基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法，包括如下步驟：(I)野外測(cè)量:第I-1步，確定測(cè)量方向；第I-2步，限定拍攝范圍；第I-3步，鋪設(shè)坐標(biāo)控制尺；第I-4步，拍攝；第5步，重復(fù)步驟(I-1)-(I-4)進(jìn)行多次測(cè)量；(II)內(nèi)業(yè)處理：第II-1步，匹配“同名像對(duì)”；第II-2步，三維定標(biāo)與精度驗(yàn)證；第II-3步，提取粗糙度采樣點(diǎn)；第II-4步，篩選測(cè)量點(diǎn)，獲取粗糙度曲線；第II-5步，計(jì)算多尺度下的粗糙度參數(shù)。本發(fā)明可以測(cè)量大范圍的地表粗糙度，并且可以獲取研究區(qū)域在不同波長尺度上的粗糙度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的面粗糙度的測(cè)量，具有測(cè)量精度高、效率高、靈活方便及實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適于推廣應(yīng)用。
【專利說明】基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粗糙度測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感 多尺度面粗糙度測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 土壤粗糙度在農(nóng)業(yè)、土壤學(xué)、天氣與氣候預(yù)測(cè)、地質(zhì)等應(yīng)用領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。在 農(nóng)業(yè)和土壤學(xué)方面，粗糙度對(duì)入滲、洪水和土壤侵蝕過程都有影響；在氣候和天氣預(yù)報(bào)領(lǐng) 域，土壤貯存和蒸發(fā)水分也依賴于土壤粗糙度情況；在地質(zhì)學(xué)方面，可以依據(jù)表面粗糙度情 況判斷風(fēng)蝕砂石的地質(zhì)元素信息。
[0003] 目前，雷達(dá)遙感作為一種新型、先進(jìn)、實(shí)用、大面積的地表觀測(cè)手段，在農(nóng)業(yè)、土壤、 氣候、地質(zhì)等各應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。綜觀雷達(dá)遙感反演地表參數(shù)研究的發(fā)展 歷程，地表粗糙度一直以來都是研究的重點(diǎn)，土壤粗糙度對(duì)雷達(dá)后向散射有直接影響，是地 表參數(shù)獲取模型中的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。只有將地表粗糙度的問題解決之后，才能夠建立正確 的地表電磁散射模型，有效地開展地表參數(shù)反演工作。
[0004] 從粗糙度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程看，粗糙度測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：
[0005] 第一個(gè)階段，按觸式測(cè)針粗糙度儀。這是最原始的粗糙度儀。中間用一排間隔相 等（約3cm)的測(cè)針（100根左右），反復(fù)測(cè)量后取平均值。為了使用方便，在儀器上可以放 置羅盤和水平指示器等；
[0006] 第二個(gè)階段，改進(jìn)的按觸式測(cè)針粗糙度儀。這個(gè)階段的粗糙度測(cè)量與第一階段相 t匕，在實(shí)地測(cè)量的儀器及方式方法上幾無區(qū)別，最大的改進(jìn)在于第一個(gè)階段使用的是全人 工的讀取探針上下起伏的刻度（△);而第二個(gè)階段的處理方式是通過計(jì)算機(jī)數(shù)字化，然后 利用程序自動(dòng)進(jìn)行照片校正以及提取曲線，從而更加節(jié)省人力，同時(shí)提高了精度，固化了整 個(gè)測(cè)量流程；
[0007] 第三個(gè)階段，激光掃描儀。最近，歐空局以及中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所雷 達(dá)應(yīng)用技術(shù)研究室各自自主研發(fā)了一套地表粗糙度激光掃描儀來獲取高精度的地表起伏 狀態(tài)。這兩套激光掃描儀能夠更密集地獲取地面起伏點(diǎn)，相比以上二種方法，精度提高了一 個(gè)量級(jí)（毫米）。
[0008] 目前，就工程應(yīng)用而言，第二種粗糙度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛；而科學(xué)研究中， 第三種技術(shù)已經(jīng)受到了越來越大的關(guān)注。
[0009] 以上三種方法的缺點(diǎn)與不足非常明顯。從科研探索和工程應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行說 明：
[0010] 就科研探索角度，眾所周知，不同尺度的粗糙度結(jié)果是不同的。測(cè)量長度越長，相 關(guān)長度越長。例如，在同一地區(qū)，對(duì)測(cè)量截面長度分別為3m和30m粗糙度進(jìn)行測(cè)量，其相關(guān) 長度是不同的。30m測(cè)量截面情況下的相關(guān)長度往往更大；此外，不同波長觀測(cè)尺度下，粗 糙度可能發(fā)生變化。例如，用波長20cm的L波段看起來平坦的地表在波長5cm的C波段下 看起來就變得粗糙。針對(duì)以上兩個(gè)方面，可以看出： toon] (1)現(xiàn)有的三種方法無一例外的都是在很小范圍內(nèi)測(cè)量粗糙度--（改進(jìn)的）按 觸式測(cè)針粗糙度儀和激光掃描儀均只有3米左右。如果要測(cè)量30m或更大范圍的粗糙度就 需要不斷地進(jìn)行拼接，而拼接過程中無疑會(huì)帶來不可忽略的誤差；
[0012] (2)按觸式測(cè)針粗糙度儀和激光掃描儀測(cè)量結(jié)果的尺度效應(yīng)并不明顯，依賴于測(cè) 針間距和掃描儀探測(cè)密度，即我們無法利用現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)同時(shí)獲取研究區(qū)域在X波段-L 波段等不同波長尺度上的粗糙度；
[0013] (3)現(xiàn)有的三種方法都只能測(cè)量某一方向上的"線粗糙度"，對(duì)于該方向上的區(qū)域 性"面粗糙度"的測(cè)量無法完成，這對(duì)于現(xiàn)代雷達(dá)衛(wèi)星的新型成像模式是不適用的。以上三 個(gè)方面的缺陷極大地制約了科研工作中粗糙度的獲取精度，會(huì)存在測(cè)量結(jié)果并不是雷達(dá)衛(wèi) 星信號(hào)所探測(cè)到的微地貌起伏程度。
[0014] 從工程應(yīng)用的角度，測(cè)量精度和實(shí)用效率是主要需要考慮的因素。因此從這些方 面分析，可以發(fā)現(xiàn)：
[0015] (1)按觸式測(cè)針粗糙度儀的相鄰探針有2_4cm的間隔。用按觸式測(cè)針測(cè)量技術(shù)很 難測(cè)量這些探針間隔之間的粗糙度變化，從而不可避免地出現(xiàn)較大的誤差。該技術(shù)更多地 應(yīng)用于微粗糙地表，不適用于起伏較大的極粗糙地表的粗糙度測(cè)量。同時(shí)，測(cè)量過程中人為 因素影響很大，無論是確定測(cè)量方向還是按壓測(cè)針的力度，這些都會(huì)造成測(cè)量結(jié)果與實(shí)際 粗糙度的不同；
[0016] (2)激光掃描儀相比于按觸式測(cè)針粗糙度儀，精度明顯提高。但儀器要求高，成本 相對(duì)昂貴，且由于儀器復(fù)雜，在搬運(yùn)過程中較為不便，測(cè)量效率低下，不利于實(shí)際測(cè)量。
[0017] 綜上所述，現(xiàn)有方法無論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用中，都存在重要的不可忽略的 缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè) 量方法，使其可進(jìn)行大范圍、多尺度的面測(cè)量，且測(cè)量精度高、實(shí)用性強(qiáng)。
[0019] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0020] 基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0021] (I)野外測(cè)量：
[0022] 第1-1步，確定測(cè)量方向；
[0023] 第1-2步，沿測(cè)量方向，限定拍攝范圍；
[0024] 第1-3步，在拍攝范圍內(nèi)鋪設(shè)坐標(biāo)控制尺；
[0025] 第1-4步，在拍攝范圍內(nèi)多角度重疊拍攝；
[0026] 第1-5步，沿不同方向，重復(fù)步驟（1-1)-(1-4)進(jìn)行多次測(cè)量；
[0027] (II)內(nèi)業(yè)處理：
[0028] 第II-1步，對(duì)野外測(cè)量獲得的照片進(jìn)行匹配"同名像對(duì)"，建立地表起伏的三維模 型；
[0029] 第II-2步，結(jié)合坐標(biāo)控制尺對(duì)第II-1步得到的三維模型進(jìn)行三維定標(biāo)和精度驗(yàn) 證；
[0030] 第II-3步，根據(jù)三維模型提取"同名點(diǎn)"的"點(diǎn)云"坐標(biāo)集，即提取粗糙度采樣點(diǎn)；
[0031] 第II-4步，從上述采樣點(diǎn)中篩選測(cè)量點(diǎn)，獲取測(cè)量方向的一條表征地表起伏的粗 糙度曲線；
[0032] 第ΙΙ-5步，在篩選出來的測(cè)量點(diǎn)中，根據(jù)不同波長的觀測(cè)尺度，選擇不同的采樣 間隔，計(jì)算不同波長觀測(cè)尺度下的粗糙度參數(shù)。
[0033] 進(jìn)一步地，所述第1-2步中，沿測(cè)量方向，根據(jù)測(cè)量長度需求，平行拉兩個(gè)皮尺，兩 個(gè)皮尺之間距離50-70cm。
[0034] 進(jìn)一步地，所述第1-3步中，在測(cè)量長度內(nèi)均勻分布坐標(biāo)控制尺，且坐標(biāo)控制尺有 水平和堅(jiān)直分量。
[0035] 進(jìn)一步地，所述第1-4步中，對(duì)于平滑表面，拍攝天頂角為0°的照片以及在一側(cè) 以45°的天頂角拍攝，且保證沿測(cè)量方向相鄰照片重疊度在30% -40% ;對(duì)于中等粗糙的 表面，拍攝天頂角為〇°的照片以及在左側(cè)和右側(cè)各以45°的天頂角拍攝，且保證沿測(cè)量 方向相鄰照片重疊度在40% -60% ;對(duì)于極粗糙表面，拍攝天頂角為0°的照片以及在左右 兩側(cè)各以45°和60°的天頂角拍攝，且保證沿測(cè)量方向相鄰照片重疊度在60%-80%。
[0036] 進(jìn)一步地，所述第1-4步中，采用單反相機(jī)進(jìn)行拍攝，相機(jī)焦距在18mm-32mm之間， 等效焦距在27mm-48mm之間。
[0037] 進(jìn)一步地，所述第II-2步具體為：選擇坐標(biāo)控制尺，對(duì)第II-1步得到的三維模型 進(jìn)行校正，使得其長度和大小與真實(shí)地表一致1:1 ;取已知長度的地物的測(cè)量值，計(jì)算測(cè)量 值與已知值之間的誤差。
[0038] 進(jìn)一步地，所述第II-3步中的同名點(diǎn)的坐標(biāo)集通過python腳本導(dǎo)出。
[0039] 進(jìn)一步地，所述第II-4步中，具體篩選測(cè)量點(diǎn)的方法為：
[0040] ①讀取內(nèi)業(yè)處理第II-3步得到的"同名點(diǎn)"坐標(biāo)集；
[0041] ②求點(diǎn)集在與測(cè)量方向X方向垂直的Y方向的坐標(biāo)直方圖；
[0042] ③選擇直方圖中所含"同名點(diǎn)"最多的分組區(qū)間作為E (Y)的取值范圍，取其中的 某個(gè)數(shù)為E(Y)，篩選Y值在（E(Y)-Ac，E(Y) + Ac)范圍內(nèi)的X，Z值取出；其中Ac為直方 圖的分組組距；
[0043] ④對(duì)篩選出來的點(diǎn)集在X方向從小到大進(jìn)行排序，從而得到沿著測(cè)量方向的粗糙 度表征曲線。
[0044] 進(jìn)一步地，所述第II-5步中的具體方法為：
[0045] ①采樣間隔為1，相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λχ = 0. 0083m，表征尺度等效于Ka波段，得到 的粗糙度是Ka波段尺度下的地表粗糙度；
[0046] ②采樣間隔為2,即每2個(gè)點(diǎn)中選擇1個(gè)參與計(jì)算，相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λ X = 0. 0166m，表征尺度等效于Κ波段，得到的粗糙度是Κ波段尺度下的地表粗糙度；
[0047] ③采樣間隔為3,相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λχ = 0. 0331m，表征尺度等效于X波段，得到的 粗糙度是X波段尺度下的地表粗糙度；
[0048] ④采樣間隔為5,相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λχ = 0. 0413m，表征尺度等效于C波段，得到的 粗糙度是C波段尺度下的地表粗糙度；
[0049] ⑤采樣間隔為10,相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λχ = 〇· 0822m，表征尺度等效于S波段，得到 的粗糙度是S波段尺度下的地表粗糙度；
[0050] ⑥采樣間隔為20,相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λχ = 〇· 1646m，表征尺度等效于L波段，得到 的粗糙度是L波段尺度下的地表粗糙度；
[0051] 根據(jù)以上原理，利用公式計(jì)算得到不同尺度下的均方根高度和相關(guān)長度。
[0052] 進(jìn)一步地，利用公式（1)，（2)計(jì)算得到均方根高度和相關(guān)長度；

【權(quán)利要求】
1. 基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法，其特征在于，包括如下 步驟： (I) 野外測(cè)量： 第1-1步，確定測(cè)量方向； 第1-2步，沿測(cè)量方向，限定拍攝范圍； 第1-3步，在拍攝范圍內(nèi)鋪設(shè)坐標(biāo)控制尺； 第1-4步，在拍攝范圍內(nèi)多角度重疊拍攝； 第1-5步，沿不同方向，重復(fù)步驟（1-1)-(1-4)進(jìn)行多次測(cè)量； (II) 內(nèi)業(yè)處理： 第II-1步，對(duì)野外測(cè)量獲得的照片進(jìn)行匹配"同名像對(duì)"，建立地表起伏的三維模型； 第II-2步，結(jié)合坐標(biāo)控制尺對(duì)第II-1步得到的三維模型進(jìn)行三維定標(biāo)和精度驗(yàn)證； 第Π -3步，根據(jù)三維模型提取"同名點(diǎn)"的"點(diǎn)云"坐標(biāo)集，即提取粗糙度采樣點(diǎn)； 第II-4步，從上述采樣點(diǎn)中篩選測(cè)量點(diǎn)，獲取測(cè)量方向的一條表征地表起伏的粗糙度 曲線； 第II-5步，在篩選出來的測(cè)量點(diǎn)中，根據(jù)不同波長的觀測(cè)尺度，選擇不同的采樣間隔， 計(jì)算不同波長觀測(cè)尺度下的粗糙度參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第1-2步中，沿測(cè)量方向，根據(jù)測(cè)量長度需求，平行拉兩個(gè)皮尺，兩個(gè)皮尺之間距 離 50_70cm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第1-3步中，在測(cè)量長度內(nèi)均勻分布坐標(biāo)控制尺，且坐標(biāo)控制尺有水平和堅(jiān)直分 量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第1-4步中，對(duì)于平滑表面，拍攝天頂角為0°的照片以及在一側(cè)以45°的天頂角 拍攝，且保證沿測(cè)量方向相鄰照片重疊度在30% -40% ;對(duì)于中等粗糙的表面，拍攝天頂角 為0°的照片以及在左側(cè)和右側(cè)各以45°的天頂角拍攝，且保證沿測(cè)量方向相鄰照片重疊 度在40%-60%;對(duì)于極粗糙表面，拍攝天頂角為0°的照片以及在左右兩側(cè)各以45°和 60°的天頂角拍攝，且保證沿測(cè)量方向相鄰照片重疊度在60% -80%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第1-4步中，采用單反相機(jī)進(jìn)行拍攝，相機(jī)焦距在18mm-32mm之間，等效焦距在 27mm-48mm 之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第II-2步具體為：選擇坐標(biāo)控制尺，對(duì)第II-1步得到的三維模型進(jìn)行校正，使得 其長度和大小與真實(shí)地表一致1:1 ;取已知長度的地物的測(cè)量值，計(jì)算測(cè)量值與已知值之 間的誤差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第Π -3步中的同名點(diǎn)的坐標(biāo)集通過python腳本導(dǎo)出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第II-4步中，具體篩選測(cè)量點(diǎn)的方法為： ① 讀取內(nèi)業(yè)處理第II-3步得到的"同名點(diǎn)"坐標(biāo)集； ② 求點(diǎn)集在與測(cè)量方向X方向垂直的Y方向的坐標(biāo)直方圖； ③ 選擇直方圖中所含"同名點(diǎn)"最多的分組區(qū)間作為E(Y)的取值范圍，取其中的某個(gè) 數(shù)為E(Y)，篩選Y值在（E(Y)-Ac，E(Y) + Ac)范圍內(nèi)的X，Z值取出；其中Ac為直方圖的 分組組距； ④ 對(duì)篩選出來的點(diǎn)集在X方向從小到大進(jìn)行排序，從而得到沿著測(cè)量方向的粗糙度表 征曲線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方法， 其特征在于： 所述第II-5步中的具體方法為： ① 采樣間隔為1，相鄰?fù)c(diǎn)間隔ΛΧ = 0. 0083m，表征尺度等效于Ka波段，得到的粗 糙度是Ka波段尺度下的地表粗糙度； ② 采樣間隔為2,即每2個(gè)點(diǎn)中選擇1個(gè)參與計(jì)算，相鄰?fù)c(diǎn)間隔Λ X = 0. 0166m，表 征尺度等效于K波段，得到的粗糙度是K波段尺度下的地表粗糙度； ③ 采樣間隔為3,相鄰?fù)c(diǎn)間隔ΛΧ = 0. 0331m，表征尺度等效于X波段，得到的粗糙 度是X波段尺度下的地表粗糙度； ④ 采樣間隔為5,相鄰?fù)c(diǎn)間隔ΛΧ = 0. 0413m，表征尺度等效于C波段，得到的粗糙 度是C波段尺度下的地表粗糙度； ⑤ 采樣間隔為10,相鄰?fù)c(diǎn)間隔ΛΧ = 0. 0822m，表征尺度等效于S波段，得到的粗 糙度是S波段尺度下的地表粗糙度； ⑥ 采樣間隔為20,相鄰?fù)c(diǎn)間隔ΛΧ = 0. 1646m，表征尺度等效于L波段，得到的粗 糙度是L波段尺度下的地表粗糙度； 根據(jù)以上原理，利用公式計(jì)算得到不同尺度下的均方根高度和相關(guān)長度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于三維微地貌重建的雷達(dá)遙感多尺度面粗糙度測(cè)量方 法，其特征在于： 利用公式（1)，（2)計(jì)算得到均方根高度和相關(guān)長度；
式中，s為剖面均方根高度，N為剖面點(diǎn)的數(shù)目，Zi為點(diǎn)i堅(jiān)直方向的表面高度，i為整 個(gè)剖面的平均高度；所述剖面為粗糙度曲線對(duì)應(yīng)的剖面；
【文檔編號(hào)】G01S13/88GK104062653SQ201410339948
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】楊知, 宮華澤, 王龍飛, 邵蕓, 柴勛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所