第8章--全数字摄影测量基础

第八章全数字摄影测量基础,8.1概述8.2数字影像与数字影像重采样8.3基于灰度的数字影像相关8.4核线相关与同名核线的确定8.5数字摄影测量系统,8.1概述,一、数字摄影测量的定义数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。软拷贝摄影测量、全数字摄影测量SoftcopyPhotogrammetryAllDigitalPhotogrammetry,摄影测量三个发展阶段的比较代表性理论方法作业性质发展状况模拟摄影测量光学、机械投影交会机械辅助测图已过时（成熟）解析摄影测量数字投影交会、平差计算机辅助测图正在过时（成熟）数字摄影测量影像匹配、模式识别自动化测绘及迅速发展中，信息处理成熟部分进入生产,应用时间典型设备主要测绘产品20世纪初-90年代初模拟立体测图仪模拟线划图20世纪70年代中-至今解析立体测图仪模拟/数字线划图20世纪90年代初-至今数字摄影测量系统DEM,DOM,DLG,DRG,二、数字摄影测量的特点自动化程度高可处理多种资料：航片、遥感影像产品多样化功能多,基于电子相关的自动化测图,基于光学相关的自动化测图,基于数字相关的自动化测图,数字摄影测量系统DPS（DigitalPhotogrammetricSystem)、数字摄影测量工作站DPW（DigitalPhotogrammetricWorkstation):实现数字影像自动测图的系统。,三、数字摄影测量的发展,四、数字摄影测量的基本内容,数字摄影测量的基本内容与解析摄影测量基本相同数字图像处理是数字摄影测量的重要工具。除一般的图像处理技术外，特征点、线提取，影像匹配，影像灰度重采样等是数字摄影测量中常用的方法强调自动化,影像灰度又称为影像的光学密度，在摄影底片上，影像的灰度值反映了它的透光能力。,阻光率的对数称为影像的光学密度或灰度,设投射在底片上的光通量为F0，通过底片的光通量为F,一、影像灰度,8.2数字影像与数字影像重采样,1.定义数字影像是一个灰度矩阵g：,矩阵中的每个元素是一个灰度值，对应着光学影像的一个微小区域，称为像元素或像素灰度值是经采样和量化了的灰度级,二、数字影像,数字影像是由像元（像素）（pixel）组成的,数字影像的概念,2.数字影像的获取数字式传感器获取光学影像数字化影像数字化：将灰度连续变化的光学影像变成灰度不连续的数字影像的过程。包括采样与量化两个步骤。,1）采样对影像几何空间（像平面）的离散化，取得像元点位。被量测的“点”称为样点，“点”是一个小的区域-像素。,样点间的距离为采样间隔，通常采样间隔通常与像元大小相等。,可取12.5,25,50,100(m),2）量化对影像灰度空间的离散化，取得各像元的灰度级。量化时将灰度的范围进行等分，得到的“灰度等级”，一般取,当M=1时灰度只有黑白两级，当M=8时，则得256个灰度级，其级数是介于0-255之间的一个整数。,对于黑白影像而言，影像的黑白程度用灰度级（graylevel)表达，一般用一个字节-8bits。,灰度图像,二值图像,对于彩色影像，每个像元用三个字节表示（红、绿、蓝）表示，其中R，G，B由不同的灰度级来描述。,三、数字影像内定向,至少采用四个框标按下式组成误差方程式,数字影像内定向是用于确定像片的扫描坐标系与像片坐标系间的关系及数字影像可能存在的变形。,解算内定向参数。,VirtuoZo软件中的数字影像内定向,LPS软件中的数字影像内定向,四、数字影像重采样重采样：根据已有的采样点灰度值内插未知像元灰度值的过程。,需要4个样点,当欲知不位于矩阵（采样）点上的原始函数g(x,y)的数值时就需进行内插，此时称为重采样（resampling）,不在采样点,1.双线性插值法（bilinearinterpolation）需要使用待定点邻近的4个原始像素卷积核：待定点周围像素对待定点的贡献的函数卷积核为,11,12,21,22,p,y,x,y1,y2,a,b,y,1-y,x,1-x,x2,x1,双线性内插法示意图,计算公式,2.双三次卷积法(Cubicconvolution)需要待定点周围16个原始像元卷积核为,需要16个样点,计算公式,3.最邻近像元法(Nearestneighbor),直接取与P（x，y）位置最近像元N的灰度值为该点的灰度采样值,已知,P,三种重采样方法比较,（1）最邻近像元法最简单，计算速度快且能不破坏原始影像的灰度信息，但其几何精度较差。（2）双三次卷积法重采样的中误差约为双线性内插的1/3，但计算工作量却大大增加。（3）双线性内插法几何精度较好，计算时间较少，一般值况下用双线性插值法较宜。,7.3基于灰度的数字影像相关,主要内容：影像相关概念基于灰度的数字影像相关方法最小二乘影像匹配,一、影像相关的概念影像相关：利用相关函数，评价两块影像的相似性以确定同名点。分类按信号的不同：电子相关：利用电子电路解算相关函数的影像相关。光学相关：利用光学方法确定相关函数的影像相关。数字相关：根据数字影像的灰度特性，利用计算机进行数值计算完成影像相关。,基于灰度的影像匹配：利用目标区和搜索区内影像灰度矩阵进行同名点的搜索。基于特征的影像匹配：以影像中的特征为依据进行同名特征的搜索，继而获得同名像点。,按方法的不同：,二、基于灰度的数字影像相关方法,二维影像相关,1.思路,一维影像相关,沿同名核线寻找同名像点属于一维相关,目标区影像的灰度用表示,搜索区影像的灰度用表示,C,2.方法,1）相关函数法,测度最大为同名像点,相关函数测度,2）协方差法,影像窗口大小mn，则均值为：,协方差测度,测度最大为同名像点,3）相关系数法,相关系数,4）差平方和法,测度最小求同名像点,5）差绝对值法,测度最小求同名像点,三、最小二乘影像匹配,德国Ackermann教授提出了一种新的影像匹配方法最小二乘影像匹配（leastSquaresImageMatching）,目的：抵偿目标区与搜索区两个窗口之间因辐射畸变及几何畸变产生的差异。,影像匹配可以达到1/50甚至1/100像素的高精度，也称为高精度影像相关,“灰度差的平方和最小”,仅仅认为影像灰度只存在偶然误差,按vvmin原则进行影像匹配的数学模型。,若在此系统中引入系统变形的参数，按vvmin的原则，解求变形参数，就构成了最小二乘影像匹配系统。,灵活,可靠和高精度是优点,缺点是，如当初始值不太准时，系统的收敛性等问题有待解决。,辐射畸变：照明及被摄影物体辐射面的方向大气与摄影机物镜所产生的衰减摄影处理条件的差异影像数字化过程中所产生的误差等等,影像灰度的系统变形有两大类：辐射畸变；几何畸变,几何畸变：摄影机方位不同所产生的影像的透视畸变；影像的各种畸变；由于地形坡度所产生的影像畸变等竖直航空摄影的情况下，地形高差则是几何畸变的主要因素。,在影像匹配中引入这些变形参数，同时按最小二乘的原则，解求这些参数，就是最小二乘影像匹配的基本思想。,1.仅考虑辐射线性畸变的最小二乘匹配,误差方程：,按vvmin的原理，可得法方程式,假定对g1，g2已作过中心化处理,即：,消除了两个灰度分布系统的辐射畸变后，其残余的灰度差的平方和为,相关系数与vv的关系,相关系数,vv是噪声的功率,g12为信号的功率,以“相关系数最大”作为影像匹配搜索同名点的准则，其实质是搜索“信噪比为最大”的灰度序列,信噪比,相关系数与信噪比之间的关系,影像匹配的主要目的是确定影像相对移位，传统的算法采用目标区相对于搜索区不断地移动一个整像素，搜索最大相关系数的影像区中心作为同名像点。,在最小二乘影像匹配算法中，可引入几何变形参数，直接解算影像移位，这是此算法的特点。,2.仅考虑影像相对移位的一维最小二乘匹配,假设两个一维灰度函数g1(x),g2(x),除随机噪声外，g2(x)相对于g1(x)只存在零次几何变形移位量x。,误差方程式,离散的数字影像而言，灰度函数的导数g,2(x)可由差分代替,为解求相对移位量x，需上式进行线性化,最小二乘影像匹配是非线性系统，必须进行迭代。迭代过程收敛的速度取决于初值。,误差方程式可写为,解得影像的相对移位,如果兼顾几何变形和辐射畸变，左右影像匹配时应满足：,3.兼顾几何变形和辐射畸变的最小二乘影像匹配,设左右影像间存在几何变形，可以表达为：,x和y为左影像窗口的坐标，即x=x1,y=y1。,对该式进行线性化，分别求得两个辐射畸变参数和六个几何变形参数的改正数，即,则可得误差方程,（1）由于最小二乘影像匹配点位需要有较好的近似值，因此应首先进行初匹配，搜索相关系数最大的序列，求相关系数获得右影像窗口中心的初始位置。（2）根据初匹配所得到的窗口影像中心的位置和，按照下式计算变形参数的初值：,最小二乘匹配算法的过程：,（3）进行几何变形改正，根据几何变形参数将左方影像窗口的影像坐标（像素的行列号）变换到右方影像阵列中。（4）由于换算所得的坐标x2,y2一般不是右影像的整数行列号，因此可进行重采样获得,（5）计算几何变形和辐射畸变的八个变形参数的改正数（6）在上一次算得的几何变形和辐射畸变的八个变形参数的基础上加上改正数得到此次新的八个参数。（7）重新计算左影像与经过几何，辐射改正后的右影像灰度阵列之间的相关系数，若小于某个限值则停止迭代。,（8）计算最佳匹配点位。,左影像窗口内的坐标：,同名点坐标：,7.4核线相关与同名核线的确定,主要内容：,核线相关确定同名核线的两种方法基于影像几何纠正的核线解析关系基于共面条件的同名核线几何关系核线影像生成,一、核线相关,核面核线同名像点必定在同名核线上,A,S1,S2,l1,a1,a2,l2,同名核线,同名像点一定位于同名核线上。因此可以将二维相关转化为一维相关，大大减少计算工作量。核线相关：沿核线方向搜索同名像点的过程。,思考：采用相关系数的一维相关计算公式？,1.基于共面条件的同名核线几何关系,采用基线坐标系,s1,s2,P,q,p,q,二、确定同名核线的方法,从核线定义出发，直接在倾斜像片上提取同名核线,将上式展开：,左核线的确定,单独像对的相对定向元素,ai，bi，ci是相对定向元素的函数,当给定xq，就能求出相应的yq，这样就能确定左核线。同理，左像点p和右片上同名核线上任一点也应在同一核面上，有,思考：如果采用连续像对相对定向坐标系统，推导同名核线的方程。,2.基于数字影像几何纠正的核线解析关系,V=常数，则得到核线,摄影基线,“水平”像片,示意图,问题的关键：确定“水平”像片上的像点与倾斜像片上相应像点的坐标关系式,ai，bi，ci是外方位角元素的函数,将v=C（常数）代入并化简,由于在水平像片对上，同名核线的v坐标值相等，因此将同样代入右片共线方程中，即能获得右片上的同名核线。,等间隔取一系列的U，可得到一系列的像点坐标，即倾斜像片上点的坐标，这些点就位于倾斜像片的核线上。,1.直接在倾斜像片上获取核线影像(1)按共面条件确定像片上核线的方向：,从而根据该核线的一个起点坐标及方向（K），就能确定核线在倾斜像片上的位置,三、核线影像生成沿核线方向排列的灰度序列。,(2)确定像素的坐标，通过重采样，获取点的灰度值，并按水平方向排列，就能得到一条核线影像。,采用线性内插,y1,2.在“水平”像片上获取核线影像,将倾斜像片上点的灰度值赋给水平像片上相应点，则得到“水平”的核线影像,步骤：,（1）在内定向的基础上，按照单独像对相对定向的方法进行相对定向，求得五个相对定向元素，然后完成绝对定向。（2）根据定向结果，将原始影像的四个角点投影到核线影像平面上，以确定核线影像的范围。,2）在确定某一行核线影像的v坐标之后，等间隔取一系列的U值，按公式可得到一系列倾斜像片上的像点坐标，并将其转化成在扫描坐标系下的坐标。,3）灰度重采样，提取倾斜像片上点的灰度值赋给水平像片上相应点，则得到水平像片上的核线,由于在水平像片对上，同名核线的v坐标值相等，因此将代入右片共线方程中，即能获得右片上的同名核线。,主要内容,概述数字摄影测量工作站的组成与功能数字摄影测量工作站简介,7.5数字摄影测量系统,数字摄影测量系统,基于数字影像或数字化影像来完成摄影测量作业的所有软件、硬件组成的系统。,数字摄影测量系统发展,60年代，第一台解析测图仪AP-1问世不久，美国也已研制了全数字化测图系统DAMC。,1988年京都国际摄影测量与遥感协会第16届大会上展出了商用数字摄影测量工作站KERNDSP-1。,1992年8月在美国华盛顿第17届国际摄影测量与遥感大会上，已有多套较为成熟的产品展示，数字摄影测量工作站正在由试验阶段步入摄影测量的生产阶段。,1996年7月，在维也纳17届国际摄影测量与遥感大会上，展出十几套数字摄影测量工作站，这表明数字摄影测量工作站已进入了使用阶段,一、数字摄影测量系统的组成1.硬件组成计算机外部设备：立体观测设备(闪闭式立体眼镜及同步器)操作控制设备(手轮，脚盘（编码器）)输入设备：影像扫描数字化仪输出设备：矢量绘图仪、栅格绘图仪,2.软件组成操作系统应用软件：解析摄影测量软件、数字图象处理软件、模式识别软件,（1）数字影像处理软件主要包括：影像旋转影像滤波影像增强特征提取,（2）模式识别软件主要包括：特征识别与定位，包括框标的识别与定位影像匹配（同名点、线与面的识别）目标识别,（3）解析摄影测量软件主要包括：定向参数计算，包括内定向、相对定向、绝对定向空中三角测量解算核线关系解算;坐标计算与变换数值内插;数字微分纠正投影变换,（4）辅助功能软件主要包括数据输入输出数据格式转换注记质量报告图廓整饰人机交互,数字摄影测量工作站的功能,单像双像多像,影像数字化,影像处理,量测,影像定向,核线影像,内定向相对定向绝对定向,影像匹配,建立数字高程模型,自动空中三角测量,选点、转点模型连接、区域网平差粗差剔除等,自动绘制等高线,制作正射影像,正射影像镶嵌与修补,数字测图,制作影像地图,制作透视图、景观图,制作立体匹配片,矢量数据等高线正射影像,几何色彩无缝镶嵌,三、数字摄影测量系统的作业过程(1)影像数字化或数字影像获取。对像片进行数字化或直接获取数字形像。(2)定向参数的计算。对数字影像的框标进行定位，计算扫描坐标系与像片坐标系间的变换参数。将左影像分区提取特征点，利用二维相关寻找同名像点，计算相对定向元素。现阶段由人工在左、右影像上定位控制点，由影像匹配计算同名点坐标，然后解算绝对定向参数。,(3)影像匹配与建立数字地面模型按同名核线将影像的灰度予以重新排列。沿核线进行一维影像匹配求出同名点。计算同名点的空间坐标。建立数字地面模型(或表面模型)。(4)测制等高线及正射影像图自动形成等高线。数字纠正产生正射影像。,（5）等高线与正射影像叠加，制作带有等高线的正射影像图（6）数字影像的机助量测，可生成DLG,四、两种基于微机的国产数字摄影测量系统1.VirtuoZoNT,适普软件公司,组成高精度影像扫描仪高档微机液晶立体眼镜和红外线发射器手轮、脚盘大幅