基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及遥感地表地物三维形态分析及应用领域，属于遥感地物三维数据配 准、变化检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 遥感地表地物分析一直是遥感信息的重要应用领域。典型的地表的三维产品 以数字地形模型及其各类衍生数据类型为主，其中数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM)和数字表面模型（Digital Surface Model, DSM)是相对更为人们所熟知的。DEM 通常仅反应地表地形的高程信息，而DSM则能囊括各类典型地物的高程信息，如建筑物、植 被等。随着机载基于激光雷达技术的发展，使得获取的多时相、高精度、高分辨率的DSM已 经不再是技术难题。而多时相的DSM不能能够充分反应地表地物的三维信息，更为城市规 划、地图制作、灾害评估等提供有力支持。
[0003] 多时相的DSM数据来源可能不同，因而定义的坐标系统往往也有差异，而都是对 地表高程信息的描述，这种差异仅是数据间的平移、尺度和方位旋转，准确估计地物多时相 DSM数据的方位差异，对地物姿态估计，多时相数据间的配准，以及进一步的变化检测十分 重要。然而DSM数据间的分辨率差异、高程精度差异使得常规方位差异的估计精度十分有 限。
[0004] 3D-Zernike矩是定义在复数域的描述子，能够利用其幅度分量和相位分量精细描 述地物三维空间形态，在传统研宄中，仅利用了 3D-Zernike矩的幅度分量，而未能能够有 效利用能描述方向信息的相位分量。通过对3D-Zernike矩的相位分量的分析，能够准确估 计地物多时相DSM之间的方位角度差异，为进一步的遥感应用提供有力支撑。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决地物的多时相DSM间方位差异估计问题，提出了一种基于 3D-Zernike矩的数字表面模型方位差异估计方法。
[0006] 多时相的数字表面模型（Digital Surface Model, DSM)，坐标系定义的不统一会 引起地物三维数据存在的方位差异，而高程精度、分辨率的差异使得这种方位差异难以估 计，进而无法有效应用，因此提出基于3D-Zernik e矩相位分析的方法进行方位差异估计。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0008] 一种基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计方法，步骤如下：
[0009] 步骤一、地物多时相DSM网格数据初始化：将待处理的DSM网格行、列坐标（r，c) 分别乘以其网格分辨率作为各点的水平方向横、纵坐标（X，y)，当前点高程值为垂直方向 的高度坐标z ;于是，输入的DSM网格可转换成PX3的三维点集形式，'P'为点数，'3'为 (X，y, z)三个坐标分量；
[0010] 步骤二、地物三维点集归一化，将数据归一化至3D-Zernike计算时所需求的单 位球体内：对于初始化后的PX3三维点集（x，y，z)，计算各点与坐标原点（0,0,0)的距离 R，比较获得最大距离Rmax，各点三个坐标分量均除以Rmax，获得归一化后的PX3三维点集 (Xj，y"j，Zj) j 1，2，· · ·，P ;
[0011] 步骤三、计算N阶3D-Zernike矩：将归一化后的待比较的两时相下的地物的三维 点集（Xj A, yjA, zjA)和（xjB, yjB, zjB)，分别代入3D-Zernike矩计算公式，设定阶数为N，各获得 L个不同阶次的3D-Zernike矩，N为偶数时，L= (N/2+l)2;N为奇数时，L= (N+l) (N+3)/4;
[0012] 步骤四、3D-Zernike矩的相位分量选择：从两时相下地物DSM的各自的L个 3D-Zernike矩中阶数--对应的选择各S个，进行分离变量后，获得其相位分量；
[0013] 步骤五、方位差异估计：根据方位差异估计公式，分别利用S个3D-Zernike矩的相 位分量进行估计方位差异，若S = 1，则估计结果即为两时相下地物间的方位角度差异；若 1〈S < L，则计算S个估计结果的均值作为两时相下地物间的方位角度差异，并且最终输出 方位角度差异值。
[0014] 步骤一中，DSM网格数据初始化如公式（1):
[0015] X = r · res
[0016] y = c · res (I)
[0017] z = DSM (r, c)
[0018] 其中r，c为DSM行、列坐标，DSM(r，c)为r，c处高程值，单位为m，res为网格分辨 率，代表每个网格对应地面实际大小，单位为m/grid，X，y，z为初始化后的地物三维坐标。
[0019] 步骤二中的距离R计算公式如式（2):
[0020] R = yj X2+y2+Z2 (2)
[0021] 计算后的距离R，可通过比较排序，获得Rmax的值；
[0022] 归一化公式如式（3):
[0023] Xj= x/Rmax
[0024] Yj= y/Rmax (3)
[0025] Zj= z/Rmax
[0026] 步骤三中的3D_Zernike矩数值计算公式如式（4):
【主权项】
1. 一种基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计方法，其特征在于 它的步骤如下： 步骤一、地物多时相DSM网格数据初始化：将待处理的DSM网格行、列坐标（r，c)分别 乘以其网格分辨率作为各点的水平方向横、纵坐标（X，y)，当前点高程值为垂直方向的高度 坐标z ;于是，输入的DSM网格可转换成PX3的三维点集形式，'P'为点数，'3'为（x，y，z) 三个坐标分量； 步骤二、地物三维点集归一化，将数据归一化至3D-Zernike计算时所需求的单位球 体内：对于初始化后的PX3三维点集（x，y，z)，计算各点与坐标原点（0,0,0)的距离R， 比较获得最大距离Rmax，各点三个坐标分量均除以R max，获得归一化后的PX3三维点集 (Xj，y"j，Zj) j 1，2，· · ·，P ; 步骤三、计算N阶3D-Zernike矩：将归一化后的待比较的两时相下的地物的三维点集 (xjA, yjA, zjA)和（xjB, yjB, zjB)，分别代入3D-Zernike矩计算公式，设定阶数为N，各获得L个 不同阶次的3D-Zernike矩，N为偶数时，L = (N/2+l)2;N为奇数时，L = (N+l) (N+3)/4 ; 步骤四、3D-Zernike矩的相位分量选择：从两时相下地物DSM的各自的L个 3D-Zernike矩中阶数--对应的选择各S个，进行分离变量后，获得其相位分量； 步骤五、方位差异估计：根据方位差异估计公式，分别利用S个3D-Zernike矩的相位 分量进行估计方位差异，若S = 1，则估计结果即为两时相下地物间的方位角度差异；若 1〈S < L，则计算S个估计结果的均值作为两时相下地物间的方位角度差异，并且最终输出 方位角度差异值。
2. 根据权利要求1所述的基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计 方法，其特征在于：步骤一中，DSM网格数据初始化如公式（1): X = r · res y = c · res (I) z = DSM (r, c) 其中r, c为DSM行、列坐标，DSM(r, c)为r, c处高程值，单位为m，res为网格分辨率， 代表每个网格对应地面实际大小，单位为m/grid，X，y, z为初始化后的地物三维坐标。
3. 根据权利要求1或2所述的基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异 估计方法，其特征在于步骤二中的距离R计算公式如式（2):
O 计算后的距离R，可通过比较排序，获得Rmax的值； 归一化公式如式（3): Xj= x/R max Yj= y/Rmax ⑶ ζ』=z/Rmax
4. 根据权利要求3所述的基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计 方法，其特征在于步骤三中的3D-Zernike矩数值计算公式如式（4):
其中n e [〇, N]，I e [〇, n]，m e [-1，1]，k = (n-1)/2且必须为整数，每一个满足阶数 条件的In, 1，m}组合均对应一个特定阶数的3D-Zernike矩Ω;〗，j = 1，2,. . .，P，为P个三 维点的序号； 公式（4)中，正交化系数％计算公式如公式（5):
其中i为虚数单位。
5. 根据权利要求4所述的基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计 方法，其特征在于步骤四中的3D-Zernike矩的相位分量选择时，针对DSM分辨率为优于6m/ grid，选择用η = 1，I = 1，m = 1，即选择3D-Zernike矩的相位分量进行方位差异估计， 此时S = 1。
6. 根据权利要求5所述的基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计 方法，其特征在于步骤五中的方位差异估计公式如式（7):
其中为时相A下方位仰和时相B下方位_之间方位差异的估计值，单位是度；Kni 是为调整最终差异角度在[〇, 360)间的周期系数；arg为求复数幅角运算；0:4与Ω2 ￡分 别为时相A、B条件下的3D-Zernike矩。
【专利摘要】一种基于3D-Zernike矩相位分析的数字表面模型方位差异估计方法，涉及遥感地表地物分析领域。解决多时相的数字表面模型坐标系定义的不统一会引起地物三维数据存在的方位差异，而高程精度、分辨率的差异使得这种方位差异难以估计，进而无法有效应用的问题，本发明步骤如下：地物多时相DSM网格数据初始化，规范化输入数据格式；地物三维点集归一化，将数据归一化至3D-Zernike计算时所需求的单位球体内；计算N阶3D-Zernike矩；3D-Zernike矩相位分量选择；方位差异估计。该方法能准确判定地物多时相DSM间的方位差异，有利于地物的姿态估计、三维变化检测、地震灾害评估等多方面的重要遥感应用。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104680543
【申请号】CN201510117170
【发明人】闫奕名, 高凤娇, 张晔, 沈毅
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月18日