CN101770656B - 一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成及量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测绘科学技术领域，涉及一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成方法及其量测方法。现有的模型生成及量测方法，或量测精度不高，或计算复杂效率不高。本发明提供的一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成及量测方法，利用立体正射影像对镶嵌建立大场景的立体模型，可快速精确地计算地面点三维坐标。本方法测量时，采用方向一致的视差获取方法，寻找地面点对应的同名像点速度快，通过平面位移直接计算坐标，无需反推原始像片立体坐标进行前方交会，其计算精度非常接近原始像对立体量测精度。

Description

一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成及量测方法

技术领域：

本发明属于测绘科学技术领域，涉及一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成方法及其量测方法，该方法利用立体正射影像对镶嵌建立大场景的立体模型，同时采用方向一致的视差获取方法及平面坐标位移计算，可快速精确地计算地面点三维坐标，实现立体模型的精确快速量测。

背景技术：

公知的立体正射影像模型是由正射影像和立体匹配影像(或称辅助立体影像)构成的模型。该模型保留了航空影像中富含的大量地表细节信息，在立体显示设备的帮助下，人眼能看到真实的地面景观。在该立体模型上，通过简单的量测方法，非专业人员也能轻松量测自己所需要的空间信息。本方法在测绘、地质、交通、森林、农田水利等方面有着广泛的运用。同时，由于正射影像和立体匹配影像都具备可镶嵌拼接的特点，可制作跨像对大场景立体模型；但目前拼接的立体正射影像模型方法也存在一些问题，如申请号为200310111231.1公开的基于数字立体正射影像镶嵌的可量测无缝空间立体模型的生成方法，其视差方向的不一致将造成高程量测精度的降低，同时不能保证平面量测精度；申请号为200310111230.7公开的一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法，为保证精度需要反推测点在原始像片中的像面坐标，再以前方交会计算，过程繁琐，计算效率不高。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效、简洁的基于立体正射影像对的大场景立体模型生成及量测方法，可生成大场景立体正射影像模型并实现在该模型上的精确量测，能直接计算坐标，无需反推原始像片坐标再进行前方交会，减少了运算量，提高了计算效率，改进了量测计算方式，而同时计算精度非常接近原始像对立体量测精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术为方案为：

一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成的方法，包括如下步骤：

(1)以模型覆盖地面的多边形区域的地面坐标构成多边形，确定正射影像制作区域；在区域内针对每一个立体模型的左片进行正射纠正，并对所有正射影像进行镶嵌，生成整个区域的正射影像；以镶嵌边剪切模型覆盖区域，记录每一个模型区域，并将左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角作为属性记录到区域对象中；

(2)使用模型右片制作模型立体匹配影像，并合并为整个区域的立体匹配影像，最后将各模型的立体匹配影像按区域合并生成整个区域的模型。

上述步骤(2)中，立体匹配影像制作，包括如下步骤：

①首先由模型的多边形区域确定该模型立体匹配影像的边界，然后对边界范围内的各像点计算其投影线方程；

②将投影线与DEM的交点作为该点对应的地面点，按共线方程利用原始影像定向数据确定地面点坐标与右片像面点坐标之间的关系，从而得到立体匹配影像各像点对应的模型右片像面点坐标；

③按此坐标在右片上进行灰度重采样，并将该灰度值赋到对应的立体匹配影像像点位置；

④对边界内所有的点进行采样后得到模型的立体匹配影像。

上述步骤①中，投影线方程的计算过程中需进行坐标旋转使投影视差方向与本模型基线方向保持一致。

同时，本发明还提供该立体模型量测方法，包括如下步骤：

(1)首先在正射影像上选定量测点的投影点，判断此点落入哪个模型区域内；然后沿此区域的基线方向在立体匹配影像上寻找量测点的同名点；根据量测点在正射影像与立体匹配影像上的视差，按视差公式计算该量测点的高程Zρ；

(2)由正射影像的地理参考直接获得量测点的正射影像投影点的平面坐标值，并在DEM中内插出该投影点的高程值；

(3)通过投影点坐标(X，Y，Z)、量测点高程Z_p、以及模型左片投影中心(X₀，Y₀，Z₀)之间的共线关系，计算该量测点相对于投影点的平面位移；

(4)投影点平面坐标与平面坐标位移之和即为量测点的精确平面坐标；至此选定点的三维坐标计算结束。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、模型制作过程中，立体匹配影像的人工视差按各模型区域基线同方向进行添加，确保了同名点视差与人工视差的方向一致性，以此保证同名像点匹配为一维匹配，也保证了碎步测量中的高程精度；

2、由于立体正射影像模型的量测高程具有较好的抗差性，因此，本高程可作为量测点的量测高程；通过左片投影中心点、量测点及其正射影像投影点之间的共线关系，可快速计算量测点的平面坐标，无需反推原始像片坐标进行前方交会，其计算精度非常接近原始像对立体量测精度。

3、本方法的量测精度非常接近全数字摄影测量工作站的量测精度，完全能满足测图及一般应用的要求；而且本方法计算速度非常快，适用于需要实时计算坐标的量测***。

附图说明：

图1是本发明立体模型生成流程图。

图2是本发明立体模型量测流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参见图1，连续立体正射影像模型的生成，按照如下步骤进行：

1、计算每张航片投影到平均高程面的四边形区域。将同一航带相邻像片的四边形区域两两相交得到立体模型的初始多边形区域；

2、利用每个模型的左片及数字高程模型在该模型初始多边形区域内生成正射影像。正射影像的生成采用数字微分纠正算法，算法原理及流程见《数字摄影测量学》(张祖勋、张建清武汉大学出版社1997)；

3、将所有模型的正射影像，镶嵌为整个区域的正射影像。制作过程中，要求模型间的镶嵌边要避开地物，尽量贴近地面。镶嵌完成后以镶嵌边切割各模型初始多边形区域，得到各模型最终的多边形区域；

4、将模型左片的投影中心坐标(X₀，Y₀，Z₀)连同模型基线长度B以及基线方位角α，作为多变形的参数进行记录；

5、对每个模型的右片按基线方向进行立体匹配影像的制作，制作过程使用间接法采样，原理及过程参见《数字摄影测量学》(张祖勋、张建清武汉大学出版社1997)：

a)首先计算模型的多边形区域在立体匹配影像中对应的多边形区域，作为采样目标区域；

b)然后在目标区域内，逐点计算该点投影到DEM的地面点坐标，投影计算可采用斜平行投影方法或对数投影法；《解析摄影测量学》(李德仁、郑肇葆测绘出版社1992)中介绍了基线平行于X轴的标准投影公式，本方法视差为基线方向，因此立体匹配影像上的点与对应的DEM点有如下转换关系：

$\left\{\begin{array}{c}X=X_t-P\·\cos \mathrm{\α}\\ Y=Y_t-P\·\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1)式中P为按标准投影公式计算的视差，α为基线方位角，(X_t，Y_t)为立体匹配影像像点的平面坐标，(X，Y)为与之对应的DEM模型点平面坐标。

c)在DEM中按该点对应点的地面坐标内插出高程，并以共线方程计算该目标点在原右片中对应点的坐标，共线方程计算过程参见《解析摄影测量学》(李德仁、郑肇葆测绘出版社1992)。

d)根据各目标点在原始影像中对应点的坐标，内插出该点灰度值，赋于目标点，立体匹配影像制作完毕；

6、将所有立体匹配影像合并为整个区域的立体匹配影像，至此整个区域立体正射影像对模型制作完毕。

参见图2，该立体模型的量测过程，按如下步骤进行：

1、在立体模型的正射影像上找到被量测点的投影点，计算该点落入的区域多边形；

2、以多边形参数α给定的基线方位角方向，在立体匹配影像上找到同名点。由于是一维匹配，因此具有较快的速度和简易的操作性；

3、根据同名点视差，计算量测点高程，参见《解析摄影测量学》(李德仁、郑肇葆测绘出版社1992)；

4、以正射影像上量测点的投影点地面平面坐标(X，Y)，加上坐标位移，计算量测点的地面平面坐标，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_p=X+\mathrm{\Δx}\\ Y_p=Y+\mathrm{\Δy}\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)式中(X，Y)为投影点地面平面坐标，(ΔX，ΔY)为平面坐标位移，(X_p，Y_p)为量测点地面平面坐标：

其中坐标位移计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}=\frac{(Z_p-Z)(X_0-X)}{(Z_0-Z)}\\ \mathrm{\Δy}=\frac{(Z_p-Z)(Y_0-Y)}{(Z_0-Z)}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)式中(X，Y)为投影点坐标，Z为投影点在DEM上内插的高程，(X₀，Y₀，Z₀)为投影中心坐标，Z_p为量测点的高程；至此，量测点的坐标量测完毕。

Claims (3)

1.一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成的方法，包括如下步骤：

（1）以模型覆盖地面的多边形区域的地面坐标构成多边形，确定正射影像制作区域；在区域内针对每一个立体模型的左片进行正射纠正，并对所有正射影像进行镶嵌，生成整个区域的正射影像；以镶嵌边剪切模型覆盖区域，记录每一个模型区域，并将左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角作为属性记录到区域对象中；

（2）使用模型右片制作模型立体匹配影像，并合并为整个区域的立体匹配影像，最后将各模型的立体匹配影像按区域合并生成整个区域的模型；其中，立体匹配影像制作包括：

首先由模型的多边形区域确定该模型立体匹配影像的边界，然后对边界范围内的各像点计算其投影线方程；

将投影线与DEM的交点作为该点对应的地面点，按共线方程利用原始影像定向数据确定地面点坐标与右片像面点坐标之间的关系，从而得到立体匹配影像各像点对应的模型右片像面点坐标；

按此坐标在右片上进行灰度重采样，并将该灰度值赋到对应的立体匹配影像像点位置；

对边界内所有的点进行采样后得到模型的立体匹配影像。

2.根据权利要求1所述的一种基于立体正射影像对的大场景立体模型生成的方法，其特征在于：步骤二中，所述投影线方程的计算过程中需进行坐标旋转使投影视差方向与本模型基线方向保持一致。

3.如权利要求1所述的一种基于立体正射影像对的大场景立体模型的量测方法，包括如下步骤：

（1）在正射影像上选定量测点的投影点，判断此点落入哪个模型区域内；然后沿此区域的基线方向在立体匹配影像上寻找量测点的同名点；根据量测点在正射影像与立体匹配影像上的视差，按视差公式计算该量测点的高程Z _p ；

（2）由正射影像的地理参考直接获得量测点的正射影像投影点的平面坐标值，并在DEM中内插出该投影点的高程值；

（3）通过投影点坐标( X, Y, Z )、量测点高程Z _p 、以及模型左片投影中心( X ₀, Y ₀, Z ₀ )之间的共线关系，计算该量测点相对于投影点的平面位移；

（4）投影点平面坐标与平面坐标位移之和即为量测点的精确平面坐标。

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