CN104457710B - 一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于非量测数码相机的数字摄影测量方法，包括如下步骤：直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行自检校空中三角测量，得到加密点基于原始影像的像方坐标、物方坐标、每张相片的外方位元素和非量测数码相机自检校模型参数；利用空中三角测量成果进行影像匹配生产DEM数据；利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据；根据空中三角测量成果对原始影像进行校正，得到校正后的影像；基于校正后的影像和外方位元素建立立体模型，基于立体模型生产DLG数据。本发明在生产DEM数据和DOM数据时，直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行空中三角测量，进而生产DEM数据和DOM数据，省去了原始影像校正处理环节，节省生产时间，提高作业效率。

Description

一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法

技术领域

本发明属于摄影测量技术领域，涉及利用数码相机进行航空数字摄影测量的方法，尤其涉及一种改变非量测数码相机进行数字摄影测量传统流程的方法。

背景技术

摄影测量技术是对利用非接触传感器获得被测物体的影像进行量测和解译，从而获得物体的诸如形状、大小和位置等信息的技术。传统的模拟摄影测量是在光学摄影获得的相片上进行量测，并用光学或者机械的方法还原摄影过程从而获得地面坐标信息；1976年德国蔡司厂制造生产了第一台解析测图仪，利用解析测图仪将模型上两侧的结果输入计算机进行处理，从此步入了解析摄影测量的阶段；而现今，随着计算机技术和数字图像获取、处理技术的发展，数字摄影测量成为了研究和实用的前沿。

国际上数码相机系统研制开发和应用的成果，充分显示了数码相机已经向传统的航空摄影发出了挑战。自国际最著名的测量仪器生产巨头蔡司和莱卡推出大幅面面阵和线阵航空数码相机DMC和ADS40以来，日本、奥地利和乌克兰等国家也先后研制出类似的产品，如TLS、UCD，DiMAC等，我国也推出SWDC相机用于航空摄影。然而，这些航空数码相机(即量测相机)价格昂贵，不适于其在发展中国家的大面积推广和应用。

而用于非量测目的的普通数码相机(即非量测数码相机)价格低廉，发展迅速，性能与操作上较灵活方便，随着数字图像处理、模式识别等理论和技术以及数码相机标定技术不断的完善，标定精度不断提高，普通数码相机已应用于计算机视觉、摄影测量等领域。目前，利用非量测数码相机影像进行数字摄影测量的传统方法包括如下流程：一是，对非量测数码相机获取的影像进行校正处理，得到校正后的影像(相当于量测数码相机的影像)；二是，利用校正后的影像进行空中三角测量，得到加密点基于校正影像的像方坐标、物方坐标、外方位元素；三是，基于校正影像和外方位元素恢复立体模型；四是，基于立体模型进行特征点线采集生产DEM数据；五是，利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据；六是，进行立体测图，生产DLG生产。这种方法虽然能够进行测量，但是在生产DEM数据和DOM数据时，需要对影像进行校正处理，耗费时间长，作业效率低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其包括如下步骤：

S1，直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行自检校空中三角测量，得到加密点基于原始影像的像方坐标、物方坐标、每张相片的外方位元素和非量测数码相机自检校模型参数；

S2，利用空中三角测量成果进行影像匹配，生产DEM(Digital Elevation Model,数字地面模型)数据；

S3，利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM(Digital Orthophoto Map,数字正射影像)数据；

S4，根据空中三角测量成果对原始影像进行校正，得到校正后的影像；

S5，基于步骤S4校正后的影像和步骤S1得到的外方位元素建立立体模型，生产DLG(Digital Line Graphic,数字线化图)数据。

本发明的基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法在生产DEM数据和DOM数据时，不对原始影像进行校正处理，直接利用原始影像进行空中三角测量(即步骤S1、S2、S3)，可节省生产时间，提高作业效率。尤其针对目前广泛使用的低空遥感系统，其搭载的相机大多为非量测数码相机，利用本发明可实现快速生产DEM数据和DOM数据。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于非量测数码相机的数字摄影测量方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其包括如下步骤：

S1，直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行自检校空中三角测量，得到加密点基于原始影像的像方坐标、物方坐标、每张相片的外方位元素和非量测数码相机自检校模型参数；

S2，利用空中三角测量成果进行影像匹配，生产DEM数据；

S3，利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据；

S4，根据空中三角测量成果对原始影像进行校正，得到校正后的影像；

S5，基于步骤S4校正后的影像和步骤S1得到的外方位元素建立立体模型，生产DLG数据。

在本实施方式中，涉及的利用非量测数码相机的原始影像直接进行空中三角测量，其具体操作如下：

首先，依据中心投影构像原理(即摄影测量中的共线条件方程)，利用非量测数码相机的原始影像进行空中三角测量的公式如下：

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

f表示相机摄影焦距；

(X_S,Y_S,Z_S)表示摄影过程中摄站点的物方空间坐标；

(X_A,Y_A,Z_A)表示像点所对应的物方点的物方空间坐标。

由于非量测数码相机影像畸变大，简单的光束法区域网平差无法通过，需要采用自检校光束法区域网平差方式来完成空中三角测量。利用附加参数来描述非量测数码相机的畸变差模型，并将其作为未知数或带权观测值引入空中三角测量过程中，与其他未知参数一起解求，在平差过程中消除非量测数码相机的影像畸变差。自检校光束法区域网平差的数学基础如下公式：

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

Δx和Δy表示引入的自检校模型；

f表示相机摄影焦距；

(X_S,Y_S,Z_S)表示摄影过程中摄站点的物方空间坐标；

(X_A,Y_A,Z_A)表示像点所对应的物方点的物方空间坐标。

其中引入的自检校模型Δx和Δy可表示为影像坐标的函数，如下公式3所示：

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

f表示非量测相机的摄影焦距；

k表示非量测相机的摄影焦距误差；

k₁,k₂,k₃表示非量测数码相机镜头的径向畸变系数；

p₁,p₂表示非量测数码相机镜头的切向畸变系数；

(x₀,y₀)表示像主点坐标；

表示非正方形比例系数；

β表示非正交性畸变系数；

在空中三角测量过程中，依次完成测区建立、生成金字塔影像和索引影像、航带初始点提取、相对定向、自由网平差、区域网平差，解算出基于原始影像的像方坐标(x_P,y_P)、物方坐标(X_A，Y_A，Z_A)、每张相片的外方位元素、自检校参数x₀,y₀、k、k₁,k₂,k₃、p₁,p₂、β。在本实施方式中，测区建立、生成金字塔影像和索引影像、航带初始点提取、相对定向、自由网平差、区域网平差所采用的方法均为目前本领域中通用的方法，在此不做赘述。

在本实施方式中，利用空中三角测量成果进行影像匹配生产DEM数据，根据数字影像相关原理，利用数字影像匹配识别影像之间的同名点，自动生成DEM数据，再对生成的DEM数据辅以人工编辑，可生产满足规范要求的DEM数据。在本实施方式中，采用现有方法自动生成DEM数据，再对生成的DEM数据辅以人工编辑，编辑自动生成的DEM数据中错漏和明显不合理处。

在本实施方式中，利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据。具体是利用得到的DEM数据对原始影像进行数字微分纠正，从原始的非正射影像获取正射影像。

微分纠正是实现两个二维图像之间的几何变换，假定任意一个像元在原始影像中的坐标为(x_P,y_P)，在纠正后影像中的坐标为(X,Y)，则可根据如下两个公式中的任意一种方式完成数字微分纠正。

x_P＝f_x(X,Y)；y_P＝f_y(X,Y) (公式4)

其中，(x_P,y_P)表示任意一个像元在原始影像中的坐标；

(X,Y)表示任意一个像元在纠正后影像中的坐标；

f_x，f_y，分别表示原始影像和纠正后影像之间的几何关系函数。

在本实施方式中，根据空中三角测量成果对原始影像进行校正，将原始影像的像方坐标(x_P,y_P)转换到校正后影像的像方坐标(x_R,y_R)，得到校正后的影像。本实施方式利用空中三角测量成果，对原始影像进行畸变差校正，得到校正后的影像。非量测数码相机是以数字方式存储像片的，对于每一张像片而言，像素点的数据及排列都是一定的，因此在计算机上所量测得到的像平面坐标参考点全都相同。依据这个原理，对非量测数码相机的影像就行校正处理，利用步骤S1中中解算得到的参数，将原始影像的像方坐标(x_P,y_P)转换到校正后影像的像方坐标，得到基于校正影像的像方坐标(x_R,y_R)。

在本实施方式中，基于校正后的影像和步骤S1得到的外方位元素建立立体模型，生产DLG数据，实现摄影测量。具体传统的非量测数码相机或量测相机进行DLG数据生产的原理及操作相同，不再赘述。

本发明在生产DEM数据和DOM数据时，可不对影像进行校正处理，直接利用原始影像进行自检校空中三角测量，可节省生产时间，提高作业效率。尤其针对目前广泛使用的低空遥感系统，其搭载的相机大多为非量测数码相机，利用本发明可实现快速生产DEM数据和DOM数据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行自检校空中三角测量，得到加密点基于原始影像的像方坐标、物方坐标、每张相片的外方位元素和非量测数码相机自检校模型参数，直接利用非量测数码相机获取的原始影像进行自检校空中三角测量的方法为：

S11、利用非量测数码相机的原始影像进行空中三角测量的公式为：

$x=-f\frac{a_1(X_A-X_S)+b_1(Y_A-Y_S)+c_1(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-Y_S)+c_3(Z_A-Z_S)}$

$y=-f\frac{a_2(X_A-X_S)+b_2(Y_A-Y_S)+c_2(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-Y_S)+c_3(Z_A-Z_S)}---\left(1\right)$

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

f表示相机摄影焦距；

(X_S,Y_S,Z_S)表示摄影过程中摄站点的物方空间坐标；

(X_A,Y_A,Z_A)表示像点所对应的物方点的物方空间坐标；

S12，利用附加参数来描述非量测数码相机的畸变差模型，并将其作为未知数或带权观测值引入空中三角测量过程中，与其他未知参数一起解求，在平差过程中消除非量测数码相机的影像畸变差，自检校光束法区域网平差的公式为：

$x=-f\frac{a_1(X_A-X_S)+b_1(Y_A-Y_S)+c_1(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-Y_S)+c_3(Z_A-Z_S)}+\mathrm{\Δ}x$

$y=-f\frac{a_2(X_A-X_S)+b_2(Y_A-Y_S)+c_2(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-Y_S)+c_3(Z_A-Z_S)}+\mathrm{\Δ}y---\left(2\right)$

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

Δx和Δy表示引入的自检校模型；

f表示相机摄影焦距；

(X_S,Y_S,Z_S)表示摄影过程中摄站点的物方空间坐标；

(X_A,Y_A,Z_A)表示像点所对应的物方点的物方空间坐标，

引入的自校检模型为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=(x-x_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_1\[r^2+2{(x-x_0)}^2\]+\\ 2p_2\left(x-x_0\right)\left(y-y_0\right)+\∂\left(x-x_0\right)+\mathrm{\β}\left(y-y_0\right)+k\frac{x}{f}\end{array}$

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}y=(y-y_0)(k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)+p_2\[r^2+2{(y-y_0)}^2\]+\\ 2p_1\left(x-x_0\right)\left(y-y_0\right)+k\frac{y}{f}\end{array}---\left(3\right)$

其中，(x,y)表示原始影像中像点的平面坐标；

f表示非量测相机的摄影焦距；

k表示非量测相机的摄影焦距误差；

k₁,k₂,k₃表示非量测数码相机镜头的径向畸变系数；

p₁,p₂表示非量测数码相机镜头的切向畸变系数；

(x₀,y₀)表示像主点坐标；

表示非正方形比例系数；

β表示非正交性畸变系数；

$r=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2};$

S13，在空中三角测量过程中，依次完成测区建立、生成金字塔影像和索引影像、航带初始点提取、相对定向、自由网平差、区域网平差，得到基于原始影像的像方坐标(x_P,y_P)、物方坐标(X_A，Y_A，Z_A)、每张相片的外方位元素、自检校参数x₀,y₀、k、k₁,k₂,k₃、p₁,p₂、β；

S2，利用空中三角测量成果进行影像匹配，生产DEM数据；

S3，利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据；

S4，根据空中三角测量成果对原始影像进行校正，得到校正后的影像；

S5，基于步骤S4校正后的影像和步骤S1得到的外方位元素建立立体模型，生产DLG数据。

2.如权利要求1所述的基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其特征在于，所述步骤S2中利用数字影像匹配识别影像之间的同名点，自动生成DEM数据，再对生成的DEM数据辅以人工编辑，编辑自动生成的DEM数据中错漏和明显不合理处，生产满足规范要求的DEM数据。

3.如权利要求1所述的基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其特征在于，所述步骤S3中利用DEM数据进行影像数字微分纠正，生产DOM数据的具体方法为：

利用步骤S2中的DEM数据对原始影像进行数字微分纠正，从原始的非正射影像获取正射影像，在所述数字微分纠正过程中，假定任意一个像元在原始影像中的坐标为(x_P,y_P)，在纠正后影像中的坐标为(X,Y)，则根据如下两个公式中的任意一种方式完成数字微分纠正，

x_P＝f_x(X,Y)；y_P＝f_y(X,Y) (4)

其中，(x_P,y_P)表示任意一个像元在原始影像中的坐标；

(X,Y)表示任意一个像元在纠正后影像中的坐标；

f_x，f_y，分别表示原始影像和纠正后影像之间的几何关系函数。

4.如权利要求1所述的基于非量测数码相机的航空数字摄影测量方法，其特征在于，所述根据空中三角测量成果对原始影像进行校正的方法为：

利用步骤S1得到的参数，将原始影像的像方坐标(x_P,y_P)转换到校正后影像的像方坐标，得到基于校正影像的像方坐标(x_R,y_R)。