CN1412524A

CN1412524A - 可量测无缝空间立体模型的生成方法

Info

Publication number: CN1412524A
Application number: CN 02147752
Authority: CN
Inventors: 王密; 李德仁; 龚健雅
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: CN1308657C

Abstract

本发明公开了一种可量测无缝空间立体模型的生成方法，利用该投影函数生成可量测无缝空间立体模型的步骤：按照沿航带的方向对航空像片进行顺序编号；利用数字地面模型，用单号片1、3、5...片制作正射影像；利用数字地面模型，用双号片2、4、6...制作正射影像的辅助片，将奇数片制作的数字正射影像按照地面坐标将其镶嵌成一个无缝区域，同时记录每一张数字正射影像在镶嵌后的数字正射影像的区域范围；点对点构造可量测的无缝立体模型。使用本发明所构造的立体模型突破了摄影测量中立体像对范围的局限，不需摄影测量的专业知识即可方便构建和使用，能够真实的恢复和再现摄影时的三维地形景观模型，可以进行无缝的立体漫游和浏览，并且可以在模型上进行三维量测和信息采集。可以为测绘、地质、林业、电力、城市规划、公路和铁路设计等其它相关行业使用。

Description

可量测无缝空间立体模型的生成方法

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种利用航空影像和数字地面模型(DEM)生成一种方便构建和使用的可量测无缝空间立体模型的方法。

背景技术

我们生活的自然界是一个三维空间，我们所看到的多数物体都是立体的，人们所习惯的是用长、宽、高三个参数来度量一个物体。三维空间的信息大部分是通过人的眼睛获得的。俗话说“百闻不如一见”，这非常形象地描述了眼睛的重要作用，所以说人眼是人观察、感知世界的最重要的器官。面对大自然绚丽多姿的迷人景物，人们在赞美感叹的同时，希望能寻找一种新的三维显示方法，逼真地、立体地重现自然景观。因为传统的显示方法大多是三维场景的二维投影，其中大部分立体深度信息丢失了，人们只能凭借经验判断场景中物体的深度层次，这是很不真实的。人们通过对人眼的深入研究，研究人眼的立体视觉原理，从而使人为的实现立体显示成为可能。立体视觉对人来说是极其重要的，没有立体层次的世界将是无法想象的。人通过双眼观察产生了立体视觉效果。正常的人都是用双眼来辨认三维空间物体的。人们在观看某一三维物体时，人的双眼从左右两边稍有差别的角度进行观察，因此被观察的物体在人的左右眼的视网膜上所形成的光学像略有差异，这种差异就是人们通常所说的双眼视差(Binocular Parallax)也叫生理视差。视差的产生主要是因为人的左右眼之间有一定的距离，成年人的双眼距离约为65mm。视觉的产生对立体视觉的形成具有非常重要的作用。当左右眼视网膜上光学像同时传向大脑视神经中枢，有视差的左右光学像，经视神经的处理和融合，人就能感受到所看到物体的立体层次了，这就是人造立体视觉。

在摄影测量领域，人造立体视觉早就开始使用了。在18世纪末期，德国耶拿蔡司厂的普弗里希(C.Pulfrich)提出了立体观测的原理，并于1901年制造了立体坐标量测仪，在德国被称为“立体摄影测量之父”。同时为摄影测量奠定了立体量测的基础。此后的双像投影测图、立体测图仪、解析测图仪直到发展到现在的数字摄影测量工作站的全数字化数字测图，都是基于此原理。

摄影测量的发展已有几百年的历史，经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量三个发展阶段，通过模拟、解析或数字的方法恢复摄影时的空间立体模型，通过立体模型真实再现被摄地区的地物和地貌，在模型上进行立体量测，采集一些基本的地理信息，这是摄影测量的一个主要特征。由于立体模型的建立要经过复杂的内定向、像对定向和绝对定向摄影测量处理过程，必须具备摄影测量专业的专业知识，因此，这个空间模型基本上是由摄影测量工作者建立和使用，是摄影测量工作者的一个专利。

这种传统的由左右两张影像构成的立体模型是摄影测量的基础和核心，由于它的范围仅仅局限两张像片重叠的很小范围内，而且建立过程复杂，因此，仅仅作为摄影测量工作者的一种地理数据采集的媒介，在完成数据采集工作后，就被抛弃了，再也不被使用了。由于立体模型中含有摄影时地形表面的所有信息，而且经过数据采集以后所保留下来的信息是非常有限的，如果把立体模型白白的丢掉，是一件令人非常遗憾的事情。如果我们能够构造一个大范围的而且方便构建的空间立体模型，就可以使地质学家、森林学家、规划学家、工程师和其它行业使用航空像片的人，在不需要摄影测量复杂知识背景的前提下，用简单的方法构建和使用空间立体模型，将为高效的规划、开发和保护自然资源做出重大的贡献，同时，非专业人员也可以通过空间模型坐在家里浏览逼真的三维地形景观模型，可以大大增加航空摄影成果的利用价值。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种大范围方便构建和使用的可量测的无缝空间立体模型的生成方法，该方法所构造的立体模型突破了摄影测量中立体像对范围的局限，不需摄影测量的专业知识即可方便构建和使用，能够真实的恢复和再现摄影时的三维地形景观模型，可以进行无缝的立体漫游和浏览，并且可以在模型上进行三维量测和信息采集。

本发明提供的技术方案是：一种可量测无缝空间立体模型的生成方法，利用该投影函数生成可量测无缝空间立体模型的步骤：(1)按照沿航带的方向对航空像片进行顺序编号；(2)利用数字地面模型，用单号片1、3、5…片制作正射影像，具体制作步骤如下：i)将XY平面上一定间隔的方格网，按照正射投影到网数字高程模型上获得方格网的四个角点坐标(X_i，Y_i，Z_i)ii)由共线条件方程

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})}

式中：x，y，一f为像点像空间坐标；

f为航摄像片的焦距；

x₀，y₀为像主点坐标；

X，Y，Z为地面点的物方空间坐标；

X_S，Y_S，Z_S为摄站点的物方空间坐标；

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为像片的三个外方位元素组成九个方向余弦；将第一步投影后与数字地面模型相交的四个角点坐标按照共线条件方程变换到像片坐标系得到相应的像点坐标(x_i，y_i)；iii)通过内定向变换参数由像点坐标计算对应的扫描坐标

[\begin{matrix} I \\ J \end{matrix}] = [\begin{matrix} m_{1} & m_{2} \\ n_{1} & n_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x - x_{0} \\ y - y_{0} \end{matrix}] - [\begin{matrix} I_{0} \\ J_{0} \end{matrix}]

式中m₁，m₂，n₁，n₂，I₀，J₀为内定向参数；iv)对每一块内的像元按照双线性多项式内插对应的扫描坐标

I＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃XY

J＝b₀+b₁X+b₂Y+b₃XY

式中I，J为扫描坐标、X，Y为地面坐标、a_i，b_i为双线性变换系数v)灰度内插各个面元的四个角点按照共线方程求出其像片坐标，然后由内定向参数将其转化为扫描坐标，对于每一块内部按照双线性变换逐点计算其扫描坐标，再采用灰度内插方法内插每个像元的灰度值；vi)灰度赋值将内插后的每个灰度值逐个赋给纠正后的每个像元；将每个点都处理完之后即形成数字正射影像；(3)利用数字地面模型，用双号片2、4、6…制作正射影像的辅助片，制作的过程与正射影像的过程类似，只是第一步用投影函数进行投影而代替制作正射影像时的正射投影，具体制作步骤如下：由XY平面上的方格网，按照变角度投影引入视差法取投影方向平行于XZ平面引入视差，按照变角度投影光线与数字地面模型表面的交点的计算公式，将格网的四个角点投影到数字高程模型得到投影线与数字地面模型的交点(X′_iY′_iZ′_i)，以下的计算步骤同制作正射影像的ii到vi步；(4)将奇数片制作的数字正射影像按照地面坐标将其镶嵌成一个无缝区域，同时记录每一张数字正射影像在镶嵌后的数字正射影像的区域范围；(5)点对点构造可量测的无缝立体模型。

本发明的基本原理是基于人眼的立体视觉原理，以数字正射影像为基础，利用原始航空像片和数字地面模型(DEM)，在由奇数片生成数字正射影像，利用偶数片通过视差函数引入视差生成一个与正射影像相匹配的立体正射影像辅助片，数字正射影像和相应的辅助影像一起构成立体正射像片，通过对数字正射影像进行无缝镶嵌后，利用立体模型的构造算法与辅助片一起形成大范围无缝的无上下视差的三维虚拟可量测的景观模型。

使用本发明所构造的立体模型突破了摄影测量中立体像对范围的局限，不需摄影测量的专业知识即可方便构建和使用，能够真实的恢复和再现摄影时的三维地形景观模型，可以进行无缝的立体漫游和浏览，并且可以在模型上进行三维量测和信息采集。可以为测绘、地质、林业、电力、城市规划、公路和铁路设计等其它相关行业使用。

附图说明

图1是原始摄影时地面上相对于基准面不同高度的两个点所产生的视差图；

图2为与原始视差相同的引入视差图；

图3为正射影像图；

图4为正射影像辅助片；

图5为变角度的投影光线与DEM交点计算图；

图6为像片编号；

图7为本发明的流程图。

具体实施方式

下面首先介绍一下本发明的变角度投影引入视差法。

如图1、图2所示，图1是原始摄影时地面上相对于基准面不同高度的两个点所产生的视差，图2是为了产生与原始摄影时相同的视差而采用的α₁和α₂两个不同角度的投影光线，从图1、图2中的几何关系可知：

{tgα}_{1} = \frac{B}{Z_{1}} {tgα}_{2} = \frac{B}{Z_{2}} - - - (1)

式中B为立体像对的摄影基线，H为摄影时的航高(以下同)，因此，为了与原始摄影时的视差保持一致，采用变角度投影来引入视差，图3、图4显示了变角度引入视差的原理，采用平行于XZ平面进行投影，根据不同的地面高程，每个点的投影光线的角度是不同的。

如图3、图4的几何关系可知，变角度引入视差法的视差函数为：

P_{i} = \frac{{BZ}_{i}}{H - Z_{i}} - - - (2)

式中P_i为每个点的视差；Z_i为每个点的高程值。

通过上式可知，变角度投影引入视差的立体正射像片中任意一点的高程可以由下式求出：

Z_{i} = \frac{P_{i} H}{B + P_{i}} - - - (3)

由于在生成立体正射影像辅助片时，必须计算投影函数和数字地面模型(DEM)表面的交点，变角度投影光线与DEM表面的交点(X′_iY′_iZ′_i)如图5所示，如图中的几何关系可知：Y′_i＝Y_i

{X_{i}}^{'} = \frac{(X_{i + 1} - X_{i}) (X_{i} + {kZ}_{i}) - X_{i} k (Z_{i + 1} - Z_{i})}{X_{i + 1} - k (Z_{i + 1} - Z_{i}) - X_{i}} - - - (4)

{{Z_{i}}^{'} = Z}_{i} + \frac{(Z_{i + 1} - Z_{i}) ({{X_{i}}^{'} - X}_{i})}{(X_{i + 1} - X_{i})}

式中

k = \tan α = \frac{B}{Z_{i}}

需要说明一点的是，当地形起伏较大或DEM格网较密集时，在真正求解变角度投影光线与DEM交点时，必须先判断平行光线落在哪一个DEM格网间隔，然后才能用上面的公式解求平行光线与DEM的交点。

上面详细说明了引入视差的投影函数，下面介绍利用该投影函数生成可量测无缝空间立体模型的步骤(参见图7)：(1)收集原始数据(原始影像、DEM和像片参数)；然后按照沿航带的方向对航空像片进行顺序编号(依次为1、2、3、4、5、6…)，如图6所示。(2)正射影像制作—数字正射影像—正射影像无缝镶嵌；

利用数字地面模型DEM，用单号片1、3、5…片制作正射影像，具体制作步骤如下：i)将XY平面上一定间隔的方格网(一般与数字高程模型的格网大小相等)，按照正射投影到网数字高程模型上获得方格网的四个角点坐标(X_i，Y_i，Z_i)ii)由共线条件方程

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})} - - - (5)

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})}

式中：x，y，-f为像点像空间坐标；

f为航摄像片的焦距；

x₀，y₀为像主点坐标；

X，Y，Z为地面点的物方空间坐标；

X_S，Y_S，Z_S为摄站点的物方空间坐标；

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为像片的三个外方位元素组成九个方向余弦；将第一步投影后与DEM相交的四个角点坐标按照共线条件方程变换到像片坐标系得到相应的像点坐标(x_i，y_i)。iii)通过内定向变换参数由像点坐标计算对应的扫描坐标

[\begin{matrix} I \\ J \end{matrix}] = [\begin{matrix} m_{1} & m_{2} \\ n_{1} & n_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x - x_{0} \\ y - y_{0} \end{matrix}] - [\begin{matrix} I_{0} \\ J_{0} \end{matrix}] - - - (6)

I＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃XY (7)

J＝b₀+b₁X+b₂Y+b₃XY

I，J为扫描坐标

X，Y为地面坐标

a_i，b_i为双线性变换系数v)灰度内插各个面元的四个角点按照共线方程求出其像片坐标，然后由内定向参数将其转化为扫描坐标，对于每一块内部按照双线性变换逐点计算其扫描坐标，再采用灰度内插方法内插每个像元的灰度值。vi)灰度赋值将内插后的每个灰度值逐个赋给纠正后的每个像元。将每个点都处理完之后即形成数字正射影像。(3)辅助影像制作—辅助片影像；

利用数字地面模型DEM，用双号片2、4、6…制作正射影像的辅助片，制作的过程与正射影像的过程类似，只是第一步用投影函数进行投影而代替制作正射影像时的正射投影，具体制作步骤如下：由XY平面上的方格网，按照变角度投影引入视差法取投影方向平行于XZ平面引入视差，按照变角度投影光线与DEM表面的交点的计算公式，将格网的四个角点投影到数字高程模型得到投影线与DEM的交点(X′_iY′_iZ′_i)，以下的计算步骤同制作正射影像的ii到vi步。(4)将奇数片制作的数字正射影像按照地面坐标将其镶嵌成一个无缝区域，同时记录每一张数字正射影像在镶嵌后的数字正射影像的区域范围。(5)点对点构造可量测的无缝立体模型。

由于数字正射影像和正射影像的辅助片之间不存在垂直方向上的视差而只存在水平方向上的视差，根据立体视觉的构造的基本原理，只要保证对同一个物体从不同的位置获取的两幅影像即可形成立体视觉。由于数字正射影像和相应的正射影像辅助片分别来自摄影时的左片和右片，而且比例尺一致，满足构造立体视觉的基本条件，同时又不存在上下视差，因此，只要保证正射影像上的每个点和正射影像辅助片上的点逐点对应，即可形成立体几何模型。因为数字正射影像是无缝的所以基于正射影像构造出的立体几何模型也是无缝的。具体算法如下：i)取数字正射影像中的点，根据该点的地面计算该坐标落在镶嵌前的那张数字正射影像的区域范围，找到其像片编号，继而可以找到相应的正射影像匹配片。ii)根据该点的地面坐标在正射影像匹配片中找到相应的同名点(即同一个物体在两张像片上分别成像的点)即构成了立体模型中的一个点对。iii)这样逐点处理之后，可以保证模型中的每个点都是由来自数字正射影像和数字正射影像匹配片的立体点对，进而形成无缝立体模型。(6)立体模型的立体显示(互补色法或频闪法)和量测

采用液晶眼镜作为立体观察设备(也可采用其它方式)，利用0pen GL的双缓冲区立体显示机制分别将每一个立体点对送致左右显示缓冲区，通过液晶眼镜即可观察到三维立体模型。通过三维立体测标测得每个点的视差后通过前面由视差计算高程的公式即可计算每一点的高程信息，同时，其平面位置可以由数字正射影像获得。

Claims

一种可量测无缝空间立体模型的生成方法，利用该投影函数生成可量测无缝空间立体模型的步骤：(1)按照沿航带的方向对航空像片进行顺序编号；(2)利用数字地面模型，用单号片1、3、5…片制作正射影像，具体制作步骤如下：i)将XY平面上一定间隔的方格网，按照正射投影到网数字高程模型上获得方格网的四个角点坐标(X_i，Y_i，Z_i)ii)由共线条件方程 $x - x_{0} = - f \frac{a_{1} (X - X_{S}) + b_{1} (Y - Y_{S}) + c_{1} (Z - Z_{S})}{a_{3} (X - X_{S}) + b_{3} (Y - Y_{S}) + c_{3} (Z - Z_{S})}$ $y - y_{0} = - f \frac{a_{2} (X - X_{S}) + b_{2} (Y - Y_{S}) + c_{2} (Z - Z_{S})}{a_{3} (X - X_{S}) + b_{3} (Y - Y_{S}) + c_{3} (Z - Z_{S})}$ 式中：x，y，-f为像点像空间坐标；

f为航摄像片的焦距；

x₀，y₀为像主点坐标；

X，Y，Z为地面点的物方空间坐标；

X_S，Y_S，Z_S为摄站点的物方空间坐标；

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为像片的三个外方位元素组成九个方向余弦；将第一步投影后与数字地面模型相交的四个角点坐标按照共线条件方程变换到像片坐标系得到相应的像点坐标(x_i，y_i)；iii)通过内定向变换参数由像点坐标计算对应的扫描坐标 $[\begin{matrix} I \\ J \end{matrix}] = [\begin{matrix} m_{1} & m_{2} \\ n_{1} & n_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} x - x_{0} \\ y - y_{0} \end{matrix}] - [\begin{matrix} I_{0} \\ J_{0} \end{matrix}]$

式中m₁，m₂，n₁，n₂，I₀，J₀为内定向参数；iv)对每一块内的像元按照双线性多项式内插对应的扫描坐标

I＝a₀+a₁X+a₂Y+a₃XY

J＝b₀+b₁X+b₂Y+b₃XY

式中I，J为扫描坐标、X，Y为地面坐标、a_i，b_i为双线性变换系数v)灰度内插各个面元的四个角点按照共线方程求出其像片坐标，然后由内定向参数将其转化为扫描坐标，对于每一块内部按照双线性变换逐点计算其扫描坐标，再采用灰度内插方法内插每个像元的灰度值；vi)灰度赋值将内插后的每个灰度值逐个赋给纠正后的每个像元；将每个点都处理完之后即形成数字正射影像；(3)利用数字地面模型，用双号片2、4、6…制作正射影像的辅助片，制作的过程与正射影像的过程类似，只是第一步用投影函数进行投影而代替制作正射影像时的正射投影，具体制作步骤如下：由XY平面上的方格网，按照变角度投影引入视差法取投影方向平行于XZ平面引入视差，按照变角度投影光线与数字地面模型表面的交点的计算公式，将格网的四个角点投影到数字高程模型得到投影线与数字地面模型的交点(X′_iY′_iZ′_i)，以下的计算步骤同制作正射影像的ii到vi步；(4)将奇数片制作的数字正射影像按照地面坐标将其镶嵌成一个无缝区域，同时记录每一张数字正射影像在镶嵌后的数字正射影像的区域范围；(5)点对点构造可量测的无缝立体模型。