第八章、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

1、 第八章 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的來(lái)歷數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的來(lái)歷無(wú)論是模擬攝影測(cè)量還是解析攝影測(cè)量都需要人工量測(cè)像點(diǎn)坐標(biāo)，并需要人眼在立體觀察情況下尋找同名像點(diǎn)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展使得以上工作可以借助于計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，也即利用數(shù)字影像的灰度信號(hào)，采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)尋找并量測(cè)同名像點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)解析計(jì)算，進(jìn)行相對(duì)定向和絕對(duì)定向，建立數(shù)字立體模型，從而建立數(shù)字高程模型，繪制等高線圖、制作正射影像圖以及為地理信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息，這就是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的定義兩種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于數(shù)字影像與攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法

2、、提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科。這種定義在美國(guó)等國(guó)家稱為軟拷貝攝影測(cè)量（softcopy-Photogrammetry）中國(guó)著名攝影測(cè)量學(xué)者王之卓教授稱之為全數(shù)字?jǐn)z測(cè)量（All digitalPhotogrammetry）這種定義認(rèn)為，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，不僅其產(chǎn)品是數(shù)字的，而且其中間數(shù)據(jù)的記錄以及處理的原始資料均是數(shù)字的，所處理的原始資料自然是數(shù)字影像。另一種廣義的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量定義則只強(qiáng)調(diào)其中間數(shù)據(jù)記錄及最終產(chǎn)品是數(shù)字形式的，即數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，從影像（包括硬拷貝與數(shù)字影像或數(shù)字化影像）提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物

3、理信息的攝影測(cè)量分支學(xué)科。這種定義的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量包括計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖（常稱為數(shù)字測(cè)圖）與影像數(shù)字化測(cè)圖。 v全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的若干典型問(wèn)題一 輻射信息在解析攝影測(cè)量中，一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)向量是三維的，即 而在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中。目標(biāo)點(diǎn)向量變?yōu)樗木S，即 其中D是該點(diǎn)的輻射量（影像的密度或灰度值），集合D就構(gòu)成了數(shù)字影像?，F(xiàn)在我們可以利用各種傳感器精確獲取多種頻帶多時(shí)域的輻射信息，即直接獲取數(shù)字影像；也可利用影像數(shù)字化儀將像片上的影像數(shù)子化獲取數(shù)字化影像。由于數(shù)字影像的運(yùn)用，許多在傳統(tǒng)攝影測(cè)量中很難甚至不可能實(shí)現(xiàn)的處理，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中都能夠處理甚至變得極為簡(jiǎn)單如消除影像的運(yùn)動(dòng)模糊、按所需要的任務(wù)方式進(jìn)行糾正

4、、反差增強(qiáng)、多影像的分析與模式識(shí)別等。由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量直接使用的原始資料是數(shù)字影像。因此其硬件系統(tǒng)只是一個(gè)計(jì)算機(jī)。TZYX),(TDZYX),(一、數(shù)字影像的獲取與采樣一、數(shù)字影像的獲取與采樣1.影像數(shù)字化過(guò)程影像數(shù)字化過(guò)程 將透明正片（或負(fù)片）放在影像數(shù)字化器上，把像片上像點(diǎn)灰度值用數(shù)字形式記錄下未，此過(guò)程稱為影像數(shù)字化。 影像的灰度又稱為光學(xué)密度。透明像片（正片或負(fù)片）影像的灰度值，反映了它透明的程度，即透光的能力。設(shè)投影在透明像片上的光通量為F0，而透過(guò)透明像片后的光通量為F，則F與F0之比稱為透過(guò)率T，F(xiàn)與F0之比稱為不透過(guò)率O，有:FFOFFT00,因此，像點(diǎn)愈黑，則透過(guò)的光通量愈小

5、，不透過(guò)率愈大，所以。透過(guò)率和不透過(guò)率都可以說(shuō)明影像黑白的程度。但是人眼對(duì)明暗程度的感覺(jué)是按對(duì)數(shù)關(guān)系變化的。為了適應(yīng)人眼的視覺(jué)，在分析影像的性能時(shí)，不直接用透過(guò)率或不透過(guò)率表示其黑白程度，而用不透過(guò)率的對(duì)數(shù)值表示：D稱為影像的灰度，當(dāng)光線全部透過(guò)時(shí)，即透過(guò)率等于1，則影像的灰度等于0，當(dāng)光通量?jī)H透過(guò)百分之一，即不透過(guò)率是100時(shí)，則影像的灰度是2，實(shí)際的航空底片的灰度一般在0.3到1.8范圍之內(nèi)。TOD1loglog2.采樣，重采樣與量化 影像數(shù)宇化過(guò)程包括采樣與量化兩項(xiàng)內(nèi)容。 像片上像點(diǎn)是連續(xù)分布的，但在影像數(shù)字化過(guò)程中不可能將每一個(gè)連續(xù)的像點(diǎn)全部數(shù)字化，而只能每隔一個(gè)間隔讀一個(gè)點(diǎn)的灰度值，

6、這個(gè)過(guò)程稱為采樣，稱為采樣間隔。采樣后是不連續(xù)的等間隔序列，采樣過(guò)程會(huì)給影像的灰度帶來(lái)誤差例如相鄰兩個(gè)點(diǎn)的影像被丟失，亦即影像的細(xì)部受到損夫，若要減少損失則采樣間隔越小越好。但是采樣間隔越小，數(shù)據(jù)量越大，增加了運(yùn)算工作量和提高了對(duì)設(shè)備的耍求。究竟如何確定采樣間隔，應(yīng)根據(jù)精度要求和影像分解力，另外還要考慮到數(shù)據(jù)量和存貯設(shè)備的容量。 通過(guò)上述采樣過(guò)程得到每個(gè)點(diǎn)的灰度值不是整數(shù)，這對(duì)于計(jì)算很不方便，為此，應(yīng)將各點(diǎn)的灰度值取為整數(shù)，這一過(guò)程稱為影像灰度的量化。其方法是將透明像片有可能出現(xiàn)的最大灰度變化范圍進(jìn)行等分，等分的數(shù)目稱為“灰度等級(jí)”；然后將每個(gè)點(diǎn)的灰度值在其相應(yīng)的灰度等級(jí)內(nèi)取整，取整的原則是四

7、舍五入。由于計(jì)算機(jī)中數(shù)字均用二進(jìn)制表示，因此灰度等級(jí)一般都取為 （m是正整數(shù)）。當(dāng)m=1時(shí)，灰度只有黑白兩級(jí)，當(dāng)m=8時(shí)，則得256個(gè)灰度級(jí)，0為黑，255為白，每個(gè)像元素得灰度值占8bit，即一個(gè)字節(jié)。量化過(guò)程會(huì)給影像得灰度帶來(lái)四舍五入的湊整誤差，例如：將最大密度范圍0-3劃分為64級(jí)，最大量化誤差為由此可以看出，量化誤差與密度等級(jí)有關(guān)，密度等級(jí)越大，量化誤差越小。m202. 06435 . 0當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)g(x,y)的數(shù)值時(shí)就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)稱為重采樣(Resampling)，意即在原采樣的基礎(chǔ)上再一次采樣。每當(dāng)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行幾何處理時(shí)總會(huì)產(chǎn)生這項(xiàng)問(wèn)題，例如，核

8、線排列，數(shù)字糾正等。一般重采樣可采樣雙線性插值法，即用欲重采樣的點(diǎn)P鄰近的4個(gè)原始像元來(lái)參加計(jì)算。其公式為例如：lkjijijijigjlikgggg,1, 1, 1, 1,4,4,126,118,110,102求已知2 , 21 , 22 , 11 , 1)1 ()1 ()1)(1 ()(ygxgyxygxgyxPg3.數(shù)字影像的構(gòu)成數(shù)字影像的構(gòu)成經(jīng)過(guò)影像數(shù)字化以后得到的數(shù)字影像是一個(gè)二維的數(shù)字矩陣矩陣的每一個(gè)元素稱為像元素（Pixel）。對(duì)各個(gè)像元素所賦予的灰度值g(m,n)一般是0255之間的某個(gè)整數(shù)。矩陣的每一行對(duì)應(yīng)于一個(gè)掃描行。數(shù)字化像元素的點(diǎn)位坐標(biāo)可由像元素在矩陣中所在行、列號(hào)m,

9、n來(lái)表示：該坐標(biāo)通常稱為掃描坐標(biāo)。),()2 ,() 1 ,(), 2()2 , 2() 1 , 2(), 1 ()2 , 1 () 1 , 1 (NMgMgMgNgggNgggymyyxnxx) 1() 1(00二、數(shù)字影像的定向1.數(shù)字影像的內(nèi)定向在攝影測(cè)量中常用像平面坐標(biāo)系來(lái)建立像點(diǎn)與地面點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，但像片掃描數(shù)字化后，像片的掃描坐標(biāo)系與像平面坐標(biāo)系不再相同，此時(shí)需要進(jìn)行兩個(gè)坐標(biāo)系的換算。如圖中，o-cr為影像掃描坐標(biāo)系，e-xy為框標(biāo)坐標(biāo)系，o-xy為像平面坐標(biāo)系，Sxyz為像空間坐標(biāo)系。數(shù)字影像內(nèi)定向的過(guò)程可以表示為如圖所示的一個(gè)過(guò)程：一般認(rèn)為同一像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)x,y與其掃描坐標(biāo)

10、 之間存在仿射變換，即：式中， 稱為內(nèi)定向參數(shù)，其數(shù)值由像片上四個(gè)框標(biāo)的掃描坐標(biāo)及其相應(yīng)的像平面坐標(biāo)（視為理論值）組成誤差方程式，用平差方法求得。yx,ykxkkyyhxhhx210210210210,kkkhhh002121rcyyxxkkhhrceeykxkkryhxhhc21021000002121rcyyxxkkhhrc00212100rrccnnmmyyxx121212121kkhhnnmm)()()()()()()()()()()()(000000003030010A00333222311SASASASASASASASASASASASZZcYYbXXaZZcYYbXXafrrZZc

11、YYbXXaZZcYYbXXafcc303222102121101303222102121101203222102121101,ccncmccncmccbbnbmbbnbmbbaanamaanamaa先把影像圖像二值化，然后自動(dòng)識(shí)別框標(biāo)，為了確定框標(biāo)中心位置一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法是計(jì)算二值圖的重心坐標(biāo)：niiifniiifggiynyggixnx001,)(11,)(12.數(shù)字影像的相對(duì)定向數(shù)字影像的相對(duì)定向用兩個(gè)相互重疊的立體像對(duì)構(gòu)成立體模型是進(jìn)行三維信息提取和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基礎(chǔ)，而立體模型的建立則必須進(jìn)行相對(duì)定向，相對(duì)定向的目的就是恢復(fù)兩個(gè)影像在空中成像時(shí)的相對(duì)方位，使同名光線對(duì)對(duì)相交。在豎

12、直航空攝影或已知傾角近似值的傾斜投影中，相對(duì)定向一般采用迭代解，但是當(dāng)不知道這些值時(shí)，需要進(jìn)行相對(duì)定向的直接求解。 自動(dòng)相對(duì)定向的關(guān)鍵是自動(dòng)識(shí)別定向所需要的同名點(diǎn)對(duì)，在解析攝影測(cè)量中，一般用6個(gè)以上的同名點(diǎn)對(duì)來(lái)計(jì)算相對(duì)定向元素，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，則具有很大的靈活性，可以利用影像相關(guān)來(lái)識(shí)別足夠多的同名點(diǎn)使得相對(duì)定向達(dá)到高精度。相對(duì)定向可以有下列方式實(shí)現(xiàn)。（1）標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)定向（2） 興趣點(diǎn)相對(duì)定向3.數(shù)字影像的絕對(duì)定向自動(dòng)相對(duì)定向目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，但是數(shù)字影像的絕對(duì)定向仍需要借助人工完成，現(xiàn)階段主要由人工在左（右）影像定位控制點(diǎn)，由最小二乘影像匹配確定同名點(diǎn)，然后計(jì)算絕對(duì)定向參數(shù) ZYXK,三、影

13、像相關(guān)技術(shù)三、影像相關(guān)技術(shù)立體測(cè)圖的關(guān)鍵就是已知同名像點(diǎn)在左、右像片上的位置。對(duì)于全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量而言，如何由計(jì)算機(jī)自動(dòng)從左、右影像中尋找同名像點(diǎn)，也即數(shù)字影像的相關(guān)或匹配是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心問(wèn)題。影像相關(guān)是利用兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，評(píng)價(jià)它們的相似性以確定同名點(diǎn)，即首先取出以待定點(diǎn)為中心的小區(qū)域中的影像信號(hào)，然后取出其在另一影像中相應(yīng)區(qū)域的影像信號(hào)，計(jì)算兩者的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)最大值的相應(yīng)區(qū)域中心點(diǎn)為同名點(diǎn)，即以影像信號(hào)分布最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域。同名區(qū)域的中心點(diǎn)為同名點(diǎn)，這就是自動(dòng)化立體量測(cè)的基本原理。 （一）定向參數(shù)的計(jì)算 1內(nèi)定向 內(nèi)定向的目的是利用框標(biāo)點(diǎn)的像片坐標(biāo)（理論值）與掃描坐標(biāo)，計(jì)

14、算像片坐標(biāo)與掃拈坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，框標(biāo)的位置可以用自動(dòng)的或半自動(dòng)的甚至是人工的方法進(jìn)行定位，獲取掃描坐標(biāo)。 2外定向包括相對(duì)定向和絕對(duì)定向，首先量測(cè)相對(duì)定向點(diǎn)及絕對(duì)定向用的控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)，然后計(jì)算相對(duì)定向元素和絕對(duì)定向元素?，F(xiàn)階段大多數(shù)系統(tǒng)已能自動(dòng)地進(jìn)行相對(duì)定向點(diǎn)的量測(cè)，但絕對(duì)定向點(diǎn)的量測(cè)還需人工地進(jìn)行。（二）空中三角測(cè)量 其基本算法與通常的解析空中三角測(cè)量相同，一般采用光束法空中三角測(cè)量方法。所不同的是利用數(shù)宇影像相關(guān)算法進(jìn)行連接點(diǎn)的自動(dòng)量測(cè)與轉(zhuǎn)點(diǎn)，以替代人工轉(zhuǎn)刺，從而極大地提高空中三角測(cè)量的作業(yè)效率和精度。但是由于自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)的錯(cuò)誤率較高，需要用粗差探測(cè)的方法剔除影像相關(guān)的錯(cuò)點(diǎn)。（三）形成

15、按核線方向排列的立休影像利用相對(duì)定向元素，按同名核線將影像的灰度予以重新排列，形成核線影像。（四）影像相關(guān)或特征匹配 沿核線進(jìn)行影像相關(guān)或特怔匹配，確定同名像點(diǎn)?？紤]到結(jié)果的可靠性與精度，應(yīng)合理地應(yīng)用各種算法。 （五）建立數(shù)字高程模型 （六）自動(dòng)繪制等高線 （七）制作正射影像 （x）等高線與正射影像疊加。制作帶等高線的正射影像圖 （九）制作透視圖和景觀圖（十）數(shù)字影像的機(jī)助量測(cè)，如地物、地貌元素的量測(cè) （十一）地圖編輯與注記影像相關(guān)的方法分類，例如協(xié)方差法、相關(guān)宗數(shù)法、高精度最小二乘相關(guān)等等，以及以這些方法為基礎(chǔ)加上各種約束條件構(gòu)成的方法，如帶核線約束的相關(guān)系數(shù)法、顧及共線條件的高精度最小二乘

16、相關(guān)法、多點(diǎn)乃至多片最小二乘相關(guān)方法及同時(shí)采闡幾種相似性量度作為判據(jù)的多重信息多重判據(jù)方法，等等。這些方法有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都是基干待相關(guān)點(diǎn)所在的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的影像灰度。隨著研究的深入和大量的實(shí)踐，入們發(fā)現(xiàn)，盡管某些區(qū)域相關(guān)方法有可能達(dá)到相當(dāng)高的相關(guān)精度，但面對(duì)千姿百態(tài)、千變?nèi)f化的自然界圇像，區(qū)域相關(guān)有時(shí)卻顯得無(wú)能為力。例如對(duì)于具有均勻亮度的信息貧乏區(qū)域，或者在相關(guān)影像之間存在著較大比例尺差異或扭曲的區(qū)域，元倫千取伺種區(qū)息貧乏區(qū)域，或者在相關(guān)影像之間存在著較大比例尺差異或扭曲的區(qū)域，元倫千取伺種區(qū)域相關(guān)方法，都難以得到正確的相關(guān)結(jié)果、憂而根據(jù)入類視覺(jué)系統(tǒng)觀察事物的經(jīng)驗(yàn)，往住是先整體后局部

17、，先輪廓后細(xì)節(jié)，從而啟迪了人們從提取圖像的特怔入手，進(jìn)行所謂基干特征的影像匹配的研究，并已提出了有效的基于特征的影像匹配算法影像相關(guān)的算法分類影像相關(guān)的算法分類1.基于灰度的影像相關(guān)諸如：協(xié)方差法、相關(guān)系數(shù)法、高精度最小二乘相關(guān)等等，以及以這些方法為基礎(chǔ)加上各種約束條件構(gòu)成的方法，如帶核線約束的相關(guān)系數(shù)法、顧及共線條件的高精度最小二乘相關(guān)法、多點(diǎn)乃至多片最小二乘相關(guān)方法及同時(shí)采闡幾種相似性量度作為判據(jù)的多重信息多重判據(jù)方法，等等。2.基于特征的影像相關(guān)首先提取影像中的特征（點(diǎn)、線、面），然后對(duì)提取的特征進(jìn)行參數(shù)描述，最后以特征的參數(shù)值為依據(jù)進(jìn)行同名特征的搜索，進(jìn)而獲得同名像點(diǎn)。 假設(shè)在左片上有

18、一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，為了搜索它在右片上的同名點(diǎn)，須以它為中心取其周圍 個(gè)像元素的灰度序列組成一個(gè)目標(biāo)區(qū)，在目標(biāo)區(qū)中任意一個(gè)像元素的的灰度值設(shè)為 ， 一般取n為奇數(shù)，其中心點(diǎn)即為目標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)左片上的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)概略地估計(jì)出它在右片上的近似點(diǎn)位，并以此為中心取其周圍 個(gè)影像灰度序列，組成一個(gè)搜索區(qū)。在搜索區(qū)內(nèi)有 個(gè)與目標(biāo)區(qū)等大的區(qū)域，稱為相關(guān)窗口，窗口內(nèi)任意一點(diǎn)的灰度值設(shè)為nn),.,1,(njigijml) 1() 1(nmnl),.,1 , 0,.1 , 0;,.,1,(,nmhnlknjighjki一、協(xié)方差法為了在右像片上的搜索區(qū)域內(nèi)尋找同名點(diǎn)，須按照下式計(jì)算協(xié)方差值作為相似性判斷的依據(jù)：這樣，共有 個(gè)協(xié)方差值，取其最小者對(duì)于的相關(guān)窗口的中心，即為目標(biāo)點(diǎn)的同名像點(diǎn)。 ninjhjkihkninjijninjhkhjkiijhkgggngggggggn11,2,1111,2),(1,1其中，) 1() 1(nmnl二