一種基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法
2023-05-29 12:53:06
專利名稱：一種基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法
技術領域：
本發明涉及移動測量用於空間信息更新、地物自動測繪與三維重建等方面的應用 需求，以及數字攝影測量、數字圖像處理等學科範圍，具體是關於一種基於滅點的地面移動 測量影像線段自動提取分類方法。
背景技術：
移動測量是空間信息3S技術(GPS、RS和GIS)集成的現代測繪高新技術的代表之 一，具有信息記錄豐富、採集速度快、自動化程度高、運行成本低廉等特點，為空間數據採集 與更新開闢了一條快速高效的新途徑。地面移動測量系統提供了強大的地面視角可量測近 景實景影像的生產能力，地物自動識別已成為移動攝影測量領域的一個難點熱點問題。移動測量能高速的批量採集自動和解算內外方位元素的可量測實景影像，具有非 常強大的空間數據採集能力。不過，當前基於移動測量影像數據的GIS資料庫更新、地圖 測繪與地物三維重建等內業處理還處於相對落後的、人工作業為主的形式。雖然移動測量 內業已經實現了基於GPS/DR集成的快速影像方位元素解算，以及通過將移動測量影像、 GIS資料庫、航空衛星影像等數據形成測量內業的多源數據集成作業環境，但實際的地物量 測則還需以人工作業模式逐個選擇地物目標影像觀測點，方可形成完成預定的內業處理任 務。這樣的工作量是巨大的，而且相對於移動測量強大的外業數據採集能力，人工為主的地 物量測內業處理成為了移動測量進一步發展與應用拓展的瓶頸。一般來講，移動測量外業 與內業人員配置關係一般是1 3，內業是移動測量工作量中最大的部分，一般取決於提取 目標的多少(以300公裡的道路數據為例，如果提取中心線、路標、裡程碑、收費站等數據， 總量約為5萬個地物，需要4個作業員工作5天)，而這僅是最基本的道路測繪內業，其它測 繪問題還需更多專業性內業。
發明內容
本發明的目的在於針對目前移動測量技術在工程測繪、GIS數據更新與地物三維 重建等方面自動化處理水平不高的問題，提出了一種基於滅點的地面移動測量影像線段自 動提取分類方法，其基於攝影測量中的滅點理論，建立了影像線段與空間地物特徵線段對 應的數學模型，具有理論上的嚴密可靠性，可將所有應屬於該滅點類的線段準確提取(即 「不棄真」的特點)、且誤分類現象極少的良好結果。為達到以上目的，本發明所採用的解決方案是本發明的技術方案中，實現了在地面移動測量所生產的可量測實景影像基礎上， 進行分屬不同地物的影像特徵線(如建築物垂直線、包括中心線分道線等在內的道路平行 線等)提取的整個過程；本發明的最突出工作是解算空間平行線的影像滅點、以及根據滅 點做影像平面線段的分類。此外，為實現全面、可靠、自動的線段分類提取，技術方案中還包 括基於影像邊緣特徵的線段提取、與分類後的線段綜合，從而構成一個完整的影像線段的 提取分類方法。
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—種基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，以地面移動測量所採 集的序列影像為基礎，分析目標地物空間平行特徵線屬性、計算其影像滅點，其次以極坐標 參數區域極值的霍夫變換與影像灰度連續變化情況提取基於影像邊緣的特徵線段，然後用 滅點對所提取平面線段進行分類，最後以總體最小二乘方法和線段的平面相鄰度、重疊度 條件對分類後線段進行綜合，從而提取多種地物空間平行線對應的影像特徵線段。所述空 間平行特徵線包括建築物垂直線、道路平行線。具體步驟如下1、影像線段提取。這是本發明的基礎而不可缺少的內容，後續的影像線段分類與 綜合均需以此為基礎進行，要求在所有可能成為地物平行線而又可以被地面移動測量系統 觀測到的情況充分提取。為此，本發明提出了一種以影像邊緣特徵為基礎，基於改進霍夫 變換與影像灰度連續變化的影像線特徵提取算法，即以直線極坐標的參數區域極值取代標 準點極值方式，得到線段數量較多，但不會漏掉細節，在影像邊緣上形成重疊連續的小線段 帶，其中每個線段元素均具有準確的位置和方向，是後續線段分類與綜合的基礎；2、影像滅點計算。這是本發明的最突出的創新點，也是從提取影像線段後，得到對 應於表示地物特徵空間平行線的影像線段的關鍵理論支撐。本發明中根據地物空間特徵線 的特點，如建築物邊緣垂直線的空間向量已知、根據移動平臺的行駛方向擬合得到道路行 進方向平行線的空間向量，在攝影測量共線方程與空間直線參數方程的基礎上，分析得到 影像滅點求解的數學模型。該模型理論上嚴密、結論簡單易用，為每一組可被地面移動測量 觀測到地物特徵平行線提供了對應滅點計算的可靠依據；3、影像線段分類。通過計算平面線段傾角、及滅點與線段中點連線平面傾角，再計 算兩傾角之差的絕對值，如果該值在允許範圍內則判斷線段屬於該滅點類；此方法對不同 位置滅點的線段分類均穩定可靠，例如垂直線滅點在地面視角影像中位於影像外近似無窮 遠處，而道路平行線滅點一般在影像內；4、分類後線段分組與綜合。這是本發明的又一個創新要點，是實現線段分類後， 獲取對應地物空間平行線數量精簡、地物邊緣特徵表現完整而又定位定向準確的影像特徵 線段的必不可少環節。為適應影像所提取線段平面分布變化多樣的情況，本發明對同屬一 個滅點的影像線段採用先分組、求取綜合初值、然後按照總體最小二乘方法實現線段精確 綜合的策略，基本內容如下按線段長度排序後進行線段的分組，以未被分組的最長線段為 準，計算同類線段集合中其他線段端點到該線段距離、及待分組線段兩端點到滅點的距離， 計算兩種平面距離的比值，以此值判斷待分組線段是否屬於待合併的當前線段組，然後通 過將已分入該組的線段集按長度為權計算綜合後線段所在直線方程的初值；如此不斷對所 有待分組線段進行判斷與初值更新，從而完成所有同類影像平面線段的分組與綜合初值計 算；接下來，以線段長度為權，同組線段按照平面直線的一般形式展開每組線段的總體最小 二乘平差綜合。由於採用了上述方案，本發明具有以下特點本發明可以自動、準確、快速的提取 地面移動測量影像中多種地物平行線(如建築物垂直線、道路平行線等)，所得到線段對地 物邊緣的定位定向準確完整，且數量上非常精簡；且能提高移動測量系統內業處理能力，促 進對多種地物(如，建築物、道路等)的自動識別、測繪成圖、三維重建等的研究。
圖1為基於滅點的地面移動測量影像平面線段提取分類的原理與基本過程。圖2為地面近景影像中垂直線與道路平行線滅點分布圖示。圖3為影像平面線段與滅點關係計算。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。本發明內容大致包括基於影像邊緣特徵的線段提取、空間平行線滅點計算和基 於滅點的影像平面線段分類、分類後以滅點為中心的線段相鄰度、重疊度判斷分組及總體 最小二乘線段綜合三個方面，具有兩個突出特點首先，核心數學模型基於空間平行線的已 知向量(該向量可由地物屬性、移動測量工作運動特性等提供)與內外方位元素已知的影 像獲得，該模型用於影像線段分類在理論上嚴密可靠，能顯著簡化基於移動測量的建築物、 道路等地物自動識別工作；其次，本發明的線段提取分類過程實現全自動化、按照本發明可 得到同一影像中對應多種地物屬性的影像特徵線段，實驗表明分類後線段數比總數降低一 個數量級或更多，並可保證影像特徵線分類的完整可靠性，誤分類極少。總之，本發明能顯 著提高移動測量內業處理能力，對促進地物自動識別、測繪成圖、三維重建等的研究，以及 推動移動測量技術的深入發展和應用推廣有著廣泛的前景。上述對影像地物線段的提取分類對象是移動測量所觀測地物中已知三維方向的 空間平行線，主要指影像內建築物垂直線、道路行進方向平行線兩類。1、設計地面移動測量系統數據外業方案、採集移動測量序列影像數據。根據GIS 數據更新、地圖測繪與地物三維建模的實際需要，對指定範圍的建築物道路等地物進行外 業數據採集，所提供的序列影像數據為本發明的處理對象；2、影像基礎線段提取。根據改進霍夫變換(以參數空間區域極值取代標準點極值 方式)、影像邊緣灰度變化連續性等形成的組合算法提取可量測地面視角實景影像中特徵 線段數據集。標準霍夫變換的問題在於當參數離散化粒度比較小，則提取的線段定位準 確，但線段較零碎，不能得到整體性較好的數據；當離散化粒度較大時，提取線段整體性好， 但定位不準確，提取結果精度較低。如何得到整體性好而又定位準確的平面線段數據，是標 準霍夫變換存在的一個疑難問題。本發明提出的解決辦法是設置小的離散度，先滿足提取 線段的定位精度要求，在計算參數極值時，不按照原來的粒度來判斷線段的存在，而是設置 一個極坐標參數區域，然後統計極值，作為判斷線段生成的條件。實施中需根據這些分析和影像canny邊緣進行影像線段提取的程序開發與測試， 形成影像線段提取的軟體模塊，提取的線段是後續線段分類的基礎。3、影像滅點計算。參照地面移動測量的條件，根據地物空間特徵線的特點，如建築 物邊緣垂直線的空間向量為固定的(0，0，1)、根據移動平臺的行駛方向擬合道路行進方向 平行線得到其空間向量，然後根據攝影測量共線方程與空間直線參數方程求解得到影像內
. .ax'm + bx-n + cx· ρ
hd "J-Γ-
α, -m + b, - η +c, - ρ_、2 ,2(1)
廣. m +、. + C1 .
V/oo -V0 = -/---
α2 - m + b2 -YijTC2 · ρ
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其中hov為影像平面，(hl00 V100)為一組空間平行線簇的影像滅點坐標，Ov vQ，-f)為影像內方位元素像主點與焦距，( a2 a3;bi b2 b3;Cl C2 c3)是旋轉矩陣。公式(1)表明，空間平行線在影像的滅點取決於該空間平行線簇的三維矢量、 影像外方位角元素旋轉矩陣、以及影像內方位元素。空間垂直線簇三維矢量為(mnp)= (001)，代入(1)計算空間垂直線滅點為(hvoo Vvoo) 此外，當移動測量沿道路行進時，所記錄的信息可以獲取行進方向三維矢量，而且 該矢量可轉換為道路三維方向(md nd pd)，從而可得到與道路中心線、邊線一致的三維道路 平行線矢量，即 綜合(2)與(3)，分析空間垂直線簇與道路行進方向平行線簇兩種情況由於是地 面近景視角，hov影像平面中垂直線表現為近似於影像平面的垂直形式，其滅點一般遠超出 影像平面所在範圍，而在影像ζ軸的正方向或者負方向上近似無窮遠處，而道路三維行進 方向三維平行線簇滅點則近似於影像中心位置，如圖2。 4、根據滅點計算結果進行影像平面線段的分類處理。本發明中影像平面線段基於 滅點分類的方法是計算平面線段傾角，及滅點與線段中點連線平面傾角，然後比較兩傾角 差異的絕對值來判斷滅點與平面線段共線。這可解決滅點在影像不同位置(如垂直線滅點 位於影像平面上方近似與無窮遠的位置)、影像提取線段長度則遠小於線段上任意點到滅 點距離的情況；此時若按一般的給定滅點、線段起止點三點共線判斷，則無法獲得準確分組 結果。影像線段相關計算分析如下 當滿足I a 『 -α I < θ。或|a' _ α | < | 180-θ Q |，線段屬於該滅點類。其中， Olvp Vvp)為滅點像平面坐標，Ql1 V1)與(h2 V2)為當前線段的像平面兩端點坐標，θ ^為共 線差閾值，一般根據外業採集中未計入的翻滾角等因素判斷該閾值。實施中需根據以上滅點計算、基於滅點分類的理論分析進行相關程序開發與測 試，形成影像線段提取後分類的軟體模塊，對影像內提取線段的分類結果是後續的線段綜 合的基礎。5、滅點分類後影像線段的綜合。由於滅點存在多種可能的分布形式，當滅點位於 影像範圍之外的近似無窮遠處時，該類線段在影像上表現為非常近似於平行的形式(如垂 直線)；而當滅點位於影像範圍內的時候，該類線段在影像上表現為以滅點為中心的輻射 狀分布。對此，本發明提出如下解決辦法首先，按線段長度排序後進行線段的分組，以未被分組的最長線段為基準，計算影像平面內同類線段集中各線段端點到基準線段的距離、及 待分組線段兩端點到滅點的距離，計算兩種平面距離的比值，以此兩比值判斷待分組線段 是否屬於待綜合的當前線段組內；然後通過將已分入該組的線段集合按長度為權計算綜合 後線段所在的初始直線方程，如此不斷對所有待分組線段進行判斷與初值更新，完成所有 同類影像平面線段的分組與綜合初值；接下來，以線段長度為權，同組線段按照平面直線的 一般形式展開總體最小二乘平差。有關數學分析展開如下 求得平面直線a · h+b · v+c = 0的初始參數(徹b0 C0)，與參與平差計算的線段 兩端點及每個長度權值Khbpl vbpl I1)，(hepl vepl I1)，· · · (hbpi vbpi Ii)，(hepi vepi Ii)..., (hbpn vbpn ln)，(hepn vepn ln) }，考慮到一般平面直線方程中只存在兩個獨立參數，設為a，b， 則有平差基本方程
(5) 根據同組線段數為n，則有2n個端點，可列出4n個平面直線方程，按(5)展開可得 如下帶參數條件平差的最小二乘總體平差模型
(6)
其中， 解得
V =QA'Nj (W-βχ)
4ηχΙ
其中，
求得同組線段總體最小二乘綜合的直線方程以後，再計算每根線段在綜合後直線 方程上端點對應垂足，再對垂足按照線性排列得到綜合後線段的兩端點。實施中需根據以上理論分析進行相關程序開發與測試，形成對序列影像處理的軟 件模塊，才能得到對序列影像線段的自動提取分類，為GIS數據更新、地圖測繪與地物三維 建模等後續處理進行準備。作為3S (GPS、RS、GIS)技術集成高技術代表的移動測量系統在經歷近二十年研究 應用的發展，已經基本解決其外業數據自動採集與序列影像自動直接地理參考等理論技術 問題後，本方法適應了移動測量序列影像數據應用於物體識別與自動測繪等方面研究發展繪與地物三維重建等方面具有良好的應用前
旦 上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發 明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的 一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施 例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的 保護範圍之內。
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權利要求
一種基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，其特徵在於以地面移動測量所採集的序列影像為基礎，分析目標地物空間平行特徵線屬性、計算其影像滅點，其次以極坐標參數區域極值的霍夫變換與影像灰度連續變化情況提取基於影像邊緣的特徵線段，然後用滅點對所提取平面線段進行分類，最後以總體最小二乘方法和線段的平面相鄰度、重疊度條件對分類後線段進行綜合，從而提取多種地物空間平行線對應的影像特徵線段。
2.如權利要求1所述的基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，其特徵 在於具體包括以下步驟1)影像基礎線段提取以影像邊緣特徵為基礎，基於改進霍夫變換與影像灰度連續變 化的影像線特徵提取算法，即以直線極坐標的參數區域極值取代標準點極值方式，在影像 邊緣上形成重疊連續的小線段帶，其中每個線段元素均具有準確的位置和方向；2)影像滅點計算根據地物空間特徵線的特點，在攝影測量共線方程與空間直線參數 方程的基礎上，分析得到影像滅點求解的數學模型；3)影像線段分類計算平面線段傾角、及滅點與線段中點連線平面傾角，再計算兩傾 角之差的絕對值，如果該值在允許範圍內則判斷線段屬於該滅點類；4)線段分組與綜合對同屬一個滅點的影像線段採用先分組、求取綜合初值、然後按 照總體最小二乘方法實現線段精確綜合。
3.如權利要求2所述的基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，其特徵 在於所述線段分組與綜合的具體方法是按線段長度排序後進行線段的分組，以未被分 組的最長線段為準，計算同類線段集合中其他線段端點到該線段距離、及待分組線段兩端 點到滅點的距離，計算兩種平面距離的比值，以此值判斷待分組線段是否屬於待合併的當 前線段組，然後通過將已分入該組的線段集按長度為權計算綜合後線段所在直線方程的初 值；對所有待分組線段進行判斷與初值更新，完成所有同類影像平面線段的分組與綜合初 值計算；以線段長度為權，同組線段按照平面直線的一般形式展開每組線段的總體最小二 乘平差綜合。
4.如權利要求1所述的基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，其特徵 在於所述空間平行特徵線包括建築物垂直線、道路平行線。
全文摘要
本發明一種基於滅點的地面移動測量影像線段自動提取分類方法，以地面移動測量所採集的序列影像為基礎，分析目標地物空間平行特徵線屬性、計算其影像滅點，其次以極坐標參數區域極值的霍夫變換與影像灰度連續變化情況提取基於影像邊緣的特徵線段，然後用滅點對所提取平面線段進行分類，最後以總體最小二乘方法和線段的平面相鄰度、重疊度條件對分類後線段進行綜合，從而提取多種地物空間平行線對應的影像特徵線段。本發明能提高移動測量系統內業處理能力，促進對多種地物(如，建築物、道路等)的自動識別、測繪成圖、三維重建等的研究。
文檔編號G01C11/04GK101915570SQ201010230698
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月20日 優先權日2010年7月20日
發明者喬剛, 李榮興, 杜澤明, 歐建良, 王衛安, 鮑峰 申請人:同濟大學