機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測(cè)量中的應(yīng)用

1、 機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測(cè)量中的應(yīng)用 目 錄第一章 摘要 02第二章 引言 2.1線陣相機(jī)系統(tǒng) 03 2.2傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用及前景 04第三章 3.1傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù) 07 3.1.1傾斜攝影測(cè)量的基本原理 07 3.1.2傾斜影像測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù) 07 3.2 三維建模技術(shù) 09 3.3 單斜片測(cè)量技術(shù) 10 3.4 單斜片測(cè)量的思路 10 3.5 傾斜影像外方位元素解算 11第四章 總結(jié) 4.1 加載DOM EDM影像 11 4.2 計(jì)算斜片覆蓋范圍 11 4.3 斜片測(cè)量 12第五章 參考文獻(xiàn) 12第六章 致謝 14 第一章 摘 要 機(jī)載傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)常規(guī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

2、的改進(jìn)和發(fā)展，它能夠獲取常規(guī)攝影無(wú)法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息，在數(shù)字城市構(gòu)建中具有重要的意義。本文應(yīng)用機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維建模和單斜片測(cè)量的應(yīng)用研究與實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)驗(yàn)表明：傾斜攝影數(shù)據(jù)應(yīng)用三維建模單斜片測(cè)量是可行的并且具有較好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量，三維建模，單斜片測(cè)量Three Dimensional Modeling and Single-oblique Photo Measure For Airborne Oblique Photogrammetry Data Abstract:airborne oblique photogrammetric system is

3、 the improvement of the traditional photogrammetric system ,which can get the facade texture and geometry information that cannot be obtained by conventional photography ,and it is of great significance in the construction of digital city .In this paper,the airborne oblique photogrammetry data were

4、used for three dimensional modeling and single-oblique photo measure.Preliminary experiments showed the good application prospects.Key words:oblique photogrammetry ;three dimensional modeling;single-oblique photo measure. 第二章 引 言近年來(lái)國(guó)際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展了一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡(jiǎn)稱傾斜攝影技術(shù)傾斜攝影技術(shù)。通

5、過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足。通過(guò)整合及矢量等數(shù)據(jù)進(jìn)行基于影像的各種三維測(cè)量，基于人眼視覺(jué)適合于觀察傾斜透視像片的特點(diǎn)傾斜影像測(cè)量技術(shù)更適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用。針對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)人們進(jìn)行了多方面的研究探討。傳統(tǒng)的航空航天攝影測(cè)量技術(shù)主要針對(duì)地形地物頂部進(jìn)行測(cè)量，對(duì)起伏明顯的地形 地物側(cè)面的紋理和三維幾何結(jié)構(gòu)等信息獲取一直十分有限，傾斜攝影測(cè)量因此成為近年來(lái)國(guó) 際上發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)高新技術(shù)。本文簡(jiǎn)要評(píng)述了幾種典型的傾斜攝影測(cè)量軟硬件系統(tǒng)， 分析了傾

6、斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)提煉了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)和研究要點(diǎn)。 傾斜影像是指由一定傾斜角度的航攝相機(jī)所獲取的影像1。傾斜攝影技 術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感 器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。常用的影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于垂直角度或傾角很小的航空或衛(wèi)星影像，這些影像大多只 有地物頂部的信息特征，缺乏地物側(cè)面詳細(xì)的輪廓及紋理信息，不利于全方位的模型重建和 場(chǎng)景感知。并且，這些影像上建筑物容易產(chǎn)生墻面傾斜、屋頂位移和遮擋壓蓋等問(wèn)題，不利 于后續(xù)的幾何糾正和輻射處理。 2008 年第 21 屆 ISPR

7、S 大會(huì)和 2011 年第 53 屆德國(guó)攝影測(cè)量周，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)都是35 大會(huì)的主要議題之一。新型多線面陣、多角度數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用如 ADS40/80SWDC-5 等為多視影像和大角度傾斜影像的獲取提供了可能；高性能傾斜攝影測(cè)量處理系統(tǒng)等的不斷改進(jìn)也使得傾斜影像的處理更加便利。 1 多角度相機(jī)及處理系統(tǒng) 1.1 多角度相機(jī)40 世界上較早的傾斜攝影相機(jī)被認(rèn)為是徠卡公司 2000 年推出的 ADS40 三線陣數(shù)碼相機(jī)， 基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題（030） 作者簡(jiǎn)介：朱慶，（1966-），男，教授，主要研究方向：數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維地理信息系統(tǒng)。 E-mail: zhuq6

8、6263.net -1- 提供地物前視，正視和后視 3 個(gè)視角方向的影像。外國(guó)的一些先進(jìn)公司專門研制了傾斜攝影用的多角度相機(jī)，可以同時(shí)獲取一個(gè)地區(qū)多個(gè)角度的影像；我國(guó)的四 維遠(yuǎn)見(jiàn)公司也研制了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多角度相機(jī)。這些典型多角度相機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)和性能對(duì) 比如表 1 所示：45 表 1 典型多角度相機(jī)系統(tǒng)參數(shù)和特點(diǎn) 相機(jī)類型 相機(jī)名稱 主要參數(shù) 特點(diǎn) 三 個(gè) 全 色 線 陣 CCD ， 每 個(gè) 三線陣 ADS40/80 像元，四個(gè)多光譜線陣 推掃式成像；前視后視可獲得較好的傾斜影 CCD，每個(gè) 12000 像元；像元大 像；需集成 POS 系統(tǒng) 小 6.8；焦距 62.77mm 單機(jī)幅面 ；像元

9、大小 一臺(tái)相機(jī)獲取垂直影像，兩臺(tái)獲取傾斜影 3 鏡頭 AOS 6.8；焦距 47mm；傾角 30-40 像；鏡頭在曝光一次后自動(dòng)旋轉(zhuǎn) 單機(jī)幅面 ；像元大小 一臺(tái)相機(jī)獲取垂直影像，四臺(tái)獲取傾斜影 SWDC-5 6.8；焦距 100mm/80mm；傾 像；集成測(cè)量型 GPS 和 POS 5 鏡頭 角 40-45 單機(jī)幅面 ；像元大小 一臺(tái)相機(jī)獲取垂直影像，四臺(tái)獲取傾斜影；焦距 65mm/85mm；傾角 像；產(chǎn)品包含兩級(jí)影像 40-602.1線陣相機(jī)系統(tǒng) 三線陣 ADS40/80 相機(jī)系統(tǒng)可以獲取高分辨率的影像，通過(guò)連續(xù)推掃式成像，其前視和50 后視相機(jī)可以提供同一航帶上地物的傾斜影像。相機(jī)的前視傾

10、角約為 28 度，后視傾角約為 14 度，獲取的多視影像可以較為清晰地反映出地物的側(cè)面紋理特征。此類影像處理很復(fù)雜， 需要伴隨高精度的 POS 數(shù)據(jù)，生成多級(jí)影像產(chǎn)品，但前后視傾角難以獲取地物完整的側(cè)面 輪廓。 2三線陣相機(jī)系統(tǒng)55 天寶 AOS 傾斜相機(jī)系統(tǒng)由 3 臺(tái)大幅面數(shù)碼相機(jī)組成，一臺(tái)下視獲取垂直影像，另外兩 臺(tái)獲取傾斜角度在 30 度到 40 度之間的傾斜影像。通過(guò)旋轉(zhuǎn)型架構(gòu)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前后左右傾斜 和垂直五個(gè)方向的攝影。整個(gè)鏡頭在曝光一次后自動(dòng)旋轉(zhuǎn) 90 度，以此獲取地物四個(gè)方向上 的側(cè)視影像。 3五相機(jī)系統(tǒng)60 SWDC-5 傾斜攝影相機(jī)由 5 臺(tái)哈蘇 H3D 相機(jī)組成，中間一臺(tái)垂

11、直攝影，其余四臺(tái)分別 向四個(gè)方向進(jìn)行傾斜攝影，其傾斜角在 40 度到 45 度之間，相機(jī)上方安置有 IMU 導(dǎo)航系統(tǒng)， 同時(shí)集成 GPS 定位系統(tǒng)，可以在曝光瞬間準(zhǔn)確獲取相機(jī)傾角及外方位元素。 Pictometry 相機(jī)系統(tǒng)由 5 臺(tái)數(shù)碼相機(jī)組成，一臺(tái)獲取垂直影像，另外四臺(tái)從前后左右四 個(gè)方向同時(shí)獲取地物的側(cè)視影像。相機(jī)傾斜角度在 40 度到 60 度之間，因此可以較為完整地65 獲取地物側(cè)面的輪廓和紋理信息。其產(chǎn)品包含兩級(jí)影像：具有一般分辨率的“Community” 級(jí)影像和基于其分割得到的較高分辨率的“Neighborhood”級(jí)影像13。 1.2 傾斜影像處理系統(tǒng) 伴隨多角度相機(jī)的是傾斜

12、影像處理系統(tǒng)的快速發(fā)展。美國(guó) 公司推出的 Pictometry 傾斜影像處理軟件，能夠較好地實(shí)現(xiàn)傾斜影像的定位量測(cè)、輪廓提取、紋理聚類70 等處理功能。法國(guó) Infoterra 公司的像素工廠Pixel Factory作為新一代遙感影像自動(dòng)化處理系 統(tǒng)，Street Factory 子系統(tǒng)可以對(duì)傾斜影像進(jìn)行精確的三維重建和快速的并行處理。此外，徠 -2- 卡公司的 LPS 工作站、AeroMap 公司的 MultiVision 系統(tǒng)、Intergraph 公司的 DMC 系統(tǒng)等， 都陸續(xù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)傾斜影像的量測(cè)46、匹配7、提取8、建模912等模塊。 Pictometry 系 Pictomet

13、ry 傾斜影像處理軟件提供了傾斜影像管理工具 EFSElectronic Field Study，可 以結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行量測(cè)、定位、提取等操作，并對(duì)基于影像建立的模型做出 一定的分析和可視化。其產(chǎn)品目前已在微軟的 Virtual Earth 中得到應(yīng)用。 2 Street Factory 系統(tǒng) Street Factory 系統(tǒng)通過(guò)對(duì)獲得的傾斜影像進(jìn)行幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建，提取80 出典型地物的紋理特征，并對(duì)該紋理進(jìn)行可視化處理，最終得到三維模型。依托 Pixel Factory 的影像解譯和并行處理能力，Street Factory 僅依靠?jī)A斜影像，無(wú)需 LIDAR 等

14、輔助設(shè)備，便 可以提供逼真的建模場(chǎng)景和智能的處理流程，構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度下的三角網(wǎng)模型， 在精度、自動(dòng)化、適應(yīng)性及簡(jiǎn)潔性等方面都有著一定的優(yōu)勢(shì)。 2.2 傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用及前景傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從 1個(gè)垂直4 個(gè)傾斜等5 個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入到符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界，傾斜攝影成為建設(shè)數(shù)據(jù)城市中三維城市生產(chǎn)的新的高效的技術(shù)手段。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高 精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，系統(tǒng)具備高性能的協(xié)同并行處理能力，在新一代城 市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建

15、設(shè)中有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，精細(xì)化 的三維城市模型作為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到了日益廣泛的應(yīng)用并 逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。然而，傳統(tǒng)的航空和衛(wèi)星遙感手段主要針對(duì)城市建135 筑頂部進(jìn)行模型重建，而對(duì)側(cè)面的三維重建一直缺少有效的解決手段。傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展， 可以有效解決這一難題，將靜態(tài)的，基于立體像對(duì)和點(diǎn)特征的傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)推向了一個(gè) 新的高度，即動(dòng)態(tài)的，基于多視影像和對(duì)象特征的實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)。因此，諸如高分辨率 DSM、逼真的真正射影像和精細(xì)的三維城市模型等傾斜攝影測(cè)量產(chǎn)品需求尤為迫切，而發(fā) 展基于多平臺(tái)多傳感器的傾斜影像自動(dòng)化、

16、智能化的處理技術(shù)，已經(jīng)成為新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的主導(dǎo)。 該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于測(cè)繪，國(guó)土安全，城市管理等領(lǐng)域。機(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是新一代攝影測(cè)量系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取部分一般由5個(gè)數(shù)碼相機(jī)組成包括1個(gè)垂直攝影相機(jī)和4個(gè)傾斜攝影相機(jī)，系統(tǒng)還可將攝影相機(jī)與機(jī)載GPS接收機(jī)(高精度IMU進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來(lái)提供影像信息，而GPS IMU則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過(guò)在系統(tǒng)中集成定位定姿設(shè)備或進(jìn)行空中三角測(cè)量處理可為每張拍攝的影像提供位置姿態(tài)信息用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是數(shù)字制圖方面的一個(gè)重要突破，它使得非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析不僅可在

17、模型上進(jìn)行而且也可在傾斜航片上進(jìn)行%通過(guò)攝影測(cè)量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個(gè)所謂的場(chǎng)景文件中而場(chǎng)景文件則提供了對(duì)任一地塊建筑物構(gòu)筑物及特征物的多維度多視向的觀察。國(guó)外在上世紀(jì)90年代就開(kāi)始了對(duì)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的研究，目前該技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)和市場(chǎng)的應(yīng)用方向，美國(guó)pictometry公司是世界上最早研究?jī)A斜攝影技術(shù)的公司。目前pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已在北美，歐洲得到廣泛的應(yīng)用。該類系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)對(duì)人們使用地理空間信息的方式產(chǎn)生著很大的影響，它在美國(guó)的早期成功是用于突發(fā)事件方面的應(yīng)用而真正的發(fā)展始自于與微軟的合作并被集成進(jìn)微軟公司開(kāi)發(fā)的BingMaps。Go

18、ggle Earth 也可能集成大角度的傾斜影像。在歐洲市場(chǎng)，2005年歐洲的布姆集團(tuán)與pictometry公司簽署了一份獨(dú)家協(xié)議利用pictometry公司系統(tǒng)進(jìn)行12個(gè)國(guó)家的傾斜攝影應(yīng)用。該項(xiàng)目覆蓋西歐人口超過(guò)5萬(wàn)的所有城鎮(zhèn)80%的人口，大約1000個(gè)城市，公司的歐洲項(xiàng)目圖像分辨率為10cm12cm，位置精度約0.5m。在傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取方面國(guó)內(nèi)測(cè)繪行業(yè)在2010年首次引進(jìn)傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用將開(kāi)辟遙感影像應(yīng)用的新領(lǐng)域提高我國(guó)數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取效率。在傾斜攝影數(shù)據(jù)處理方面華正空間（武漢）軟件技術(shù)有限公司自主研發(fā)了基于航空傾斜影像的地理空間信息和應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng))該系統(tǒng)

19、軟件所具有的影像三維量測(cè)技術(shù)能為公共安全及應(yīng)急指揮，城市規(guī)劃與管理，通訊，城市工程，軍事等行業(yè)和領(lǐng)域提供真實(shí) 實(shí)時(shí) 可量測(cè)的三維空間信息服務(wù)。經(jīng)過(guò)地理參考定位的傾斜影像拓展了傳統(tǒng)垂直影像的特性，提供了獨(dú)特的透視觀測(cè)方式，基于影像的三維測(cè)量系統(tǒng)具有如下的作用：1直接觀測(cè)到建筑物的立面，垂直影像上是很困難或不可能的；2能夠在影像上直接測(cè)量物體的高度 長(zhǎng)度 面積等：3改善了對(duì)電桿 燈桿等物體的識(shí)別，而要在正射影像上進(jìn)行這些識(shí)別是很困難的；4改善了非地圖專業(yè)人員對(duì)地理信息的可讀性；擴(kuò)展了以傾斜影像的3D觀測(cè)GIS數(shù)據(jù)的方式。傾斜影像資料可以用于進(jìn)行三維建模。常規(guī)的使用攝影測(cè)量技術(shù)3D建模是基于垂直攝影

20、像片的，能夠解決地面紋理 屋頂紋理和部分立面紋理，大部分的立面紋理需要依賴地面攝影來(lái)提供。地面攝影取立面紋理是一項(xiàng)耗費(fèi)人力的繁瑣工作。建筑物的幾何模型可以用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)來(lái)建立，或通過(guò)激光雷達(dá)獲取的DSM來(lái)建立。經(jīng)過(guò)地理參考幾何定位的傾斜像片可以用于給建筑物的幾何模型提供紋理。如Blom3D可提供4種不同細(xì)節(jié)的3D模型：1 3D塊狀模型2具有屋頂細(xì)節(jié)的3D塊狀模型3具有模板紋理細(xì)節(jié)及屋頂細(xì)節(jié)的塊狀模型4具有真實(shí)圖像紋理細(xì)節(jié)的3D建筑物模型;真實(shí)圖像紋理細(xì)節(jié)的3D建筑物。真實(shí)圖像紋理細(xì)節(jié)的3D建筑物模型是將傾斜航空像片技術(shù)與3D塊狀模型技術(shù)組合得到的。有了3D模型用戶就能夠看到實(shí)際的環(huán)境，從而

21、幫助他們更加容易地找到感興趣的地方。傾斜圖像可讓我們更輕松地使用地理信息，從而吸引并不熟悉地地圖使用的新用戶，這樣可以加快地理信息的普及應(yīng)用，充分發(fā)揮地理信息的作用。固定軌道的衛(wèi)星遙感、中高空有人航空攝影和固定翼無(wú)人機(jī)由于受航高和空間攝影姿態(tài)限制（垂直或小角度攝影），僅能獲得部分主體建筑的高度信息和頂部紋理信息，難以滿足城市建筑物三維數(shù)據(jù)獲取的要求。本文結(jié)合新近發(fā)展的多傳感器集成技術(shù)，從低空快速采集城市建筑物三維信息，以滿足當(dāng)前城市建筑物三維模型構(gòu)建的需要，設(shè)計(jì)出一套利用無(wú)人飛艇載四組合特寬角相機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度空中三角測(cè)量和建筑物景觀三維建模的技術(shù)路線。一方面通過(guò)基于四相機(jī)重疊影像自動(dòng)匹配的自

22、檢校，達(dá)到設(shè)備輕小型化條件下的精密等效中心投影構(gòu)像，用以支持高精度空中三角測(cè)量；另一方面，通過(guò)自檢校的四個(gè)方向傾斜的相機(jī)，達(dá)到一次飛行同時(shí)獲得四方向建筑物側(cè)面影像的目的。結(jié)合無(wú)人飛艇負(fù)載小、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種滿足自檢校要求的組合寬角相機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于軟式穩(wěn)定平臺(tái)的組合寬角相機(jī)系統(tǒng)的輕小型化。研究了組合相機(jī)自檢校的原理和流程，實(shí)現(xiàn)組合相機(jī)自檢校處理后勻光拼接成的等效中心投影影像，其拼接誤差限定在 0.2 像元以內(nèi)。針對(duì)低空大比例尺三維量測(cè)的需要，研究出一種具有自檢校功能的地面標(biāo)志，使得標(biāo)志圖像檢測(cè)的誤差可以通過(guò)誤差三角形的方法予以校正，從而提高了攝影測(cè)量定位精度。利用組合相機(jī)自檢校建

23、立起的拼接影像與傾斜影像之間精確的外方位關(guān)系以及經(jīng)標(biāo)志點(diǎn)絕對(duì)定向后拼接影像獲取的精確外方位元素，實(shí)現(xiàn)組合相 第三章 基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測(cè)量技術(shù)3.1 傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)3.1.1 傾斜攝影測(cè)量的基本原理 傾斜影像是通過(guò)具有一定傾角的傾斜航攝相機(jī)獲取的，具有如下的特點(diǎn)：1可以獲取 多個(gè)視點(diǎn)和視角的影像，從而得到更為詳盡的側(cè)面信息；2具有較高的分辨率和較大的 視場(chǎng)角；3同一地物具有多重分辨率的影像；4傾斜影像地物遮擋現(xiàn)象較突出。針 對(duì)這些特點(diǎn)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常包括影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、90 DSM 生成、真正射糾正、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容。 多視影像處理的基本原理 3.1

24、.2 傾斜影像測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù) 1 多視影像聯(lián)合平差 多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)，而部分傳統(tǒng)空中三角測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法較好地處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，因此，多視影像聯(lián)合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮 擋關(guān)系。結(jié)合 POS 系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。 同時(shí)，建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)、GPU/IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平 差的誤差方程，通過(guò)聯(lián)合解算，確保平差結(jié)果的精度。 2 多視影像密集匹配 影像匹配是攝影測(cè)量的基本問(wèn)題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高等特

25、點(diǎn)。 因此，如何在匹配過(guò)程中充分考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而 獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。由于單獨(dú)使用一種匹配基元或匹配策略往往難以獲取建模需要的同名點(diǎn)，因此近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)發(fā)展起來(lái)的多基元、多視影 像匹配，逐漸成為人們研究的焦點(diǎn)。 目前，在該領(lǐng)域的研究已取得很大進(jìn)展，例如建筑物側(cè)面的自動(dòng)識(shí)別與提取。通過(guò)搜索多視影像上的特征，如建筑物邊緣、墻面邊緣和紋理，來(lái)確定建筑物的 2 維矢量數(shù)據(jù)集，影像上不同視角的 2 維特征可以轉(zhuǎn)化為 3 維特征，在確定墻面時(shí)，可以設(shè)置若干影響因子 并給予一定的權(quán)值，將墻面分為不同的類，將建筑的各個(gè)墻面進(jìn)行平面掃描和分割，獲

26、取建 筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)，再通過(guò)對(duì)側(cè)面進(jìn)行重構(gòu)，提取出建筑物屋頂?shù)母叨群洼喞?3 數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正， 多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型DSM，充分表達(dá)地形地物起 伏特征，已經(jīng)成為新一代空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容。由于多角度傾斜影像之間的尺度差 異較大，加上較嚴(yán)重的遮擋和陰影等問(wèn)題，基于傾斜影像的 DSM 自動(dòng)獲取存在新的難點(diǎn)。 可以首先根據(jù)自動(dòng)空三解算出來(lái)的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行 特征匹配和逐像素級(jí)的密集匹配，并引入并行算法，提高計(jì)算效率。在獲取高密度 DSM 數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波處理，并將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的 DSM。 多視

27、影像真正射糾正涉及物方連續(xù)的數(shù)字高程模型DEM和大量離散分布粒度差異很 大的地物對(duì)象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集特點(diǎn)。因此， 多視影像的真正射糾正，可分為物方和像方同時(shí)進(jìn)行。在有 DSM 的基礎(chǔ)上，根據(jù)物方連續(xù) 地形和離散地物對(duì)象的幾何特征，通過(guò)輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取物方語(yǔ)義信息；同時(shí)在多視影像上，通過(guò)影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取像方語(yǔ)義信息， 再根據(jù)聯(lián)合平差和密集匹配的結(jié)果建立物方和像方的同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，繼而建立全局優(yōu)化采 樣策略和顧及幾何輻射特性的聯(lián)合糾正，同時(shí)進(jìn)行整體勻光處理，實(shí)現(xiàn)多視影像的真正射糾 正。 傾斜攝影測(cè)量的基本原理和關(guān)鍵

28、技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)三維建模的主要目標(biāo)是，基于多角度傾斜相機(jī)攝影數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)飛行拍攝的影像，拍攝時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù),該區(qū)域DSM數(shù)據(jù),矢量圖形數(shù)據(jù)等資料,進(jìn)行必要的加工處理,建立基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測(cè)量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容如下：（1）利用POS進(jìn)行傾斜攝影高精度空中三角測(cè)量利用航拍時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù),研制開(kāi)發(fā)高精度光束法區(qū)域網(wǎng)平差程序模塊,計(jì)算每幅影像的內(nèi)外方位元素及檢校參數(shù)等,計(jì)算立體測(cè)圖所需的定向點(diǎn) 連接點(diǎn)等。（2） 影像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)管理與檢索針對(duì)傾斜攝影系統(tǒng)拍攝的大量影像及位置姿態(tài)數(shù)據(jù)等，建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。（3）數(shù)據(jù)管理與檢索針

29、對(duì)攝影區(qū)域內(nèi)的大量DSM數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。（4） 矢量數(shù)據(jù)管理與檢索針對(duì)攝影區(qū)域內(nèi)的矢量圖形數(shù)據(jù)建立必要的數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。（5） 影像與DSM融合 在上述處理模塊的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)傾斜攝影影像與DSM數(shù)據(jù)的融合方法，生成高密度彩色點(diǎn)云或三維彩色影像#實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云彩色化或圖像三維化。 （6）影像與矢量數(shù)據(jù)融合研制開(kāi)發(fā)傾斜攝影影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的融合方法，實(shí)現(xiàn)影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的疊置整合。（7）基于影像的三維測(cè)量與建模 在上述處理模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于傾斜攝影影像的顯示及交互三維量測(cè)。包括相對(duì)位置，高度，長(zhǎng)度，距離和面積等

30、，實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的三維建模功能。（8）基于WEB的查詢應(yīng)用在上述模塊加工處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)基于WEB的查詢?yōu)g覽軟件實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的影像三維測(cè)量功能。3.2三維建模技術(shù)在利用傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，POS數(shù)據(jù),DSM數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用如下的技術(shù)路線:通過(guò)研制開(kāi)發(fā)基于POS的傾斜攝影空中三角測(cè)量技術(shù),進(jìn)一步提高位置姿態(tài)的測(cè)量精度,得到每幅影像的方位數(shù)據(jù);擬采用快速索引技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多源空間數(shù)據(jù)的管理與檢索,開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口;采用DSM數(shù)據(jù)作為多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的幾何基準(zhǔn),利用空間同步原理實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與DSM數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)融合;研究基于影像信息支持的內(nèi)插法進(jìn)行影像三維化;擬根據(jù)攝影測(cè)

31、量幾何約束研究開(kāi)發(fā)三維建模紋理自動(dòng)(或半自動(dòng))映射方法。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流與功能模塊的關(guān)系分別用框圖說(shuō)明如下： （1）傾斜攝影像片定位定姿經(jīng)過(guò)定位定姿的DOP數(shù)據(jù)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)DOP。 （2）基于傾斜攝影影像的三維測(cè)量 （3）基于DOP的三維建模3.3單斜片測(cè)量技術(shù)單斜片測(cè)量是在一些基本的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上能夠?qū)螐埿逼M(jìn)行某些參數(shù)的應(yīng)用測(cè)量，主要包括地物的高度，長(zhǎng)度，距離及面積的測(cè)量等。（1）單斜片測(cè)量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料包括 5頭相機(jī)傾斜攝影影像資料，POS數(shù)據(jù)或空三加密成果（主要是斜片的內(nèi)外方位元素），包含斜片地面覆蓋范圍的測(cè)區(qū)DEM,DOM數(shù)據(jù)等。 3.4單斜片測(cè)量的思路在POS數(shù)據(jù)或空三加密成果

32、及測(cè)區(qū)的DEM,DOM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立待測(cè)量斜片與cPQ數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,得到一定意義上的傾斜糾正影像,再對(duì)傾斜糾正斜片進(jìn)行一些相對(duì)參數(shù)的測(cè)量。3.5傾斜影像外方位元素解算根據(jù)建筑物物方存在的幾何約束關(guān)系，建立附有約束條件的建筑物量測(cè)模型，并形成幾種典型屋頂建筑物的半自動(dòng)量測(cè)方法；提出利用組合寬角相機(jī)多視影像進(jìn)行建筑物多面細(xì)節(jié)量測(cè)和建筑物墻面紋理獲取的三維建模方法，實(shí)現(xiàn)了完整的技術(shù)流程并進(jìn)行了精度分析?；诙噙呅稳瞧史炙枷?，實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的快速構(gòu)建和大比例尺下建筑物模型與地形模型的匹配。 第四章 總結(jié) 基于上述思想，初步開(kāi)發(fā)了一個(gè)利用傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模與單斜片測(cè)量的軟件系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)環(huán)

33、境采用的操作系統(tǒng)為XP/W7，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為VC+。下面對(duì)軟件系統(tǒng)的基本功能及實(shí)驗(yàn)情況做一下簡(jiǎn)單介紹。4.1 加載DOM DEM影像由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜影像的檢索和量測(cè)，首先需要加載該區(qū)域的DOM影像,在菜單欄文件目錄下,打開(kāi)需要加載的該區(qū)域的DOM影像,同時(shí)DEM影像也會(huì)自動(dòng)加載。4.2 計(jì)算斜片覆蓋范圍計(jì)算斜片覆蓋范圍所需資料包括對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù),內(nèi)方位數(shù)據(jù),相機(jī)大小數(shù)據(jù)和測(cè)區(qū)地面的平均高程數(shù)據(jù)。在菜單欄目錄下預(yù)處理斜片覆蓋范圍，打開(kāi)POS或像片外方位元素?cái)?shù)據(jù)文件對(duì)話框加載外方位元素?cái)?shù)據(jù)即可計(jì)算像片的覆蓋范圍提示程序正常運(yùn)行此時(shí)在每個(gè)相機(jī)文件夾下會(huì)自動(dòng)生成計(jì)算出的像片覆蓋范圍結(jié)果文件Photos.

34、cov和Photos.ctp。只有在新加載一個(gè)工程時(shí)，才需要計(jì)算像片的覆蓋范圍，之后如果重新需要加載該工程，則不需要首先計(jì)算像片的覆蓋范圍，直接進(jìn)入下一步即可。檢索斜片加載了DOM影像之后,就可以在DOM影像上任何區(qū)域檢索出該區(qū)域所有匹配的影像,分為兩部分檢索斜片和檢索列表。單擊該區(qū)域即可檢索出該區(qū)域?qū)?yīng)的：像片個(gè)數(shù)。如下圖所示該區(qū)域所能檢索出的全部像片Wholes,最佳匹配像片Best和各個(gè)相機(jī)A B C D E Others中的像片。下圖即為檢索到某區(qū)域的全部像片。4.3斜片測(cè)量檢索完像片之后，即可選擇最佳像片進(jìn)行測(cè)量。該軟件在斜片測(cè)量方面給出了兩種方法：一種方法是根據(jù)DEM確定動(dòng)態(tài)比例尺

35、,計(jì)算長(zhǎng)度和面積。測(cè)量目錄下有斜片長(zhǎng)度和斜片面積兩個(gè)命令，可測(cè)量任意長(zhǎng)度和面積。如下圖所示：在航空攝影相片上每一個(gè)像點(diǎn)（微線段）都對(duì)應(yīng)著一個(gè)攝影比例尺。與豎直攝影相片一樣，傾斜攝影相片上的每個(gè)像點(diǎn)也存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的攝影比例尺。嚴(yán)格地說(shuō)只有對(duì)水平地面的理想攝影相片上的每個(gè)像點(diǎn)的攝影比例尺是相同的，當(dāng)?shù)孛娲嬖诘匦纹鸱鼤r(shí)理想攝影相片上的每個(gè)像點(diǎn)的攝影比例尺也是不相同的。一般可利用一定范圍內(nèi)的平均航高來(lái)計(jì)算（糾正后）相片的平均比例尺并用平均比例尺作為該范圍內(nèi)每個(gè)像點(diǎn)的攝影比例尺。因此，斜片上像點(diǎn)的點(diǎn)比例尺確定可采用如下步驟計(jì)算：1設(shè)置測(cè)區(qū)的較為合適的平均水平面E;2準(zhǔn)備待測(cè)量斜片的內(nèi)外方位元素?cái)?shù)據(jù)3設(shè)斜

36、片上某點(diǎn)P的坐標(biāo)為（u，v）,其在地面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位P點(diǎn);4求解P點(diǎn)在平面E上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Pe(X,Y);5 Pe(X,Y)值及DEM數(shù)據(jù)，求取相應(yīng)的高程值Z,得到Pd(X Y Z);6計(jì)算斜片投影中心S與DEM上物點(diǎn)Pd間的斜距SPd,7取斜距SPd作為像點(diǎn)p(u,v)對(duì)應(yīng)物點(diǎn)P斜距SP，其誤差約為物點(diǎn)PD(X Y Z)到通過(guò)P點(diǎn)且平行于斜片的(虛擬斜片)平面之間的距離；8計(jì)算U點(diǎn)的點(diǎn)比例尺,Scale(p)=sp/Sp;9用比例尺Scale(p)作為像點(diǎn)p(u,v 的點(diǎn)比例尺。另一種方法是利用景物的特征約束如垂直線或水平線條件約束。通過(guò)計(jì)算坐標(biāo)得到長(zhǎng)度測(cè)量值，主要分為鉛垂直線長(zhǎng)度，水平直線長(zhǎng)度，

37、定高水平直線長(zhǎng)度，定高鉛垂直線長(zhǎng)度等。機(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)單角度攝影測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展，通過(guò)在一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)攝影角度的傳感器或數(shù)碼相機(jī)，不僅能夠現(xiàn)常規(guī)的地表三維測(cè)量，而且由于其能夠同時(shí)獲取更多的地表覆蓋數(shù)據(jù)，因而能夠大大提高地表三維測(cè)量的可靠性和測(cè)量精度還能夠在完成地表三維幾何測(cè)量的同時(shí)，獲取大量的常規(guī)攝影無(wú)法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息。其在數(shù)字城市構(gòu)建中具有重要的意義。本文利用機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維建模和單斜片測(cè)量的研究實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該類系統(tǒng)在地表三維建模以及傾斜攝影影像在三維可視化應(yīng)用方面的潛力和適宜性。 第五章 參考文獻(xiàn)（1） Roth,G. Automat

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