CN1529127A - 一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字正射影像和立体辅助影像生成无缝立体模型的高精度立体量测方法，该方法将在无缝立体模型上量测的同名像点，反算到该像点所在的原始立体像对，然后，通过空间前方交会精确计算地面点的三维坐标，其计算的精度不受立体模型制作过程中数字地面模型粗差的影响，在构成可量测无缝立体模型的数字正射影像和立体辅助影像的分辨率与原始航空像片的分辨率一致的情况下，其量测精度可以达到原始立体像对模型的立体量测精度。可以为测绘、地质、林业、电力、城市规划、公路和铁路设计及其它相关行业在可量测无缝立体模型上进行三维量测和信息采集使用。

Description

一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法，该方法可以免除在数字正射影像的制作过程中由于数字地面模型的粗差而对立体量测精度的影响，在数字正射影像的分辨率与原始航空像片的分辨率一致的情况下，其量测精度可以达到原始立体像对模型的立体量测精度。

背景技术

可量测无缝立体模型是摄影测量领域关于空间立体模型的一个新的表现形式。它是基于数字正射影像和引入视差的立体辅助影像构建的。它将一个连续摄区范围内的多个像对立体模型无缝地拼接成一个连续无缝的可量测无缝立体模型，该模型是一个经过几何纠正的、没有上下视差、具有地理参考、方便构建和使用的立体模型，它能够再现摄影时地形表面的所有地形、地物细节，可以使测绘工作者、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，方便使用立体模型，采集和量测他们想要的信息，在模型上进行规划和设计，同时，非专业人员也可以通过立体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和使用范围。

在已经公开的发明专利可量测无缝空间立体模型的生成方法(专利申请号：02147752.3)中，介绍了一种立体量测方法，它是采用同名像点在正射影像上的地面坐标作为其平面坐标，然后通过引入的视差函数，将量测的同名点视差反算出同名像点高程进行立体量测的，该方法虽然有一定抗数字地面模型粗差干扰的能力，但是，其计算过程不够严密，其量测的精度达不到在原始立体像对上进行量测的精度。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法，该方法量测精度不受生成无缝立体模型的数字地面模型的粗差的影响；在构成可量测无缝立体模型的数字正射影像和立体辅助影像的分辨率与原始航空像片的分辨率一致的情况下，其量测精度可以达到原始立体像对模型的立体量测精度。

本发明提供的技术方案是：一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法，包括以下步骤：

1.在基于数字正射影像和立体辅助影像的可量测无缝立体模型上量测同名点坐标，同名点坐标是一个在数字正射影像上的像点和立体辅助影像上的像点构成的点对；

2.对于正射影像上的像点坐标可直接变换成地面平面坐标，然后通过制作数字正射影像时的数字地面模型内插，获得该点的三维坐标；对于立体辅助影像上的像点坐标，经过坐标变换变换成地面平面坐标。然后根据生成无缝立体模型的引入视差的投影函数和数字地面模型来反算其引入视差前的正射影像的平面坐标，最后根据生成数字正射影像时的数字地面模型内插，获得该点的三维坐标；

3.根据同名像点中正射影像上的像点的地面平面坐标，通过制作可量测无缝立体模型时每个像对立体模型的有效镶嵌多边形，确定该同名像点属于哪个原始立体像片对，根据同名点对的地面三维坐标及制作可量测无缝立体模型时使用航空像片的内、外方位元素，将同名点的地面坐标反算到原始像片对的像片坐标；

4.根据第三步获得的同名点在原始像片对的像片坐标，使用制作可量测无缝立体模型时使用航空像片的内、外方位元素，通过空间前方交会解算同名点的精确地面坐标。

由于整个的制作和量测解算过程都是严密的数值计算，同时可量测无缝立体模型的制作和量测是一个互逆的计算过程，因此，只要在可量测无缝立体模型的制作和量测过程都使用同一个数字地面模型和同一套像片的方位元素，并且每张像片的方位元素具有足够的精度，在数字正射影像的分辨率与原始航片的分辨率近似相同情况下，即使在数字地面模型含有粗差的情况下，粗差在制作和量测过程中可以相互抵消，因此，可以获得与在原始像片构成的立体模型上量测的相同精度。这一点在理论和实验中都得到了证实。由于像片的内外方位元素一般经过空三加密而获得，具有足够高的精度(至少可以满足测图和应用的精度要求，否则是没有使用价值的)，而数字地面模型的生产过程比较复杂，很容易产生粗差，而最终在无缝立体模型上的量测结果不受数字地面模型粗差的影响，这是非常有意义的，同时，立体模型的范围是在整个区域内无缝的，不需复杂的定向过程即可使用，它对提高摄影测量的工作效率和在其它行业的广泛推广具有重要的价值，这也是本发明的重大意义。

附图说明

图1是可量测无缝立体模型的高精度量测流程图；

图2为立体模型的排列示意图。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明提供一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法的步骤如下：

1.基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的生成方法如下：

a)按照数字微分纠正的方法，将航空摄影区域范围内的每一张原始的航空数字影像，利用数字地面模型和像片的方位元素制作数字正射影像，其制作的原理和流程参见数字摄影测量学(张祖勋、张剑清武汉大学出版社1997)；

b)按照航空像片的在航向方向的邻接关系，对摄影区域内的航空像片构建像对立体模型，由构成像对立体模型的左、右原始航空像片生成的正射影像分别作为该像对的左、右正射影像，像对立体模型的左、右正射影像构成该像对的立体正射影像，其排列的结果如附图2所示；

c)取每个像对立体模型的左右正射影像的重叠范围，作为该像对立体模型的立体范围1，也即是每个立体模型的立体正射影像的立体范围1，立体模型立体范围的边界线作为该立体模型的边线6；

d)将航空摄影区域内，在航向和旁向上相邻的像对立体模型立体范围的重叠区域2和3作为立体正射影像的拼接区域；

e)拼接区域2和3包含相邻像对立体模型的公共范围，在这个范围内任意选取相邻像对立体模型的分界线5作为相邻像对立体模型的立体正射影像的接缝线，相邻像对立体模型的分界线5的选取，要对照正射影像，使分界线5避开明显的地物碎步。由分界线5(当该模型的周围都有邻接模型)或分界线5和边线6(邻接的部分用分界线5，没有邻接的部分用边线6)围成的区域构成每个像对立体模型的有效镶嵌多边形4；

f)将每个像对立体模型的有效镶嵌多边形4范围内对应的左正射影像和右正射影像分别进行镶嵌，生成无缝镶嵌的左正射影像和右正射影像；这时镶嵌的左右正射影像已经构成了一个无缝的立体模型，由于正射影像已经改正了地形起伏，因此地形表面是平的，但是，地物碎部是立体的。

g)对左镶嵌的正射影像，根据数字地面模型引入人工视差，生成立体辅助影像，由立体辅助影像和右镶嵌的正射影像构成所需的可量测无缝空间立体模型；或者对右镶嵌的正射影像，根据数字地面模型引入人工视差，生成立体辅助影像，由立体辅助影像和左镶嵌的正射影像构成所需的可量测无缝空间立体模型。生成数字立体辅助影像时引入视差可以采用如下的视差函数：

平行投影的公式为：

          P_i＝tanα·Z_i                                (1)

对数投影的公式为

$P_i=B\·\ln \left(\frac{H}{H-Z_i}\right)----\left(2\right)$

非线性投影的公式为：

$P_i=\frac{{\mathrm{BZ}}_i}{H-Z_i}----\left(3\right)$

上面的公式中：

Pi为每个点的视差；

Zi为每个点的高程值，由数字地面模型获得；

α为平行投影角度；

B为摄影基线；

H为摄影航高；

具体的投影计算可参见解析摄影测量学(李德仁、郑肇葆测绘出版社1992)。这样数字正射影像与立体辅助影像构成了可量测无缝立体模型。

2.通过人工立体量测或自动相关的方式，在立体模型上获取同名点的像点坐标，同名点坐标(I，J)和(I_s，J_s)分别对应其在正射影像和立体辅助影像上的影像坐标(影像坐标以图像的左下角为坐标原点)。

3.由于构成立体模型的数字正射影像和立体辅助影像都是有地理参考的，假定数字正射影像的左下角地面坐标为(X₀，Y₀)，立体辅助影像的左下角点坐标为(X_s，Y_s)，正射影像和立体辅助影像的地面分辨率都为DetX和DetY，则可以计算同名像点对应的地面点坐标：

对于正射影像有：

            X＝X₀+I*DetX

                                                          (4)

            Y＝Y₀+J*DetY

对于立体辅助影像有：

            X_s＝X_s+I_s*DetX

                                                          (5)

            Y_s＝Y_s+J_s*DetY

4.对于立体辅助影像上的地面点坐标，根据生成无缝立体模型的投影函数和数字地面模型来反算其引入视差前的正射影像的平面坐标(X’，Y’)。

5.对该同名像点的地面平面坐标(X，Y)和(X’，Y’)，通过数字地面模型利用双线性内插分别获得同名像点对应的地面三维坐标(X，Y，Z)和(X’，Y’，Z’)

6.根据像点在正射影像上的地面坐标(X，Y)，利用每个立体像对的有效镶嵌多边形判断该点是在哪个立体像对的范围内，这样，即可以获得该同名像点在原始立体像对的左片和右片及其相应的像片方位元素。

7.利用该同名像点所在像对的左右像片的方位元素和该同名像点的地面点坐标(X，Y，Z)和(X’，Y’，Z’)，通过共线方程分别解算同名点在原始立体像对中左、右像片的像点坐标(x，y)和(x’，y’)，共线方程的具体公式参见解析摄影测量学(李德仁、郑肇葆编著测绘出版社1992)；

8.这样根据同名点在原始立体像对的左、右像片上的像点坐标(x，y)和(x’，y’)及像片的方位元素，利用摄影测量中的前方交会公式计算地面点的精确坐标(X_P，Y_P，Z_P)，前方交会的具体解算过程参见解析摄影测量学(李德仁、郑肇葆编著测绘出版社1992)。

按上述方法，在制作可量测无缝立体模型和高精度立体量测过程是一个互逆的计算过程，使用同一套数字地面模型和像片方位元素，可以免除数字地面模型粗差对量测精度的影响。

Claims (2)

1.一种基于数字正射影像和立体辅助影像的无缝立体模型的高精度量测方法，包括以下步骤：

一、在基于数字正射影像和立体辅助影像的可量测无缝立体模型上量测同名点坐标，同名点坐标是一个在数字正射影像上的像点和立体辅助影像上的像点构成的点对；

二、对于正射影像上的像点坐标可直接变换成地面平面坐标，然后通过制作数字正射影像时的数字地面模型内插，获得该点的三维坐标；对于立体辅助影像上的像点坐标，经过坐标变换变换成地面平面坐标；然后根据生成无缝立体模型的引入视差的投影函数和数字地面模型来反算其引入视差前的正射影像的平面坐标，最后根据生成数字正射影像时的数字地面模型内插，获得该点的三维坐标；

三、根据同名像点中正射影像上的像点的地面平面坐标，通过制作可量测无缝立体模型时每个像对立体模型的有效镶嵌多边形，确定该同名像点属于哪个原始立体像片对，根据同名点对的地面三维坐标及制作可量测无缝立体模型时使用航空像片的内、外方位元素，将同名点的地面坐标反算到原始像片对的像片坐标；

四、根据第三步获得的同名点在原始像片对的像片坐标，使用制作可量测无缝立体模型时使用航空像片的内、外方位元素，通过空间前方交会解算同名点的精确地面坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在制作可量测无缝立体模型和高精度立体量测过程中使用同一套数字地面模型和像片方位元素。

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