可量測無縫空間立體模型的生成方法
2023-05-06 22:37:36 2
專利名稱：可量測無縫空間立體模型的生成方法
技術領域：
本發明屬於測繪科學與技術領域，涉及一種利用航空影像和數字地面模型(DEM)生成一種方便構建和使用的可量測無縫空間立體模型的方法。
在攝影測量領域，人造立體視覺早就開始使用了。在18世紀末期，德國耶拿蔡司廠的普弗裡希(C.Pulfrich)提出了立體觀測的原理，並於1901年製造了立體坐標量測儀，在德國被稱為「立體攝影測量之父」。同時為攝影測量奠定了立體量測的基礎。此後的雙像投影測圖、立體測圖儀、解析測圖儀直到發展到現在的數字攝影測量工作站的全數位化數字測圖，都是基於此原理。
攝影測量的發展已有幾百年的歷史，經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數字攝影測量三個發展階段，通過模擬、解析或數字的方法恢復攝影時的空間立體模型，通過立體模型真實再現被攝地區的地物和地貌，在模型上進行立體量測，採集一些基本的地理信息，這是攝影測量的一個主要特徵。由於立體模型的建立要經過複雜的內定向、像對定向和絕對定向攝影測量處理過程，必須具備攝影測量專業的專業知識，因此，這個空間模型基本上是由攝影測量工作者建立和使用，是攝影測量工作者的一個專利。
這種傳統的由左右兩張影像構成的立體模型是攝影測量的基礎和核心，由於它的範圍僅僅局限兩張像片重疊的很小範圍內，而且建立過程複雜，因此，僅僅作為攝影測量工作者的一種地理數據採集的媒介，在完成數據採集工作後，就被拋棄了，再也不被使用了。由於立體模型中含有攝影時地形表面的所有信息，而且經過數據採集以後所保留下來的信息是非常有限的，如果把立體模型白白的丟掉，是一件令人非常遺憾的事情。如果我們能夠構造一個大範圍的而且方便構建的空間立體模型，就可以使地質學家、森林學家、規劃學家、工程師和其它行業使用航空像片的人，在不需要攝影測量複雜知識背景的前提下，用簡單的方法構建和使用空間立體模型，將為高效的規劃、開發和保護自然資源做出重大的貢獻，同時，非專業人員也可以通過空間模型坐在家裡瀏覽逼真的三維地形景觀模型，可以大大增加航空攝影成果的利用價值。
本發明提供的技術方案是一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數生成可量測無縫空間立體模型的步驟(1)按照沿航帶的方向對航空像片進行順序編號；(2)利用數字地面模型，用單號片1、3、5…片製作正射影像，具體製作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網，按照正射投影到網數字高程模型上獲得方格網的四個角點坐標(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，一f為像點像空間坐標；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點坐標；X，Y，Z為地面點的物方空間坐標；XS，YS，ZS為攝站點的物方空間坐標；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個外方位元素組成九個方向餘弦；將第一步投影后與數字地面模型相交的四個角點坐標按照共線條件方程變換到像片坐標系得到相應的像點坐標(xi，yi)；iii)通過內定向變換參數由像點坐標計算對應的掃描坐標IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內定向參數；iv)對每一塊內的像元按照雙線性多項式內插對應的掃描坐標I＝a0+a1X+a2Y+a3XYJ＝b0+b1X+b2Y+b3XY式中I，J為掃描坐標、X，Y為地面坐標、ai，bi為雙線性變換係數v)灰度內插各個面元的四個角點按照共線方程求出其像片坐標，然後由內定向參數將其轉化為掃描坐標，對於每一塊內部按照雙線性變換逐點計算其掃描坐標，再採用灰度內插方法內插每個像元的灰度值；vi)灰度賦值將內插後的每個灰度值逐個賦給糾正後的每個像元；將每個點都處理完之後即形成數字正射影像；(3)利用數字地面模型，用雙號片2、4、6…製作正射影像的輔助片，製作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數進行投影而代替製作正射影像時的正射投影，具體製作步驟如下由XY平面上的方格網，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行於XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與數字地面模型表面的交點的計算公式，將格網的四個角點投影到數字高程模型得到投影線與數字地面模型的交點(X′iY′iZ′i)，以下的計算步驟同製作正射影像的ii到vi步；(4)將奇數片製作的數字正射影像按照地面坐標將其鑲嵌成一個無縫區域，同時記錄每一張數字正射影像在鑲嵌後的數字正射影像的區域範圍；(5)點對點構造可量測的無縫立體模型。
本發明的基本原理是基於人眼的立體視覺原理，以數字正射影像為基礎，利用原始航空像片和數字地面模型(DEM)，在由奇數片生成數字正射影像，利用偶數片通過視差函數引入視差生成一個與正射影像相匹配的立體正射影像輔助片，數字正射影像和相應的輔助影像一起構成立體正射像片，通過對數字正射影像進行無縫鑲嵌後，利用立體模型的構造算法與輔助片一起形成大範圍無縫的無上下視差的三維虛擬可量測的景觀模型。
使用本發明所構造的立體模型突破了攝影測量中立體像對範圍的局限，不需攝影測量的專業知識即可方便構建和使用，能夠真實的恢復和再現攝影時的三維地形景觀模型，可以進行無縫的立體漫遊和瀏覽，並且可以在模型上進行三維量測和信息採集。可以為測繪、地質、林業、電力、城市規劃、公路和鐵路設計等其它相關行業使用。
圖1是原始攝影時地面上相對於基準面不同高度的兩個點所產生的視差圖；圖2為與原始視差相同的引入視差圖；圖3為正射影像圖；圖4為正射影像輔助片；圖5為變角度的投影光線與DEM交點計算圖；圖6為像片編號；圖7為本發明的流程圖。
如圖1、圖2所示，圖1是原始攝影時地面上相對於基準面不同高度的兩個點所產生的視差，圖2是為了產生與原始攝影時相同的視差而採用的α1和α2兩個不同角度的投影光線，從圖1、圖2中的幾何關係可知tg1=BZ1tg2=BZ2---(1)]]>式中B為立體像對的攝影基線，H為攝影時的航高(以下同)，因此，為了與原始攝影時的視差保持一致，採用變角度投影來引入視差，圖3、圖4顯示了變角度引入視差的原理，採用平行於XZ平面進行投影，根據不同的地面高程，每個點的投影光線的角度是不同的。
如圖3、圖4的幾何關係可知，變角度引入視差法的視差函數為Pi=BZiH-Zi---(2)]]>式中Pi為每個點的視差；Zi為每個點的高程值。
通過上式可知，變角度投影引入視差的立體正射像片中任意一點的高程可以由下式求出Zi=PiHB+Pi---(3)]]>由於在生成立體正射影像輔助片時，必須計算投影函數和數字地面模型(DEM)表面的交點，變角度投影光線與DEM表面的交點(X′iY′iZ′i)如圖5所示，如圖中的幾何關係可知Y′i＝YiXi=(Xi+1-Xi)(Xi+kZi)-Xik(Zi+1-Zi)Xi+1-k(Zi+1-Zi)-Xi---(4)]]>Zi=Zi+(Zi+1-Zi)(Xi-Xi)(Xi+1-Xi)]]>式中k=tan=BZi]]>
需要說明一點的是，當地形起伏較大或DEM格網較密集時，在真正求解變角度投影光線與DEM交點時，必須先判斷平行光線落在哪一個DEM格網間隔，然後才能用上面的公式解求平行光線與DEM的交點。
上面詳細說明了引入視差的投影函數，下面介紹利用該投影函數生成可量測無縫空間立體模型的步驟(參見圖7)(1)收集原始數據(原始影像、DEM和像片參數)；然後按照沿航帶的方向對航空像片進行順序編號(依次為1、2、3、4、5、6…)，如圖6所示。(2)正射影像製作—數字正射影像—正射影像無縫鑲嵌；利用數字地面模型DEM，用單號片1、3、5…片製作正射影像，具體製作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網(一般與數字高程模型的格網大小相等)，按照正射投影到網數字高程模型上獲得方格網的四個角點坐標(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)---(5)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，-f為像點像空間坐標；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點坐標；X，Y，Z為地面點的物方空間坐標；XS，YS，ZS為攝站點的物方空間坐標；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個外方位元素組成九個方向餘弦；將第一步投影后與DEM相交的四個角點坐標按照共線條件方程變換到像片坐標系得到相應的像點坐標(xi，yi)。iii)通過內定向變換參數由像點坐標計算對應的掃描坐標IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0---(6)]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內定向參數；iv)對每一塊內的像元按照雙線性多項式內插對應的掃描坐標I＝a0+a1X+a2Y+a3XY (7)J＝b0+b1X+b2Y+b3XYI，J為掃描坐標X，Y為地面坐標
ai，bi為雙線性變換係數v)灰度內插各個面元的四個角點按照共線方程求出其像片坐標，然後由內定向參數將其轉化為掃描坐標，對於每一塊內部按照雙線性變換逐點計算其掃描坐標，再採用灰度內插方法內插每個像元的灰度值。vi)灰度賦值將內插後的每個灰度值逐個賦給糾正後的每個像元。將每個點都處理完之後即形成數字正射影像。(3)輔助影像製作—輔助片影像；利用數字地面模型DEM，用雙號片2、4、6…製作正射影像的輔助片，製作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數進行投影而代替製作正射影像時的正射投影，具體製作步驟如下由XY平面上的方格網，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行於XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與DEM表面的交點的計算公式，將格網的四個角點投影到數字高程模型得到投影線與DEM的交點(X′iY′iZ′i)，以下的計算步驟同製作正射影像的ii到vi步。(4)將奇數片製作的數字正射影像按照地面坐標將其鑲嵌成一個無縫區域，同時記錄每一張數字正射影像在鑲嵌後的數字正射影像的區域範圍。(5)點對點構造可量測的無縫立體模型。
由於數字正射影像和正射影像的輔助片之間不存在垂直方向上的視差而只存在水平方向上的視差，根據立體視覺的構造的基本原理，只要保證對同一個物體從不同的位置獲取的兩幅影像即可形成立體視覺。由於數字正射影像和相應的正射影像輔助片分別來自攝影時的左片和右片，而且比例尺一致，滿足構造立體視覺的基本條件，同時又不存在上下視差，因此，只要保證正射影像上的每個點和正射影像輔助片上的點逐點對應，即可形成立體幾何模型。因為數字正射影像是無縫的所以基於正射影像構造出的立體幾何模型也是無縫的。具體算法如下i)取數字正射影像中的點，根據該點的地面計算該坐標落在鑲嵌前的那張數字正射影像的區域範圍，找到其像片編號，繼而可以找到相應的正射影像匹配片。ii)根據該點的地面坐標在正射影像匹配片中找到相應的同名點(即同一個物體在兩張像片上分別成像的點)即構成了立體模型中的一個點對。iii)這樣逐點處理之後，可以保證模型中的每個點都是由來自數字正射影像和數字正射影像匹配片的立體點對，進而形成無縫立體模型。(6)立體模型的立體顯示(互補色法或頻閃法)和量測採用液晶眼鏡作為立體觀察設備(也可採用其它方式)，利用0pen GL的雙緩衝區立體顯示機制分別將每一個立體點對送致左右顯示緩衝區，通過液晶眼鏡即可觀察到三維立體模型。通過三維立體測標測得每個點的視差後通過前面由視差計算高程的公式即可計算每一點的高程信息，同時，其平面位置可以由數字正射影像獲得。
權利要求
一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數生成可量測無縫空間立體模型的步驟(1)按照沿航帶的方向對航空像片進行順序編號；(2)利用數字地面模型，用單號片1、3、5…片製作正射影像，具體製作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網，按照正射投影到網數字高程模型上獲得方格網的四個角點坐標(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，-f為像點像空間坐標；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點坐標；X，Y，Z為地面點的物方空間坐標；XS，YS，ZS為攝站點的物方空間坐標；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個外方位元素組成九個方向餘弦；將第一步投影后與數字地面模型相交的四個角點坐標按照共線條件方程變換到像片坐標系得到相應的像點坐標(xi，yi)；iii)通過內定向變換參數由像點坐標計算對應的掃描坐標IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內定向參數；iv)對每一塊內的像元按照雙線性多項式內插對應的掃描坐標I＝a0+a1X+a2Y+a3XYJ＝b0+b1X+b2Y+b3XY式中I，J為掃描坐標、X，Y為地面坐標、ai，bi為雙線性變換係數v)灰度內插各個面元的四個角點按照共線方程求出其像片坐標，然後由內定向參數將其轉化為掃描坐標，對於每一塊內部按照雙線性變換逐點計算其掃描坐標，再採用灰度內插方法內插每個像元的灰度值；vi)灰度賦值將內插後的每個灰度值逐個賦給糾正後的每個像元；將每個點都處理完之後即形成數字正射影像；(3)利用數字地面模型，用雙號片2、4、6…製作正射影像的輔助片，製作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數進行投影而代替製作正射影像時的正射投影，具體製作步驟如下由XY平面上的方格網，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行於XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與數字地面模型表面的交點的計算公式，將格網的四個角點投影到數字高程模型得到投影線與數字地面模型的交點(X′iY′iZ′i)，以下的計算步驟同製作正射影像的ii到vi步；(4)將奇數片製作的數字正射影像按照地面坐標將其鑲嵌成一個無縫區域，同時記錄每一張數字正射影像在鑲嵌後的數字正射影像的區域範圍；(5)點對點構造可量測的無縫立體模型。
全文摘要
本發明公開了一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數生成可量測無縫空間立體模型的步驟按照沿航帶的方向對航空像片進行順序編號；利用數字地面模型，用單號片1、3、5...片製作正射影像；利用數字地面模型，用雙號片2、4、6...製作正射影像的輔助片，將奇數片製作的數字正射影像按照地面坐標將其鑲嵌成一個無縫區域，同時記錄每一張數字正射影像在鑲嵌後的數字正射影像的區域範圍；點對點構造可量測的無縫立體模型。使用本發明所構造的立體模型突破了攝影測量中立體像對範圍的局限，不需攝影測量的專業知識即可方便構建和使用，能夠真實的恢復和再現攝影時的三維地形景觀模型，可以進行無縫的立體漫遊和瀏覽，並且可以在模型上進行三維量測和信息採集。可以為測繪、地質、林業、電力、城市規劃、公路和鐵路設計等其它相關行業使用。
文檔編號G01C11/28GK1412524SQ0214775
公開日2003年4月23日 申請日期2002年11月28日 優先權日2002年11月28日
發明者王密, 李德仁, 龔健雅 申請人:武漢大學