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低空摄影测量航带重构及数据处理方法研究

作　者: 何海清
导　师: 黄声享
学　校: 武汉大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 低空摄影测量相机标定航带重构词汇树几何图理论影像关联影像匹配相位相关法转点与串点相对定向两步法
分类号: P231.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着航空、计算机、信息、传感器等技术迅猛发展,低空数字摄影测量以其机动灵活、快速高效、成本低等优点,逐渐成为对地观测的重要技术手段之一通过低空对地摄影,可获取直观地、全面地、动态地反映地表现状的多源、多尺度、高分辨率影像数据,在一定程度上可弥补卫星与传统航空摄影不足,应用优势十分突出。其中,以无人机、飞艇为平台的低空数字摄影测量广泛运用于资源环境调查、城市规划、灾害应急监测等领域。相比传统的航空航天摄影,低空摄影在平台、飞行高度、传感器、摄影姿态等方面存在较大差异,以及平台飞行过程中易受气流等外力影响,使得获取的影像存在覆盖面积小、像幅数多、重叠度不规则、旋偏角大等问题。同时,快速响应是低空摄影测量的一大优势,高自动化、快速处理影像数据十分重要。因此,低空摄影测量给可靠、高效、自动地数据处理提出了更高的要求,传统航空摄影测量方法已无法满足低空摄影测量的需要。本文旨在提高低空影像数据处理的稳健性、自动化程度和效率,从影像航带自动重构、低空摄影相机标定、影像匹配等方面展开研究。研究内容和创新性主要体现在如下几点：(1)研究了无需人工干预和外部信息支持的航带自动重构方法低空摄影测量航带排列大多通过人工或POS数据来完成,存在自动化程度不高或普适性不强等问题。本文提出了无需人工干预和外部信息支持的航带自动重构方法,实现仅依靠影像内部特征重构航带。通过特征聚类分析构建SIFT特征词汇树,利用TF-IDF数值统计方法量化每一影像为一个向量来描述,比对描述向量的相似性,并结合影像匹配、几何图理论等构建影像关联网络,以趋势线追踪和邻近关系生长方式重建航带影像序列,可实现航带自动重构。经几组低空影像试验,验证了方法的有效性、效率也较高,可满足低空影像航带自动快速重构的需要。(2)研究了参考对象全自动检测的低空摄影相机标定方法低空摄影相机大多为非量测数码相机,影像畸变相对较大,且为满足不同环境航测需要,可能需要频繁更换镜头,快速稳健地标定相机具有重要的实用价值。研究利用操作系统函数自动生成的高精度格网作为参考对象,本文提出基于数学形态学与局部Hough变换的格网全自动检测方法,并结合二维DLT及光束法平差和验后迭代选权解算相机参数来实现相机标定。通过试验验证了该方法具有良好的抗噪性、较强的实用性与可靠性。(3)研究了SIFT、ASIFT、相位相关法联合的低空影像匹配策略低空影像由于存在比例尺差异大、旋偏角大、地形起伏相对较大、重复纹理等问题,常规的影像匹配方法往往难以获得满意的同名点。本文提出了SIFT、 ASIFT、相位相关法联合的低空影像匹配策略。利用SIFT或ASIFT或相位相关法进行粗匹配,然后在左影像提取格网化的Harris亚像素角点,通过核线相关和最小二乘法在右影像搜索同名点来实现影像精确匹配。经多组低空影像试验,验证了本文影像匹配策略可获得数量较多且分布均匀的同名点,能满足低空摄影测量转点的要求。(4)研究了低空影像相对定向与模型连接方法传统航空影像相对定向元素确定的初值难于近似表达低空影像基线和旋偏角值,从而影响相对定向元素结果值的精度及迭代解算效率。本文提出了直接解与连续相对定向结合的两步法,以直接解作为初值代入连续相对定向进行迭代解算的两步过程来实现低空影像相对定向,通过试验验证了两步法提高了相对定向元素精度。同时,由于低空航带立体模型连接过程中存在难于用简单的数学关系式来精确表达的累积误差、航带扭曲等问题,本文通过改变基准影像和多项式非线性改正方法来减小低空影像模型连接中的累积误差,通过试验表明该方法可明显减小航带变形。结合本文研究内容,利用Visual C++平台开发了低空摄影相机标定与影像畸变差改正系统,以及航带重构、低空影像匹配等程序。同时,通过研究低空影像拼接、正射影像制作、地面三维仿真和试验,进一步验证了本文方法的有效性和实用性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-28
  1.1 研究目的和意义  13-15
  1.2 国内外研究现状及趋势  15-25
    1.2.1 低空摄影平台及常用相机  15-17
    1.2.2 非量测相机标定研究现状  17-20
    1.2.3 航带重构研究现状  20-22
    1.2.4 影像匹配研究现状  22-24
    1.2.5 低空摄影测量发展趋势  24-25
  1.3 研究内容  25-26
  1.4 论文结构安排  26-28
第二章低空摄影相机标定  28-47
  2.1 成像模型  28-33
    2.1.1 线性模型  28-32
    2.1.2 非线性模型  32-33
  2.2 二维直接线性标定法  33-36
  2.3 格网点全自动检测  36-45
    2.3.1 目标区自动识别  38-41
    2.3.2 格网点定位  41-44
    2.3.3 试验与分析  44-45
  2.4 影像畸变差改正  45-46
  2.5 本章小结  46-47
第三章航带重构  47-71
  3.1 航带重构常用方法概述  47-48
    3.1.1 手工重构航带  47-48
    3.1.2 POS数据支持下的航带自动重构  48
  3.2 航带影像序列关联  48-62
    3.2.1 基于内容的影像检索策略  49-50
    3.2.2 词汇树构建  50-59
    3.2.3 关联约束  59
    3.2.4 基于几何图理论的关联网络构建  59-62
  3.3 自动重构航带关联影像序列  62-68
    3.3.1 自由坐标系下影像定位  62-66
    3.3.2 航带影像序列追踪  66-68
  3.4 试验与分析  68-70
  3.5 本章小结  70-71
第四章低空影像匹配  71-106
  4.1 传统航空影像匹配  71-81
    4.1.1 基于灰度的匹配  71-74
    4.1.2 基于特征的匹配  74-81
  4.2 SIFT特征匹配  81-85
  4.3 低空影像匹配策略  85-104
    4.3.1 SIFT辅助的匹配  85-90
    4.3.2 ASIFT辅助的匹配  90-95
    4.3.3 相位相关法辅助的匹配  95-103
    4.3.4 联合匹配策略  103-104
  4.4 本章小结  104-106
第五章低空影像空中三角测量  106-126
  5.1 自动转点与串点  106-108
  5.2 相对定向  108-115
    5.2.1 单独像对相对定向  108
    5.2.2 连续像对相对定向  108-111
    5.2.3 低空影像相对定向两步法  111-115
  5.3 模型连接  115-121
  5.4 绝对定向  121-123
  5.5 区域网平差  123-125
  5.6 本章小结  125-126
第六章航带自动重构的低空摄影测量试验  126-134
  6.1 相机标定程序  127
  6.2 影像快速拼接  127-129
  6.3 正射影像制作  129-133
  6.4 地面三维仿真  133-134
第七章总结与展望  134-137
  7.1 研究工作总结  134-136
  7.2 进一步工作与展望  136-137
主要参考文献  137-143
攻读博士学位期间发表的论文和科研情况  143-144
致谢  144

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