正式--第五章数字摄影测量

回顾,航片立体视觉的原理：三线共面立体影像实现：模拟摄影测量：立体镜，模拟摄影机解析摄影测量：数学分析建立立体模型数字摄影测量：影像相关原理构建立体模型,主要内容,数字摄影测量的基本概念、优势以及主要系统数字摄影测量立体模型构建：左右像片影像相关影像相关的几种模式：a.点相关模式（灰度相关）：二维灰度相关一维核线灰度相关b.区域影像相关:特征匹配VirtuoZo数字摄影测量系统功能和数据处理的流程,第一节概述,1.基本概念数字摄影测量：利用数字灰度信号，采用数字相关技术量测同名像点，再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、制作正射影像图以及为地理信息系统提供基础信息等。,数字摄影测量,数字摄影测量系统DPSDigitalPhotogrammetricSystem数字摄影测量工作站DPWDigitalPhotogrmmetricWorkstation,2.发展历程,1950-19801992年华盛顿第17届国际摄影测量与遥感大会较为成熟的产品：Helava公司Leica数字摄影测量工作站DSW100，DPW610650，710750，DTW161171；德国Zeiss的PHODIS;德国Inpho的MATCHNGT；INTERGRAPH的DPW；TOPCON的PI1000；I2S的数字摄影测量工作站；ERDAS的MATCH；加拿大Laval大学DVP（DigitalVideoPlotter）；中国武汉测绘科技大学的WDAMS。,1996年维也纳第18届ISPRS大会最具代表性的系统有：,Leica公司的扫描仪DSW300与工作站DPW770;Intergraph公司的扫描仪AS1与工作站Intergraphstation;Zeiss厂的扫描仪SCAI与工作站PHODIS;VisionInternational公司的工作站Microsoft;Vaxel的扫描仪Vaxe400；适普公司的VirtoZuo。特点：系统基本上实现了摄影测量几何处理的自动化，并把GPS技术引入摄影测量，以确定摄影时的方位元素,优势：,能胜任解析测图仪可完成的一切任务外，尚具有许多新的功能，如影像位移的去除、任意方式的纠正、反差的扩展、多幅影像的比较分析、图像识别、影像数字相关以及数据库的管理等等；通过显示器还可观察数字图像以及框标、控制点、连接点、DEM及其它所需特征；在空中三角测量中通过附加参数由自检核确定的系统误差的改正数可直接赋给图像，从而最终改善结果的精度；对非标准传感器数据可先变换成透视图像，然后用标准软件处理实现用于整体检查和质量控制的图形显示或叠合，甚至进行立体显示；可对图像自动进行所需要的特征提取，并在此基础上进行双像、多像并带几何约束的匹配以及顾及邻元条件的多块匹配，进而生成数字正射影像、数字高程模型，或直接参与机器人视觉系统服务等等，而且惟有数字摄影测量系统具有实时数据获取和处理的能力。,第二节影像数字化与影像重采样,一、影像数字化器1电子-光学扫描器2固体阵列式数字化器CCD,1影像的灰度:也称光学密度,反映了整片或负片透明的程度，即透光的能力表示：,二、影像数字化过程,2采样与量化,采样：将连续分布的影像每隔一个间隔（）读取一个点的灰度值，从而获取离散的数据的过程采样间隔与数据量关系：小，数据量大；大，数据量小。量化：将采样后各点的灰度值取为整数，这一过程称为影像灰度的量化灰度值：2m，当m=1时，黑白两级，0，1当m=8时，256个灰度级，0-255,2m,采样,扫描时设置的分辨率,连续分布图像,离散数据,离散化的灰度图像,三、数字影像的构成,二维的离散的数字矩阵,四、数字影像内定向,数字影像内定向：像点在像片的扫描坐标系与像平面坐标系之间的坐标换算。,ho,h1,h2,k0,k1,k2称为内定向参数由四个框标坐标点求解,第三节基于灰度二维影像相关,模拟测图：立体观察，人眼寻找同名像点解析测图：在相对定向过程中，作业员主要是消除y视差（即左、右影像y方向的差异），建立立体模型；在测图或测点时，作业员主要是消除x视差（即左、右影像在x方向的差异），测绘地物地貌全数字化摄影测量：在没有人眼的立体观测的情况下，数字影像相关是全数字化摄影测量的核心问题。,影像相关的方法,1）基于灰度相关方法：局部点处理a.二维相关方差法、相关系数法等等b.一维相关核线相关2）基于特征匹配的相关方法：区域特征,第三节基于灰度二维影像相关,一、相关系数法,建立目标区：左片nn（n取奇数）灰度值为：gij,建立搜索区：根据左片坐标，估测右片坐标，并建立lm（l，mn）搜索区,一、相关系数法,相关窗口：搜索区有（l-n+1）（m-n+1）个与目标区等大的区域窗口,灰度值为：（k=0，1，l-n，h=0，l，m-n）,相关系数：,其中：,计算出（l-n+1）（m-n+1）个相关系数。当取最大值时，对应的相关窗口的中点即被认为是持定点的同名像点。,二、协方差法,协方差值其中：最大者对应的相关窗口的中心，即为目标点的同名像点。,第四节基于灰度的一维核线相关,二维相关系数法：目标区/搜索区均为二维的影像窗口，计算工作量大一维核线相关：左、右像片上获得一对同名核线，由核线的几何关系确定了同名像点必然位于同名核线上，故搜索为一维搜索,核面：ssA同名光线:核线:,一、核线几何关系解析,确定同名核线的方法很多,原理上最简单的一种方法是基于数字影像几何纠正的方法。核线几何关系特点：倾斜相片：左右像片核线不平行水平相片：左右像片核线平行,一、核线几何关系解析,a,at在各自的像片坐标系中的坐标分别为（x，y）和(),左片：,一、核线几何关系解析,左片：水平像片：yt=c,x,y,核线,则其中：,若以等间隔取一系列的xt值，即则可求得一系列的像片坐标这些像点就位于倾斜像片P的核线上,像点灰度：,可直接赋值，即问题：灰度值不一定落到中心上，故后期还需灰度重采样,右片：,相对水平像片上，同名核线的y坐标值相等，因此将同样yt=c的代入右片共线方程:即得右片上的同名核线,二、沿核线重采样,重采样：重新获取图像的几何或灰度信息的过程。几何重采样：像元大小不同不同分辨率的影像叠加灰度重采样：重新提取图像的灰度值几何信息发生变化的图像,重采样的方法,1）最近邻法：距离实际位置最近的像元的灰度值作为输出图像像元的灰度值,2）双线性内插：取采样点周围4个像元的值参与计算，先计算X方向（或Y方向）上线性内插，所得到的两个内插值再进行Y方向（X方向）上一次内插。,3）三次卷积内插：取采样点周围16个像元的值参与计算，先对X方向上的像元值进行卷积运算，再对所得到的4个值进行Y方向上的卷积运算。,三、核线相关,1.建立目标区和搜索区目标区:左核线上建立一个长度为n个像元素（n为奇数）,中心点即为目标；搜索区：右片上沿同名核线建立其长度为m个像元素，mn,一维搜索：沿核线搜索方法同二维搜索：像关系数法、协方差法等,计算相关系数：,当取最大值时，对应的相关窗口的中点即被认为是待定点的同名像点。,小结：,基于灰度的影像相关方法：直接以以待定点为中心的窗口内影像灰度值为依据进行同名点的搜索。缺点：不能顾及图像的总体结构，而是机械地按照某种或几种相似性判据逐像元以一定大小的窗口顺序进行相关搜索。对于信息贫乏区域，或相关影像之间存在着较大比例尺差异或扭曲的区域，影像相关则难免失败。,第五节基于特征的影像匹配,基于特征的影像匹配：基本思想：用某种特征提取算子提取影像中的特征（点、线、面）；然后对提取的特征进行参数描述；最后以特征的参数值为依据进行同名特征的搜索，继而获得同名像点。具体算子：自学,第六节数字摄影测量系统,一、主要功能AT：空中三角测量；DAT：半自动数字化空中三角测量；DC：数字制图；DM：数字测图特征提取与更新、属性化及绘图；DTM：人工或自动化获取数字高程模型，包括影像相关功能；DTM：人工获取数字高程模型原始数据；GIS：用于栅格数据的分析、叠量和表达；GO：几何操作，坐标量测，影像配准；GPS：辅助空中三角测量；IS：序列影像获取与分析；,一、主要功能,IP：影像处理几何变换和简单灰度增强MP：单像测图。通常是指利用影像，特别是正射影像作为背景来进行特征提取与向量更新，不需要利用数字高程模型确定高程；OM：正射影像图的生成；OP：正射影像的生成，有时也包括影像拼接；OR：内定向和外走向；SCA：像片扫描数字化；TIN：规则数字高程模型内插三角网，其他数字高程模型产品包括等高线图、断面图、体积等的派生及可视化；VI：可视化，特别是针对地形三维显示以及正射影像与数字高程模型叠加。,二、硬件,输入与输出设备：是数字影像获取装置及成果输出设备，计算机及专业外设（核心）：计算机及其它摄影测量专业外部设备。,三、软件的基本功能,1.定向参数的计算（1）内定向：利用框标点的像片坐标（理论值）与扫描坐标，计算像片坐标与扫描坐标之间的转换参数，框标的位置可以用自动的或半自动的甚至是人工的方法进行定位，获取扫描坐标。（2）外定向：包括相对定向和绝对定向。先量测相对定向点及绝对定向用的控制点的影像坐标，然后计算相对定向元素和绝对定向元素。一般系统能自动地进行相对定向点的量测，但绝对定向点的量测还需人工地进行。,三、软件,2.空中三角测量1）采用光束法空中三角测量方法2）利用数字影像相关算法进行连接点的自动量测与转点3.形成按核线方向排列的立体影像利用相对定向元素，按同名核线将影像的灰度予以重新排列，形成核线影像。4.影像相关或特征匹配沿核线进行影像相关或特征匹配，确定同名像点。,三、软件的基本功能,5.建立数字高程模型6.自动给制等高线7.制作正射影像8.等高线与正射影像叠加，制作带等高线的正射影像图9.制作透视图和景观图10.数字影像的机助量测，如地物、地貌元素的量测11.地图编辑与注记,四、VIRTUOZO数字摄影测量系统简介,1.软件的功能模块1）V-Base：基本数据、影像输入与参数设置图廓整饰数据输出三维立体景观显示批处理、质量报告与基本影像处理功能,1.软件的功能模块2）V-Orient：全自动内定向全自动相对定向半自动立体绝对定向生成核线影像3）V-Sortho：单片定向求外方位元素DEM输入(USGS格式)矢量等高线(DXF格式)输入生成DEM,1.软件的功能模块4)V-DEM:自动生成DTMDEM自动/半自动量测离散点建立DEMDEM自动拼接自动绘制等高线5)V-Ortho:自动生成数字正射影像正射影像和等高线叠合正射影像镶嵌正射影像修复(Orthofix),1.软件的功能模块6)V-Mapper:立体数字测图(影像漫游，子像素量测)符号生成与编辑,2.技术流程,预处理：任务管理与基本参数交互编辑输入；自动内定向（可进行人工干预）；自动相对定向（可人工与机助操作）；绝对定向核线排列构成立体模型：以红绿互补色或闪闭法可进行立体观察。,2.技术流程,影像匹配：利用金字塔影像数据结构，进行基于跨接法的分层松驰整体影像匹配或动态规划整体影像匹配。后处理编辑。在立体模型中可显示视差断面或多视差曲线以便发现粗差，可显示系统认为是可靠的点。交互式机动编辑有点方式与面方式，利用鼠标可控制右侧标四个方向的运动。,2.技术流程,建立DEM：利用影像匹配过程获取一定数量的同名像点，根据定向参数可计算其对应的地面坐标。以此为依据内插DEM格网点的高程，建立DEM。数字纠正：利用建立的DEM，逐像元改正像片倾斜和地形起伏引起的像点位移，形成正射影像。,2.技术流程,DEM应用：由DEM自动绘制等高线图，形成立体透视图、模拟景观图、带等高线的正射影像图等。机助制图特征数字化：对地物的量测采用机动量测方式。但在大部分情况下，立体切准是由影像匹配完成的，人工只给出目标类型及近似值或初始值。其