CN101073262A - 航摄照片三维虚拟模型算法及其建立 - Google Patents

Abstract

一种用计算机来处理存储于计算机内的多个数字图像的方法。数字图像来自各区域的照片。照片取自不同的方向。该方法包括显示图像，并选择出倾斜图像的图像点，使数字图像内的对应图像点同步，从而使第一图像内所选择的图像点与其它图像内对应的同步图像点具有相同的全球坐标。该方法适用于地理测量，方法是选择一个低于第一图片点的图片地面点；计算垂线上的全球坐标，垂线从图像地面点来纵向延伸，在垂线上选择出第一图像点之后，基于垂线上的全球坐标而在第一图像点上计算全球坐标。该方法还用于显示三维物体，从图片来裁切表面，并将该表面粘贴到物体上。

Description

航摄照片三维虚拟模型算法及其建立

技术领域

本发明涉及采用摄影技术来测量二维倾斜照片，并提供一种基于二维倾斜照片的三维模型。

背景技术

传统上，利用正交摄像来进行大地摄影，其中，摄像机向下正交指向地面。正交照片易于定标，从而测量水平距离。然而，正交照片不足以进行地形测量或高度测量，因为不能得到足够的高度信息。为此，采用其它方法来获得高度信息，比如雷达或配用正交照片。高度信息一般作为数字地形模型来存储于计算机内。传统上，一般采用高度信息与正交航空照片的组合来形成地图。典型的传统技术参考地形测绘领域，比如美国专利4,686,474及美国专利5,247,356。

摄影术是一种测量技术，其中，通过测量一个或多个照片，来确定三维物体上点的三维坐标。该技术用于不同领域，比如地形制图、建筑、工程、警方调查、地质勘探及医用领域。摄影技术需要以倾斜角来摄影，从而提供高度信息。摄影技术的挑战来自于倾斜照片不易于定标这一事实。比如，来自于倾斜照片前景的图像似乎远大于同一照片的背景图像。

图1表示摄影计算中坐标轴10的传统技术。坐标X及Y代表地理坐标，比如平行于地面的水平面距离。坐标Z表示高度，比如海拔高度(Z＝0)。摄像机位于坐标(X_c，Y_c，Z_c)。摄像机的角坐标由旋转角[Ω][Ф]及[K或k]来表示。[Ω]是X轴的旋转角，[Ф]是Y轴的旋转角，[K]是Z轴的旋转角。术语“摄像机坐标”用来表示位置坐标(X_c，Y_c，Z_c)及三个旋转角度。光线103a是来自物体105上点P(X，Y，Z)的光线。光线103a进入摄像机，并在图像面107上以点P’(X_p，Y_p)来形成图像。摄像机的焦距已知。摄像机一般具有较低的摄像失真，该失真已知并通过后续计算来消除。航空摄像的角度一般多变，在机翼下通常为20°～70°。

可以用相机来摄像，或采用不用于摄像测量的数字或模拟摄像机。对于相机而言，采用胶卷，用准确的扫描仪来扫描照片。对于摄像机而言，采用摄像机来摄像。术语“内部定向”表示二轴系统之间的2D坐标变换，即摄像坐标系统(比如微米胶卷)与数字图像坐标系统(已知尺寸的像素)之间的变换。对胶卷照片而言，“内部定向”按下式来计算。对其它的摄像而言，内部定向是模拟的：

对下列系数a₀、a₁、a₂ b₀、b₁、b₂而言，

x_p＝a₀·x_i+a₁·y₁+a₂，y_p＝b₀·x₁+b₁·y₁+b₂，其中，x_i、y₁是图像坐标，x_p、y_p是匹配图像坐标。

操作者在图上作出至少三基准标记，并输入图像坐标系统的坐标。如果多于三个基准标记，则至少可采用平方调节。操作者形成校正报告，包括相机镜头失真及定向。

术语“外部定向”用来解决相机坐标、相机位置(X_c，Y_c，Z_c)及相机的三维定向角Ω、Ф及K。操作者输入相机焦距f。操作者在倾斜数字图上选择至少三个地面控制点及已知全球坐标的正交照片的地面控制点。三个控制点的全球坐标由勘探而知。对各控制点j，一般从正交图片或地图上来获得地理坐标Xt_j、Yt_j，并从计算机内的数字地面模型上来获得高度Zt_j。

以下解算共线性(CE)算式：

$x_p=x_0-f\frac{m_{11}(\mathrm{Xt}-X_c)+m_{12}(\mathrm{Yt}-Y_c)+m_{13}(\mathrm{Zt}-Z_c)}{m_{31}(\mathrm{Xt}-X_c)+m_{32}(\mathrm{Yt}-Y_c)+m_{33}(\mathrm{Zt}-Z_c)}$

$y_p=y_0-f\frac{m_{21}(\mathrm{Xt}-X_c)+m_{22}(\mathrm{Yt}-Y_c)+m_{23}(\mathrm{Zt}-Z_c)}{m_{31}(\mathrm{Xt}-X_c)+m_{32}(\mathrm{Yt}-Y_c)+m_{33}(\mathrm{Zt}-Z_c)}$

x_p、y_p是摄像坐标，Xt、Yt是全球物体坐标。

x₀、y₀来自于相机校正报告，或者由基准坐标来计算。

M表示矩阵：

m₁₁＝cosφcosk

m₁₂＝sinΩsinφcosk+cosΩsink

m₁₃＝-cosΩsinφcosk+sinΩsink

m₂₁＝-cosφsink

m₂₂＝-sinΩsinφsink+cosΩcosk

m₂₃＝cosΩsinφsink+sinΩcosk

m₃₁＝sinφ

m₃₂＝-sinΩcosφ

m₃₃＝cosΩcosφ

有六种未知参数或相机坐标，每当操作者在倾斜图上选择一个地面控制点时，便在正交图上形成二个等式，从而需要对所有的未知参数解决三个地面控制点。

计算过程采用泰勒扩展线性等式，首先，假设六个未知值的初始值，然后至少利用平方调解，来逐个解算线性等式，从而改善六个未知参数的结果，直到达到预定的阈值。取得答案后，用精确的报告(驻留)来检查该答案，从而改变/取样附加控制点，并实体检查随机选择的多个点，从而通过指向正交图片并检查倾斜图片的精度，来检查定向精度。

传统的摄影技术采用基于三角无规则网络(TIN)模型的数字地形模型(DTM)倾斜航空摄影。TIN模型于1970年开发，是一种根据一组无规则空间点来建立表面的简单方法。无规则空间取样点可以与地面相匹配，在粗糙地面上取多个点，而在平整地面上则取少量的点。因而，无规则空间取样更有效。在TIN模型中，通过线条来连接取样点，从而形成三角形。在各三角形中，表面通常由平面来表示。通过采用三角形，各马赛克表面可匹配相邻点。该表面将是连续的，因为各三角形的表面由三个边角点的高度来形成。

另一种类型的数字地形模型是光栅数字地形模型。光栅DTM是一种矩形栅，具有多个区域及清晰度。各光栅内的各像素“覆盖”全球的一个区域r×r[m²]，而且其灰度值对应于地面的中心高度。

在传统的倾斜航空摄影技术中，在相机坐标确定之后，操作者可在正交图上选择地理坐标，从而利用所存储的TIN DEM来求解CE等式，从而获得对应的图像坐标或照片坐标。

传统的倾斜航空摄影技术的测定能力是有限的。图2表示传统技术的水平距离测量。图2中，在203实体中选择一个图片点201，比如根据相机位置101至对应于图片点201的实体点，来确定并计算出光线103。用于测量(以及用于根据DTM来获得高度)的地理坐标从光线103与地面相交的点205开始。对倾斜角而言，接近于正交，该计算方法较精确。然而，对其它角度而言，传统技术方法会产生误差。比如，对于沿着建筑物顶部来进行水平测量而言，光线103将与高于建筑物顶部几米的地面相交。所测量的水平距离H基于光线103与地面相交的地面距离，因而该测量具有误差，因为它会产生立体失真及光线103到达地面的实点与建筑物顶部之间的高度的实际差异。

因而，需要一种比传统技术更好的方法，在倾斜图上更准确地测量距离。此外，最好能有一种方法，它参照从一个倾斜图片至另一个图片的全球坐标，包括来自同一区域但不同方向的倾斜图片。此外，还需要一种方法，用于建筑基于精确测绘技术的三维物体，从而从各显示窗及/或其它标准格式计算机应用上来观察三维物体。此外，还需要有一种方法，用于从倾斜图片上来斩切表面，并使表面与三维物体相结合，从而形成实体的虚拟三维模型。

参考：

http://en.wikipedia.org/wiki/Photogrammetry

术语“地理坐标”表示一对坐标、位置坐标或角度坐标，比如，高度及长度，它确定一个地理位置，一般在地球的表面上。术语“地理区域”或“区域”包括人造物体，比如，建筑物及道路。术语“地理测量”包括测量人造物体及自然地形。术语“全球坐标”或“三维坐标”表示地理坐标及第三坐标，比如，在地球或其它星球表面上确定位置的高度。术语“倾斜”表示不是物体实体轴线的方向，比如，与地面既不正交也不平行。术语“物体”表示实际空间比如建筑物内的物体。术语“物体”或“三维物体”表示虚拟物体，比如数据结构，即，处于物体表面上的向量物体。术语“实体”或“三维实体”表示至少部分物体的图片。术语“低于”表示更低的高度。比如，一个点(X，Y，O)低于(X，Y，Z)。术语“显示图片”表示显示一层数字图片。在本发明中，“物体”作为一层实体来显示。术语“摄影”包括用于本技术的任何种类的摄影，包括胶卷、数字摄影，比如CCD，以及视频摄影。术语“数字地形模型”及“数字高度模型”在这里可以互换。

发明内容

根据本发明，提供一种存储于计算机内的计算机数字图像的处理方法。该数字图像来自于各地理区域的图片。从多个方向来拍摄图片。显示与倾斜拍摄的第一图片相对应的第一图像。同时显示同一区域的另一数字图像。选择出第一图像的图像点之后，对应图像点便与另一个其它数字图像同步。第一图像内所选择的图像点与其它图像内对应的同步图像点具有相同的全球坐标。在使各数字图像的至少之一同步之前，基于各数字图像内的三个或多个控制点来计算相机坐标。控制点的地理坐标预先已知。同时计算出图像点及对应图像点的全球坐标。通过在一个或多个显示数字图像内选择其它图像点，来建立一种输出物体。同步过程最好包括逐项评估所选择的图像点的地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从区域的数字高度模型来接收所评估的高度值。数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，预先确定第一地理的各相机坐标及其它图像。光栅数字高度模型最好存储于计算机的存储器内。当向光栅数字高度模型内输入任何地理坐标后，光栅数字高度模型便返回一个对应的高度值。在数字图像之一同步之前，在数字图像上选择出三个或多个控制点，并预先确定控制点的各地理坐标。从光栅数字高度模型来获得各高度值。计算出相机的相机坐标，它形成基于控制点的图像。确定出一个或多个数字图像的图像方向，通过相机位置与所选择的图像点之间的向量来确定地理方向；通过在地理方向与地理方向之间进行比较，来选择数字图像。通过选择低于第一图像点的图像地面点，在第一图像点与第二图像点之间的一个或多个图像上进行测量；计算垂线上的至少一个全球坐标，垂线从图像地面点来纵向延伸。在垂线上选择出第一图像点之后，基于垂线上的全球坐标而在第一图像点上计算全球坐标。如果测量是一种水平距离测量，则选择第二数字图像点，从而计算出第二图像点的地理坐标。而如果测量是一种垂直距离测量，则选择第二数字图像点，从而计算出第二图像点的高度。如果所选择的图像点处于三维实体上，且至少部分可见第一图像，并显示出三维实体的不同方向的不同观察，则在三维实体上选择出不同视点的图像点，从而与显示图像中的其它图像点同步，并显示出三维物体。

根据本发明，提供一种方法，用于利用存储并显示数字图像的计算机，来测量数字图像的图像点。数字图像来自于倾斜角图片。选择低于第一图像点的图像地面点，计算垂线上的至少一个全球坐标，垂线从图像地面点来纵向延伸。在垂线上选择出第一图像点之后，基于垂线上的全球坐标而在第一图像点上计算至少一个全球坐标。最好在所显示的图像上显示出垂线。计算过程最好包括逐项评估地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从数字高度模型来接收所评估的高度值，数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，预先确定第一地理的各相机坐标。最好在选择出第二测量图像点后，计算出第二图像点的至少一个全球坐标。

根据本发明，提供一种在计算机内建立三维模型的方法，其中，数字图像存储于计算机内。数字图像来自于各地理区域的图片。从多个方向来拍摄图片。所显示的数字图像选自于所存储的数字图像，并同时显示出来。所显示的数字图像各自包括来自三维物体不同方向的至少部分图片。在三维物体上，在一个或多个所显示的数字图像上选择图像点，从而与所显示的其它数字图像的图像点同步，从而显示出三维物体。图像点最好是三维物体的表面顶点，边观察二个或多个所显示的数字图像的连接性，边建立三维物体。图像点最好包括三维物体的多个表面顶点。通过计算顶点的全球坐标来切割顶点，从而形成一个带有顶点的多面体。将顶点粘贴到三维物体上，从而形成三维物体的顶点。最好将三维物体输出到一个新的显示窗口内、计算机的其它应用或换成标准格式。对至少一个图像点而言，在图像点下选择图像地面点，计算垂线上的全球坐标，垂线从图像地面点来纵向延伸。在垂线上选择出第一图像点之后，基于垂线上的全球坐标而在图像点上计算全球坐标。对于至少一个图像点而言，逐项评估地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从数字高度模型来接收所评估的高度值，数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，预先确定所述图像的各相机坐标。

根据本发明，提供一种机读程序存储装置，它体现出机器执行指令程序，从而实施用于实施所述方法的方法。

附图说明

以下结合示例及附图，来说明本发明：

图1表示用于摄影计算的坐标系统的传统技术。

图2表示传统技术测量方法。

图3是本发明实施方式的流向图。

图4a是在计算机上显示出的正交图的简化图。

图4b表示本发明实施方式，表示在选择了倾斜图像后计算机显示的第二视图。

图5表示本发明实施方式的倾斜图像选择方法。

图6是本发明实施方式的计算机显示简化图，表示建立三维模型及表面斩切的方法。

图7表示本发明实施方式的斩切面。

具体实施方式

本发明是一种系统及方法，用于基于二维倾斜摄影来提供测量及三维模型。该系统及方法包括一种摄影算法，与光栅数字高度模型相组合。光栅数字高度模型与TIN模型不同，可迅速检索高度值而没有过量的计算量，可从一个倾斜图像向同一区域的另一个来迅速参照全球坐标。当同一区域的不同视图与同一显示一同记录后，操作者便可在倾斜图像上建立实体的三维虚拟模型。

应注意的是，尽管本讨论涉及典型的一米清晰度摄影及数十米清晰度数字地面模型，但本发明还可以采用不同的范围，清晰度可以更高或更低。

在讲解本发明实施方式之前，应注意，本发明的应用不限于下列说明或附图的内容。本发明也可以有其它实施方式，可以有各种执行方式。本文中的术语及用词只用于说明，不应构成限定。

本发明的意图是：提供一种计算方法，从存储于计算机内的各种邻近重叠的地理区域的大量数字图像中选择一个地理区域的倾斜数字图像。选择了倾斜图像后，本发明的另一意图是，提供一种方法，在一个二维倾斜数字图像中选择一个点，并与同一全球坐标的其它的数字图像及图像点同步。本发明的另一意图是，提供一种精确的测量方法，用于在倾斜数字图像上进行水平、垂直及空中距离测量。本发明的另一意图是，使操作者建立一种虚拟输出物体，其具有定标尺寸，且对应于倾斜图像的实体尺寸。本发明的另一意图在于，从二个或多个倾斜数字图像上斩切表面，并结合三维物体的表面，从而建立物体的三维虚拟模型。

本发明适于各种用途，包括出租车计价及代码保护、城市基础设施计划、土地登记及管理、军事安全、反恐及特警行动、紧急救援、航空、海港、人群转移终端、发电厂及政府设施。

以下参照附图及说明，来理解本发明的基于二维倾斜图像来提供测量及三维模型的系统及方法的原理与操作。

图3是过程30的流向图，表示本发明的多种实施方式。过程30从在计算机内存储倾斜图像(步骤301)开始。所存储的大量倾斜图像可超过数十万。存储数字高度模型(DEM)(步骤309)。DEM是一种光栅DEM。还在计算机内存储同一地理区域的传统地图或正交图片(步骤307)。如上所述，倾斜图片不论是通过传统的胶卷摄影来产生的，还是通过数字摄影来产生的，均在内部定向(步骤303)，并进行外部定向(步骤305)。步骤301-309作为本发明实施方式所要求的预处理(步骤31)的一部分。参见图4a及4b，该图表示本发明的实施方式。当处理过程31结束后，操作者采用安装在计算机内的应用程序，并利用程序存储装置，在计算机显示屏上进行显示出(步骤311)部分地图或正交图片40。操作者对正交图片40的点401感兴趣，因而他利用计算机的输入装置来选择点401，比如鼠标。从许多图片中选择来自于倾斜航摄图片的倾斜数字图片42N、42S、42E及42W(步骤315)，比如100000个存储图片，并显示出来(步骤317)，最好各自在计算机的显示装置上分别显示。数字图像42(步骤317)处于其窗口内，因而实体44及全球坐标点401处于窗口的中心。同样，正交图片40最好处于点401周围。用户可利用变焦(步骤321)、手动工具(步骤322)及/或标记工具(步骤323)来处理图像42。变焦(步骤321)可放大窗口内的图片，手动工具(步骤322)可在窗口内转移图片42。在使用标记工具(步骤323)中，在图片42上拖动鼠标，在显示于其它窗口内的其它图片42上发生同步改变。

根据本发明实施方式，在一个倾斜图片42上选择图片点，并要求同步，比如，在具有同一全球坐标的另一显示图片上标出(步骤323)对应的图片点，以作为所选择的图片点。与倾斜图片42的同步需要反解共线等式。逐项实施这种反解。当在倾斜图片42上选择出图片点后，利用内部定向来获得图片坐标(x_p，y_p)。图片坐标用来作为基础，以评估实体地理坐标(X_t，Y_t)的初始值。所评估的地理坐标用来从所存储的DEM光栅(步骤309)获得高度值Zt。从DEM获得的高度值用来获得下一个地理坐标。由于反解过程，因而具有采用DEM光栅的优势，而不是采用基于TIN模型的DEM，因为采用TIN模型需要找出各新高度值，因而基于DEM的TIN计算需要更多的时间。由于TIN模型基于不规则点，而且用于任意一组地理坐标，因而需要大量时间来找出用来计算高度坐标的正确的三角形。

数字高度模型(DEM)光栅(步骤309)

根据本发明实施方式，DEM光栅图片用来计算给定的(X，Y)地理坐标的高度(Z)值。光栅大小取决于所希望的地理区域及操作者所希望的清晰度。光栅中的各像素“覆盖”全球的一个区域r×r[m²]，而且其灰度值对应于地面的中心高度。如果灰度值降低，则阴影便较轻，高度便较高。在选择灰度比例时，使已知地面点的高度达到最大或最小。如果需要计算特定X，Y坐标的Z值，则从光栅中选择三个像素，从而使X，Y处于由三个像素形成的三角形之内，这三个像素最靠近点X，Y。三个点的高度(Z)值根据各灰度值来计算。利用3D全球空间三个点，即，x₁，y₁，z₁、x₂，y₂，z₂、x₃，y₃，z₃，来确定一个平面。在点之间选择二个向量，从而形成二个向量。横向乘积产生平面法线，从而确定所需的(X，Y)高度值。

基于已知的全球坐标来形成DEM光栅(步骤309)，比如，ASCII文件中规定的坐标。建立光栅的第一步是确定光栅边界及所需的清晰度。然后确定光栅大小，并向存储器分配阵列。

通过重复光栅像素，各像素j，i便形成基于已知点的灰度值，方式如下：

利用光栅的宽度、高度及清晰度，并通过线性转换，来计算出像素的x，y全球坐标。XY平面分为多个小块，比如八个，并确定各像素的n个接近点。通过选择n＞3，可获得良好的结果。对各点加权，即加上相距点x，y的距离，计算出加权平均值，从而获得z值。对z值分配一个灰度比例，并分配给光栅中的像素j，i。加权函数的示例是

其中，d是至x，y的距离。

图片模型：

所存储的数字信息的格式最好是增强型压缩波(ECW)，该图片格式可压缩图片至50∶1，而且信息失真量极小。ECW(以及类似的乘积)的主要问题在于，请求图片42与接收到图片之间的时间长度过大。尤其当采用手动工具(步骤322)及/或标记工具(步骤323)，而ECW文件迅速需要新信息而且需要用变焦工具(步骤321)或鼠标轮来改变变焦程度时更是如此。存储器内的软件保持各窗口j的ECW显示内容。

每当新信息从ECW文件到达时，便修正该图片I_j，其尺寸与窗口尺寸相同。软件还保持全部图片的副本及清晰度，一般从jpeg文件来加载，但如果jpeg文件丢失，则从ECW文凭来计算图片。

变焦工具(步骤321)

如果采用鼠标轮来变焦，则将保持图片中心，为了迅速反应用户动作，应用程序将请求正确的部分及正确的焦点，但直到该信息到达为止，应用程序最好从所显示的I来计算出分图片。

在移近时，应用程序放大I，并充满整个窗口。在移出时，应用程序保持I，并计算出较小的显示图片。此时，没有图片边界。当新信息到达时，新信息便显示在窗口内。如果另一个变焦行为比如鼠标轮转动，则在ECW信息到达之前，取消之前的请求，处理新请求并显示出I。

手动工具(步骤322)

在等待ECW信息期间，如果用户“拖动”视窗，则部分图片I便复制并显示在右侧。如果用户进行其它动作，则旧请求便取消，新请求将出现，从而进行其它I计算并显示出来。

标记工具(步骤323)

如果在一个窗口内使用标记工具(步骤323)，则所有其它的窗口将选择(步骤315)图片42，并根据当前的焦点及窗口尺寸，在窗口内显示出(步骤317)各图片42。各窗口的图片42最好同步，从而可从所有窗口的不同图片42上见到整体44。用户可使用标记工具(步骤323)，比如点击窗口，或者在窗口内移动鼠标，同时按下左键。这二种场合的方式相同，用户需要点击鼠标左键，然后移动鼠标(在第二种场合下零移动)，并释放鼠标键。当用户点击鼠标，而且鼠标移动时，软件将显示出图片的下降清晰度版本。最后，当用户释放鼠标时，软件将从ECW文件来请求信息并显示(步骤317)。这样，可提高软件利用工具来反应的速度。当然，显示质量将下降，尤其当变焦程度增大时。如果用户压下鼠标键，但并不移动鼠标，则请求ECW文件，并显示出ECW。

图片选择(步骤315)及定中心(步骤317)

使用标记工具323时，在一个窗口内，所有其它窗口在窗口内均选择相应的数字图片42。数字图片基于变焦程度来选择(步骤315)，并显示出窗口尺寸。

根据本发明的实施方式，所有窗口均同步，因而可在所有窗口内，从不同的数字图片42上见到同一实体44。数字图片42最好包括(步骤315)所有的不同方向的视图。

参见图5，它表示本发明实施方式的数字图片42的选择方法(步骤315)。假设n是倾斜窗口的数量(图4b中，n＝4)。XY平面垂直分为N个501，各像素501适于各窗口。其目的在于，在窗口I中显示图片42，使图片42从第I个501的相机方向P来摄影。相机方向P是从相机X_c，Y_c至窗口中心实体44的方向，其处于全球坐标X_t，Y_t上。图5中，六个相机方向P1-P6用于不同的倾斜摄影。只有三个区域501具有适当的方向。在正交图片40上使用标记工具323时，从鼠标位置相对于当前视图、图片部分及当前窗口大小来进行线性转换，从而计算X，Y全球坐标。主要考虑是如何选择各窗口的不同倾斜图片42，对于一定的图片及窗口，计算出应在窗口的中心处显示出哪个图片点。在倾斜窗口上使用标记工具时，首先需要找出鼠标光标所指向的图片点，通过从鼠标坐标向图片坐标X_i，Y_i的简单转换，便可做到这一点。对于指定的X_i，Y_i，需要找出匹配地形坐标X_t，Y_t。找出后，为其它窗口选择图片42，其定中心过程类似于正交图片40上的标记工具323。假设已知X_t，Y_t地理坐标，而且希望选择倾斜图片42，并在窗口上显示。对存储器内的各倾斜图片42，计算出相机位置方向，即从X_c，Y_c至X_t，Y_t。如果相机方向适于所规定的窗口方向，则计算从相机X_c，Y_c，Z_c至物体X_t，Y_t，Z_t的距离。在所有的图片42中，所选择的图片42的距离最小。选择了图片42后，通过采用共线等式，来使图片坐标X_i，Y_i处于窗口中心，从而接收图片坐标X_i，Y_i以及X_p，Y_p的内取向，从而接收图片坐标X_i，Y_i。现在的问题是利用倾斜图片坐标X_i，Y_i，来找出地形坐标X_t，Y_t。为解决这一问题：预先计算出DEM的平均高度Z_m(在光栅建立步骤309中)，通过X_i，Y_i的内部定向，来计算出X_p，Y_p。利用共线等式的Z_m，X_p，Y_p来计算Xt₁，Yt₁。通过利用光栅，根据Xt₁，Yt₁来计算Zt₁。如果Zt₁-Z_m的绝对值比阈值小，则采用Xt₁，Yt₁，Zt₁。否则，利用Zt₁，X_p，Y_p来重复该过程，此时，接收Xt₂，Yt₂，Zt₂，并检查Zt₂-Zt₁的绝对值。该过程通常重复4～5次。

根据本发明的另一实施方式，利用在预处理31中建立的特定数据来进行图片选择(步骤315)。对存储器内的各倾斜图片而言，在所存储的正交图片/地图上，覆盖不规则四边形特定区域。不规则四边形来自于倾斜图片的各种失真。建立一种有效的数据结构，从而对于特定的询问而言，包括地理坐标X，Y，数据结构可形成包括X，Y在内的特定的不规则四边形。

分层模型：

根据本发明的实施方式，应用程序在图片40及/或42上保持信息层面。信息层处于倾斜图片42之上。层面物体初置后，物体便接收图片40或42的尺寸参数。各层物体可包括距离、线路、向量、点及/或文本。层数据最好可读，并利用最少的时间显示在倾斜图片42上，因为用户经常改变所观察的图片42。

图片上各系统的线路可分段，也可以不分段。向量由n条图线来组成，各图线的坐标是Xi_j，Yi_j，Xi_j+1，Yi_j+1，其中，1≤j≤n。向量分成n个全球线，各线(除了最后一个)X_j，Yw_j，Zw_j，Xw_j+1，Yw_j+1，Zw_j+1的空中距离为1米，(对其它的段清晰度，该数字可变为其它数值)，可通过内外定向，来变为Xi_j，Yi_j，Xi_j+1，Yi_j+1。Zw_j，Zw_j+1来自于DEM或计算由线Xw₁，Yw₁，Zw₁，Xw_n+1，Yw_n+1，Zw_n+1规定的线等式得出。图片42分为2D块，根据图位置，各图线绘成一个或多个块。如果图线多于一个块，则将线分为几段，并匹配块，从而使图线分块。

通过计算并显示全部或部分可见的块，来显示层信息。这样，图线还需要画出。当前变焦增大后，需要画出少量的块(少量的线)从而可高度响应用户请求，以改变图片部位。当变焦量下降后，需要画出更多的块，当整个图片42保持时，所有的块均应画出。此时，根据可见图线数，应显示出层面的许多线，从而影响用户动作的响应性。如果应用程序注意到用户动作只涉及部分图片42，为消除这一问题，在层面绘制过程中，层面绘制过程被取消，而绘制图片42。如果变焦程度较高，则不必取消，因为可较快地绘制。

较小的光栅图片在背景上是透明的，而图线是半透明的。如果变焦程度较低，该光栅可在其它图片上迅速画出。该方法可改进用户动作的响应性，因为根据层面的线数，绘制时间不长。由于变焦程度低，因而精确的图线坐标不重要。该方法的不足是，当层面信息改变时，该光栅必须修正。比如当用户相对层面删除/增加线之时。

层面组织：

层面为块状。各块包括一个或多个层面。

该块是排列的，层面内各块是排列的。当图片42装入时，图片42便只保留一个块，这是不能被用户删除的一个系统层。用户可以改进并在一个图片42内连接一个或多个dxf文件。当dxf文件输入时，文件内的所有层面便装入一个新块内。该层面组织方法易于管理下列特性：隐藏/显示块的所有层面，改变块及块内层面的涂色顺序，移动一个层面或整个层面的块，向文件输出层内的块，并移动一个块。

比如，为改变涂色顺序，只需改变层块在存储器内的组织顺序。

层涂色：

当新信息从ECW文件到达时，层信息最好显示在图片信息上，然后显示在窗口内。涂色过程如下：ECW信息到达，并涂到分图B₀上。各层面i涂上分图B_i-1。

当用户使用手动工具或变焦工具时，由ECW文件来请求新信息。在图片信息的请求与到达之间，采用上述图片模型，并用从ECW文件到达的最后信息的临时图片在窗口内涂色。

假设所到达的新信息具有特定的变焦程度，该信息至少是全部图片的一部分。图片的左上坐标来自整个图片坐标tlx，tly，左下坐标来自坐标brx，bry，这些坐标具有一定的变焦程度，由ECW文件事先请求。

为了迅速反应用户请求，比如当用户迅速使用手动工具时，层面应迅速涂色。如果层面信息较大，而且变焦程度低，则需要大量时间。

下列大量技术用来减少该时间延迟，从而改进用户请求的反应：

-根据请求窗口内的块来层面涂色。这意味着，当层面涂色时，逐个通过的很多物体是实际物体，最终应涂色。部分可见图片块的物体除外。

-当观看请求占据大部分图片时(即，brx-tlx＞c₁，bry-tly＞c₂)，而且用户与工具交互作用，层面涂色便停止，窗口覆盖已涂色的层面。

-当窗口占据较小部分的图片时，(即，brx-tlx＜c₁，bry-tly＜c₂)，通常只需要少量的层面信息，因而可迅速涂色，并在不需要时停止涂色。

-为了达到更好的结果(从用户观看点出发)，应保持其它光栅图片，从而保留完整的层面图。该光栅图片应较小(一种方法是使用jpeg尺寸)，而且当层面为后台编辑时，应持续编辑，增加物体、删除或编辑物体。

各层可采用自己的光栅来涂色，而不是逐个通过可能含有多个物体的许多图片块。光栅图片应配有透明背景，从而在其它图片上涂色时，只能部分涂色。

测量工具的系统层面(步骤319)：

下列测量(步骤319)根据本发明实施方式，在不同的层面上实施：水平测量、垂直测量、垂直矩形测量、地形测量、空中距离-水平及对角测量。对各层面，有一种专用工具，用来在各层面内插入新线。参见图4b。根据本实施方式，用户希望在图片点403与405之间实施水平测量。利用三种选择，比如鼠标，来进行水平测量。在地面上图片点403之下选择地面点407。在图片点403上第二次鼠标点击，并在图片点405上第三次鼠标点击。第一次点击用来在地面点407上图片点403之下确定地形坐标X₁，Y₁，Z₁。第一次点击后，垂线409最好从X₁，Y₁，Z₁开始，并向上垂直延伸。由于第一次点击后X₁，Y₁已知，因而n次采用共线等式，来计算垂线409，每次均利用X₁，Y₁，Z_i，其中，Z_i＝Z_i+Δz·i，从而接收X_pi，Y_pi，(Δz是一个较小的常量)。在垂线409上进行第二次点击。点击时，图片坐标为Xi₂，Yi₂，利用内定向来使它变为X_p2，Y_p2。现在利用CE内的X_p2，Y_p2及X₁，Y₁来接收Z₂(图片点403的高度)。X₁，Y₁，Z₂是图片点403的全球坐标。现在在图片点405上进行第三次点击，从而产生Xi₃，Yi₃。再次利用内定向，从而得到X_p3，Y_p3。现在利用CE内的X_p3，Y_p3及Z₂来接收图片点405的全球坐标X₃，Y₃，Z₂。应注意的是，所需要的是第二次测量的坐标Z₂。如果处理水平小距离，则上述便是一种良好的假设。

根据本发明实施方式，垂直测量类似于水平测量。用户希望在图片点413与415之间实施垂直测量。用户首先利用比如鼠标，在地面上图片点413及415之下选择图片点411。采用共线等式来计算地面点411的全球坐标。垂线409显示在图片42S的层面上。用户选择图片点413，然后选择图片点415。X，Y在三次点击中均是全球坐标，在第二次及第三次点击中，只根据该坐标来计算高度(类似于水平工具)。

垂直矩形测量工具用来测量垂直于地面(比如测量街道路牌)的小矩形。在第一次地面选择时，需要选择四个图片点。三个第一次选择均与垂直测量相同。第一次地面点击产生垂线409，第二次及第三次点击在垂线409上进行，比如在街道路标的边角上进行。第四次点击在街道路标的另一个角上进行，从而计算出街道路标的全球坐标。

地形测量工具用于测量地形距离。二个选择在二个图片点上进行。计算出地面坐标X₁，Y₁，Z₁，X₂，Y₂，Z₂。新线插入地形层面内，计算出各段的距离并相加，从而找出路径长度。

空中距离测量工具用来计算二个坐标之间的空中距离。选择二个图片点。计算地面坐标X₁，Y₁，Z₁，X₂，Y₂，Z₂，用于进行选择。为水平空中层面而计算空中距离X₁，Y₁～X₂，Y₂，并为对角空中层面而计算距离X₁，Y₁，Z₁～X₂，Y₂，Z₂。

根据本发明实施方式，通过选择具有同一全球坐标的同步图片点的不同图片42，并利用二组或多组共线等式进行同时计算，来精确获得全球坐标。比如，参见图4b，用户在实体44S及44W上选择锥点。同步解算二组共线等式，从而精确地确定锥点的全球坐标。

建立层面对象(步骤325)

定向之后，完成3D摄影模型，从而可采用该模型来测量表面并建立摄影层面对象(步骤325)，通过根据全球坐标来确定各函数，从而匹配图片坐标。

参见图6，该图表示根据本发明实施方式来建立层面对象60的示例(步骤325)。表示正交摄影40的窗口最好靠近或处于背景之上。新显示窗口61开启。窗口61根据地理坐标来定标。实体44的各表面上标有字符A-E。矩形层面物体在各表面上倾斜显示。如果分层矩形与表面相吻合，则分层矩形便复制到窗口61上。通过重复所有的表面A-E，可建立层面对象60(步骤325)。

斩切表面(步骤333)

可以进行表面斩切，因为全球坐标上的表面多边形在图片空间内形成多边形。如果多边形顶点的全球坐标已知，则可对该多边形进行斩切。图6中，表面A被斩切(步骤333)，并粘贴到层面对象60上(步骤335)。

图7表示被斩切的倾斜图片表面的示例。点A及B是已知全球坐标的顶点，由于该表面在现实世界中是一个矩形，因而只需知道A，B，便足以了解整个表面位置。被斩切表面保留在图片文件内，比如分图(bmp)、jpeg(jpg)或tiff中。保留图片文件与顶点的全球坐标，从而形成表面。

可以直接处理表面，但是如何斩切(步骤333)整个建筑物表面？什么是建筑物？建筑物是连接在一起的一组表面。对于任何图片，某些建筑物表面被其它表面覆盖。因而对于复杂的模型，需要从建筑物各方向拍摄的多个图片。假设我们具有所有所需的从已知方向拍摄的图片。可以测量各图片的表面，并从各图片中或从各方向上斩切“最佳”表面。

在现实生活中，并非所有的物体都是精确的，在各图片42之间可能有定向及定位误差。此外，即使定向是精确的，也不能准确地测量表面，因为照片存在质量、清晰度甚至鼠标点击的问题。图片上一个像素的鼠标点击误差可以在现实世界中表现为一个放大的区域。如果用户从不同的照片来测量表面，则表面将不能互相对接。每二个邻近表面之间将存在间隙。为了避免在虚拟模型中产生间隙，最好在斩切表面(步骤333)之前，通过保留建筑物上所有表面之间的连接性，来建立(步骤325)层面对象60。这样，便可以尽量消除或减少过程30中的系统性及/或随机性误差。

上述内容只用于说明发明的原理。由于业内人士可随时进行各种修正及改变，因而不限制上述发明的结构及操作，因而，所有适当的修正等均属于本发明的范围。

这样，业内人士可知，本说明所基于的概念可用作旨在实施本发明的其它结构、方法及系统的基础。因而权利要求应包括这种内容，而不超出本发明的精神及范围。

以上结合有限的实施方式说明了本发明，但应知道，本发明的各种变动、修正及其它应用也是允许的。

Claims (25)

1、一种存储于计算机内的多个数字图像的处理方法，该数字图像来自于各地理区域的多个图片，其特征在于，从多个方向来拍摄图片，该方法包括下列步骤：

(a)显示所述数字图片的第一图片，所述第一图片对应于第一图像；所述第一图片倾斜拍摄；

(b)同时显示对应于至少一个其它图片的至少一个数字图像；

(c)选择出所述第一图像的图像点之后，对应图像点至少与另一个其它数字图像同步，其中，所述第一图像内所选择的所述图像点与所述至少一个图像内对应的所述同步图像点具有相同的全球坐标。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

在所述选择及所述同步之前，对于至少一个数字图片：

(d)基于所述至少一个数字图片内的至少三个控制点来计算所述至少一个图片的相机坐标，其中，所述至少三个控制点的地理坐标预先已知。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)同时计算所述图像点的所述全球坐标及所述对应图像点。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)通过在至少一个所述显示数字图像内选择至少一个其它图像点，来建立一种可输出物体。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择及所述同步过程包括逐项评估所述选择图像点的地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从区域的数字高度模型来接收所评估的高度值，其中，所述数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，预先确定所述第一照片的相机坐标及所述至少一个其它图像。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)光栅数字高度模型存储于所述计算机的存储器内，当向所述光栅数字高度模型内输入任何地理坐标后，所述光栅数字高度模型返回一个对应的高度值。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

在所述选择及所述同步之前，对于至少一个数字图片及至少一个照片：

(e)在所述至少一个数字图片上选择至少三个控制点，预先确定所述至少三个控制点的各图片坐标，并从所述光栅数字高度模型来获得各高度值；

(f)计算相机的相机坐标，它形成基于至少三个控制点的至少一个图像。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(f)确定至少一个数字图像的图像方向，通过所述至少一个数字图像的相机位置与所选择的图像点之间的向量来确定所述照片方向；

(e)在至少一个数字图像上从多个数字图像中进行选择，其中，所述选择基于地理方向与所述照片方向之间的比较。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)在至少一个所述的显示图像中的第一图像点和第二图像点之间进行测量，所述的测量包括以下子步骤：

(i)选择低于所述第一图像点的图像地面点；

(ii)计算垂线上的至少一个全球坐标，所述垂线从所述图像地面点来纵向延伸；

(iii)在所述垂线上选择出所述第一图像点之后，基于所述至少一个全球坐标，并在

所述垂线上，在所述第一图像点上计算至少一个全球坐标。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测量是一种水平距离测量，所述过程还包括下列步骤：

(iv)选择出所述第二数字图像点后，计算出所述第二图像点的地理坐标。

11、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测量是一种垂直距离测量，所述过程还包括下列步骤：

(iv)选择出所述第二数字图像点后，计算出所述第二图像点的高度。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所选择的图像点处于三维实体上，且至少部分可见第一图像，而且同步显示出所述三维实体的不同方向的不同观察，该方法还包括下列步骤：

(d)在所述三维实体上选择出多个视点的至少一个显示图像，从而与至少一个显示图像中的所述其它图像点同步，并通过所述三维物体显示出三维物体。

13、一种方法，用于利用存储并显示数字图像的计算机，来测量数字图像的图像点，数字图像来自于倾斜角图片，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选择低于所述第一图像点的图像地面点；

(b)计算垂线上的至少一个全球坐标，所述垂线从所述图像地面点来纵向延伸

(c)在所述垂线上选择出所述第一图像点之后，基于所述至少一个全球坐标，并在所述垂线上，在所述第一图像点上计算至少一个全球坐标。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)在所述所显示的图像上显示所述垂线。

15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述计算过程包括逐项评估地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从数字高度模型来接收所评估的高度值，数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，并预先确定所述照片的各相机坐标。

16、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(d)在选择出有关测量的第二测量图像点后，计算出所述第二图像点的至少一个全球坐标。

17、一种在计算机内建立三维模型的方法，其特征在于，多个数字图像存储于计算机内，数字图像来自于各地理区域的多个图片，从多个方向来拍摄图片，该方法还包括下列步骤：

(a)从多个所存储的数字图像选择所显示的多个数字图像，并同时显示所述多个数字图像，所显示的数字图像各自包括来自三维物体不同方向的至少部分图片；

(b)在所述三维物体上，在至少一个所显示的数字图像上选择多个图像点，从而与至少一个所显示的其它数字图像的图像点同步，从而显示出三维物体。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述图像点是所述三维物体的多个表面顶点，还包括下列步骤：

(c)边观察至少二个所显示的数字图像的至少二个表面的连接性，边建立所述三维物体。

19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述图像点包括所述三维物体的多个表面顶点，还包括下列步骤：

(c)通过计算所述顶点的至少一个全球坐标来切割所述表面，从而形成一个多面体；

(d)将至少一个所述表面粘贴到所述三维物体上，由此在所述三维物体内连接所述表面。

20、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

(c)将所述三维物体输出到一个可选择的新显示窗口内或计算机的其它应用程序程序。

[或其它标准格式]

21、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对于至少一个所述图像点，还包括下列步骤：

(c)选择低于所述至少一个图像点的图像地面点；

(d)计算垂线上的至少一个全球坐标，所述垂线从所述图像地面点来纵向延伸；

(e)在所述垂线上选择出所述至少一个图像点之后，基于所述至少一个全球坐标，并在所述垂线上，在所述第一图像点上计算至少一个全球坐标。

22、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对于至少一个所述图像点，还包括下列步骤：

(c)逐项评估所述至少一个图像点的地理坐标，并基于所评估的地理坐标，从数字高度模型来接收所评估的高度值，所述数字高度模型预先存储于计算机的存储器内，并预先确定所述图像的各相机坐标。

23、一种机读程序存储装置，体现出机器执行指令程序，从而在计算机内实施处理方法，以便处理存储于计算机内的多个数字图像，数字图像来自于地理区域的多个照片，其特征在于，照片取自于多个方向，该方法包括下列步骤：

(a)显示所述数字图片的第一图片，所述第一图片对应于第一图像；所述第一图片倾斜拍摄；

(b)同时显示对应于至少一个其它图片的至少一个数字图像；

(c)选择出所述第一图像的图像点之后，对应图像点至少与另一个其它数字图像同步，其中，所述第一图像内所选择的所述图像点与所述至少一个图像内对应的所述同步图像点具有相同的全球坐标。

24、一种机读程序存储装置，体现出机器执行指令程序，从而在计算机内实施处理方法，以便利用存储并显示数字图像的计算机来进行涉及数字图像点的测量，数字图像来自于倾斜拍照的照片，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选择低于所述第一图像点的图像地面点；

(b)计算垂线上的至少一个全球坐标，所述垂线从所述图像地面点来纵向延伸；

(c)在所述垂线上选择出所述第一图像点之后，基于所述至少一个全球坐标，并在所述垂线上，在所述第一图像点上计算至少一个全球坐标。

25、一种机读程序存储装置，体现出机器执行指令程序，从而在计算机内实施处理方法，以便在计算机内建立三维模型，其中，多个数字图像存储于计算机内，数字图像来自于地理区域的多个照片，其特征在于，照片取自于多个方向，该方法包括下列步骤：

(a)从多个所存储的数字图像选择所显示的多个数字图像，并同时显示所述多个数字图像，所显示的数字图像各自包括来自三维物体不同方向的至少部分图片；

(b)在所述三维物体上，在至少一个所显示的数字图像上选择多个图像点，从而与至少一个所显示的其它数字图像的图像点同步，从而显示出三维物体。

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