RU2778076C1 - Method for building a digital surface model based on data from space stereo imaging - Google Patents

Method for building a digital surface model based on data from space stereo imaging Download PDF

Info

Publication number
RU2778076C1
RU2778076C1 RU2021119409A RU2021119409A RU2778076C1 RU 2778076 C1 RU2778076 C1 RU 2778076C1 RU 2021119409 A RU2021119409 A RU 2021119409A RU 2021119409 A RU2021119409 A RU 2021119409A RU 2778076 C1 RU2778076 C1 RU 2778076C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
points
point
shifts
shift
Prior art date
Application number
RU2021119409A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Борисович Костоусов
Федор Андреевич Корнилов
Андрей Андреевич Попель
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Application granted granted Critical
Publication of RU2778076C1 publication Critical patent/RU2778076C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: computing technology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of computing technology for analysing stereo images when building a digital surface model (DSM) based on data from space stereo imaging. The technical result is achieved by comparing stereo images and finding the shift matrix of the points of the second image relative to the points of the first image in two stages. At the first stage, the shift matrix
Figure 00000157
is built by finding the minimum of the modified energy function
Figure 00000158
by the GraphCut (GC) algorithm, and at the second stage, the exact shift matrix
Figure 00000159
is found by Semi-global matching (SGM) at each point p of the first image by the minimum of the modified energy function
Figure 00000160
for each ith ray originating at point p. For each point p of the image of a stereo pair, an attribute vector is formed, called the DAISY(p) descriptor. The coordinates of the DAISY(p) descriptor are two-dimensional convolutions of modules of brightness gradients in 8 directions with Gaussian kernels of varying radii calculated at point p and at 24 more points evenly distributed over three concentric circumferences with a centre at point p.
EFFECT: increase in the accuracy and level of detail when building a digital surface model based on data from space stereo imaging.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области картографии и может быть использовано для повышения точности и детальности построения цифровой модели поверхности по данным космической стереосъемки.The invention relates to the field of cartography and can be used to improve the accuracy and detail of building a digital surface model based on space stereo survey data.

Построение цифровой модели поверхности (ЦМП) по данным космической стереосъемки является одной из актуальнейших задач анализа данных дистанционного зондирования Земли, поскольку позволяет извлекать из снимков высотную информацию, представляющую собой ценный источник информации для различных прикладных задач. Однако стереобработка космических изображений сопряжена с рядом фундаментальных трудностей, таких как: высокая изменчивость поля яркости, вызванная атмосферными и иными явлениями; малый размер объектов интереса, сопоставимый с геометрическими искажениями, вызванными разницей углов съемки; сложная траектория движения космического аппарата и специфический способ получения снимков; существенный объем данных для обработки.The construction of a digital surface model (DSM) based on space stereo survey data is one of the most urgent tasks in the analysis of Earth remote sensing data, since it allows extracting altitude information from images, which is a valuable source of information for various applied problems. However, stereo processing of space images is associated with a number of fundamental difficulties, such as: high variability of the brightness field caused by atmospheric and other phenomena; small size of objects of interest, comparable to geometric distortions caused by the difference in shooting angles; complex trajectory of the spacecraft and a specific method of obtaining images; significant amount of data to process.

Точность ЦМП определяется точностью определения высот объектов местности (высот рельефа и относительных высот зданий и сооружений) и точностью положения объектов в плане. Детальность ЦМП определяется наличием относительно небольших по площади (порядка десятков кв. метров) и по высоте (порядка единиц метров) объектов, выступающих на фоне рельефа или на фоне плоскостей более крупных объектов. Точность и детальность ЦМП может быть измерена путем сравнения с эталонной моделью поверхности, построенной по результатам воздушного лазерного сканирования и имеющей более высокую (сантиметровую) точность в плане и по высоте.The accuracy of the DSM is determined by the accuracy of determining the heights of terrain objects (heights of the relief and the relative heights of buildings and structures) and the accuracy of the position of objects in the plan. The detail of the DMF is determined by the presence of relatively small in area (of the order of tens of square meters) and in height (of the order of meters) objects protruding against the background of the relief or against the background of the planes of larger objects. The accuracy and detail of the DTM can be measured by comparison with a reference surface model built from the results of airborne laser scanning, which has a higher (centimeter) accuracy in plan and height.

Важнейшим вопросом при создании способа построения ЦМП является выбор алгоритма стереосопоставления. В подавляющем большинстве современных способов и пакетов программ авторы используют алгоритм [1] Semi-Global Matching (SGM). Данный алгоритм совмещает в себе высокую вычислительную эффективность с не менее высоким качеством построенной карты глубины. Однако, эта эффективность достигается на стереопарах сантиметровой точности, получаемых при аэросъемке, которые обладают более детализированной и предсказуемой структурой по сравнению с космическими стереопарами. В то же время точность и детальность работы данного алгоритма на космических стереопарах, получаемых, например, системой Pleiades [2], имеющих пространственное разрешение порядка 0.5 м, недостаточны. Альтернативой данному методу является метод разрезов графа GraphCut (GC) [3], который благодаря своей глобальной структуре лучше подходит для космических снимков. Однако, он не обладает той же чувствительностью к малым изменениям глубины, то есть к микрорельефу, что и алгоритм SGM.The most important issue in creating a method for constructing a DTM is the choice of a stereo matching algorithm. In the vast majority of modern methods and software packages, the authors use the algorithm [1] Semi-Global Matching (SGM). This algorithm combines high computational efficiency with equally high quality of the constructed depth map. However, this efficiency is achieved on centimeter-precision stereopairs obtained from aerial photography, which have a more detailed and predictable structure compared to space stereopairs. At the same time, the accuracy and detail of the operation of this algorithm on space stereopairs obtained, for example, by the Pleiades system [2], which have a spatial resolution of about 0.5 m, are insufficient. An alternative to this method is the GraphCut (GC) graph cut method [3], which, due to its global structure, is better suited for satellite images. However, it does not have the same sensitivity to small depth changes, i.e. microrelief, as the SGM algorithm.

Описание алгоритмов GC и SGM нахождения сдвигов между соответственными точками эпиполярно выравненных изображений приведено в Приложениях 1 и 2 соответственно.The description of the GC and SGM algorithms for finding shifts between the corresponding points of epipolarly aligned images is given in Appendixes 1 and 2, respectively.

Прототипом предлагаемого способа построения ЦМП является работа [4], в которой предлагается способ построения ЦМП, а также приводятся результаты сравнения качества полученной ЦМП для различных алгоритмов стереосопоставления.The prototype of the proposed method for constructing a DTM is the work [4], which proposes a method for constructing a DTM, and also presents the results of comparing the quality of the obtained DTM for various stereo matching algorithms.

Представленная в прототипе последовательность операций состоит из следующих шагов.Presented in the prototype sequence of operations consists of the following steps.

1. Загрузка входных данных, состоящих из панхроматического снимка с разрешением не менее 1 м и 4-х канального мультиспектрального изображения, включающего красный, зеленый, синий и инфракрасный каналы яркости, с разрешением не менее 2 м, а также RPC коэффициентов математического преобразования координат точек (пикселей) космического изображения на точки местности и обратно.1. Loading input data consisting of a panchromatic image with a resolution of at least 1 m and a 4-channel multispectral image, including red, green, blue and infrared channels of brightness, with a resolution of at least 2 m, as well as RPC coefficients of mathematical transformation of point coordinates (pixels) of the space image to the terrain points and back.

2. Предварительная обработка исходных данных, включающая выбор соответственных точек для коррекции RPC-коэффициентов и повышение пространственного разрешения мультиспектральных изображений до разрешения панхроматического.2. Preliminary processing of the initial data, including the selection of the corresponding points for the correction of RPC coefficients and the increase in the spatial resolution of multispectral images to panchromatic resolution.

3. Эпиполярное выравнивание изображений стереопары, обеспечивающее размещение соответственных точек в одноименных строках выравненных изображений.3. Epipolar alignment of images of a stereopair, which ensures the placement of the corresponding points in the lines of the same name in the aligned images.

4. Нахождение матрицы D сдвигов пар соответственных точек на стереоснимках через сопоставление стереоизображений поверхности (решение задачи стереосопоставления). Матрица сдвигов D соответственных точек состоит из элементов D(p), каждый из которых представляет собой расстояние в пикселях между точкой р первого изображения, и точкой р+D(p) второго изображения стереопары, причем, поскольку предварительно выполняется эпиполярное выравнивание, то смещение возможно только вдоль строки.4. Finding the matrix D of shifts of pairs of corresponding points on stereo images by matching stereo images of the surface (solution of the stereo matching problem). The shift matrix D of the corresponding points consists of elements D(p), each of which represents the distance in pixels between the point p of the first image, and the point p + D(p) of the second image of the stereopair, and since the epipolar alignment is preliminarily performed, the shift is possible only along the line.

5. Построение цифровой модели рельефа и нормализованной ЦМП.5. Construction of a digital elevation model and a normalized DTM.

6. Создание ортотрансформированного изображения.6. Creation of orthorectified image.

7. Классификация областей растительности, а также строений и сооружений7. Classification of areas of vegetation, as well as buildings and structures

8. Извлечение и моделирование отдельных объектов (зданий и сооружений).8. Extraction and modeling of individual objects (buildings and structures).

Недостатком данного способа при формировании ЦМП по космическим снимкам является недостаточно высокая точность и детальность, достигаемая используемыми алгоритмами.The disadvantage of this method in the formation of the DTM on satellite images is not enough high accuracy and detail achieved by the algorithms used.

Целью изобретения является создание способа построения более точной и высоко детальной ЦМП по данным космической стереосъемки.The aim of the invention is to create a method for constructing a more accurate and highly detailed DTM based on space stereo survey data.

Для достижения поставленной цели повышения точности и детальности ЦМП, в отличие от прототипа, предлагается:To achieve the goal of improving the accuracy and detail of the DSM, in contrast to the prototype, it is proposed:

- учитывать априорно известную цифровую модель рельефа (ЦМР) с разрешением не ниже 150 метров на пиксель;- take into account a priori known digital elevation model (DEM) with a resolution of at least 150 meters per pixel;

- выполнять построение ЦМП по стереоснимкам, в которых априорно исключены из рассмотрения области, маскируемые облаками, а также водные поверхности;- to build a DTM based on stereo images, in which areas masked by clouds, as well as water surfaces are a priori excluded from consideration;

- выполнять сегментацию панхроматических изображений и учитывать ее при стереосопоставлении снимков таким образом, чтобы избежать значительных скачков высоты внутри сегментов;- perform segmentation of panchromatic images and take it into account when comparing stereo images in such a way as to avoid significant height jumps within segments;

- находить матрицу

Figure 00000001
сдвигов пар соответственных точек на стереоснимках (задача стереосопоставления) за счет модификации алгоритмов GC и SGM и их комбинирования.- find matrix
Figure 00000001
shifts of pairs of corresponding points on stereo images (stereo matching problem) by modifying the GC and SGM algorithms and combining them.

Модификация алгоритма GC состоит в определении для каждой точки первого и второго изображения вектор-признака DAISY(p) (дескриптора DAISY [5]) и замене в выражении для энергетической функций EGC(DCC), приведенной в приложении 1, меры близости EGC_data(DGC) наThe modification of the GC algorithm consists in determining for each point of the first and second images the feature vector DAISY(p) (DAISY descriptor [5]) and replacing the expression for the energy functions E GC (D CC ), given in Appendix 1, with the proximity measure E GC _data ( DGC ) on

Figure 00000002
Figure 00000002

где DGC - матрица сдвигов соответственных точек на стереоснимках, формируемая алгоритмом GC,where D GC is the matrix of shifts of the corresponding points on stereo images, generated by the GC algorithm,

||а||L2 - норма вектора а в пространстве L2;|| and || L2 is the norm of the vector a in the space L 2 ;

pL - точки первого снимка стереопары,p L - points of the first image of the stereopair,

pR(pL,DGC) - точки второго снимка стереопары, соответствующие точкам pL и находящиеся с ними в одной строке.p R (p L ,D GC ) - points of the second image of the stereopair corresponding to the points p L and being in the same line with them.

Модификация алгоритма SGM состоит в замене обоих слагаемых в приведенной в приложении 2 энергетической функции

Figure 00000003
: первого - меры близости
Figure 00000004
точек pR второго изображения к точкам pL первого изображения на
Figure 00000005
, и второго слагаемого
Figure 00000006
, представляющего собой штраф за несовпадение сдвига
Figure 00000007
в точке pL и сдвигов в соседних точках q, находящихся в окрестности точки pL фиксированного радиуса, на модификацию
Figure 00000008
. Модифицированная энергетическая функция имеет видA modification of the SGM algorithm consists in replacing both terms in the energy function given in Appendix 2
Figure 00000003
: first - proximity measures
Figure 00000004
points p R of the second image to points p L of the first image on
Figure 00000005
, and the second term
Figure 00000006
, which is the penalty for mismatching the shift
Figure 00000007
at the point p L and shifts at neighboring points q located in the vicinity of the point p L of a fixed radius, for modification
Figure 00000008
. The modified energy function has the form

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

где

Figure 00000012
- вектор сдвигов
Figure 00000013
точек второго изображения pR относительно точек pL первого, находящихся на луче Si, направленном в точку р первого изображения, для которой ищется сдвиг,where
Figure 00000012
- shift vector
Figure 00000013
points of the second image p R relative to the points p L of the first, located on the ray S i directed to the point p of the first image, for which the shift is being sought,

Figure 00000014
- модифицированная мера близости точек pR второго изображения относительно точек pL первого изображения, находящихся на луче Si, направленном в точку р первого изображения,
Figure 00000014
- a modified measure of the proximity of points p R of the second image relative to the points p L of the first image, located on the beam S i directed to the point p of the first image,

Figure 00000015
- суммарный штраф, модифицированный за счет введения штрафных коэффициентов CS(pL,q) за несовпадение сдвигов в точках pL, расположенных на луче Si, и сдвигов в соседних с pL точках q из окрестности фиксированного радиуса,
Figure 00000015
is the total penalty modified by introducing penalty coefficients C S (p L ,q) for the mismatch between shifts at points p L located on the ray S i and shifts at points q adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius,

CS(pL, q) - коэффициент сегментации, который равен 1, если яркости точек pL и q в сегментированном изображении не равны, и 3 - в противном случае,C S (p L , q) - segmentation coefficient, which is equal to 1 if the brightness of the points p L and q in the segmented image are not equal, and 3 otherwise,

Figure 00000016
- сдвиги точек второго изображения, соответствующих точкам pL и q из первого изображения, находящихся на луче Si,
Figure 00000016
- shifts of the points of the second image corresponding to the points p L and q from the first image located on the ray S i ,

pL ∈ Si - точки первого изображения, расположенные на луче Si,p L ∈ S i - points of the first image located on the ray S i ,

С1 и С2 - штрафы за несовпадение сдвигов в соседних точках,C 1 and C 2 - penalties for non-coincidence of shifts at neighboring points,

q ∈ N(pL)∈Si - множество точек, расположенных на луче Si, из окрестности фиксированного радиуса с центром в точке pL,q ∈ N(p L )∈S i is the set of points located on the ray S i , from a neighborhood of a fixed radius centered at the point p L ,

Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль в противном случае.T(⋅) is a function that returns 1 if the condition in parentheses is true, and zero otherwise.

Комбинирование модифицированных алгоритмов заключается в том, что по матрице

Figure 00000017
которая доставляет минимум функции
Figure 00000018
, находят грубые оценки сдвигов соответственных точек второго изображения относительно точек первого. Далее локально в точке р и входящих в нее лучей Si в интервалах сдвигов, которые определяются сдвигами
Figure 00000019
(где pL ∈ Si, записанными в матрице
Figure 00000020
, по минимумам энергетических функций
Figure 00000021
для всех лучей Si находят в точке р первого изображения точную оценку сдвига
Figure 00000022
соответственной ей точки второго изображения.The combination of the modified algorithms is that, according to the matrix
Figure 00000017
which delivers the minimum of the function
Figure 00000018
, find rough estimates of the shifts of the corresponding points of the second image relative to the points of the first. Further, locally at the point p and the rays S i included in it in the intervals of shifts, which are determined by the shifts
Figure 00000019
(where p L ∈ S i , written in the matrix
Figure 00000020
, by minima of energy functions
Figure 00000021
for all rays S i find at the point p of the first image an exact estimate of the shift
Figure 00000022
the corresponding point of the second image.

Более подробно сущность предлагаемого способа поясняется дальнейшим описанием и чертежами:In more detail, the essence of the proposed method is explained by the following description and drawings:

на фиг. 1 представлен предлагаемый алгоритм построения ЦМП по данным космической стереосъемки;in fig. 1 shows the proposed algorithm for constructing a DTM based on space stereo survey data;

на фиг. 2 представлен предлагаемый алгоритм стереосопоставления фрагментов изображений стереопары;in fig. 2 shows the proposed algorithm for stereo matching of image fragments of a stereo pair;

на фиг. 3 представлен пример эпиполярно выравненных фрагментов стереоснимков;in fig. 3 shows an example of epipolarly aligned fragments of stereo images;

на фиг. 4 представлена схема расположения ключевых точек для вычисления дескриптора DAISY;in fig. 4 is a diagram of the location of key points for calculating the DAISY descriptor;

на фиг. 5 представлена геометрическая связь точки pL на луче Si с точками pR в зоне поиска сдвига точки соответствия

Figure 00000023
;in fig. 5 shows the geometric connection of the point p L on the ray S i with the points p R in the search area for the shift of the correspondence point
Figure 00000023
;

на фиг. 6 представлены для сравнения два ЦМП: первое изображение, полученное предлагаемым способом по данным космической стереосъемки, второе изображение (эталонное ЦМП) по данным лазерной аэросъемки.in fig. Figure 6 shows for comparison two DMFs: the first image obtained by the proposed method from space stereo survey data, the second image (reference DMF) from laser aerial survey data.

Предлагаемый способ построения ЦМП по данным космической стереосъемки в соответствии со схемой фиг. 1 и фиг. 2 производится в последовательности:The proposed method for constructing a DTM based on space stereo data in accordance with the scheme of Fig. 1 and FIG. 2 is produced in the sequence:

1. Получение входных данных (поз. 1 фиг. 1), включающих:1. Obtaining input data (pos. 1 of Fig. 1), including:

- пары стереоснимков местности в панхроматическом диапазоне с исключенными пикселями, соответствующими местоположению облаков и водной поверхности;- pairs of stereo images of the area in the panchromatic range with excluded pixels corresponding to the location of the clouds and the water surface;

- априорно известную ЦМР с разрешением не ниже 150 метров на пиксель;- a priori known DTM with a resolution of at least 150 meters per pixel;

- RPC-коэффициенты математического преобразования координат точек (пикселей) космического изображения на точки местности и обратно;- RPC-coefficients of mathematical transformation of the coordinates of points (pixels) of the space image to the points of the terrain and vice versa;

2. Сегментацию изображений стереопары (поз. 2 фиг. 1) по яркости методом анизотропной медианной фильтрации для удаления шума и мелких выбросов яркости, включающую:2. Image segmentation of a stereopair (pos. 2 of Fig. 1) by brightness by anisotropic median filtering to remove noise and small brightness spikes, including:

- выпуск из каждой точки изображения 16 лучей длиною 7 пикселей,- release from each point of the image 16 rays 7 pixels long,

- вычисление дисперсии яркости вдоль каждого луча,- calculation of the brightness dispersion along each beam,

- вычисление медианы яркости точек вдоль луча с наименьшей дисперсией,- calculation of the median of the brightness of points along the ray with the smallest dispersion,

- присвоение точке панхроматического изображения найденное значение медианы,- assigning a point of the panchromatic image to the found value of the median,

3. Разбиение стереоснимков на одинаковые по размеру меньшие фрагменты (поз. 3 фиг. 1);3. Splitting stereo images into smaller fragments of the same size (pos. 3 of Fig. 1);

4. Эпиполярное выравнивание фрагментов изображений стереопары в панхроматическом диапазоне через повороты изображений относительно центров снимков так, чтобы смещения, вызванные сменой ракурса при получении стереопары, лежали вдоль одной строки (поз. 4 фиг 1). Пример эпиполярного выравнивания приведен на фиг. 3, горизонтальные линии вдоль снимков соответствуют строкам выровненных изображений;Fig. 4. Epipolar alignment of image fragments of a stereopair in the panchromatic range through rotation of images relative to the centers of images so that the displacements caused by a change in angle when obtaining a stereopair lie along one line (pos. 4 of Fig. 1). An example of an epipolar alignment is shown in FIG. 3, the horizontal lines along the pictures correspond to the lines of the aligned pictures;

5. Выполнение процедуры стереосопоставления (поз. 5 фиг. 1), в результате которой получают матрицу сдвигов соответственных точек. Процедура стереосопоставления включает в себя следующие этапы.5. Execution of the stereo matching procedure (pos. 5 of Fig. 1), as a result of which a matrix of shifts of the corresponding points is obtained. The stereo matching procedure includes the following steps.

5.1 Вычисление дескриптора DAISY (р) для каждой точки р изображений стереопары (поз. 5.1 фиг. 2) по алгоритму:5.1 Calculation of the DAISY descriptor (p) for each point p of images of a stereopair (pos. 5.1 of Fig. 2) according to the algorithm:

- вокруг точки р панхроматического изображения строят набор из трех концентрических окружностей радиусами 3, 6 и 9 пикселей;- a set of three concentric circles with radii of 3, 6 and 9 pixels is built around the point p of the panchromatic image;

- на каждой из этих окружностей выбирают по 8 точек, равномерно распределенных вдоль окружности, геометрия размещения точек приведена на фиг. 4;- on each of these circles, 8 points are selected, evenly distributed along the circle, the geometry of the placement of points is shown in Fig. four;

- в исходной точке р, а также в 8 точках окружности радиусом 3 пикселя выполняют свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссового ядра 2 пикселя;- at the starting point p, as well as at 8 points of a circle with a radius of 3 pixels, convolution with the Gaussian kernel of the modules of brightness gradients in 8 directions is performed, the radius of the Gaussian kernel is 2 pixels;

- в каждой из 8 точек окружности радиусом 6 пикселей выполняют свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссового ядра 3 пикселя;- in each of the 8 points of the circle with a radius of 6 pixels, convolution is performed with the Gaussian kernel of the brightness gradient modules in 8 directions, the radius of the Gaussian kernel is 3 pixels;

- в каждой из 8 точек окружности радиусом 9 пикселей выполняют свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссового ядра 4 пикселя;- in each of the 8 points of the circle with a radius of 9 pixels perform convolution with the Gaussian kernel modules of brightness gradients in 8 directions, the radius of the Gaussian kernel is 4 pixels;

- объединяют полученные значения в вектор размерности 200 (25 точек по 8 направлений градиента в каждой);- combine the obtained values into a vector of dimension 200 (25 points with 8 gradient directions in each);

- нормализуют полученный вектор, который считают вектором-признаком (дескриптором) DAISY (р) точки р изображения.- normalize the resulting vector, which is considered a feature vector (descriptor) DAISY (p) of the point p of the image.

5.2 Выполнение первого этапа стереосопоставления с помощью модифицированного алгоритма GC (поз. 5.2 фиг. 2) в последовательности:5.2 Performing the first stage of stereo matching using the modified GC algorithm (pos. 5.2 of Fig. 2) in the sequence:

- определяют диапазон поиска

Figure 00000024
сдвигов точек соответствия по цифровой матрице рельефа (ЦМР) как интервал- define the search range
Figure 00000024
shifts of correspondence points in the digital relief matrix (DEM) as an interval

Figure 00000025
Figure 00000025

где kp - коэффициент перевода 1 м высоты местности в пиксели смещения на стереопаре, вычисляемый индивидуально для каждого фрагмента по RPC-коэффициентам снимков,where k p is the coefficient of conversion of 1 m of terrain height into offset pixels on a stereopair, calculated individually for each fragment according to the RPC coefficients of images,

Figure 00000026
- минимальная и максимальная высота рассматриваемой местности по ЦМР в пределах фрагмента;
Figure 00000026
- the minimum and maximum height of the area under consideration according to the DEM within the fragment;

- находят методом оптимальную матрицу сдвигов

Figure 00000027
такую, что значение
Figure 00000028
каждого элемента матрицы принадлежит интервалу
Figure 00000029
, то есть
Figure 00000030
, и для которой достигается минимум модифицированной энергетической функции
Figure 00000031
:- find the optimal shift matrix by the method
Figure 00000027
such that the value
Figure 00000028
each element of the matrix belongs to the interval
Figure 00000029
, that is
Figure 00000030
, and for which the minimum of the modified energy function is reached
Figure 00000031
:

Figure 00000032
Figure 00000032

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

где

Figure 00000035
- мера близости точек pL первого изображения точкам pR второго изображения,where
Figure 00000035
- measure of proximity of points p L of the first image to points p R of the second image,

pL=(xL,yL) - точки первого снимка стереопары,p L =(x L ,y L ) - points of the first image of the stereopair,

pR(pL,DGC)=(xR,yR)=(xL+DGC(pL),yL) - точка второго снимка стереопары, сдвиг которой относительно точки pL первого снимка равен DGC(pL) и находится в пределах интервала

Figure 00000036
,p R (p L, D GC )=(x R ,y R )=(x L +D GC (p L ),y L ) - point of the second image of the stereopair, the shift of which relative to the point p L of the first image is equal to D GC ( p L ) and is within the interval
Figure 00000036
,

DGC(pL) - сдвиг точки второго изображения относительно точки pL первого изображения, находящихся в одноименных строках изображений и в пределах интервала

Figure 00000037
,D GC (p L ) - shift of the point of the second image relative to the point p L of the first image, located in the same image lines and within the interval
Figure 00000037
,

N(pL)- множество точек в окрестности точки pL фиксированного радиуса,N(p L ) is the set of points in the vicinity of the point p L of a fixed radius,

V - весовой коэффициент штрафной функции,V is the weighting coefficient of the penalty function,

Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль в противном случае,T(⋅) - a function that returns 1 if the condition in brackets is true, and zero otherwise,

С - весовой коэффициент штрафной функции для условия DGC(pL)=∅ (∅ - пустое множество) означающего, что сдвиг точки pR относительно точки pL не определен.C is the weight coefficient of the penalty function for the condition D GC (p L )=∅ (∅ is an empty set) meaning that the shift of the point p R relative to the point p L is not defined.

5.3 Выполнение второго этапа стереосопоставления (точного сопоставления фрагментов разбиения) с помощью модифицированного алгоритма SGM (поз. 5.3 фиг. 2) в последовательности:5.3 Performing the second stage of stereo matching (exact matching of partition fragments) using the modified SGM algorithm (pos. 5.3 of Fig. 2) in the sequence:

определяют диапазон поиска

Figure 00000038
сдвигов для каждой точки снимка pL как интервалdefine the search range
Figure 00000038
shifts for each point of the image p L as an interval

Figure 00000039
Figure 00000039

в точку р первого изображения от края изображения проводят 16 равномерно разнесенных по углу лучей (i=1…16). В дальнейшем тексте точки первого изображения, находящиеся на Si луче, обозначены pL. Расположение точек р и pL на луче Si показано на фиг. 5;to the point p of the first image from the edge of the image, 16 beams evenly spaced along the angle (i=1...16) are carried out. In the following text, the points of the first image located on the S i beam are denoted p L . The location of the points p and p L on the ray S i is shown in FIG. 5;

для i-того луча находят вектор

Figure 00000040
сдвигов
Figure 00000041
соответственных точек второго изображения, находящихся в одноименных с pL строках, (связь точек pL с зоной поиска
Figure 00000042
соответственной точки pR иллюстрирует фиг. 5) следующим образом:for the i-th ray find the vector
Figure 00000040
shifts
Figure 00000041
of the corresponding points of the second image, located in the same-named lines with p L , (connection of points p L with the search area
Figure 00000042
corresponding point p R is illustrated in FIG. 5) as follows:

- рассматривают множество вариантов

Figure 00000043
вектора сдвигов
Figure 00000044
точек pRs второго изображения относительно точек pL ∈ Si первого изображения, координаты которого - последовательные значения
Figure 00000045
(из заранее заданного диапазона)- consider multiple options
Figure 00000043
shift vectors
Figure 00000044
points p Rs of the second image with respect to points p L ∈ S i of the first image, whose coordinates are successive values
Figure 00000045
(out of predefined range)

Figure 00000046
Figure 00000046

- для s-того варианта вектора сдвигов

Figure 00000047
определяют значение энергетической функции
Figure 00000048
:- for the s-th version of the shift vector
Figure 00000047
determine the value of the energy function
Figure 00000048
:

Figure 00000049
Figure 00000049

Figure 00000050
Figure 00000050

Figure 00000051
Figure 00000051

где

Figure 00000052
- мера близости всех точек pL первого изображения, расположенных на луче Si, к точкам pRs второго изображения, имеющих сдвиги
Figure 00000053
where
Figure 00000052
- a measure of the proximity of all points p L of the first image, located on the beam S i , to the points p Rs of the second image, having shifts
Figure 00000053

CS(pL,q) - коэффициент сегментации, который равен 1, если яркости точек pL и q в сегментированном изображении не равны, и 3 - в противном случае,C S (p L ,q) - segmentation coefficient, which is equal to 1 if the brightness of the points p L and q in the segmented image are not equal, and 3 otherwise,

Figure 00000054
- модифицированный за счет введения коэффициентов CS(pL,q) суммарный штраф за несовпадение сдвигов в точках pL, расположенных на луче Si, и сдвигов в соседних с pL точках q ∈ Si из окрестности фиксированного радиуса,
Figure 00000054
- modified due to the introduction of coefficients C S (p L ,q) the total penalty for the mismatch between shifts at points p L located on the ray S i and shifts at points q ∈ S i adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius,

pL ∈ Si - точки первого изображения, расположенные на луче Si,p L ∈ S i - points of the first image located on the ray S i ,

С1 и С2 - штрафы за несовпадение сдвигов в соседних точках,C 1 and C 2 - penalties for non-coincidence of shifts at neighboring points,

q ∈ N(pL) - множество точек в окрестности фиксированного радиуса с центром в точке pL луча Si,q ∈ N(p L ) is the set of points in a neighborhood of a fixed radius centered at the point p L of the ray S i ,

Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль в противном случае;T(⋅) - a function that returns 1 if the condition in brackets is true, and zero otherwise;

- находят методом динамического программирования среди множества векторов

Figure 00000055
) оптимальный вектор
Figure 00000056
сдвигов соответственных точек второго изображения, для которого достигается минимум энергетической функции
Figure 00000057
- find by dynamic programming among a set of vectors
Figure 00000055
) optimal vector
Figure 00000056
shifts of the corresponding points of the second image, for which the minimum of the energy function is achieved
Figure 00000057

Figure 00000058
Figure 00000058

повторяют шаги определения вектора

Figure 00000059
для каждого луча Si;repeat the steps of defining the vector
Figure 00000059
for each ray S i ;

выбирают среди полученных 16-ти векторов-сдвигов

Figure 00000060
тот, для которого достигается наименьшее значение
Figure 00000061
choose among the obtained 16 shift vectors
Figure 00000060
the one for which the smallest value is reached
Figure 00000061

Figure 00000062
Figure 00000062

выбирают в векторе

Figure 00000063
первую координату, отвечающую точке р первого изображения, значение сдвига, записанное в этой точке, является искомым точным значением сдвига
Figure 00000064
соответственной точки второго изображения;choose in vector
Figure 00000063
the first coordinate corresponding to the point p of the first image, the shift value recorded at this point is the desired exact shift value
Figure 00000064
corresponding point of the second image;

повторяют вычисление сдвига

Figure 00000065
для всех точек р первого изображения и формируют для этого изображения результирующую матрицу сдвигов
Figure 00000066
, в которой на месте яркости h(р) исходного изображения стоит значение
Figure 00000067
repeat the shift calculation
Figure 00000065
for all points p of the first image and form the resulting shift matrix for this image
Figure 00000066
, in which the brightness h(p) of the original image is replaced by the value
Figure 00000067

6. Построение ЦМП фрагментов изображения в географических координатах (поз. 6 фиг. 1) в последовательности:6. Construction of the DTM of image fragments in geographic coordinates (pos. 6 of Fig. 1) in the sequence:

вычисляют высоту местности в пикселе р по найденным сдвигам

Figure 00000068
, базовой высоте
Figure 00000069
фрагмента и коэффициенту kp перевода метров высоты в пиксели изображения:calculate the height of the terrain in pixel p from the found shifts
Figure 00000068
, base height
Figure 00000069
fragment and the coefficient k p of converting meters of height into pixels of the image:

Figure 00000070
Figure 00000070

по матрице h(p) вычисляют географические координаты точек поверхности Н(Х, Y) с помощью RPC-коэффициентов для того, чтобы получить ЦМП, привязанную к местности.the matrix h(p) calculates the geographical coordinates of the points of the surface H(X, Y) using RPC coefficients in order to obtain a DTM tied to the area.

7. Объединение ЦМП всех фрагментов разбиения Н(Х, Y) в итоговую ЦМП (поз. 7 фиг. 1) и выполнение медианной фильтрации полученной матрицы высот.7. Combining the DTM of all fragments of the partition H(X, Y) into the final DTM (pos. 7 of Fig. 1) and performing median filtering of the resulting DEM.

Для проверки работоспособности способа был проведен вычислительный эксперимент по построению цифровой модели местности по данным космической стереосъемки. Было выполнено сравнение качества ЦМП, построенной предлагаемым способом, с ЦМП прототипа, использующего сопоставление стереоснимков по алгоритму GC. Сравнение проводилось по значениям среднеквадратического отклонения оценок высоты ЦМП от эталонной ЦМП, построенной по данным воздушной лазерной съемки. Сравнение производилось по областям, не отмеченным в ходе предварительной классификации как водная поверхность и облачный или растительный покров. Полученное в прототипе среднеквадратичное значение ошибки (СКО) 3,74 м было улучшено до 2,93 м., что составляет уменьшение СКО ошибки на 21,6%. При этом для полученной ЦМП также были оценены точность по высоте (среднее абсолютное отклонение высот объектов ЦМП от высот объектов на эталоне), которая составила 1,81 м и точность в плане (отклонение границ объектов ЦМП - строений от границ этих же объектов на эталоне), которая составила 1,87 м.To test the operability of the method, a computational experiment was carried out to build a digital terrain model based on space stereo imaging data. The quality of the DTM built by the proposed method was compared with the DTM of the prototype, using the comparison of stereo images using the GC algorithm. The comparison was carried out using the values of the root-mean-square deviation of the DMF height estimates from the reference DMF constructed from airborne laser survey data. Comparisons were made for areas not identified during the preliminary classification as water surface and cloud or vegetation cover. Received in the prototype root-mean-square error (RMS) of 3.74 m was improved to 2.93 m, which is a decrease in the error RMS by 21.6%. At the same time, for the obtained DSM, the accuracy in height (the average absolute deviation of the heights of the DSM objects from the heights of objects on the standard) was also estimated, which amounted to 1.81 m and the accuracy in plan (deviation of the boundaries of the objects of the DSM - buildings from the boundaries of the same objects on the standard) , which amounted to 1.87 m.

На фиг. 6 показаны фрагменты матрицы высот рельефа, вычисленных предложенным методом, и соответствующие им результаты лидарной съемки. Визуальное сравнение показывает, что вычисленные матрицы высот рельефа качественно близки к результатам лидарной съемки.In FIG. Figure 6 shows fragments of the elevation matrix calculated by the proposed method and the corresponding results of the lidar survey. A visual comparison shows that the calculated elevation matrixes are qualitatively close to the results of the lidar survey.

Представленный способ построения ЦМП может найти свое применение для решения широкого круга задач, которые удобно разбить на три направления.The presented method of constructing a DMP can be used to solve a wide range of problems, which can be conveniently divided into three areas.

Первым важным направлением является формирование эталонных ЦМП по космическим стереоснимкам, необходимых для навигации беспилотных летательных аппаратов. Вне зависимости от типа задачи, данный способ обладает рядом важных преимуществ в сравнении с построением ЦМП по аэросъемке: более широкое покрытие; возможность получения данных на территории, где использование беспилотных летательных аппаратов невозможно; меньшая стоимость; высокая оперативность получения требуемой информации.The first important direction is the formation of reference DMF based on space stereo images necessary for the navigation of unmanned aerial vehicles. Regardless of the type of task, this method has a number of important advantages in comparison with the construction of a DTM based on aerial photography: wider coverage; the possibility of obtaining data on the territory where the use of unmanned aerial vehicles is impossible; lower cost; high efficiency in obtaining the required information.

Второе направление связано с управлением территориями, картографией, контролем темпов строительства и обнаружения объектов незаконного строительства, корректировкой кадастровой и градостроительной документации, оценкой геоморфологических изменений.The second direction is related to the management of territories, cartography, monitoring the pace of construction and detection of illegal construction sites, updating cadastral and urban planning documentation, and assessing geomorphological changes.

Третье направление - природный и экологический мониторинг, инвентаризация сельскохозяйственных угодий, оценка динамики изменения площади лесных массивов, создание тематических природных карт.The third direction is natural and environmental monitoring, inventory of agricultural lands, assessment of the dynamics of changes in the area of forests, creation of thematic natural maps.

Приложение 1Attachment 1

Алгоритм GC поиска матрицы сдвигов между соответственными точками эпиполярно выравненных стереоизображенийGC search algorithm for shift matrix between corresponding points of epipolar aligned stereo images

Задачу поиска матрицы сдвигов D между точками первого pL и второго pR эпиполярно выровненных стереоизображений решают через нахождение минимума «энергетической» функции EGC(⋅). Значения элементов матриц D для алгоритмов GC и SGM определяются по-разному, поэтому в дальнейшем тексте обозначаются DGC для алгоритма GC и DSGM для алгоритма SGM.The task of finding the shift matrix D between the points of the first p L and second p R epipolarly aligned stereo images is solved by finding the minimum of the "energy" function E GC (⋅). The values of the elements of the matrices D for the GC and SGM algorithms are defined differently, therefore, in the following text, they are denoted by D GC for the GC algorithm and D SGM for the SGM algorithm.

Энергетическая функция EGC(DGC) имеет вид:The energy function E GC (D GC ) has the form:

EGC(DGC)=EGC_data(DGC)+EGC_smth(DGC),E GC (D GC )=E GC _ data (D GC )+E GC _ smth (D GC ),

где

Figure 00000071
- мера близости точек pL первого изображения точкам pR второго изображения,where
Figure 00000071
- measure of proximity of points p L of the first image to points p R of the second image,

Figure 00000072
- суммарный штраф за несовпадение сдвигов в точках pL и сдвигов в соседних с pL точках q из окрестности фиксированного радиуса,
Figure 00000072
- total penalty for non-coincidence of shifts at points p L and shifts at points q adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius,

pL=(.xL,yL) - каждая точка первого снимка стереопары,p L =(.x L ,y L ) - each point of the first image of the stereopair,

pR(pL,DGC)=(xR,yR)=(xL+DGC(pL),yL) - точка второго снимка стереопары, сдвиг которой относительно точки pL первого снимка равен DGC(pL),p R (p L ,D GC )=(x R ,y R )=(x L +D GC (p L ),y L ) - point of the second image of the stereopair, the shift of which relative to the point p L of the first image is equal to D GC ( p L ),

Figure 00000073
- средние яркости первого и второго изображений стереопары в окрестностях точек pL и pR соответственно,
Figure 00000073
- average brightness of the first and second images of the stereopair in the vicinity of the points p L and p R , respectively,

N(pL) - множество точек в окрестности точки pL фиксированного радиуса,N(p L ) - set of points in the vicinity of the point p L of fixed radius,

V - весовой коэффициент штрафной функции,V is the weighting coefficient of the penalty function,

Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль в противном случае,T(⋅) - a function that returns 1 if the condition in brackets is true, and zero otherwise,

С - весовой коэффициент штрафной функции для условия DGC(pL)=∅ (∅ - пустое множество) означающего, что сдвиг точки pR относительно точки pL не определен.C is the weight coefficient of the penalty function for the condition D GC (p L )=∅ (∅ is an empty set) meaning that the shift of the point p R relative to the point p L is not defined.

Минимум функции EGC(DGC) в алгоритме GC ищут для всех точек изображения одновременно специальным численным методом, который относится к классу глобальных алгоритмов.The minimum of the function E GC (D GC ) in the GC algorithm is searched for for all points of the image simultaneously by a special numerical method, which belongs to the class of global algorithms.

Приложение 2Appendix 2

Алгоритм SGM поиска матрицы сдвигов между точками эпиполярно выравненных изображенийSGM search algorithm for shift matrix between points of epipolar aligned images

В алгоритме SGM поиск минимума функции ESGM(⋅), в отличие от алгоритма GC, осуществляется не глобально для всех точек сразу, а для каждой точки р первого изображения отдельно и независимо от других, поэтому алгоритм относится к классу полу-глобальных. Для этогоIn the SGM algorithm, the search for the minimum of the function E SGM (⋅), in contrast to the GC algorithm, is carried out not globally for all points at once, but for each point p of the first image separately and independently of the others, so the algorithm belongs to the class of semi-global ones. For this

- в точку р первого изображения от края изображения проводят 16 равномерно разнесенных по углу лучей Si, в дальнейшем тексте точки первого изображения, находящиеся на луче Si, обозначаем pL=(xL,yL),- to the point p of the first image from the edge of the image, 16 evenly spaced rays S i are carried out, in the further text the points of the first image located on the beam S i are denoted by p L =(x L ,y L ),

- для i-того луча находят вектор

Figure 00000074
сдвигов
Figure 00000075
соответственных точек второго изображения, находящихся в одноименных с pL строках, следующим образом:- for the i-th ray find the vector
Figure 00000074
shifts
Figure 00000075
corresponding points of the second image, located in the same-named lines with p L , as follows:

рассматривают множество вариантов

Figure 00000076
вектора сдвигов
Figure 00000077
точек pRs второго изображения относительно точек pL ∈ Si первого изображения, координаты которого - последовательные значения
Figure 00000078
(из заранее заданного диапазона)considering many options
Figure 00000076
shift vectors
Figure 00000077
points p Rs of the second image with respect to points p L ∈ S i of the first image, whose coordinates are successive values
Figure 00000078
(out of predefined range)

Figure 00000079
Figure 00000079

для s-того варианта вектора сдвигов

Figure 00000080
определяют значение энергетической функции
Figure 00000081
for the s-th version of the shift vector
Figure 00000080
determine the value of the energy function
Figure 00000081

Figure 00000082
Figure 00000082

Figure 00000083
Figure 00000083

Figure 00000084
Figure 00000084

Figure 00000085
Figure 00000085

Figure 00000086
Figure 00000086

где

Figure 00000087
- мера близости всех точек pL первого изображения, расположенных на луче Si, к точкам pRs второго изображения, имеющих сдвиги
Figure 00000088
where
Figure 00000087
- a measure of the proximity of all points p L of the first image, located on the beam S i , to the points p Rs of the second image, having shifts
Figure 00000088

Figure 00000089
- суммарный штраф за несовпадение сдвигов
Figure 00000090
в точках pL, расположенных на луче Si, и сдвигов
Figure 00000091
в соседних с pL точках q ∈ Si из окрестности фиксированного радиуса,
Figure 00000089
- total penalty for mismatched shifts
Figure 00000090
at points p L located on the ray S i , and shifts
Figure 00000091
at points q ∈ S i adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius,

pL ∈ Si - точки первого изображения, расположенные на луче Si,p L ∈ S i - points of the first image located on the ray S i ,

С1 и С2 - штрафы за несовпадение сдвигов в соседних точках,C 1 and C 2 - penalties for non-coincidence of shifts at neighboring points,

qL ∈ N(pL) - множество точек первого изображения в окрестности точки pL фиксированного радиуса,q L ∈ N(p L ) is the set of points of the first image in the vicinity of the point p L of a fixed radius,

qR ∈ N(pRs) - множество точек второго изображения в окрестности точки pRs фиксированного радиуса,q R ∈ N(p Rs ) is the set of points of the second image in the vicinity of the point p Rs of a fixed radius,

Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль в противном случае,T(⋅) - a function that returns 1 if the condition in brackets is true, and zero otherwise,

IL(qL) - яркость первого изображения в точке pL,I L (q L ) - brightness of the first image at point p L ,

IR(qR) - яркость второго изображения в точке qR,I R (q R ) - brightness of the second image at point q R ,

N - количество точек в заданной окрестности;N is the number of points in a given neighborhood;

находят методом динамического программирования среди множества векторов

Figure 00000092
оптимальный вектор
Figure 00000093
сдвигов соответственных точек второго изображения, для которого достигается минимум энергетической функции
Figure 00000094
are found by dynamic programming among a set of vectors
Figure 00000092
optimal vector
Figure 00000093
shifts of the corresponding points of the second image, for which the minimum of the energy function is achieved
Figure 00000094

Figure 00000095
Figure 00000095

- повторяют шаги определения вектора

Figure 00000096
для каждого луча Si,- repeat the steps of defining the vector
Figure 00000096
for each ray S i ,

- выбирают среди полученных 16-ти векторов-сдвигов

Figure 00000097
тот, для которого достигается наименьшее значение
Figure 00000098
- choose among the received 16 shift vectors
Figure 00000097
the one for which the smallest value is reached
Figure 00000098

Figure 00000099
Figure 00000099

- выбирают в векторе

Figure 00000100
первую координату, отвечающую точке р первого изображения. Значение сдвига, записанное в этой точке, является искомым точным значением сдвига
Figure 00000101
соответственной точки второго изображения;- choose in vector
Figure 00000100
the first coordinate corresponding to the p point of the first image. The shift value written at this point is the exact shift value you are looking for
Figure 00000101
corresponding point of the second image;

- повторяют вычисление сдвига

Figure 00000102
для всех точек р первого изображения и формируют для этого изображения результирующую матрицу сдвигов
Figure 00000103
в которой на месте яркости IL(р) исходного изображения стоит значение
Figure 00000104
- repeat the calculation of the shift
Figure 00000102
for all points p of the first image and form the resulting shift matrix for this image
Figure 00000103
in which the brightness I L (p) of the original image is replaced by the value
Figure 00000104

ЛитератураLiterature

[1] H. Hirschmuller. Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Volume: 30, Issue: 2, Feb. 2008. P. 328-341.[1] H. Hirschmuller. Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Volume: 30, Issue: 2, Feb. 2008. P. 328-341.

[2] https://racurs.ru/ers-data/optical-images/pleiades/[2] https://racurs.ru/ers-data/optical-images/pleiades/

[3] V. Kolmogorov, R. Zabih, Computing visual correspondence with occlusions using graph cuts. In: Proc. Int'l. Conf. Computer Vision, pp. 5 08-515 (2001) DOI: 10.1109/ICCV.2001.937668[3] V. Kolmogorov, R. Zabih, Computing visual correspondence with occlusions using graph cuts. In: Proc. Int'l. Conf. Computer Vision, pp. 5 08-515 (2001) DOI: 10.1109/ICCV.2001.937668

[4] T. Kraub, M. Lehner, P. Reinartz. Generation of coarse 3D models of urban areas from high resolution stereo satellite images // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part Bl. Beijing 2008. P. 1091-1098.[4] T. Kraub, M. Lehner, P. Reinartz. Generation of coarse 3D models of urban areas from high resolution stereo satellite images // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part Bl. Beijing 2008. P. 1091-1098.

[5] Tola E. A DAISY: An Efficient Dense Descriptor Applied to Wide-Baseline Stereo / Tola E., Lepetit V., Fua P. // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. - 2010 - Vol. 32. Is. 5. P. 815-830.[5] Tola E. A DAISY: An Efficient Dense Descriptor Applied to Wide-Baseline Stereo / Tola E., Lepetit V., Fua P. // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. - 2010 - Vol. 32. Is. 5. P. 815-830.

Claims (39)

Способ построения цифровой модели поверхности (ЦМП) по данным космической стереосъемки включает получение пары стереоснимков местности в панхроматическом диапазоне и RPC-коэффициентов математического преобразования координат точек (пикселей) космического изображения на точки местности и обратно; разбиение стереоснимков на одинаковые по размеру меньшие фрагменты; эпиполярное выравнивание фрагментов изображений стереопары в панхроматическом диапазоне через повороты изображений относительно центров фрагментов снимков так, чтобы смещения, вызванные сменой ракурса при получении стереопары, лежали вдоль одной строки; выполнение процедуры стереосопоставления, в результате которой получают матрицу сдвигов соответственных точек; процедура стереосопоставления включает в себя: нахождение оптимальной матрицы сдвигов
Figure 00000105
для которой достигается минимум энергетической функции EGC(DGC)
A method for constructing a digital surface model (DSM) based on space stereo survey data includes obtaining a pair of stereo images of the area in the panchromatic range and RPC coefficients for mathematical transformation of the coordinates of points (pixels) of the space image to the points of the area and vice versa; splitting stereo images into smaller fragments of the same size; epipolar alignment of image fragments of a stereopair in the panchromatic range through rotation of images relative to the centers of image fragments so that the displacements caused by a change in angle when obtaining a stereopair lie along one line; performing a stereo matching procedure, which results in a matrix of shifts of the corresponding points; stereo matching procedure includes: finding the optimal shift matrix
Figure 00000105
for which the minimum of the energy function E GC (D GC )
Figure 00000106
Figure 00000106
EGC(DGC)=EGC_data(DGC)+EGC_smth(DGC),E GC (D GC )=E GC_data (D GC )+E GC _ smth (D GC ), где EGC_data(DGC) - мера близости точек pL первого изображения к точкам pR второго изображения,where E GC_data (D GC ) is a measure of proximity of points p L of the first image to points p R of the second image, EGC_smth(DGC) - суммарный штраф за несовпадение сдвигов в точках pL и сдвигов в соседних с pL точках q из окрестности фиксированного радиуса;E GC _ smth (D GC ) - total penalty for non-coincidence of shifts at p L points and shifts at q points adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius; значение EGC_smth (DGC) определяется выражениемthe value of E GC_smth (D GC ) is given by
Figure 00000107
Figure 00000107
где pL=(xL, yL) - каждая точка первого снимка стереопары,where p L =(x L, y L ) - each point of the first image of the stereopair, pR(pL,DDC)=(xR, yR)=(xL+DGC(pL),yL) - соответственная точка второго снимка стереопары, сдвиг которой относительно точки pL первого снимка равен DGC(pL),p R (p L, D DC )=(x R , y R )=(x L +D GC (p L ),y L ) - the corresponding point of the second image of the stereopair, the shift of which relative to the point p L of the first image is equal to D GC (p L ), DGC(pL) - сдвиг соответственной точки второго изображения относительно точки pL первого изображения, находящихся в одноименных строках изображений,D GC (p L ) - shift of the corresponding point of the second image relative to the point p L of the first image, located in the same image lines, N(pL) - множество точек в окрестности точки pL фиксированного радиуса,N(p L ) - set of points in the vicinity of the point p L of fixed radius, V - весовой коэффициент штрафной функции,V is the weighting coefficient of the penalty function, Т(⋅) - функция, которая возвращает 1, если условие в скобках верно, и ноль - в противном случае,T(⋅) - a function that returns 1 if the condition in brackets is true, and zero otherwise, С - весовой коэффициент штрафной функции для условия DGC(pL)=∅ (∅ - пустое множество), означающего, что сдвиг точки pR относительно точки pL не определен;C is the weight coefficient of the penalty function for the condition D GC (p L )=∅ (∅ is an empty set), which means that the shift of the point p R relative to the point p L is not defined; строят ЦМП фрагментов изображения в географических координатах в последовательности:DTM of image fragments is built in geographic coordinates in the sequence: вычисляют высоту местности h(p) в пикселе р по найденным сдвигам и параметрам съемки; вычисляют по матрице h(p) географические координаты точек поверхности H(X,Y) с помощью RPC-коэффициентов для того, чтобы получить ЦМП, привязанную к местности; объединяют ЦМП всех фрагментов разбиения H(X,Y) в итоговую ЦМП и выполняют медианную фильтрацию полученной матрицы высот; отличающийся тем, что из панхроматических стереоснимков, принимаемых для построения ЦМП, в результате предварительной обработки исключены пиксели, соответствующие местоположению облаков и водной поверхности; в состав исходной информации для построения ЦМП включена априорно известная цифровая модель рельефа (ЦМР) с разрешением не ниже 150 метров на пиксель; перед разбиением стереоснимков выполняют сегментацию изображений стереопары методом анизотропной медианной фильтрации для удаления шума и мелких выбросов яркости, сегментация изображений включает: выпуск из каждой точки р изображения 16 лучей длиною 7 пикселей, вычисление дисперсии яркости изображения вдоль каждого луча, вычисление медианы яркости точек вдоль луча с наименьшей дисперсией, присвоение точке р панхроматического изображения найденного значения медианы; в операции стереосопоставления перед нахождением оптимальной матрицы сдвигов
Figure 00000108
для каждой точки р изображений стереопары вычисляют вектор-признак точки, называемый дескриптором DAISY(p), и диапазон поиска
Figure 00000109
сдвигов соответственных точек по ЦМР; дескриптор DAISY (р) вычисляют по алгоритму: вокруг точки р панхроматического изображения строят набор из трех концентрических окружностей радиусами 3, 6 и 9 пикселей; на каждой из этих окружностей выбирают по 8 точек, равномерно распределенных вдоль окружности; в исходной точке р, а также в 8 точках, выбранных на окружности с радиусом 3 пикселя, выполняют двумерную свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссова ядра 2 пикселя; в каждой из 8 точек, выбранных на окружности с радиусом 6 пикселей, выполняют свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссова ядра 3 пикселя; в каждой из 8 точек, выбранных на окружности с радиусом 9 пикселей, выполняют свертку с гауссовым ядром модулей градиентов яркости по 8 направлениям, радиус гауссова ядра 4 пикселя; объединяют полученные значения в вектор размерности 200; нормализуют полученный вектор, который считают дескриптором DAISY(р) точки р изображения; диапазон поиска
Figure 00000110
сдвигов соответственных точек по ЦМР вычисляется как интервал
calculating the terrain height h(p) in pixel p based on the found shifts and shooting parameters; calculate the geographic coordinates of the points of the surface H(X,Y) from the matrix h(p) using RPC coefficients in order to obtain a DTM tied to the area; combine the DTM of all fragments of the partition H(X,Y) into the final DTM and perform median filtering of the resulting DEM; characterized in that, as a result of preliminary processing, pixels corresponding to the location of clouds and the water surface are excluded from panchromatic stereo images taken to build the DSM; a priori known digital elevation model (DEM) with a resolution of at least 150 meters per pixel is included in the initial information for building a DEM; before splitting the stereo images, segmentation of images of a stereo pair is performed using anisotropic median filtering to remove noise and small brightness spikes, image segmentation includes: issuing 16 rays of 7 pixels long from each point p of the image, calculating the dispersion of the image brightness along each beam, calculating the median of the brightness of points along the beam with the smallest variance, assigning the point p of the panchromatic image of the found value of the median; in the stereo matching operation before finding the optimal shift matrix
Figure 00000108
for each point p of images of a stereopair, a feature vector of the point, called the DAISY(p) descriptor, and the search range are calculated
Figure 00000109
shifts of the corresponding points along the DEM; the descriptor DAISY (p) is calculated according to the algorithm: a set of three concentric circles with radii of 3, 6 and 9 pixels is built around the point p of the panchromatic image; on each of these circles, 8 points are selected, evenly distributed along the circle; at the starting point p, as well as at 8 points selected on a circle with a radius of 3 pixels, perform a two-dimensional convolution with a Gaussian kernel modules of brightness gradients in 8 directions, the radius of the Gaussian kernel is 2 pixels; at each of the 8 points selected on a circle with a radius of 6 pixels, convolution is performed with the Gaussian kernel of the brightness gradient modules in 8 directions, the radius of the Gaussian kernel is 3 pixels; in each of the 8 points selected on a circle with a radius of 9 pixels, perform convolution with the Gaussian kernel modules of brightness gradients in 8 directions, the radius of the Gaussian kernel is 4 pixels; combine the obtained values into a vector of dimension 200; normalizing the resulting vector, which is considered the descriptor DAISY(p) of the point p of the image; search range
Figure 00000110
shifts of the corresponding points along the DTM is calculated as an interval
Figure 00000111
Figure 00000111
где kp - коэффициент перевода 1 м высоты местности в пиксели смещения на стереопаре, вычисляемый для каждого фрагмента по RPC-коэффициентам снимков,where k p is the coefficient of conversion of 1 m of terrain height into offset pixels on a stereopair, calculated for each fragment by the RPC coefficients of images,
Figure 00000112
- минимальная и максимальная высота рассматриваемой местности по ЦМР в пределах фрагмента;
Figure 00000112
- the minimum and maximum height of the area under consideration according to the DEM within the fragment;
вычисления энергетической функции EGC(DGC) выполняют для пар точек первого pL и второго рR изображения, сдвиг между которыми DGC(pL) находится в пределах интервала
Figure 00000113
после нахождения оптимальной матрицы сдвигов
Figure 00000114
ищется матрица точных значений
Figure 00000115
в локальных областях каждой точки р первого снимка модифицированным алгоритмом SGM в последовательности: определяют диапазон поиска
Figure 00000116
сдвигов для каждой точки снимка pL как интервал
calculations of the energy function E GC (D GC ) are performed for pairs of points of the first p L and second p R images, the shift between which D GC (p L ) is within the interval
Figure 00000113
after finding the optimal shift matrix
Figure 00000114
looking for a matrix of exact values
Figure 00000115
in the local areas of each point p of the first image by the modified SGM algorithm in the sequence: determine the search range
Figure 00000116
shifts for each point of the image p L as an interval
Figure 00000117
Figure 00000117
в точку р первого изображения от края изображения проводят 16 равномерно разнесенных по углу лучей Si (i=1…16); в дальнейшем тексте по алгоритму SGM точки первого изображения, находящиеся на луче Si, обозначены pL; для i-того луча находят вектор
Figure 00000118
сдвигов
Figure 00000119
соответственных точек второго изображения, находящихся в одноименных с pL строках, для этого рассматривают множество вариантов
Figure 00000120
вектора сдвигов
Figure 00000121
точек pRs второго изображения относительно точек pL ∈ Si первого изображения, координаты которого - последовательные значения
Figure 00000122
to the point p of the first image from the edge of the image spend 16 evenly spaced along the angle of the rays S i (i=1...16); in the following text, according to the SGM algorithm, the points of the first image located on the ray S i are denoted p L ; for the i-th ray find the vector
Figure 00000118
shifts
Figure 00000119
of the corresponding points of the second image, located in the lines of the same name with p L , for this, a set of options is considered
Figure 00000120
shift vectors
Figure 00000121
points p Rs of the second image with respect to points p L ∈ S i of the first image, whose coordinates are successive values
Figure 00000122
Figure 00000123
Figure 00000123
для s-того варианта вектора сдвигов
Figure 00000124
определяют значение энергетической функции
Figure 00000125
по формуле:
for the s-th version of the shift vector
Figure 00000124
determine the value of the energy function
Figure 00000125
according to the formula:
Figure 00000126
Figure 00000126
гдеwhere
Figure 00000127
- модифицированная мера близости всех точек pL первого изображения, расположенных на луче Si, к точкам pRs второго изображения, имеющим сдвиги
Figure 00000128
Figure 00000127
- modified measure of proximity of all points p L of the first image, located on the beam S i , to points p Rs of the second image, having shifts
Figure 00000128
Figure 00000129
Figure 00000130
- модифицированный за счет введения коэффициентов CS(pL, q) суммарный штраф за несовпадение сдвигов в точках pL, расположенных на луче Si, и сдвигов в соседних с pL точках q ∈ Si из окрестности фиксированного радиуса,
Figure 00000129
Figure 00000130
- modified due to the introduction of coefficients C S (p L , q) the total penalty for the mismatch of shifts at points p L located on the ray S i and shifts at points q ∈ S i adjacent to p L from a neighborhood of a fixed radius,
CS(pL,q) - коэффициент сегментации, который равен 1, если яркости точек pL и q в сегментированном изображении не равны, и 3 - в противном случае,C S (p L ,q) - segmentation coefficient, which is equal to 1 if the brightness of the points p L and q in the segmented image are not equal, and 3 otherwise, pL ∈ Si - точки первого изображения, расположенные на луче Si,p L ∈ S i - points of the first image located on the ray S i , С1 и С2 - штрафы за несовпадение сдвигов в соседних точках,C 1 and C 2 - penalties for non-coincidence of shifts at neighboring points, q ∈ N(pL) ∩ Si - множество точек луча Si в окрестности фиксированного радиуса с центром в точке pL,q ∈ N(p L ) ∩ S i is the set of points of the ray S i in a neighborhood of a fixed radius centered at the point p L , находят методом динамического программирования среди множества векторов
Figure 00000131
Figure 00000132
оптимальный вектор
Figure 00000133
сдвигов соответственных точек второго изображения, для которого достигается минимум энергетической функции
Figure 00000134
are found by dynamic programming among a set of vectors
Figure 00000131
Figure 00000132
optimal vector
Figure 00000133
shifts of the corresponding points of the second image, for which the minimum of the energy function is achieved
Figure 00000134
Figure 00000135
Figure 00000135
повторяют шаги определения вектора
Figure 00000136
для каждого луча Si;
repeat the steps of defining the vector
Figure 00000136
for each ray S i ;
выбирают среди полученных 16-ти векторов-сдвигов
Figure 00000137
тот, для которого достигается наименьшее значение
Figure 00000138
choose among the obtained 16 shift vectors
Figure 00000137
the one for which the smallest value is reached
Figure 00000138
Figure 00000139
Figure 00000139
выбирают в векторе
Figure 00000140
первую координату, отвечающую точке р первого изображения, значение сдвига, записанное в этой точке, является искомым точным значением сдвига
Figure 00000141
соответственной точки второго изображения; повторяют вычисление сдвига
Figure 00000142
для всех точек р первого изображения и формируют для этого изображения результирующую матрицу сдвигов
Figure 00000143
, в которой на месте яркости IL(р) исходного изображения стоит значение
Figure 00000144
; в операциях построения ЦМП фрагментов изображения в географических координатах значение h(р) - высоты местности в пикселе р определяют по найденным сдвигам
Figure 00000145
базовой высоте
Figure 00000146
фрагмента и коэффициенту kp перевода метров высоты в пиксели изображения:
choose in vector
Figure 00000140
the first coordinate corresponding to the point p of the first image, the shift value recorded at this point is the desired exact shift value
Figure 00000141
corresponding point of the second image; repeat the shift calculation
Figure 00000142
for all points p of the first image and form the resulting shift matrix for this image
Figure 00000143
, in which the brightness I L (p) of the original image is replaced by the value
Figure 00000144
; in the operations of constructing a DTM of image fragments in geographic coordinates, the value h(p) - the height of the terrain in pixel p is determined by the found shifts
Figure 00000145
base height
Figure 00000146
fragment and the coefficient k p of converting meters of height into pixels of the image:
Figure 00000147
Figure 00000147
RU2021119409A 2021-07-02 Method for building a digital surface model based on data from space stereo imaging RU2778076C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778076C1 true RU2778076C1 (en) 2022-08-15

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117664087A (en) * 2024-01-31 2024-03-08 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 Method, system and equipment for generating vertical orbit circular scanning type satellite image epipolar line

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070265781A1 (en) * 2006-05-12 2007-11-15 Harris Corporation Method and System for Generating an Image-Textured Digital Surface Model (DSM) for a Geographical Area of Interest
US20100118053A1 (en) * 2008-11-11 2010-05-13 Harris Corporation Corporation Of The State Of Delaware Geospatial modeling system for images and related methods
US20110110580A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-12 Harris Corporation Geospatial modeling system for classifying building and vegetation in a dsm and related methods
RU2538335C2 (en) * 2009-02-17 2015-01-10 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Combining 3d image data and graphical data
US20170200309A1 (en) * 2015-12-16 2017-07-13 Objectvideo, Inc. Using satellite imagery to enhance a 3d surface model of a real world cityscape

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070265781A1 (en) * 2006-05-12 2007-11-15 Harris Corporation Method and System for Generating an Image-Textured Digital Surface Model (DSM) for a Geographical Area of Interest
US20100118053A1 (en) * 2008-11-11 2010-05-13 Harris Corporation Corporation Of The State Of Delaware Geospatial modeling system for images and related methods
RU2538335C2 (en) * 2009-02-17 2015-01-10 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Combining 3d image data and graphical data
US20110110580A1 (en) * 2009-11-12 2011-05-12 Harris Corporation Geospatial modeling system for classifying building and vegetation in a dsm and related methods
US20170200309A1 (en) * 2015-12-16 2017-07-13 Objectvideo, Inc. Using satellite imagery to enhance a 3d surface model of a real world cityscape

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117664087A (en) * 2024-01-31 2024-03-08 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 Method, system and equipment for generating vertical orbit circular scanning type satellite image epipolar line

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Integration of aerial oblique imagery and terrestrial imagery for optimized 3D modeling in urban areas
AU2018212700B2 (en) Apparatus, method, and system for alignment of 3D datasets
Bakirman et al. Implementation of ultra-light UAV systems for cultural heritage documentation
Tong et al. Building-damage detection using pre-and post-seismic high-resolution satellite stereo imagery: A case study of the May 2008 Wenchuan earthquake
US7983474B2 (en) Geospatial modeling system and related method using multiple sources of geographic information
Kumar Mishra et al. A review of optical imagery and airborne lidar data registration methods
Shahzad et al. Automatic detection and reconstruction of 2-D/3-D building shapes from spaceborne TomoSAR point clouds
US20090154793A1 (en) Digital photogrammetric method and apparatus using intergrated modeling of different types of sensors
CN104867126A (en) Method for registering synthetic aperture radar image with change area based on point pair constraint and Delaunay
Maurer et al. Tapping into the Hexagon spy imagery database: A new automated pipeline for geomorphic change detection
Gerke Dense matching in high resolution oblique airborne images
Ma Building model reconstruction from LiDAR data and aerial photographs
Kumari et al. Adjustment of systematic errors in ALS data through surface matching
US11861855B2 (en) System and method for aerial to ground registration
Wang Automatic extraction of building outline from high resolution aerial imagery
Razali et al. A hybrid point cloud reality capture from terrestrial laser scanning and UAV-photogrammetry
Wujanz et al. Plane-based registration of several thousand laser scans on standard hardware
Kim et al. Digital surface model generation for drifting Arctic sea ice with low-textured surfaces based on drone images
RU2778076C1 (en) Method for building a digital surface model based on data from space stereo imaging
Jang et al. Topographic information extraction from KOMPSAT satellite stereo data using SGM
Marsetič Robust automatic generation of true orthoimages from very high-resolution panchromatic satellite imagery based on image incidence angle for occlusion detection
Lee et al. Determination of building model key points using multidirectional shaded relief images generated from airborne LiDAR data
Hussein et al. Global localization of autonomous robots in forest environments
Tahoun et al. Satellite image matching and registration: A comparative study using invariant local features
Rönnholm et al. Relative orientation between a single frame image and LiDAR point cloud using linear features