本發(fā)明涉及月表三維地形重建，尤其是涉及一種基于二次散射光影法的月球永久陰影區(qū)域高分辨率地形重建方法。

背景技術(shù)：

1、月球表面是一個(gè)凹凸不平、障礙分布不規(guī)則的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，且月表環(huán)境紋理匱乏、地貌復(fù)雜。在月球探測(cè)研究中，月球永久陰影區(qū)(permanently?shadowed?regions，psrs)的高分辨率地形對(duì)極區(qū)探測(cè)任務(wù)至關(guān)重要，能夠?yàn)橹戇x址、巡視器路徑規(guī)劃及水冰資源探測(cè)等工作提供空間數(shù)據(jù)支撐。

2、目前月表三維地形重建的主要手段包括攝影測(cè)量法、光影法和激光高度計(jì)測(cè)量。然而，攝影測(cè)量法受立體成像覆蓋區(qū)域與輻射差異約束難以進(jìn)行大區(qū)域精細(xì)制圖，且激光測(cè)高數(shù)據(jù)重建的地形產(chǎn)品的最高分辨率為5m，難以滿足精細(xì)化探測(cè)中的地形需求。微光相機(jī)通過(guò)利用二次光照對(duì)psrs進(jìn)行高分辨率間接成像，為光影法技術(shù)提供影像數(shù)據(jù)，使高分辨率地形重建成為可能。傳統(tǒng)光影法僅適用于單光源成像的高分辨率影像，無(wú)法處理多散射源問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于二次散射光影法的月球永久陰影區(qū)域高分辨率地形重建方法，能夠有效處理月球陰影區(qū)間接成像的高分辨率影像，實(shí)現(xiàn)月表三維地形精細(xì)重建。

2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種基于二次散射光影法的月球永久陰影區(qū)域高分辨率地形重建方法，包括以下步驟：

3、s1、基于太陽(yáng)直射輻照度圖和等高線信息，針對(duì)陰影區(qū)進(jìn)行散射源定位，獲取得到陰影區(qū)的所有散射源；

4、s2、針對(duì)多個(gè)散射源進(jìn)行聚類處理，更新陰影面元的視域表；

5、s3、構(gòu)建陰影區(qū)二次輻照度模型以及多散射源光度方程，結(jié)合平滑約束與初始dem(digital?elevation?model，數(shù)字高程模型)約束的正則化項(xiàng)，建立ss-sfs(secondaryscattering?shape?from?shading，二次散射光影法)目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)優(yōu)化求解得到高分辨率地形重建結(jié)果。

6、進(jìn)一步地，所述步驟s1包括以下步驟：

7、s11、基于太陽(yáng)直射輻照度圖和等高線信息，從直射區(qū)域中提取能夠反射光至對(duì)陰影區(qū)域的有效太陽(yáng)直射區(qū)域；

8、s12、基于提取的有效直射區(qū)域，構(gòu)建psrs每個(gè)陰影面元的視域表，定位所有散射源。

9、進(jìn)一步地，所述步驟s11的具體過(guò)程為：

10、定義以psrs為中心和邊長(zhǎng)為8公里的周圍反射地形的地圖區(qū)域，采用基于變分辨率地平線的高精度光照建模方法，生成該區(qū)域在影像捕獲時(shí)的太陽(yáng)直射光照?qǐng)D，剔除所有位于陰影中的面元；

11、之后使用太陽(yáng)光照?qǐng)D計(jì)算輻照度圖，每個(gè)直射面元l的相對(duì)輻照度值定義為

12、

13、其中，θl為面元l的入射角；

14、通過(guò)分析dem生成的等高線信息，篩選出能夠?qū)⑻?yáng)光反射至psr區(qū)域的有效直射區(qū)域，即通過(guò)等高線輔助，提取出可能產(chǎn)生有效二次光照的區(qū)域。

15、進(jìn)一步地，所述步驟s12的具體過(guò)程為：

16、基于篩選出的有效直射區(qū)域，構(gòu)建每個(gè)陰影面元的視域表，用于編碼與這些直射面元之間的可見(jiàn)性關(guān)系，其中，視域表用于確定陰影面元i是否能看到直射面元j，表示為：

17、

18、通過(guò)視域構(gòu)建，每個(gè)陰影面元可視的入射面元，即對(duì)應(yīng)散射源的坐標(biāo)及其輻照度值被準(zhǔn)確計(jì)算，從而重構(gòu)陰影區(qū)的二次光照過(guò)程，并為ss-sfs光度方程提供二次光照輻照度計(jì)算輸入值。

19、進(jìn)一步地，所述步驟s2包括以下步驟：

20、s21、獲取各個(gè)散射源的坐標(biāo)和梯度特征，并采用k-means算法對(duì)這些散射源進(jìn)行聚類，將多個(gè)散射源劃分為k個(gè)簇；

21、s22、更新陰影面元i的視域表。

22、進(jìn)一步地，所述步驟s21的具體過(guò)程為：

23、假設(shè)陰影面元i對(duì)應(yīng)n個(gè)散射源{sun1,sun2,...,sunn}，以及k個(gè)預(yù)設(shè)的聚類中心{c1,c2,...,ck}，每個(gè)散射源都將與一個(gè)聚類中心相關(guān)聯(lián)，k-means聚類算法的目標(biāo)是最小化每個(gè)散射源與其最近的聚類中心之間的距離，公式如下：

24、

25、其中，δ(si,cj)表示散射源si與聚類中心cj的關(guān)聯(lián)，值為1當(dāng)si屬于cj時(shí)，否則為0；||si-cj||表示散射源si與聚類中心cj之間的歐幾里得距離；

26、在聚類完成后，根據(jù)每個(gè)散射源si與其聚類中心cj的最小歐幾里德距離，將n個(gè)散射源劃分為k個(gè)簇，選擇離每個(gè)聚類中心最近散射源的坐標(biāo)作為聚類中心的坐標(biāo)，且每個(gè)簇的輻照度值為該類別中所有散射源輻照度值的總和：

27、

28、其中，為聚類中心cj的輻照度值，為散射源si的輻照度值。

29、進(jìn)一步地，所述步驟s3包括以下步驟：

30、s31、在二次散射場(chǎng)景中，針對(duì)陰影面元的入射輻照度，考慮視域內(nèi)所有太陽(yáng)直射面元的貢獻(xiàn)，建立考慮多入射的二次散射光影法亮度方程；

31、s32、結(jié)合亮度約束、平滑約束和初始地形高程約束，建立二次散射光影法的目標(biāo)函數(shù)；

32、s33、采用levenberg-marquardt算法來(lái)最小化目標(biāo)函數(shù)，求解得到高分辨率地形重建結(jié)果。

33、進(jìn)一步地，所述步驟s31中二次散射光影法亮度方程具體為：

34、

35、其中，i表示影像強(qiáng)度，a表示地形相關(guān)的反照率，r(zsfs)表示地表反射率，t表示影像曝光時(shí)間，為入射面元j到陰影面元i的二次光照輻照度，ij是入射面元j的輻照度值；

36、為從面元j到面元i的能量交換比例，即為陰影面元i視域內(nèi)的入射面元j與陰影面元i之間的視圖因子；

37、aj是入射面元j的面積，d是連接兩面元的視線距離，θ1是出射散射光線在入射面元j處的發(fā)射角，θ2是入射散射光線在陰影面元i處的入射角。

38、進(jìn)一步地，所述步驟s32中二次散射光影法的目標(biāo)函數(shù)具體為：

39、et＝emulti_i++γ1eabs+γ2esmooth

40、其中，emulti_i為亮度約束，eabs為初始地形高程約束，esmooth為平滑約束，γ1和γ2為正則化參數(shù)。

41、進(jìn)一步地，所述亮度約束具體為：

42、

43、所述初始地形高程約束具體為：

44、

45、其中，z表示先驗(yàn)高程，zsfs表示優(yōu)化后的高程；

46、所述平滑約束具體為：

47、

48、其中，表示優(yōu)化地形高程的一階偏導(dǎo)數(shù)。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

50、本發(fā)明通過(guò)利用等高線與光照模型輔助可視分析，實(shí)現(xiàn)了陰影區(qū)面元對(duì)應(yīng)散射源的高效定位，之后基于梯度和高程特征對(duì)提取的多散射源進(jìn)行聚類，成功簡(jiǎn)化了多散射源數(shù)量；隨后構(gòu)建了考慮陰影區(qū)二次輻照度的光度方程，結(jié)合平滑與初始dem約束正則化項(xiàng)，建立二次散射光影法的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)月球psrs的高分辨率地形模型生成，能夠有效處理月球陰影區(qū)間接成像的高分辨率影像，實(shí)現(xiàn)月表三維地形精細(xì)重建。

51、本發(fā)明針對(duì)陰影區(qū)散射源定位過(guò)程計(jì)算復(fù)雜度高的難題，提出基于等高線與光照模型的輔助處理框架，包括太陽(yáng)直射區(qū)域輻照度圖生成以及等高線輔助的陰影區(qū)散射源定位，通過(guò)太陽(yáng)直射輻照度圖和等高線信息，從直射區(qū)域中提取能夠反射光至對(duì)陰影區(qū)域的有效太陽(yáng)直射區(qū)域，再以此構(gòu)建psrs面元的視域表，能夠提高視域表構(gòu)建的效率，進(jìn)而高效定位所有散射源。

52、本發(fā)明提出一種考慮散射源幾何特征的聚類簡(jiǎn)化方法，通過(guò)有效地對(duì)多個(gè)散射源進(jìn)行聚類，使所考慮的散射源數(shù)量最小化，從而簡(jiǎn)化后續(xù)損失函數(shù)計(jì)算復(fù)雜度，有利于解決多散射源導(dǎo)致光影法目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建與優(yōu)化復(fù)雜的問(wèn)題。

53、本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建陰影區(qū)二次輻照度模型以及多散射源光度方程，并結(jié)合平滑約束與初始dem約束的正則化項(xiàng)，完成了ss-sfs目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建與優(yōu)化，從而解決了傳統(tǒng)光影法無(wú)法處理多光源間接成像影像的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)月球psrs的高分辨率地形模型生成，很好地適用于處理間接成像影像進(jìn)行月球陰影區(qū)三維地形精細(xì)重建。