全數(shù)字?jǐn)z影測量基礎(chǔ)

?

數(shù)字?jǐn)z影測量是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，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，提取所攝對象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測量學(xué)的分支學(xué)科。[Softcopyphotogrammetry(U.S.A),fulldigitalphotogrammetry(China)]?利用計(jì)算機(jī)對數(shù)字化影像或數(shù)字影像進(jìn)行處理，由計(jì)算機(jī)視覺（ComputerVision）（其核心是影像匹配與影像識(shí)別）來代替人眼的立體量測與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取。[此時(shí)，不再需要傳統(tǒng)的光機(jī)儀器與傳統(tǒng)的人工操作方式，而是自動(dòng)化的方式，處理的是數(shù)字影像

]全數(shù)字?jǐn)z影測量基礎(chǔ)§1概述o?

全數(shù)字?jǐn)z影測量的主要內(nèi)容包括：方位參數(shù)的解算、沿核線重采樣、影像匹配、解算空間坐標(biāo)、內(nèi)插數(shù)字表面模型（DSM）、自動(dòng)繪制等值線、通過數(shù)字糾正產(chǎn)生正射影像及生成帶等值線的正射影像圖。?混合數(shù)字?jǐn)z影測量：對要進(jìn)行量測的局部影像進(jìn)行數(shù)字化，由數(shù)字相關(guān)匹配獲得點(diǎn)的空間坐標(biāo)。?全數(shù)字?jǐn)z影測量（軟拷貝攝影測量：softcopyphotogrammetry）：處理的是完整的數(shù)字影像，若原始資料是像片，則要對影像進(jìn)行完全數(shù)字化。利用傳感器直接獲取的數(shù)字影像可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，或記錄在磁帶上，通過磁帶機(jī)輸入計(jì)算機(jī)?！?數(shù)字影像及數(shù)字影像重采樣

一、數(shù)字影像采樣?

數(shù)字圖像是指能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和使用的圖像。?

影像數(shù)據(jù)的表示既有光學(xué)圖像（模擬量）也有數(shù)字圖像（數(shù)字量），二者可轉(zhuǎn)換。?

數(shù)字量與模擬量的本質(zhì)區(qū)別在于模擬量是連續(xù)變量而數(shù)字量是離散變量。?影像數(shù)字化1、空間采樣像元（pixel）2、量化?影像的灰度又稱為光學(xué)密度，在攝影底片上，影像的灰度值反映了它透明的程度，即透光的能力。設(shè)投射在底片上的光通量為F0，而透過底片后的光通量為F。則透過率T為：T=F/F0?透過率說明影像的黑白程度，但人眼對明亮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(shí)，不直接用透過率來表示其黑白的程度。而用對數(shù)值來表示。

D=log(1/T)?影像灰度的量化就是把采樣點(diǎn)上的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)化成為某一種等距的灰度級(jí)。

數(shù)字影像是一個(gè)灰度矩陣：圖4-1二、數(shù)字影像重采樣當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)的數(shù)值時(shí)，就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)稱為重采樣。意即在原采樣的基礎(chǔ)上再一次采樣。50um50um1、最臨近點(diǎn)法(P82)直接取與P（x,y）點(diǎn)位置最近的像元N的灰度值為采樣值。2、雙線性內(nèi)插法§3基于灰度的數(shù)字影像相關(guān)o問題的提出：攝影測量中立體像對（雙像）的量測是提取物體三維信息的基礎(chǔ)。在數(shù)字?jǐn)z影測量中是以影像匹配來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀測，來達(dá)到自動(dòng)確定同名像點(diǎn)的目的。一、影像相關(guān)的概念利用影像匹配獲得的同名點(diǎn)進(jìn)行解析空三以獲得各影像的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)?

目標(biāo)區(qū)：二維相關(guān)時(shí)一般在左影像上先確定一個(gè)待定點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)稱為目標(biāo)點(diǎn)。以此待定點(diǎn)為中心選取個(gè)像素的灰度陣列，作為目標(biāo)區(qū)域（或稱目標(biāo)窗口）。?搜索區(qū)：為了在右影像上搜索同名點(diǎn)，必須估計(jì)出該同名點(diǎn)可能存在的范圍，為此，建立一個(gè)個(gè)像素的灰度陣列作為搜索區(qū)。目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)二、基于灰度的數(shù)字影像相關(guān)目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)三、基于灰度的數(shù)字影像相關(guān)方法匹配測度（評價(jià)兩塊影像的相似程度）1、相關(guān)系數(shù)2、差平方和366538436目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)3664273361250083027328481100.920.560.38(450,450)(300,300)(340,260)(358,346)366538436目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)3664273361250083027328481104>4>4(450,450)(300,300)(340,260)(358,346)補(bǔ)充：特征點(diǎn)提取目標(biāo)區(qū)搜索區(qū)點(diǎn)特征提取算法點(diǎn)特征主要指明顯點(diǎn)，提取點(diǎn)特征的算子稱為興趣算子或有利算子*Moravec算子

Moravec于1977年提出利用灰度方差提取點(diǎn)特征的算子

（1）計(jì)算各像元的興趣值IV在以像素(c,r)為中心的w×w的影像窗口中(如5×5的窗口),計(jì)算圖1所示四個(gè)方向相鄰像素灰度差的平方和:（2）給定一經(jīng)驗(yàn)閾值，將興趣值大于閾值的點(diǎn)作為候選點(diǎn)。

綜上所述，Moravec算子是在四個(gè)主要方向上，選擇具有最大――最小灰度方差的點(diǎn)作為特征點(diǎn)。（3）選取候選點(diǎn)中的極值點(diǎn)作為特征點(diǎn)。55555555520(1,1)550510500015555IV=225IV=16IV=0IV=26IV=0IV=50*

Harris算子

(k–empiricalconstant,k=0.04-0.06)022320012380210000111111111106731100002880001000013-1.5-30.5000.50.50xy-1-1-1.5-0.50.5-0.5-1-3.50.5-0.53、最小二乘影像相關(guān)245001324500012464142246402624500012465015244908724490872465015245001324641422464026同名點(diǎn)號(hào)x1y1x2y2左右視差(x1-x2)上下視差(y1-y2)24640265314.0001973.0001004.4092062.3004309.591-89.30024641425875.0009493.0001752.2789553.1674122.722-60.16724500136418.7316434.5002226.1926505.1004192.539-70.600xyxyAa1a2S1S2問題的提出：在前述的影像匹配方法中沒有考慮到影像灰度的系統(tǒng)變形情況，LSM就是在影像匹配的數(shù)字模型中引入系統(tǒng)變形參數(shù)，按最小二乘原則解求變形參數(shù)。充分利用了影像窗口內(nèi)的信息進(jìn)行平差計(jì)算，使影像匹配可以達(dá)到1/10甚至1/100像素的高精度。（也稱為高精度影像匹配或高精度影像相關(guān)）最小二乘影像匹配德國Ackermann教授提出了一種新的影像匹配方法——最小二乘影像匹配（LeastSquaresImageMatching）影像匹配可以達(dá)到1/10甚至1/100像素的高精度優(yōu)點(diǎn)如下最小二乘影像匹配中可以非常靈活地引入各種已知參數(shù)和條件，從而可以進(jìn)行整體平差。同時(shí)解決“多點(diǎn)”影像匹配或“多片”影像匹配引入“粗差檢測”，從而大大地提高影像匹配的可靠性最小二乘影像匹配原理

影像灰度的系統(tǒng)變形：產(chǎn)生影像灰度分布之間的差異。（1）輻射畸變：大氣輻射的影響及影像數(shù)字化誤差等。（2）幾何畸變：影像的各種畸變及地形高差的影響等?！盎叶炔畹钠椒胶妥钚　?/p>

僅僅認(rèn)為影像灰度只存在偶然誤差

最小二乘影像匹配的數(shù)學(xué)模型

按

vv＝min原則進(jìn)行影像匹配的數(shù)字模型。若在此系統(tǒng)中引入系統(tǒng)變形的參數(shù)，按

vv＝min的原則，解求變形參數(shù)，就構(gòu)成了最小二乘影像匹配系統(tǒng)。靈活,可靠和高精度是優(yōu)點(diǎn),

缺點(diǎn)是，如當(dāng)初始值不太準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)的收斂性等問題有待解決。

影像灰度的系統(tǒng)變形：產(chǎn)生影像灰度分布之間的差異。

輻射畸變：幾何畸變：00002046800201000246000040x1y182111554789401970255403782x2y2yxyxxa1=80，ya1=2190；xa2=83，ya2=1020（單位：pixel）。初次迭代初始值:h0=0,h1=1,a0=0,a1=1,a2=0，b0=0,b1=0,b2=100002046800201000246000040x1y182111554789401970255403782y2yxyxx282111554.026.578.12941.640.679.84702.034.815.56403782y2yxx200002046800201000246000040x1y1yx第1次迭代結(jié)果:h0=0.6,h1=0.3,a0=0.4,a1=0.3,a2=0.1，b0=-0.2,b1=0.3,b2=0.282111554.026.578.12941.640.679.84702.034.815.56403782y2yxx200002046800201000246000040x1y1yx最終迭代結(jié)果:h0=0.6,h1=0.3,a0=0.4,a1=0.3,a2=0.1，b0=-0.2,b1=0.3,b2=0.2xa1=80，ya1=2190；xa2=83，ya2=1020（單位：pixel）。h0=0.032,h1=1.08,a0=-0.21,a1=1.13,a2=-0.06，b0=-0.31,b1=-0.16,b2=0.94。ρ=0.945最小二乘影像匹配的具體計(jì)算過程幾何變形改正。根據(jù)幾何變形改正參數(shù)a0,a1,a2,b0,b1,b2將左方影像窗口的影像坐標(biāo)變換至右方影像陣列：重采樣。由于換算所得之坐標(biāo)x2，y2一般不可能是右方影像陣列中的整數(shù)行列號(hào)，因此重采樣是必須的。輻射畸變改正。利用由最小二乘影像匹配所求得輻射畸變改正參數(shù)h0,h1；對上述重采樣的結(jié)果作輻射改正若相關(guān)系數(shù)小于前一次迭代后所求得的相關(guān)系數(shù)，則可認(rèn)為迭代結(jié)束.也可以根據(jù)幾何變形參數(shù)是否小于某個(gè)預(yù)定的閾值。

計(jì)算最佳匹配的點(diǎn)位.可用梯度的平方為權(quán)，在左方影像窗口內(nèi)對坐標(biāo)作加權(quán)平均：匹配精度取決于影像灰度的梯度

影像匹配的精度與相關(guān)系數(shù)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)愈大則精度愈高。它與影像窗口的“信噪比”有關(guān)，信噪比愈大，則匹配的精度愈高。

影像匹配的精度還與影像的紋理結(jié)構(gòu)有關(guān)，標(biāo)窗口內(nèi)灰度沒有變化時(shí)，則無法進(jìn)行影像匹配。§4核線相關(guān)與同名核線的確定問題的提出：確定同名點(diǎn)是DP的一項(xiàng)重要任務(wù)。由核線的幾何定義可知，同名像點(diǎn)必然位于同名核線上。因此，同名核線的確定是確定同名點(diǎn)的前提。一、核線相關(guān)的概念水平校正誤差大二、同名核線的確定確定同名核線的方法很多，但基本上可以分為兩類：一是基于數(shù)字影像的幾何糾正；二是基于共面條件。1、基于數(shù)字影像幾何糾正的核線解析關(guān)系?核線在航空攝影像片上的掃描行與核線不重合（是互相不平行的），它們交于一個(gè)點(diǎn)-核點(diǎn)，但是如果將像片上的核線投影到一對相對水平的像片對上（平行于攝影基線的像片對）則核線相互平行。?此方法的實(shí)質(zhì)是將傾斜像片上的核線投影到“水平像片”對上，求得“水平像片”對上的同名核線。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2A核面同名核線A核線重排列vu2、基于共面條件的同名核線幾何關(guān)系§5數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)一、DPW的組成1、硬件組成：計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備外部設(shè)備：①立體觀測及操作控制設(shè)備。②輸入輸出設(shè)備一、數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的概念二、主要功能及硬件設(shè)備1、硬件組成：計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備外部設(shè)備：①立體觀測及操作控制設(shè)備。②輸入輸出設(shè)備2、軟件組成：數(shù)字影像處理、模式識(shí)別、解析攝影測量、輔助功能軟件數(shù)字影像處理軟件影像旋轉(zhuǎn)影像濾波特征提取影像增強(qiáng)模式識(shí)別軟件特征識(shí)別與定位（包括框標(biāo)的識(shí)別與定位）影像匹配目標(biāo)識(shí)別解析攝影測量軟件定向參數(shù)計(jì)算空中三角測量解算數(shù)值內(nèi)插核線關(guān)系解析數(shù)字微分糾正1、影像數(shù)字化利用高精度的影像數(shù)字化儀（掃描儀）將像片轉(zhuǎn)化為數(shù)字影像2、影像處理使影像的亮度與反差合適、色彩適度、方位正確。3、影像量測

?單像量測：特征提取與定位

?雙像量測：影像匹配及交互立體量測

?多像量測：多影像間的匹配4、影像定向

?

內(nèi)定向：在框標(biāo)的自動(dòng)與半自動(dòng)識(shí)別與定位的基礎(chǔ)上利用框標(biāo)的檢校坐標(biāo)與定位坐標(biāo)，計(jì)算掃描坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)系間的變換參數(shù)。

?

相對定向：提取影像中的特征點(diǎn)，利用二維相關(guān)提取同名點(diǎn)，計(jì)算相對定向參數(shù)。傳統(tǒng)的攝影測量一般只在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位量測6對同名