，对于高程范围为50 100m的点组，本点组的检核 点具有最小的平均高程误差0. 59m,而其余点组平均高程与本点组平均高程差值越大，则其 平均高程误差越大；当检核点点组为200 361m时，有最大的平均高程误差1. 06m。对于 图4中的另外3种情况，也有相同的结论。可见使用像方RFM模型，当控制点位于不同的点 组时，对于其余点组内的几何校正结果有所不同。在控制点点组范围内的检核点具有最高 的高程定位精度。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
权利要求
一种基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其特征在于具体包括以下步骤(1)GPS外业测量获取地面控制点数据；(2)对航空影像进行区域网光束法平差获取建筑物楼顶点坐标；(3)将航空影像获取的水平坐标与机载LiDAR数据获取的建筑物楼顶点垂直坐标集成得到建筑物楼顶控制点；(4)基于像方有理函数模型RFM的高分辨率卫星立体影像几何定位，获取地面和建筑物楼顶精确的三维坐标；(5)采用基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点高程与检核点点组高程精度之间的关系。
2.根据权利要求1所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其特 征在于所述GPS外业测量获得地面控制点数据，具体为在卫星立体影像和航空影像区域 范围内，均勻地选取一定数量的同名地面点，量测出其在卫星立体影像和多景航空影像上 的像素坐标，并通过GPS测量得到其在WGS84中的空间坐标，作为地面控制点。
3.根据权利要求1所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其特 征在于所述对航空影像进行区域网光束法平差获取建筑物楼顶点坐标，具体为在多景 航空影像上选取均勻分布的建筑物楼顶点，量测出其影像坐标，将其与同名地面点一起进 行光束法区域网平差，地面点的WGS84空间坐标已知，根据光束法区域网平差得到建筑物 楼顶点的WGS84空间坐标。
4.根据权利要求1所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其特 征在于所述将航空影像获取的水平坐标与机载LiDAR数据获取的建筑物楼顶点垂直坐标 集成得到建筑物楼顶控制点，具体为根据航空影像上求得的建筑物楼顶点的WGS84空间 坐标位置，在相同区域的机载LiDAR数据中选取同一建筑物的同一楼顶角点区域，并通过 求此区域内所有LiDAR数据点的平均值来获得建筑物角点的垂直坐标，此建筑物角点的垂 直坐标替换航空影像区域网光束法平差得到的建筑物楼顶点坐标中的垂直坐标，得到建筑 物楼顶点控制坐标。
5.根据权利要求1所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其 特征在于所述基于像方有理函数模型RFM的高分辨率卫星立体影像几何定位，获取地面 和建筑物楼顶精确的三维坐标，具体为在卫星立体影像上量取与航空影像对应的建筑物 楼顶点的像素坐标，根据高分辨率卫星立体影像供应商提供的有理多项式系数RPC以及对 应的控制点坐标，列立像方有理函数几何校正模型，求解未知的地面点和建筑物楼顶点的 WGS84空间坐标。
6.根据权利要求1所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其特 征在于所述基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点高程与检核点 点组高程精度之间的关系，具体为在已知WGS84空间坐标的所有点中，给定一个预定义的 高程间隔，将所有的已知点分为数个点组，位于同一个点组中的所有点具有相同的高程范 围值；该方案包括若干个实验，对于每个实验，都从某个点组中选取数个平面分布均勻的点 作为控制点进行几何定位，在精度评价时对于检核点是以点组为单元进行评价，评价指标 为点组内的所有检核点的高程差异的平均值，得到控制点高程与检核点点组精度之间的关系。
7.根据权利要求2所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其 特征在于所述地面控制点，其选取时，该点必须在卫星立体影像和多景航空影像中同时存 在，且是影像和实地上都明显的交汇点。
8.根据权利要求3所述的基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，其 特征在于所述建筑物楼顶点，其选取时，该点必须在卫星立体影像、多景航空影像和机载 LiDAR数据中都明显存在。
全文摘要
本发明一种基于卫星影像的建筑物高程定位控制与精度评价方法，属于卫星立体遥感数据城市空间数据采集与更新领域，具体包括以下步骤(1)GPS外业测量获取地面控制点数据；(2)对航空影像进行区域网光束法平差获取建筑物楼顶点坐标；(3)获取的水平坐标与机载LiDAR数据获取的建筑物楼顶点垂直坐标集成得到建筑物楼顶控制点；(4)基于像方空间有理函数模型RFM的高分辨率卫星立体影像几何定位，获取地面和建筑物楼顶精确的三维坐标；(5)采用基于点组的建筑物高程定位控制与精度评价方案，获得控制点高程与检核点点组高程精度之间的关系。本发明可促进高分辨率卫星立体遥感影像在城市空间数据与更新领域中的应用。
文档编号G01C11/00GK101900550SQ20101023070
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者乔刚, 李元博, 李荣兴, 欧建良, 王伟, 王卫安 申请人:同济大学