（摄影测量与遥感专业论文）基于航空立体影像对的人工目标三维提取与重建.pdf

摘要 随着空间技术、计算机技术、通讯技术的飞速发展，以全球定位系统( o p s ) 、遥感( r s ) 和 地理信息系统( g 璐) 为核心的现代测绘学科也日益向数字化、自动化和实时化方向发展。在空间 数据获取方面，获取地球表面高分辨率、高精度、多时相、多光谱数字影像的技术已日趋成熟并得 到广泛应用，特别是数字摄影测量技术的发展为获取现实世界中物体的三维模型提供了极大的方 便，从而使数字城市的建设和发展成为可能。但同时，基于影像的数据处理的理论和算法还相对滞 后，基于影像的特征提取技术是整个社会信息化过程中砸临的重要问题，因此，基于影像的三维重 建技术是摄影澳9 量的核心任务之一，同时也是计算机视觉的基本任务之一。当前，基于航空影像的 人工目标三维提取和重建已成为摄影测量与遥感领域和计算机视觉领域共同关注的国际前沿课题， 对运一课题的研究有着重要的理论和现实意义。 本文着重探讨基于航空立体影像对的人工地物三维提取和重建的理论与方法，并研究开发了一 体化立体影像平台。基于此平台，作者对几种典型人工目标的三维提取和重建进行了系统的尝试和 深入的探讨，在理论与实践上提出并实现了一系列有实际应用价值的方法和算法。主要内容分五个 方面：一体化立体影像平台的建立；三维重建拓扑数据模型的建立：简单房屋半自动提取和三维重 建；复杂房屋三维重建；立交桥半自动提取和三维重建，五个部分分别对应本文的第二章到第六章。 ( 1 ) 一体化影像平台l 挣建立 目前的三维重建软件中普遍存在的一个局限性就是数据采集和三维模型蘑建平台的脱节，人工 采集数据、人工建立拓扑关系加上人工编辑的建模思路，使得整个建模过程费时费力，效率低下。 本文提出了三维数据获取和重建集成的三维建模策略，并实现了实验平台。作者从原始影像开始， 实现了立体像对的自动内定向、自动相对定向、核线重采样和立体影像对的生成，并同本文实现的 自动半自动提取和重建算法相结合。在统一的集成式平台上实现人工地物的半自动提取与三维重 建。该部分的核心是采用s u s a n 角点检测算子在左右影像上分别提取特征点，并实现了金字塔影 像匹配，求得同名点的精确位置，从而实现了航空立体影像对的自动相对定向，算法稳定可靠，为 后续章节的边缘提取和模型重建提供了平台保证。 ( 2 ) 三难重建数据模型的建立 地理信息系统中数据模型的目的和作用是用于描述现实世界中的实体和对象，三维空阃数据模 型是实现三维重建的基础，本部分在系统总结三维数据模型研究现状的基础上，探讨人工地物三维 重建数据模型，该部分提出的拓扑数据模型为后续章节的具体重建工作提供了抽象的概要模型设 计。 空问数据模型的一个重要特性是对空间关系的描述和表达，空间关系研究中的一个重要方面是 拓扑关系的研究，对象之间拓扑关系是对模型进行分析和研究的基础。在三维空间内，三维空问拓 扑关系的研究相对滞后，在很大程度上限制了三维6 1 s 的进一步发展尤其是对三维数学模型研究 发展的限制本部分在对拓扑学系统研究的基础上，总结了拓扑关系在三维重建中的作用。在二维 拓扑学研究的基础上，对三维拓扑学展开研究，并从人工地物三维重建的角度，将人工地物的三维 拓扑分为内拓扑和外拓扑，创造性地定义了拓扑链和三维拓扑连通度的概念，用于描述人工地物三 维拓扑。基于对三维拓扑的研究展开对拓扑数据模型的探讨，深入分析当前典型的拓扑数据模型的 发展及研究现状，并总结目前拓扑数据模型研究方面尚存在的主要问题和实现难点，提出面向地学 应用的三维重建拓扑数据模型。在分析三维重建的信息传输模式的基础上，剖析三维重建中拓扑关 系建立的内涵，采取结合度量关系的拓扑关系重建方法，建立了人工地物三维重建的拓扑数据模型。 ( 3 ) 简单房屋半自动提取和三维重建 房屋三维模型是数字城市中一类极为重要的数据模型，如何有效的表现房屋模型，使其能够满 足三维表现和空间分析的要求是一个亟待解决的问题。不同地域的房屋具有不同的建筑风格，从三 维重建的角度，本文首先对房屋进行分类，并对简单房屋和复杂房屋采用不同的提取和重建策略， 实现简单型房屋半自动提取和自动三维重建，从而使三维重建的效率得到一定提高。 在详细讨论和比较多种基于影像的直线特征提取算法的基础上，本文采用了基于c a n n y 边缘检 测算子结合直线模板提取房屋直线边缘的整体策略，实现了基于支持区域的影像直线特征同名匹 配，并结合最小二乘平差实现了解算直线段精确位置的算法。利用立体核线影像的约束条件结合房 屋自身的几何限制条件实现简单房屋三维模型的半自动重建。设计并实现了从立体航空影像对提取 和重建简单房屋三维模型的实验系统。 ( 4 ) 复杂房屋三维重建 复杂房屋的三维重建目前完全依赖人工操作来完成，其难度和工作量之巨大成为城市建筑物三 维建模的“瓶颈”所在。因此，研究复杂房屋的三维自动半自动重建对于三维城市模型的构建乃至 整个数字城市的建设都有着不言丽喻的作用。本文对从航空立体影像对重建复杂房屋作了尝试性的 研究和探讨，首先采用拓扑链概念来描述复杂房屋三维拓扑并建立一个集数据采集和三维建模为一 体的复杂房屋拓扑数据模型。基于此模型实现双向搜索算法，并同当前典型三维重建算法进行比较， 总结当前算法中的缺陷，用实验验证了本章提出的算法的高效性和可靠性，实现了复杂房屋建模环 节的简化。对一种典型的复杂房屋( 回字型房屋) 提出了切实可行的建模策略，并同当前流行算法 进行了比较。对物项面与对应墙面不在一个垂直面上的房屋，提出了具体的解决思路，并对复杂房 屋三维重建后模型检查的具体内容进行研究。由于建筑物结构的复杂性和风格的多样性，要实现既 准确又快速的重建各类复杂房屋仍有很多问题有待解决和完善，本文对采用本章算法无法实现三维 重建的房屋类型进行了归纳。 ( 5 ) 立交桥三维提取与重建 立交桥作为三维重建的重要研究对象，长期以来一直依赖c a d 技术来重建其三维模型，基于 影像的立交桥三维重建的理论和方法研究仍然是个空白。本文提出了基于大比例尺航空立体像对重 建三维立交桥模型的方法，是实现对数字城市中一类复杂建筑物基于影像三维建模的有益尝试，本 文在对立交三维建模整体流程进行介绍后，提出了基于拓扑的立交桥三维重建数据模型，并同c a d 领域的立交桥重建模型和方法进行了比较。 本文采用改进的模糊边缘检测算法提取立交桥的匝道边缘，实验也表明本文方法十分有效。对 于不能自动提取的立交桥匝道边缘，采用人工依次输入种子点的策略，借助三次样条函数半自动提 取立交桥匝道边缘。同时采取一种半自动或交互式提取立交桥的策略和算法。能顾及到提取的精确 性、稳定性和良好的交互性，以核线约束和三次样条插值函数为工具，采用本文中提出的基于拓扑 的立交桥三维数据模型，从航空影像上重建立交桥模型，方法简单，并能节约大量时间，依据这种 思想建立的带有拓扑关系的数据采集和模型重建软件能够进行有效的空间分析，解决了常规c a d 模型中空间查询能力差的问题；大量的实验证明了本章提出的三维重建方法和算法的正确性、高效 性以及基于航空立体影像对重建立交桥三维模型整体策略的可行性。 总结本文的研究工作，其主要贡献与创新点可概括如下： ( 1 ) 提出数据采集和模型重建集成的三维建模的新思路和新方法，改变当前软件中两环节相 互脱节的现状，开发了影像处理、人工目标自动半自动提取、几何模型重建、拓扑关系重建、模型 编辑、纹理数据采集的集成式平台。 ( 2 ) 利用s u s a n 角点检测算子自动识别同名点，实现了金宇塔影像匹配和航空立体影像对的 自动相对定向。 ( 3 ) 提出拓扑链和三维拓扑连通度的概念，基于三维拓扑连通度实现了对三维拓扑元素的描 述，丰富和发展了三维拓扑学，提出了人工地物三维重建的拓扑数据模型。 ( 4 ) 首次用三维拓扑不变量( 三维拓扑连通度) 完整的实现了三维拓扑元素、三维空间实体 及三维拓扑关系三个方面的形式化描述。 ( 5 ) 研究并实现了简单房屋边缘直线提取的稳定算法，实现了基于支持区域的影像直线特征 同名匹配算法，利用立体核线影像对直线匹配和简单房屋自身的几何限制条件来实现简单房屋三维 模型的重建。 ( 6 ) 采用拓扑链的数据表示和存贮方式，并提出双向搜索算法，实现了大多数类型复杂房屋 的基于拓扑链数据的自动三维模型重建。 ( 7 ) 国内外首次尝试基于影像重建立交桥的三维模型对三维城市模型中的一个瓶颈问题展 开深入研究。从理论上讲，是对三维曲线提取和复杂人工目标三维重建的创新性探讨；从实践上讲， 立交桥模型是长期以来制约数字城市发展的棘手问题，本文的研究成功地实现了基于航空立体影像 对的立交桥模型的三维重建，并有望将整个方法推广到高分辨率的卫星影像对。本文采用模糊边缘 检测算子并对其进行改进，用于自动提取立交桥匝道边缘，同时结合三次样条函数实现了对立交 桥模型的三维重建，研究开发了国内创新的立交桥三维建模的原型实验系统。 天地一体化大测绘的蓬勃发展已引起世界各国的广泛关注，在未来的时空信息获取、加工、管 理和服务领域值得我们给予充分的关注。面对三维城市模型这一庞大的科学命题，作者选取需求较 为追切的数据获取和三维建模难题展开研究，就此提出了一些理论和方法。基于航空遥感影像的自 动提取和三维重建是一条充满了困难和挑战的道路，在理论和应用上正处于一个迅速发展阶段，还 有很多理论和技术需要完善。只有付出长期不懈的努力，并充分吸收和集成计算机视觉、图像理解、 人工职能等相关学科的研究成果，基于航空遥感影像的提取和三维重建才能真正走上软件平台一体 化、多种建模方法集成化、建模过程自动化和智能化的时代。 关键词：半自动提取。三维重建，直线模板匹配，直线匹配，三维城市模型，立体像对，三维重建 拓扑数据模型，拓扑链 a b s t r a c t d r i v e nb yt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，c o m m u n i c a t i o na n ds p a t i a lt e c h n o l o g i e s ，m o d e m g e o m a t i c s ，w h o s ek e m e ) i s3 st e c h n o l o g i e s ，i sd e v e l o p i n gt o w a r d sd i g i t a l i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n dr e a l - t i m e w i t hh i g hs p e e d i nt h ea s p e c to fd a t aa c q u i s i t i o n ，t e c h n o l o g i e so fa c q u i r i n gd i g l m li m a g e sw i t h h i g h - r e s o l u t i o na n dm u l t i - b a n da r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r em a t u r ea n dh a v eg o t t e ne x t e n d e da p p l i c a t i o n e s p e c i a l l y , t h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lp h o t o g r a m m e t r yg r e a t l yf a c i l i t a t e ss p a t i a li n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na n d o f t h er e a l w o r l do b j e c t s t oa g r e a te x t e n t a n d f u r t h e r p r o m o t e s t h ec o n s t r u c t i o n a n dd e v e l o p m e n t o f c y b e r c i t y b u tt h et h e o r ya n da l g o r i t h mo f d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sb a s e do ni m a g e sa r cl a gc o r r e s p o n d i n g l y a n df e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do ni m a g e si st h em a i nb a r r i e ro f f a c e db yi n f o r m a t i o na g e 3 dr e c o n s t r u c t i o n b a s e do ni m a g ei so n eo ft h ec o r et a s k so fp h o t o g r a m m e t r y , a n da l s oi so n eo ft h eb a s i cm i s s i o n so f c o m p u t e rv i s u a l i z a t i o nr e s e a r c hf i e l d ，t h e r e f o r e ，3 de x t r a c t i o na n dr e e o n s t r u c t i o no f m a n m a d eo b j c o t sh a s g o t t e ni n t e m a t i o n a la t t e n t i o ni np h o t o g r a m m e t r y , r e m o t es e n s i n ga n dc o m p u t e rv i s i o na n dr e s e a r c ho ni t i s s i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n di np r a c t i c ea sw e l l t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h e o r i e sa n dm e t h o d so f3 de x t r a c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no fm a n m a d e o b j e c t sb a s e do ns t e r e oi m a g ep a i ra n di n t e g r a t e dp l a t f o r mi m p l e m e n t a t i o n b a s e do nt h ei n t e g r a t e d p l a t f o r m ，t h i sp a p e ra t t e m p t st or e s e a r c h3 de x t r a c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d so fs e v e r a ld i f f e r e n t k i n d so fm a n m a d eo b j e c t sb a s e do ns t e r e oi m a g ep a i ra n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa n da l g o r i t h m st h a ta r e v a l u a b l ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o nt h o n g h f f u l l y m a i nr e s e a r c ha n dc o n c r e t ew o r k sc a nb ec o n c l u d e da sf i v e a s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 d e v e l o p i n go fi n t e g r a t e dp l a t f o r mf o rd a t ac o b e c t i o na n d3 dm o d e l i n g ac o m m o nd e f a u l te x i s t s i nc u r r e n ts o f t w a r eo f3 dr e c o n s t r u c t i o ni st h ed i s j o i n t e d n e s sb e t w e e nd a t a c o l l e c t i o na n d3 dm o d e lr e c o n s t r u c t i o n t h ep r o c e s so fm a n u a ld a t ac o l l e c t i o n ，t o p o l o g i c a lr e l a t i o n b u i l d i n ga n de d i t i n gi st h em a i nr e a s o no fl o we f f i c i e n c y t h i sp a p e rp r e s e n t sas t r a t e g yo f3 dd a t a a c q u i s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p sa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt h a tc a ni n t e g r a t ed a t ac o l l e c t i o na n d 3 dm o d e l i n gt o g e t h e r t h ew h o l ep r o c e d u r e ，f r o mo r i g i n a li m a g ed a t aa c q u i r i n g ，a u t o m a t i ci n t e r i o r o r i e n t a t i o n ，a u t o m a t i cr e l a t i v eo r i e n t a t i o na n de p i p o l a ri m a g es a m p l i n gt os t e r e oi m a g ep a i rg e n e r a t i o n ， c o m b i n e dw i t ha u t o m a t i ca n ds e m i - a u t o m a t i ce x t r a c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o nc a nb er e a l i z e db ya n i n t e g r a t e dp l a t f o r mam a i ni d e ao ft h i ss t r a t e g yi su s i n gs u s a no p e r a t o rt op e r f o r mt h er e l a t i v e o r i e n t a t i o na n dt h er e l i a b i l i t yi sv a l i d a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s u l t s i na w o r d ，t h i si n t e g r a t e dp l a t f o r m p r o v i d e sa l le x c e l l e n te n v i r o n m e n tf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha n dw o r k 2 e s t a b l i s h i n go f3 dr e c o n s t r u c t i o nd a t am o d e l i ng i s ，o n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr o l eo f d a t am o d e li st od e s c r i b ee n t i t i e sa n do b j e c t si nr e a lw o r l da st r u e a sp o s s i b l e 3 dd a t am o d e l i n gi st h eb a s eo f3 dr e c o n s t r u c t i o n b a s e d0 ns u m m a r i z i n gs t a t e - o f - t h e a r t so f 3 dd a t am o d e l ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o b l e mo f3 dr e c o n s t r u c t i o nd a t am o d e lf o rm a n m e d eo b j e c t s 3 d t o p o l o g i c a ld a t am o d ep r e s e n t e di nt h i sp a p e rp r o v i d e sa na b s t r a c to u t l i n em o d e ld e s i g nf o rf o l l o w i n g3 d r e c o n s t r u c t i o n a ni m p o r t a n tf u n c t i o no f s p a t i a ld a t am o d e li st h ea b i l i t yo fs p a t i a lr e l a t i o nd e s c r i p t i o na n dr e p r e s e n t a t i o n a n da l li m p o r t a n ta s p e c to fs p a t i a lr e l a t i o ni st o p o l o g i cr e l a t i o n i n3 ds p a c e ，t h es t u d yo ft o p o l o g i c a l r e l a t i o ni sl a g ，w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to f 3 dg i st oag r e a te x l c n lt h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er o l e o f t o p o l o g i c a lr e l a t i o n i n3 dr e c o n s t r u c t i o nb a s e do n t h es t u d yo f t o p o l o g y a f t e r a n a l y z i n g2 d t o p o l o g y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es m d yo f3 dt o p o l o g yf r o mt h ea n g l eo f3 dm c o n s l r u c t i o n i nt h i sp a p e r , 3 d t o p o l o g yo fm a n m a d eo b j e c t si sc l a s s i f i e di n t oi n t e r i o rt o p o l o g ya n do u t e rt o p o l o g ya n ds e v e r a li m p o r t a n t c o n c e p t si n c l u d i n gt o p o l o g i c a lc h a i na n d3 dt o p o l o g i c a lc o n n e c t i o nd e g r e ea r ep r e s e n t e da n dd e f i n e dt o d e s c r i b et h e3 dt o p o l o g i c a lr e l a t i o nb e t w e e nm a n m a d eo b j e c t s ，t h e nan s wt o p o l o g i c a ld a t am o d e li sp u t f o r w a r d m a i np r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e se x i s t si nc u r r e n tt o p o l o g i c a ld a t am o d e la r es u m m a r i z e d b a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o n - 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a u t o m a t i c a l l yi sc l e a ri n 3 dc i t y m o d e l i n ga n df u r t h e ri nd i g i t a l c i t y c o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ra t t e m p t st or e s e a r c h0 n3 d r e c o n s t r u c t i o no fc o m p l i c a t e db u i l d i n g sb a s e do ns t e r e oa e r i a li m a g e s f i r s t l y , at o p o l o g yd a t am o d e lo f c o m p l i c a t e db u i l d i n g st h a tm e r g e sd a t ac o l l e c t i o na n dt h em o d e l i n gi n t oa l lo r g a n i cw h o l ei sd e s i g n e d ， w h i c h m e a n st o p o l o g i c a lr e l a t i o nc a l lb eg o t t e na tt h et i m eo fd a t ac o l l e c t i o n b a s e do nt h i sd a t am o d e l ，a b i d i r e c t i o n a lq u e r y i n ga l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d t h ee f f i c i e n c y o ft h es u g g e s t e dm e t h o d i se x a m i n e dt h r o u g hp r a c t i c a le x p e r i m e n t sa n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ti t i ss a t i s f y i n g o n ea d v a n t a g eo f t h es y s t e mi st h a td a t ae d i t i n ga n dd a t ac o l l e c t i n gc a nb e f i n i s h e di nt h es a m ei n t e r f a c e t h i sm e a n si n t e r a c t i v em o d i f i c a t i o nc a nb ei m p l e m e n t e di nr e a lt i m e w i t h t h ea s s i s t a n c eo fr e f e r e n c e di m a g e ，f u r t h e r m o r e , ak i n do fc o m p l i c a t e da n dw i n d i n gs t r u c t u r ec b e r e g o n s t r o c t l 蝴s u c c e s s f u l l yw i t ht h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e i nc a s eo fa k i l 硼o fc o m p l i c a t e db u i l d i n g w h o s ew a l l sa t en o tv e r t i c a l t h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r dt h ef e a s i b l es o l u t i o n t h et e s to f 山ee f f e c t i v e n e s s o f t h em o d e li sd i s c u s s e da n dt h em o s tc o m p l i c a t e db u i l d i n g sw h o s em o d e l sc a n n o tb er e c o n s t r u c t e df r o m s t 口oi m a g e la i ra r es u m m e du pa sw e l l 5 3 dr e c o n s t r u c t i o no fi n t e r c h a n g e i n t e r c h a n g em o d e li sa f u n d a m e n t a lc o m p o n e n to f3 dc i t ym o d e l ，a n d3 dr e c o n s t r o c t i o no fi n t e r c h a n g e m o d e ld e p e n d so nc a di nal o n gt i m e t h ep r o b l e mo f3 dr e c o n s t r u c t i o no fi n t e r c h a n g em o d e lb a s e do n r e m o t es e n s i n gi m a g e sr e m a i n su n r e s o l v e di nt h e o r ya n di np r a c t i c e i nt h i sp a p e r , a na p p r o a c ht ot a c k l e t h et a s ko f 3 di n t e r c h a n g er e c o n s t r u c t i o nf r o mu r b a n i i g h - r e s o l u t i o na e r i a li m a g e si sp r e s e n t e d t h ew h o l e p r o c e s so fr e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e lo fa ni n t e r c h a n g ei si n t r o d u c e da n dat o p o l o g i c a lr e c o n s t r u c t i n gd a t a m o d e li sp u tf o r w a r d t h em e t h o dm e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sc o m p a r e dw i t ht h er e c o n s t r u c t i n gm e t h o db y c a dt e c h n o l o g y a sf o rt h ec o m p l i c a t e dm a n m a d eo b j e c t s a l m o s ta l lt h ep r o c e d u r e so fr e c o n s t r u c t i n ga r ei m p l e m e n t e di n m a n u a lm o d eb a s e do nc o l l e c t i n gd a t aw i t hp h o t o g r a m m e t r i cs t a t i o n a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a ld i f f e r e n t d e t e c t i n go p e r a t o r s ，t h i sp a p e rc o n s i d e r st h ea l g o r i t h mo fl o c a t i n gt a r g e to b j e c tb a s e do nf u z z yj u d g m e n t r u l e t h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo f b e i n ga c c u r a t ea n ds u p e r i o ri ne d g ed e t e c t i n g f o rt h o s ee d g e st h a t c a n n o tb ed e t e c t e da u t o m a t i c a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sas e m i - a u t o m a t i ca l g o r i t h mt oe x t r a c tc i r c u i t so f i n t e r c h a n g e i nw h i c ht h ee d g ei sd e s c r i b e db yc u b i cs p l i n e f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra d o p t sa s e m i - a u t o m a t i ce d g ee x t r a c t i o nm e t h o dt h a tc o n s i d e r st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fd a t ad e t e c t i n ga n d e f f i c i e n ti n t e r - o p e r a t i o n a r e re x t r a c t i n gt h ei n i t i a lc u r v e so ft h el i n e a ro