CN102509354A

CN102509354A - 一种与影像同步变化的投影数字高程模型制作方法

Info

Publication number: CN102509354A
Application number: CN2011103543114A
Authority: CN
Inventors: 张祖勋; 胡翔云; 朱俊锋; 孙明伟
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN102509354B

Abstract

本发明涉及一种与影像同步变化的投影数字高程模型制作方法，提供一种联合影像内外方位元素、DEM数据和DSM数据，生成与影像对应的数字高程模型的方法，可以让二维影像上点的位置与该模型的三维坐标一一对应，精确获得对应点位的真实高程值和平面坐标。应用本发明技术方案，对于任何一个影像都可以得到它对应的表面坐标和地面坐标，从而可以利用正射影像测图而不使用立体影像观测。

Description

一种与影像同步变化的投影数字高程模型制作方法

技术领域

本发明涉及一种与影像同步变化的投影数字高程模型制作方法。

背景技术

众所周知，我们可以利用相机摄影，将三维真实世界纪录在二维相片之中，通过相片，我们可以从2维的角度去观察世界，但是如何从单张相片中了解到相片所纪录的物体的高程信息呢？如果我们能够从相片中直接得到其对应的物体的高程信息，将大大促进测绘领域获得数字线划图，正射影像的速度和效率。这一点现有的技术还无法做到。

从20世纪90年代初期至今，机载激光雷达已经走过了将近20年，现今大多数Lidar系统都搭载了一个相机，用来纪录测图中的影像信息，为后期的DOM（数字正射影像）的制作提供可能。另外机载Lidar系统（机载雷达系统）也提供了POS系统（高精度定位定向系统），可以得到摄影时刻的方位元素，而Lidar系统可以快速获取大量的地物点，方面获取地物的高程信息，这些技术为我们生成与影像点位同步变化的高程模型提供了可能。

现今存在的高程模型主要有两类，一是DEM（Digital elevation Model数字高程模型），一是DSM(Digital Surface Model数字表面模型)。

DEM是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM（数字正射影像图）或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。

DSM是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和DEM相比，DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息，DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。在一些对建筑物高度有需求的领域，得到了很大程度的重视。其最真实地表达地面起伏情况，可广泛应用于各行各业。

与DSM同步的影像应该为真正射影像，获得真正射影像还处于理论研究阶段。现在生产过程中的正射影像是由DEM做为模型生成的，所以生成的正射影像点位与高程除了在少数裸露地面处外，其他地方都不是一一对应的，可以说现在的正射影像由于并未消除投影差，在存在地物的地方，无法获得地物对应的真实坐标。

发明内容

本发明主要是解决存在的上述问题，提供一种联合影像方位元素和物方三维点云数据，生成与影像对应的数字高程模型的方法，可以让二维影像上点的位置与该模型的三维坐标一一对应，精确获得对应点位的真实高程值和平面坐标。

本发明的技术方案为与影像同步变化的投影数字高程模型制作方法，包括以下步骤：

步骤1，导入影像内外方位元素、数字高程模型和数字表面模型；所述影像内外方位元素包括相机内方位元素x₀和y₀、相机焦距f、影像的外方位线元素X_s、Y_s、Z_S和外方位角元素

、

；

步骤2，数字表面模型中每个物方点

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE004

与摄影中心之间构成的连线记为

，连线

与数字高程模型的交点记为

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE008

，基于共线方程求出交点

的平面坐标，用所得交点

的平面坐标

代替相应物方点

的平面坐标，得到点

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE014

；

所述的共线方程是以下公式

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE016

求出交点

的平面坐标

则采用以下公式

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE017

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE018

其中， x，y为影像点的坐标，f为相机焦距，X、Y、Z为对应影像点的空间三维坐标

，X_s、Y_s、Z_S为影像的外方位线元素，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为根据外方位角元素、、

所得的旋转矩阵参数，x₀、y₀为相机内方位元素；

步骤3，将步骤2所得数字表面模型中每个物方点相应的点

构成的点云，按步骤1所导入数字高程模型的格网间隔进行划分，然后在同一格网内只保留高程最高点；

步骤4，利用步骤3在每个格网内保留下来的高程最高点构建不规则三角网，并将不规则三角网转化为规则格网形式的数字高程模型，得到与影像点位同步变化的投影数字高程模型。

而且，所述数字表面模型采用物方点云数据。

因此，本发明具有的优点是：对于任何一个影像都可以得到它对应的表面坐标和地面坐标，使得利用正射影像测图而不使用立体影像观测成为可能。该模型也可以用于真正射影像的制作等。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供投影数字高程模型制作方法，为数字影像上的点赋予对应位置的高程。参见图1，在具备较高质量的DSM与DEM数据的情况下，可准确计算出房屋屋顶在正射影像上的投影位置。如图1所示，

为摄影中心，从摄影中心进行中心投影。

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE021

为DSM上的点，假定其坐标为

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE022

。摄影中心

与点

的连线构成摄影光线

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE023

，

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE024

为摄影光线

与DTM面的交点，假定其坐标为

。如图下方所示数字正射影像上不同点位的高程变化，令点坐标为：

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE027

，算出所有DSM上的点对应的点，可得到影像同步变化的投影数字高程模型，投影数字高程模型可反映出正射纠正影像上屋顶、树木等地物的残余高程差的投影分布，从而使得从二维影像上直接进行测绘地图成为可能。物方点云数据是DSM的一种，具体实施可以采用物方点云数据。

本发明技术方案可以采用计算机软件技术实现自动执行流程。以下结合图2和实施例详细说明本发明技术方案。实施例的流程包括以下步骤：

步骤1，导入影像内外方位元素、数字高程模型（DEM）和数字表面模型（DSM）；所述影像内外方位元素包括相机内方位元素x₀和y₀、相机焦距f、影像的外方位线元素X_s、Y_s、Z_S和外方位角元素

、、

。

如果采用卫星影像，可用RPC参数代替影像内外方位元素。物方点云数据是数字表面模型（DSM）的一种，一般使用物方点云数据即可。

具体实施时，可以组织各数据文件，生成一个工程文件。导入工程文件后，读取工程文件即可获取数据信息，从而可以进一步读取所需数据。所述数据信息可以包括影像外方位元素文件路径，相机参数信息，DEM文件路径信息，DSM文件路径信息以及相关的系统参数等。

步骤2，利用步骤1导入的影像内外方位元素、数字高程模型（DEM）和数字表面模型（DSM），基于共线方程求出每个物方点和摄影中心之间的连线与DEM的交点平面坐标，用得到的交点的平面坐标代替该物方点的平面坐标。

实施例将数字表面模型（DSM）中每个物方点

与摄影中心之间构成的连线记为，连线与数字高程模型（DEM）的交点记为

，基于共线方程求出交点

的平面坐标

，用所得交点

的平面坐标

代替相应物方点

的平面坐标，得到点

。具体实施时，可以利用共线方程，逐个将DSM中的三维点和摄影中心直接的连线与DEM求交，得到交点三维坐标。

所述的共线方程是以下公式

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE029

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE030

求取每个物方点与摄影中心之间连线与数字高程模型的交点坐标则采用以下公式

Figure 2011103543114100002DEST_PATH_IMAGE032

，X_s、Y_s、Z_S为影像的外方位线元素。a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为根据外方位角元素

、、

所得的旋转矩阵参数，具体获取参数值的实现可参见共线条件方程的相关文献。x₀、y₀为相机内方位元素，即像主点的偏移量。

步骤3，将步骤2所得数字表面模型（DSM）中每个物方点相应的点

构成的点云，按步骤1所导入数字高程模型（DEM）的格网间隔进行划分。同一格网内，只保留高程最高点。实施例根据步骤2得到的交点平面坐标建立格网索引，格网的大小与步骤1导入的DEM的格网大小一致，判断落在同一格网内的点的高程，每个格网只保留高程最高的点。

步骤4，利用步骤3在每个格网内保留下来的高程最高点构建不规则三角网，并将不规则三角网转化为规则格网形式的数字高程模型，得到与影像点位同步变化的投影数字高程模型（IESM）。

实施例将步骤3中保留的点内插构建成不规则三角网，再将该不规则三角网内插值成与步骤1所导入DEM等间隔的栅格形式的高程模型，即得到本发明的影像点位同步变化的高程模型，可记为IESM。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种影像同步变化的投影数字高程模型制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

ω、κ；

步骤2，数字表面模型中每个物方点P_DSM(X_DSM，Y_DSM，Z_DSM)与摄影中心S之间构成的连线记为SP_DSM，连线SP_DSM与数字高程模型的交点记为P_DEM(X，Y，Z_DEM)，基于共线方程求出交点P_DEM的平面坐标(X，Y)，用所得交点P_DEM的平面坐标(X，Y)代替相应物方点P_DSM(X_DSM，Y_DSM，Z_DSM)的平面坐标，得到点P(X，Y，Z_DSM-Z_DEM)；

所述的共线方程是以下公式

x - x_{0} = - f * \frac{a_{1} * (X - X_{s}) + b_{1} * (Y - Y_{s}) + c_{1} * (Z - Z_{s})}{a_{3} * (X - X_{s}) + b_{3} * (Y - Y_{s}) + c_{3} * (Z - Z_{s})}

y - y_{0} = - f * \frac{a_{2} * (X - X_{s}) + b_{2} * (Y - Y_{s}) + c_{2} * (Z - Z_{s})}{a_{3} * (X - X_{s}) + b_{3} * (Y - Y_{s}) + c_{3} * (Z - Z_{s})}

求出交点P_DEM的平面坐标(X，Y)则采用以下公式

X = Z * \frac{a_{1} * x + a_{2} * y - a_{3} * f}{c_{1} * x + c_{2} * y - c_{3} * f}

Y = Z * \frac{b_{1} * x + b_{2} * y - b_{3} * f}{c_{1} * x + c_{2} * y - c_{3} * f}

其中，x，y为影像点的坐标，f为相机焦距，X、Y、Z为对应影像点的空间三维坐标(X，Y，Z_DEM)，X_s、Y_s、Z_S为影像的外方位线元素，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为根据外方位角元素

ω、κ所得的旋转矩阵参数，x₀、y₀为相机内方位元素；

步骤3，将步骤2所得数字表面模型中每个物方点相应的点P(X，Y，Z_DSM-Z_DEM)构成的点云，按步骤1所导入数字高程模型的格网间隔进行划分，然后在同一格网内只保留高程最高点；

2.如权利要求1所述影像同步变化的投影数字高程模型制作方法，其特征在于：所述数字表面模型采用物方点云数据。