摄影测量学7-1

第七章数字摄影测量,主要内容,7-1概述,7-2影像数字化与影像重采样,7-3基于灰度的影像相关,7-4同名核线的确定与核线相关,7-5基于特征的影像匹配,7-7数字摄影测量系统,摄影测量三个发展阶段的比较：,1、数字摄影测量（digatalphotogrammetry）：利用数字灰度符号，采用数字相关技术量测同名像点，在此基础上通过解析计算，进行相对定向和绝对定向，建立数字立体模型，从而建立数字高程模型，绘制等高线、制作正摄影像图以及为地理信息系统提供基础信息等。,7-1概述,数字相关：由电信号转变成数字信号，由计算机来实现相关运算，这种方法称为数字相关。,2、全数字化摄影测量(AllDigitalPhotogrammetry)：计算机对数字/数字化影像进行全自动数字处理方法称为“全数字化摄影测量”。1）自动影像匹配与定位（计算机视觉方法）特征提取和影像匹配，空间几何定位，建立高程和正射影像。2）自动影像判读（遥感）灰度、特征和纹理等图象理解,7-1概述,3、数字摄影测量的发展,（1）.20世纪30年代-自动化测图的研究;,（2）.1950年-第一台自动测图仪，由美国工程兵研究发展实验室与GauschandLomb光学仪器公司研制；将像片上的灰度信号转化为电信号，利用电子相关技术实现自动化测量。,（）.70年代，美国研制自动解析测图仪，由计算机实现数字相关。,（4）.1988年，第17届国际摄影测量与遥感大会，进入数字摄影测量的迅速发展阶段。,4、数字摄影测量系统的构成,数字摄影测量系统：DPS-DigitalPhotogrammetricSystem,数字摄影测量工作站：DPW-DigitalPhotogrammetricWorkstation,实质-计算机影像数据处理系统。硬件：影像数字化仪、影像或图形输出装置、计算机。软件：完成各种摄影测量工作。,5、目前数字摄影测量系统,1.Leica/Helava徕卡公司的海拉瓦,2.Intergraph公司ImageStation,3.适普公司VirtuozoNT,4.中国测绘研究院JX-4A,7-2影像数字化及重采样,获得数字影像的方法：1）数字摄影机（CCD阵列扫描仪或摄影机）或数码像机获得的数字影像；2）利用数字化扫描仪对像片进行扫描，称为数字化影像。(直接从空间飞行器的扫描式传感器产生，也可以利用影像数字化器对摄取的影像数字化过程获取),一、影像数字化器,电子光学扫描器,固体阵列式数字化器,面阵：,线阵：一条线上排列2048个传感器。,滚筒式光学扫描仪,滚筒式：较常见平台式：速度较慢但是分解力很高,二、影像数字化过程,影像数字化：将透明正片或负片放在影像数字化器上，把像片上像点的灰度值用数字形式记录下来。,1.影像的灰度-光学密度,透明像片上影像的灰度值反映像片的透明程度，即透光能力。像点愈黑，透过的光愈少。设投影在透明像片上的光通量为F0，而透过透明像片后的光通量为F，则透过率为T，T=F/F0,不透过率为O，O=F0/F.,当光线全部透过时，透过率为1，影像的灰度为0；当光线透过1%，影像的灰度为2。,航空底片的灰度在0.3-1.8之间。,二、影像数字化过程,D为影像的灰度。,2.采样与量化,（1）采样：在影像数字化过程中，每隔一个间隔读一个点的灰度值.,影像数字化过程包括采样和量化。,采样间隔,采样间隔的确定：,采样过程会给影像的灰度带来误差，相邻两个点的影像被丢失，采样间隔越小越好；采样间隔越小-数据量增大，增加运算工作量及对设备的要求。要根据精度要求和影像的分解力，还要考虑到数据量和存贮设备的容量。,二、影像数字化过程,（2）量化：将各点的灰度值取为整数。,将透明像片有可能出现的最大灰度变化范围进行等分，等分的数目-灰度等级。,通常分为257个灰度级。将灰度换算为0-255之间的一个整数。0为黑，255为白。,二、影像数字化过程,三、数字影像的构成,数字化得到的影像为一个二维的数字矩阵，,矩阵的每个元素-像元素，各像元素所赋予的灰度值,为0-255之间的某个数，代表像元素的黑白程度。,灰度值代表其影像经重采样与量化后的灰度级,数字化像元素的点位坐标由像元素在矩阵中所在行、列号表示：,方向采样间隔,方向采样间隔,三、数字影像的构成,扫描坐标,三、数字影像的构成,像片上的点是连续分布的，但在数字化采样过程中，每隔一个读取一个灰度值，这样连续的函数模型离散化了。,被量测的像素点通常是矩形或正方形的微小影像块，矩形或正方形的尺寸称为像素的大小，它通常等于采样间隔。,四、数字影像的内定向,在摄影测量中以像主点为原点的像平面坐标来建立像点与地面点的坐标关系。,由于像片的扫描坐标系与像平面坐标系不平行，坐标原点不同。,四、数字影像的内定向,进行二维平面变换-数字影像内定向。,两种坐标的变换为仿射变换,内定向元素,利用像片上的四个框标的扫描坐标及相应的像平面坐标组成误差方程式。,五、数字图像重采样,水平像片规则格网，每个格网的灰度值是数字化像片上相应点的灰度值。,所求像点不一定恰好落在原始影像上像元素的中心-灰度的重采样,数字影像是规则排列的灰度格网序列，为了获取核线的灰度序列，必须对原始影像灰度重采样。,由其周围四个像元的灰度值经双向性内插求得：,五、数字图像重采样,7-3基于灰度的影像相关,摄影测量中双像(立体像对)的量测是提取物体三维信息的基础。在模拟测图仪上或解析测图仪上作业，都需要作业员通过人眼的立体观察，不断地从左、右像片上搜索同名点-影像相关。,例如：1.在相对定向过程中，作业员主要是消除上下视差，建立立体模型；2.在测图或测点时，作业员主要是消除左右视差，测绘地物地貌。,在数字摄影测量中是以影像匹配代替传统的人工观测，来达到自动确定同名像点的目的。最初的影像匹配是利用相关技术实现的，电子相关、光学相关、到数字相关。随后发展了多种影像匹配方法。,7-3基于灰度的影像相关,数字相关的方法,1.基于灰度的影像相关,2.基于特征的影像相关,基于待相关点所在一个小区域的的影像灰度，按一定的原则，寻找相关的区域，进一步寻找相关点。,根据人类视觉系统观察事物的经验，先整体后局部，先轮廓后细节。从提取图像的特征入手进行相关。,（1）在左片上去定一个待定点，以该点为中心选取nn个点的灰度阵列作为目标区，一般n为奇数，其中心点即为待定点。（2）为了在右片上便于搜索到同名点估计出该同名点可能出现的范围，以此定出lm灰度阵列作为搜索区（ln,mn）.（3）在x，y两个方向上进行搜索，称为二维运算。搜索工作只在一个方向进行称为一维运算-一维影像相关。,7-3基于灰度的影像相关,7-3基于灰度的影像相关,l,m,n,n,依次把一个目标区的灰度阵列，与其搜索区内搜索到的某一个与目标区阵列有同等的大小的阵列，根据它们的灰度值按某一数字相关方法进行计算，判断它们的相似程度并最终找出同名像点。,7-3基于灰度的影像相关,n,n,n,m,仍取一个待定点为中心，nn个像素点的窗口作为目标区，此时搜索区为mn（mn）个像素点的灰度阵列的搜索区，因而此时的搜索区是在一个方向上进行的。同名像点在同名核线上，沿同名核线搜索同名像点属于一维影像相关。,一、相关系数法,7-3基于灰度的影像相关,在左片上有一个目标点，在右片上搜索它的同名点。,在左片上，以目标点为中心取其周围的nn各像元的灰度组成一个目标区。中心点为目标点。,概略估计目标点在右片上的近似位置。以此为中心取其周围的灰度序列,搜索区的灰度阵：,G代表目标区点组的灰度值，g代表搜索区内相应点组的灰度值，则每个点组共取n个点的灰度值的均值为：方差为：,协方差,相关系数,7-3基于灰度的影像相关,在搜索区内沿核线寻找同名像点，每次移动一个像素，按上式计算相关系数，可以计算出（m-n+1）个相关系数，取相关系数最大值，其相关窗口的中心像素被认为是目标点的同名像点。二维相关：,7-3基于灰度的影像相关,可计算出个相关系数。,二、协方差法,判断准则:,最大的协方差对应的相关窗口的中点即是待定点的同名像点。,7-3基于灰度的影像相关,目标区,搜索区,一维相关,相关窗口的个数：,7-3基于灰度的影像相关,对于二维影像相关可计算出个协方差系数。取其最大者所对应的窗口的中心像素即为目标点的同名像点。,影像灰度存在的误差,7-3基于灰度的影像相关,偶然误差（随机误差）,系统误差,辐射畸变,几何畸变,照明及物体辐射面方向、大气与摄影机物镜所产生的衰减，摄影处理条件差异及数字化过程所产生的误差等,摄影机方位不同所产生的影像的投影畸变，影像的各种几何畸变及地形坡度产生的影像畸变等,7-3基于灰度的影像相关,三、高精度最小二乘相关,基本思想：在实行数字影像相关运算中，引入变换参数作为待定值，直接纳入到最小二乘法运算中。引入变换参数的目的是抵偿目标区与搜索区两个窗口之间因辐射及几何畸变产生的差异。利用相关影像灰度差的均方根为最小为判断依据。精度达1/50-1/100像元。,三、高精度最小二乘相关,在影像相关运算中，引入这些误差参数，然后按照最小二乘原则平差解算这些参数-最小二乘影像相关。在一维相关运算中一般引入左右同名像点的相对位移量为参数；二维相关运算中，有时引入几何畸变系数及辐射畸变系数等。,目标区,搜索区,7-3基于灰度的影像相关,函数相同，相互有位移量,7-3基于灰度的影像相关,仅考虑相对位移的一维最小二乘影像相关,目的：确定左右同名像点的相对位移量。方法：把搜索区内像点位移的位移量作为几何参数引入，直接解算像点位移。,观测函数：,左片：,右片：,灰度差：,7-3基于灰度的影像相关,7-3基于灰度的影像相关,最小二乘优点,非常灵活地引入各种已知参数和条件，从而可以进行整体平差解决“单点”的影像匹配问题，求“视差”；直接解求其空间坐标同时解决“多点”影像匹配或“多片”影像