數(shù)字攝影測量演示文稿

數(shù)字攝影測量演示文稿11/4/20231第1頁，共55頁。優(yōu)選數(shù)字攝影測量11/4/20232第2頁，共55頁。數(shù)字攝影測量DigitalPhotogrammetry11/4/20233第3頁，共55頁。（一）數(shù)字攝影測量概述（二）影像數(shù)字化及影像重采樣（三）基于灰度的影像相關(guān)（四）同名核線的確定與核線相關(guān)（五）基于特征的影像匹配（六）數(shù)字攝影測量系統(tǒng)（DPS）數(shù)字攝影測量11/4/20234第4頁，共55頁。為能利用攝影測量方法獲取地面目標的幾何信息，首先必須對影像進行量測。無論在模擬攝影測量階段，還是解析攝影測量階段，量測工作均需要人工進行。（一）數(shù)字攝影測量概述例如：在立體坐標量測儀上進行像點坐標立體量測，或在模擬測圖儀上進行定向、測繪地物與地貌時，都要人眼在立體觀察情況下使左右測標對準左右同名像點。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，攝影測量工作者一直在研究如何用計算機代替人完成一些攝影測量任務(wù)，如同名像點的量測及建立立體模型等。這就是自動化測圖的重要內(nèi)容。早期的自動化測圖（1950年美國研制了第一臺）是將像片上的灰度信號轉(zhuǎn)化為電信號，利用電子相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)自動化量測。11/4/20235第5頁，共55頁。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，將電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，由計算機來實現(xiàn)相關(guān)運算，這種方法稱為數(shù)字相關(guān)（DigitalCorrelation）。20世紀60年代初美國研制的自動解析測圖儀SA-11B-X及RASTER均利用數(shù)字相關(guān)技術(shù)。到了80年代，對數(shù)字相關(guān)的研究占了統(tǒng)治地位。利用數(shù)字灰度信號，采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)量測同名像點，在此基礎(chǔ)上通過解析計算，進行相對定向和絕對定向，建立數(shù)字立體模型，從而建立DEM、繪制等高線、制作DOM以及為GIS提供基礎(chǔ)信息等。這就是數(shù)字攝影測量。由于整個過程都是以數(shù)字形式在計算機中完成，因而又稱為全數(shù)字化攝影測量。11/4/20236第6頁，共55頁。實現(xiàn)數(shù)字影像自動測圖的系統(tǒng)稱為數(shù)字攝影測量系統(tǒng)DPS（DigitalPhotogrammetricSystem）或數(shù)字攝影測量工作站DPW（DigitalPhotogrammetricWorkstation）。這種系統(tǒng)不同于其它自動化測圖儀，它即沒有模擬測圖儀，也沒有解析測圖儀，它實質(zhì)上是一個普通的計算機影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其硬設(shè)備就是影像數(shù)字化裝置、影像或圖形輸出裝置及電子計算機，而由事先編制好的置于計算機中的軟件系統(tǒng)來完成各種攝影測量處理工作。因此，這種系統(tǒng)的功能主要取決于計算機及軟件系統(tǒng)的功能。1988年京都第16屆ISPRS，標志著數(shù)字攝影測量在迅速發(fā)展。1992年華盛頓第17屆ISPRS，標志著數(shù)字攝影測量正在走向?qū)嵱?，并步入攝影測量生產(chǎn)。1996年維也納召開的第18屆ISPRS，實現(xiàn)了攝影測量幾何處理的自動化，并把GPS技術(shù)引入攝影測量，以確定攝影時的方位元素。11/4/20237第7頁，共55頁。數(shù)字攝影測量系統(tǒng)DPS之所以受到廣泛重視，是因為它的功能優(yōu)越于解析測圖儀，更遠遠超過模擬測圖儀。模擬時代的攝影測量作業(yè)大部分依賴于各種各樣的攝影測量儀器。如坐標量測儀、糾正儀、正射投影儀等等。每種儀器均各具不同的用途，其設(shè)計、結(jié)構(gòu)、通用性、靈活性、精度、輸入輸出等亦各異。解析測圖儀則前進了一大步：在一臺解析測圖儀上便可完成多種不同類型的任務(wù)。而數(shù)字攝影測量系統(tǒng)則又在解析測圖儀的基礎(chǔ)上前進了一大步：集各種功能于一體，且其應(yīng)用范圍也將大大擴展。11/4/20238第8頁，共55頁。數(shù)字攝影測量工作站DPW除了能勝任解析測圖儀的一切任務(wù)外，尚具有許多新的功能，如：影像位移的去除、任意方式的糾正、反差的擴展、多幅影像的比較分析、圖像識別、影像數(shù)字相關(guān)、以及數(shù)據(jù)庫的管理等等；通過顯示器還可觀察數(shù)字圖像以及框標、控制點、連接點、DEM及其它所需特征；易于實現(xiàn)用于整體檢查和質(zhì)量控制的圖形顯示或疊合，甚至進行立體顯示；可對圖像自動進行所需要的特征提?。痪哂袑崟r數(shù)據(jù)獲取和處理的能力。等等。11/4/20239第9頁，共55頁。目前數(shù)字攝影測量系統(tǒng)仍處于發(fā)展的時期，其自動化功能僅限于幾何處理，即可進行自動內(nèi)定向、相對定向，自動建立DEM、制作DOM。其它工作要作采用自動或人工的方式進行。特別是地物的測繪，目前全部是人工交互方式。數(shù)字攝影測量系統(tǒng)11/4/202310第10頁，共55頁。數(shù)字影像的產(chǎn)生：直接從空間飛行器中的掃描式傳感器產(chǎn)生；利用影像數(shù)字化器對攝取的像片通過影像數(shù)字化過程獲得。（二）影像數(shù)字化與影像重采樣VexcelUltra5000專業(yè)航片掃描儀11/4/202311第11頁，共55頁。一、影像數(shù)字化儀有多種，主要有：電子－光學掃描器和固體陣列式數(shù)字化器等。電子－光學掃描器 主要分：滾筒式和平臺式兩類。xy光源11/4/202312第12頁，共55頁。一、影像數(shù)字化儀在一條線上可以排列到2048個傳感器。亦可由多組2048個傳感器串聯(lián)成更長的線陣列。在一個面積上可以排列成面陣列式傳感器。固體陣列式數(shù)字化器

是使用在一條線上或者是在一個面積上排列的半導體傳感器（電荷耦合裝置CCD），對像片進行數(shù)字化，而無需使用掃描頭的移動。11/4/202313第13頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程影像數(shù)字化：將透明正片（或負片）放在影像數(shù)字化器上，把像片上像點的灰度值用數(shù)字形式記錄下來的過程。VexcelUltra5000專業(yè)航片掃描儀影像的灰度 又稱為光學密度。透明像片（正片或負片）上影像的灰度值，反映了它透明的程度，即透光的能力。11/4/202314第14頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程影像的灰度設(shè)投影在透明像片上的光通量為F0，而透過透明像片后的光通量為F，則F與F0之比稱為透過率T，F(xiàn)0與F之比稱為不透過率O：因此，像點愈黑，則透過的光通量愈小，不透過率愈大，所以，透過率和不透過率都可以說明影像黑白的程度。11/4/202315第15頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程影像的灰度但是，人眼對明暗程度的感覺是按對數(shù)關(guān)系變化的。為了適應(yīng)人眼的視覺，在分析影像的性能時，不直接用透過率或不透過率表示其黑白程度，而用不透過率的對數(shù)值表示：D稱為影像的灰度，當光線全部透過時，即透過率為1，則影像的灰度為0；當光通量僅透過百分之一，即不透過率是100時，則影像的灰度為2，實際的航空底片的灰度一般在0.3至1.8范圍之內(nèi)。11/4/202316第16頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程采樣：在像片上像點是連續(xù)分布的，但在影像數(shù)字化過程中不可能將每一個連續(xù)的像點全部數(shù)字化，而只能每隔一個間隔（Δ）讀一個點的灰度值，這個過程稱為采樣，Δ稱為采樣間隔。采樣與量化 影像數(shù)字化過程包括采樣與量化兩項內(nèi)容。采樣后是不連續(xù)的等間隔序列，采樣過程會給影像的灰度帶來誤差。所以采樣間隔越小越好。但是采樣間隔越小，數(shù)據(jù)量越大。11/4/202317第17頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程量化：通過采樣過程得到的每個點的灰度值不是整數(shù)，不方便計算。為此，應(yīng)將各點的灰度值取為整數(shù)，這個一過程稱為影像灰度的量化。采樣與量化 影像數(shù)字化過程包括采樣與量化兩項內(nèi)容。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行等分，等分的數(shù)目稱為“灰度等級”，然后將每個點的灰度值在其相應(yīng)的灰度等級內(nèi)取整，取整的原則是四舍五入。11/4/202318第18頁，共55頁。二、影像數(shù)字化過程量化：采樣與量化 影像數(shù)字化過程包括采樣與量化兩項內(nèi)容。由于數(shù)字計算機中數(shù)字均用二進制表示，因此灰度等級一般都取為2m（m是正整數(shù)）。當m=1時，灰度只有黑白兩級，當m=8時，則得256個灰度級。其中，級數(shù)是介于0～255之間，0為黑，255為白，每個像元素的長度值占8bit，即一個字節(jié)。11/4/202319第19頁，共55頁。三、數(shù)字影像的構(gòu)成經(jīng)過影像數(shù)字化以后得到的數(shù)字影像是一個二維的數(shù)字矩陣：矩陣的每個元素稱一個元素(Pixel=Pictureelement)。對各像元素所賦予的灰度值g(m,n)一般在0～255之間某個整數(shù)，代表像元素的黑白程度。矩陣的每一行對應(yīng)于一個掃描行。11/4/202320第20頁，共55頁。三、數(shù)字影像的構(gòu)成11/4/202321第21頁，共55頁。四、數(shù)字影像內(nèi)定向在攝影測量中常取用以像主點為原點的像平面坐標來建立像點與地面點的坐標關(guān)系。數(shù)字影像內(nèi)定向： 由于在像片掃描的數(shù)字化過程中，像片的掃描坐標系與像平面坐標系不平行，且坐標原點不同，所以同一像點的像平面坐標x，y與其掃描坐標x，y不相等，需要加以換算，這種換算稱為數(shù)字影像內(nèi)定向。11/4/202322第22頁，共55頁。四、數(shù)字影像內(nèi)定向其數(shù)值由像片上四個框標的掃描坐標及其相應(yīng)的像平面坐標（視為理論值）組成誤差方程式，用平差運算求得。11/4/202323第23頁，共55頁。立體測圖的關(guān)鍵是要已知同名像點在左、右像片上的位置，無論是在模擬測圖儀上還是在解析儀上作業(yè)，都需要作業(yè)員通過人眼的立體觀測，不斷地從左、右像片上搜索同名像點，也是就探求影像的相關(guān)。對于全數(shù)字化攝影測量，在沒有人眼的立體觀測的情況下，如何從左、右數(shù)字影像中尋找同名像點，亦即數(shù)字影像相關(guān)，是其核心問題。對這個問題的研究，從分析影像的灰度特性入手，提出了許多各具特色的數(shù)字影像相關(guān)方法，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。這些方法有一個共同的特點，即：它們都是基于待相關(guān)點所在的一個小區(qū)域內(nèi)的影像灰度。（三）基于灰度的影像相關(guān)11/4/202324第24頁，共55頁。一、相關(guān)系數(shù)法假設(shè)在左片上有一個目標點，為了搜索它在右片上的同名點，須以這目標點為中心取其周圍n×n個像元素的灰度序列組成一個目標區(qū)，如圖：在目標區(qū)中任意一個像元素的灰度值設(shè)為gij（i,j＝1,2,…,n），一般取n為奇數(shù)，其中心點即為目標點。根據(jù)左片上目標點的坐標概略地估計出它在右片上的近似點位，并以此為中心取其周圍l×m個影像灰度序列（l,m>n），組成一個搜索區(qū)。11/4/202325第25頁，共55頁。一、相關(guān)系數(shù)法在搜索區(qū)內(nèi)有（l-n+1）×（m-n＋1）個與目標區(qū)等大的區(qū)域，稱為相關(guān)窗口，窗口內(nèi)任意一點的灰度值設(shè)為g′i+k,j+h（k=0,1,…,l-n，h=0,1,…,m-n）。為了在右像片上的搜索區(qū)內(nèi)尋找同名點，須按下式計算相關(guān)系數(shù)值：11/4/202326第26頁，共55頁。上式可計算出（l-n+1）×（m-n＋1）個相關(guān)系數(shù)ρ。當ρ取最大值時，對應(yīng)的相關(guān)窗口的中點即被認為是待定點的同名像點。11/4/202327第27頁，共55頁。二、協(xié)方差法用協(xié)方差法搜索同名像點的過程與相關(guān)系數(shù)法基本相同，不同之處僅在于采用的相似性判據(jù)不同。這里采用協(xié)方差值作為相似性判據(jù)。為了搜索同名像點須按下式計算協(xié)方差值：這樣，共有（l-n+1）×（m-n＋1）個協(xié)方差值，取其最小者對應(yīng)的相關(guān)窗口的中心，即為目標點的同名像點。11/4/202328第28頁，共55頁。略……三、高精度最小二乘相關(guān)11/4/202329第29頁，共55頁。在影像相關(guān)方法中，無論是目標區(qū)，還是搜索區(qū)，都是一個二維的影像窗口，在進行相關(guān)計算時，其計算量是相當大的。由攝影測量基本知識可知，通過攝影基線所作的任意一個與像片面相交的平面，與像片對相交，就會在左、右像片上獲得一對同名核線，由核線的幾何關(guān)系確定了同名點必然位于同名核線上。這樣，利用核線(epipolarline)的概念就能將沿著x，y方向搜索同名點的二維相關(guān)問題，改成為沿同名核線的一維相關(guān)問題。（把二維變到一維上。）（四）同名核線的確定與核線相關(guān)11/4/202330第30頁，共55頁。但是在影像數(shù)字化過程中，像元素按矩陣形式規(guī)則排列，掃描行不是核線方向。因此，欲進行核線相關(guān)，必須先找到核線，而且核線確定的精度直接影響到影像相關(guān)的精度。當兩個比例尺不同的影像相關(guān)時，可能同名點的灰度相關(guān)很大，灰度相關(guān)就很難實現(xiàn)，所以只能基于特征相關(guān)。11/4/202331第31頁，共55頁。一、核線幾何關(guān)系解析確定同名核線的方法很多，原理上最簡單的一種方法是：基于數(shù)字影像幾何糾正的方法。同名核線在航攝像片上是互相不平行的，它們交于一個點（核點）。但是，如果將像片上的核線投影到一對“相對水平”的像片（平行于投影基線的像片對），則核線相互平行。如下圖：（b）水平像片（b）實際像片核線的幾何關(guān)系11/4/202332第32頁，共55頁。正是由于相對水平像片對具有這一特性，我們就有可能在相對水平像片上建立規(guī)則的格網(wǎng)，它的行就是核線，核線上像元素（坐標為xt，yt）的灰度可由它對應(yīng)的實際像片上的像元素（坐標為x，y）的灰度求得，即g(xt，yt)＝g(x，y)。下右圖代表通過攝影基線SS′=B和某一個攝影射線SA所構(gòu)成的平面，亦即通過像點a的核平面，圖中P代表位在左方的航攝像片。11/4/202333第33頁，共55頁。t代表相應(yīng)的平行于攝影基線的水平像片，at為A點在左水平像片上的相應(yīng)像點。設(shè)a，at在各自的像片坐標系中的坐標分別為（x，y）和（xt，yt），則：11/4/202334第34頁，共55頁。式中a1，a2，……，c3為左片的方向余弦，為這張像片相對于攝影基線的角方位元素的函數(shù)，f為像片主距。顯然在相對水平像片上，當yt＝常數(shù)，則為核線。將yt=c代入上式，經(jīng)整理得：11/4/202335第35頁，共55頁。若以等間隔取一系列的xt值kΔ，(k+1)Δ，(k+2)Δ，……，即求得一系列的像片坐標(x1，y1),(x2，y2),(x3，y3)，……，這些像點就位于傾斜像片P的核線上，將這些像點的灰度g(x1，y1)，g(x2，y2)，……直接賦給相對水平像片上相應(yīng)的像點，即： g0(kΔ,c)=g(x1，y1)，

g0((k+1)Δ,c)=g(x2，y2) ………… 就能獲得相對水平像片上的核線影像。11/4/202336第36頁，共55頁。由于在相對水平像片上，同名核線的y′t坐標值相等，因此，將同樣的y′t=c代入右片共線方程：式中a′1，a′2，……，c′3為右片的方向余弦，分別是右片相對于攝影基線的角方位元素的函數(shù)，f為像片主距?！纱思吹糜移系耐司€。11/4/202337第37頁，共55頁。數(shù)字影像是個規(guī)則排列的灰度格網(wǎng)序列，為了獲取核線的灰度序列，必須對原始影像灰度重采樣。二、沿核線重采樣右圖為相對水平像片上沿核線排列的規(guī)則格網(wǎng)，為求得每個格網(wǎng)的灰度，須按下式依次將每個格網(wǎng)點的坐標（xt，yt）反算到原始像片上，得到相應(yīng)的坐標（x，y）。11/4/202338第38頁，共55頁。但是，由于所求得的像點不一定恰好落在原始像片上像元素的中心，因此，就必須進行灰度重采樣。如下右圖，Δ為原始像片數(shù)字化時的采樣間隔，待求的像元素的灰度g可由其周圍四個像元的灰度值g1，g2，g3，g4經(jīng)雙線性內(nèi)插求得：11/4/202339第39頁，共55頁。與二維相關(guān)不同的是，其目標區(qū)和搜索區(qū)分別位于左、右同名核線上，均為一維的影像窗口，現(xiàn)以相關(guān)系數(shù)法為例，介紹核線相關(guān)的過程。為了沿同名核線搜索同名點，在左核線上建立一個目標區(qū)，該目標區(qū)中心就是目標點，目標區(qū)的長度為n個像元素（n為奇數(shù)）；在右片上沿同名核線建立搜索區(qū)，其長度為m個像元素，如下圖：三、核線相關(guān)11/4/202340第40頁，共55頁。為找同名點，須按下式計算相關(guān)系數(shù)值：共計算（m-n+1）個相關(guān)系數(shù)，判別其中最大的一個，設(shè)k＝k0時相關(guān)系數(shù)取得最大值，則同名像點在搜索區(qū)內(nèi)的序號為k0+(n+1)/2。11/4/202341第41頁，共55頁。前面介紹了幾種基于灰度的影像相關(guān)方法，它們均是直接以待定點為中心的窗口內(nèi)影像灰度值為依據(jù)進行同名點的搜索。一般而言，這些方法大多不能顧及圖像的總體結(jié)構(gòu)，而是機械地按照某種或幾種相似性判據(jù)逐像元以一定大小的窗口順序進行相關(guān)搜索。雖然在某些情況下也能獲得較高的相關(guān)精度，但是對于信息貧乏區(qū)域，或相關(guān)影像之間存在著較大比例尺差異或扭曲的區(qū)域，相關(guān)則難免失敗。（五）基于特征的影像匹配11/4/202342第42頁，共55頁。而基于特征的影像匹配（featurebasedimagematching）是另一類搜索同名像點的方法?；舅枷胧牵菏紫扔媚撤N特征提取算子提取影像中的特征（點、線、面）；然后對提取的特征進行參數(shù)描述；最后以特征的參數(shù)值為依據(jù)進行同名特征的搜索，繼而獲得同名像點。11/4/202343第43頁，共55頁。一、特征提取用于影像匹配的特征分為點特征和線特征兩種。在數(shù)字圖像處理中通常將線特征稱為邊緣。用于提取點特征的算子稱為有利算子或興趣算子，提取的特征點稱為有利點或興趣點；用于提取邊緣的算子稱為邊緣檢測算子或邊緣檢測器。一般而言，點特征（如明顯地物點）具有較高的匹配精度。特別是當圖像的方位元素未知時，往往需要首先匹配少量點求解圖像的相對方位元素，這時點特征就顯示其重要性。但孤立的特征點匹配亦可能出現(xiàn)多義性。11/4/202344第44頁，共55頁。一、特征提取如果已知圖像的方位元素，則可以方便地引用核線約束條件。這時與核線正交或近似正交的邊緣特征不僅可以達到高的匹配精度，同時還可用作核線與核線之間匹配信息的傳遞媒介。即：將已匹配成功的核線上的邊緣信息沿著邊緣傳遞到待匹配的核線，從而提高核線匹配的精度、速度和可靠性。11/4/202345第45頁，共55頁。1、用于提取點特征的有利算子Moravec算子 是通過逐像元量測與其鄰元的灰度差，搜索相鄰像元之間具有高反差的點，具體方法有：計算各像元的有利值IV（InterestValue）。給一定閾值，確定特定的有利點。抑制局部非最大。11/4/202346第46頁，共55頁。Forstner算子 是通過逐像元計算其Robert’s梯度和協(xié)方差矩陣尋找具有盡可能小而圓的誤差隨圓的點作為特征點。具體方法有：以5×5或更大的窗口逐像元計算Robert’s梯度和協(xié)方差矩陣，以及有利值q和w。確定待選的有利窗口。抑制局部非最大。在最佳窗口中確定加權(quán)中心作為最后所需的有利點，即特征點。11/4/202347第47頁，共55頁。LY算子 。具體方法略。11/4/2